ชิ้นส่วนจากการชนที่สร้างดวงจันทร์

 

ภาพจากศิลปินแสดงธีอาชนกับไกอา วัตถุที่ได้จากการชนนี้กลายเป็นโลกและดวงจันทร์ ทิ้งร่องรอยความไม่เป็นเนื้อเดียวกัน(heterogeneity) ในชั้นเนื้อโลก(mantle)  

     ทีมวิจัยสหวิทยาการในระดับนานาชาติเพิ่งพบว่า ก้อนที่มีความหนาแน่นผิดปกติภายในชั้นแมนเทิลของโลก อาจจะเป็นซากจากการชนที่สร้างดวงจันทร์เมื่อ 4.5 พันล้านปีก่อน งานวิจัยได้ให้แง่มุมใหม่ที่สำคัญไม่เพียงแต่สู่สภาพภายในของโลก แต่ยังรวมถึงวิวัฒนาการระยะยาวและการก่อตัวของระบบสุริยะส่วนใน

     งานวิจัยซึ่งพึ่งพาวิธีการพลวัตของไหลแบบคำนวณ ซึ่งคิดค้นโดยศาสตราจารย์ เติ้ง หงผิง จากหอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์ซั่งไห่(SHAO) สถาบันวิทยาศาสตร์จีน เผยแพร่ใน Nature วันที่ 2 พฤศจิกายน

    การก่อตัวของดวงจันทร์เป็นปริศนาที่อยู่ยงมานานหลายชั่วอายุนักวิทยาศาสตร์ ทฤษฎีชั้นนำได้บอกว่า ในระหว่างการเจริญขั้นสุดท้ายของโลกเมื่อราว 4.5 พันล้านปีก่อน เกิดการชนครั้งใหญ่(giant impact) ขึ้นระหว่าง โลกยุคโบราณ(หรือไกอา; Gaia) กับดาวเคราะห์ทารกขนาดพอๆ กับดาวอังคารที่เรียกว่า ธีอา(Theia) เชื่อกันว่า ดวงจันทร์ก่อตัวขึ้นจากเศษซากจากการชนนี้

    แบบจำลองเสมือนจริงมากมายได้บ่งชี้ว่าดวงจันทร์น่าจะได้รับมรดกวัสดุสารจากธีอาเป็นหลัก ในขณะที่จากโลกยุคโบราณเนื่องจากมีมวลที่สูงกว่าอย่างมาก จึงปนเปื้อนด้วยวัสดุสารจากธีอาเพียงเล็กน้อย เนื่องจากไกอาและธีอามีการก่อตัวที่ค่อนข้างเป็นอิสระต่อกัน และประกอบด้วยวัสดุสารที่แตกต่างกัน ทฤษฎีบอกว่าดวงจันทร์(ซึ่งอุดมไปด้วยวัสดุสารจากธีอา) และโลก ก็น่าจะมีองค์ประกอบที่แตกต่างกัน

     อย่างไรก็ตาม การตรวจสอบไอโซโทปความแม่นยำสูงในเวลาต่อมา ได้เผยว่าองค์ประกอบของโลกและดวงจันทร์มีความคล้ายคลึงกันอย่างมาก จนท้าทายทฤษฎีการก่อตัวดวงจันทร์ข้างต้น แม้ในเวลาต่อมาจะมีการนำเสนอแบบจำลองการชนครั้งใหญ่ที่ปรับแต่งมา แต่ก็ยังมีความท้าทายอยู่

     เพื่อที่จะปรับปรุงทฤษฎีการก่อตัวดวงจันทร์ ศาสตราจารย์เติ้งเริ่มทำการวิจัยการก่อตัวดวงจันทร์ในปี 2017 เขามุ่งเป้าไปที่การพัฒนาวิธีการกลศาสตร์ของไหลแบบคำนวณชนิดใหม่ที่เรียกว่า Meshless Finite Mass(MFM) ซึ่งประมวลความปั่นป่วนในแบบจำลองกับการผสมของวัสดุสารได้อย่างเที่ยงตรง ด้วยการใช้แบบจำลองเสมือนจริงการชนครั้งใหญ่อันใหม่ เติ้งจึงพบว่าโลกยุคต้นมีการแบ่งชั้นหินแล้วหลังจากการชน โดยชั้นเนื้อโลก(mantle) ส่วนบนและส่วนล่างมีองค์ประกอบและสถานะที่แตกต่างกัน

LLVPs 2 แหล่งใกล้แกนกลางโลก

     โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ชั้นเนื้อโลกส่วนบนยังมีมหาสมุทรแมกมา ซึ่งเกิดขึ้นจากการผสมอย่างทั่วถึงของวัสดุสารจากไกอาและธีอา ในขณะที่ชั้นเนื้อส่วนล่างยังคงเป็นของแข็งซะส่วนใหญ่และรักษาองค์ประกอบเดิมจากไกอาไว้ได้

    งานวิจัยก่อนหน้านี้ได้ให้ความสนใจไปที่โครงสร้างของดิสก์เศษซากจากการชนมากเกินไป และได้มองข้ามผลจากการชนครั้งใหญ่ที่มีต่อโลกยุคต้น เติ้งกล่าว

     หลังจากพูดคุยกับนักธรณีฟิสิกส์จากสถาบันเทคโนโลจีกลางแห่งสมาพันธรัฐสวิส ในซือริค(ETH Zürich) ศาสตราจารย์เติ้งและเพื่อนร่วมงานก็ตระหนักว่าการแบ่งชั้นในเนื้อโลกนี้ อาจจะปรากฏอยู่จนถึงทุกวันนี้ จากที่สะท้อนคลื่นไหวสะเทือนที่ชั้นเนื้อโลกระดับกลาง(ราว 1000 กิโลเมตรใต้พื้นผิว) โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ชั้นเนื้อโลกส่วนล่างทั้งหมดอาจจะอุดมไปด้วยวัสดุสารไกอาก่อนการชน ซึ่งมีองค์ประกอบธาตุ(รวมถึงมีซิลิกอนที่สูงกว่า) ที่แตกต่างจากชั้นเนื้อโลกส่วนบนที่มีวัสดุสารจากธีอาและไกอาผสมรวมกัน  

     การค้นพบของเราท้าทายแนวคิดที่ว่าการชนครั้งใหญ่นำไปสู่การผสมรวมเป็นเนื้อเดียวกัน(homogenization) ของโลกยุคต้น เติ้งกล่าว ผมแค่พยายามจะผสมวัสดุสารจากวัตถุทั้งสองเข้าด้วยกัน แต่พวกมันไม่ยอมผสมกัน เติ้งกล่าวถึงแบบจำลอง กลับเป็นว่า การชนที่สร้างดวงจันทร์ดูจะให้กำเนิดความไม่เป็นเนื้อเดียวกัน(heterogeneity) ของชั้นเนื้อโลกส่วนบน และกลายเป็นจุดเริ่มต้นให้กับวิวัฒนาการทางธรณีวิทยาโลกตลอด 4.5 พันล้านปี

      ตัวอย่างความไม่เป็นเนื้อเดียวกันของชั้นเนื้อโลก อีกประการก็คือ มีพื้นที่แปลกประหลาด 2 แห่งซึ่งเรียกว่า LLVPs(Large Low Velocity Provinces) ที่แผ่ยาวหลายพันกิโลเมตรที่ฐานของชั้นเนื้อโลก(ลึกราว 2900 กิโลเมตรลงไป) ใกล้รอยต่อกับแกนกลางโลก แผ่นหนึ่งอยู่ใต้แผ่นแปรสัณฐานอาฟริกาใต้ และอีกแผ่นอยู่ใต้แผ่นแปรสัณฐานแปซิฟิค เมื่อคลื่นไหวสะเทือนเคลื่อนผ่านพื้นที่เหล่านี้ ความเร็วคลื่นจะลดลงอย่างมาก

ภาพจากศิลปินแสดงกำเนิดของ LLVPs ที่เกิดจากการชนครั้งใหญ่ที่สร้างดวงจันทร์

     LLVPs มีนัยสำคัญต่อวิวัฒนาการของชั้นเนื้อโลก, การแยกตัวและการเกาะกันของมหาทวีป(supercontinent) และโครงสร้างแปรสัณฐานของโลก อย่างไรก็ตาม กำเนิดของพวกมันยังเป็นปริศนา

     Dr. Yuan Qian จากสถาบันเทคโนโลจีแห่งคาลิฟอร์เนีย(Caltech) พร้อมทั้งเพื่อนร่วมงาน ได้เสนอว่า LLVPs อาจพัฒนาจากวัสดุสารธีอาจำนวนน้อยที่เข้ามาถึงชั้นเนื้อส่วนล่างของไกอา จากนั้นพวกเขาก็เชิญศาสตราจารย์เติ้งมาศึกษาการกระจายตัวและสถานะของวัสดุสารธีอาในโลกส่วนลึกหลังจากเกิดการชนครั้งใหญ่ขึ้น

      จากการวิเคราะห์แบบจำลองการชนครั้งใหญ่ก่อนหน้านี้อย่างลงลึก และทำแบบจำลองเสมือนจริงใหม่ๆ โดยมีความแม่นยำสูงขึ้น ทีมวิจัยก็พบว่ามีวัสดุสารเนื้อธีอาราว 2% มวลโลก ที่เข้ามาถึงชั้นเนื้อส่วนล่างของไกอา จากนั้น ศาสตราจารย์เติ้งก็เชิญนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์การคำนวณ Dr. Jacob Kegerreis เพื่อยืนยันข้อสรุปนี้ โดยใช้วิธีการ SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)     

      ทีมวิจัยยังคำนวณได้ว่าวัสดุสารจากชั้นเนื้อของธีอานี้ คล้ายคลึงกับหินดวงจันทร์ คืออุดมไปด้วยเหล็ก ทำให้มันมีความหนาแน่นสูงกว่าวัสดุสารไกอาที่อยู่รอบๆ ด้วยเหตุนี้ จากพื้นผิวมันจึงจมลงสู่ฐานชั้นเนื้อไกอาอย่างรวดเร็ว และการพาในชั้นเนื้อระยะยาว ก็ก่อตัวเป็นพื้นที่ LLVP 2 แห่ง LLVPs เหล่านี้ค่อนข้างเสถียรมาตลอด 4.5 พันล้านปีของวิวัฒนาการทางธรณีวิทยา

     ความไม่เป็นเนื้อเดียวกันในชั้นเนื้อโลกเบื้องลึก ไม่ว่าจะเป็นการสะท้อนออกจากชั้นเนื้อส่วนกลาง หรือ LLVPs ที่ฐานชั้นเนื้อโลกเอง ก็บอกว่า ภายในของโลกนั้นห่างไกลจากสภาพเป็นเนื้อเดียวกัน ในความเป็นจริงแล้ว อาจมีความไม่เป็นเนื้อเดียวกันในส่วนลึกที่ถูกนำขึ้นมาที่พื้นผิวโดยปล่องเนื้อโลก(mantle plumes) ซึ่งเป็นกระแสความร้อนที่เอ่อขึ้นมาในรูปทรงกระบอก ที่เกิดจากการพาในชั้นเนื้อ อย่างเช่นที่น่าจะทำให้เกิดการก่อตัวของหมู่เกาะฮาวาย และไอซ์แลนด์ ขึ้น

     ยกตัวอย่างเช่น นักธรณีเคมีที่ศึกษาอัตราส่วนไอโซโทปก๊าซหายากในตัวอย่างของหินบะซอลต์จากไอซ์แลนด์ ได้พบว่าตัวอย่างเหล่านี้มีองค์ประกอบที่แตกต่างจากวัสดุสารทั่วไปที่พื้นผิว องค์ประกอบเหล่านั้นเป็นซากความไม่เป็นเนื้อเดียวกันในชั้นเนื้อส่วนลึกที่มีอายุย้อนไปถึง 4.5 พันล้านปี และทำหน้าที่เป็นกุญแจสู่ความเข้าใจสถานะเริ่มต้นของโลก และแม้แต่การก่อตัวดาวเคราะห์ใกล้เคียง

     ดร เติ้ง บอกว่าจากการวิเคราะห์ตัวอย่างหินที่หลากหลายมากขึ้นอย่างแม่นยำ ร่วมกับแบบจำลองการชนครั้งใหญ่ที่ปรับแต่งรายละเอียดมากขึ้น และแบบจำลองวิวัฒนาโลก เราก็สามารถระบุองค์ประกอบวัสดุสารและพลวัตการโคจรของโลกยุคดึกดำบรรพ์, ไกอา และธีอาได้ นี่จะช่วยให้เราได้ระบุความเป็นมาของการก่อตัวระบบสุริยะส่วนในได้ทั้งหมด นอกจากนี้ ยังอาจมีบทบาทที่กว้างขึ้น ถ้างานวิจัยนี้ให้แรงบันดาลใจในการเข้าใจการก่อตัวและความสามารถในการเอื้ออาศัยได้ของดาวเคราะห์นอกระบบ

แหล่งข่าว phys.org : massive anomaly within Earth’s mantle may be remnant of collision that formed moon
                sciencealert.com : scientists detect traces of an ancient alien world beneath Earth’s mantle
                iflscience.com : anomalies inside Earth’s mantle may come from ancient moon-forming collisions