นักฟิสิกส์พบมวลปริศนาใต้แอ่งยักษ์บนดวงจันทร์

ภาพแสดงภูมิประเทศด้านไกลของดวงจันทร์บริเวณแอ่งยักษ์ Aitken สีโทนอุ่นแสดงพื้นที่สูง สีโทนเย็นแสดงพื้นที่ต่ำ
(ภาพจาก NASA/Goddard Space Flight Center/University of Arizona)

สำหรับผู้ที่เริ่มต้นดูดาวผ่านกล้องส่องทางไกลหรือกล้องโทรทรรศน์ ดวงจันทร์คงเป็นสิ่งแรกๆ ที่หลายคนหันกล้องไปสำรวจดูพื้นผิวของมันซึ่งเต็มไปด้วยหลุมอุกกาบาตน้อยใหญ่ ในขณะที่เด็กๆ บางคนก็พยายามสอดส่องหากระต่ายตามจินตนาการของตน


ดวงจันทร์ถือกำเนิดขึ้นพร้อมๆ กับดาวเคราะห์ดวงอื่นในระบบสุริยะของเราเมื่อประมาณ 4,500 ล้านปีที่แล้ว มีเส้นผ่านศูนย์กลางในแนวศูนย์สูตรประมาณ 3,476 กิโลเมตร อยู่ห่างจากโลกเฉลี่ย 384,400 กิโลเมตร และใช้เวลาประมาณ 27.32 วันในการหมุนรอบตัวเองซึ่งเท่ากับเวลาที่มันโคจรรอบโลกพอดี ทำให้เราเห็นด้านใกล้ (Near Side) ของดวงจันทร์เพียงด้านเดียวตลอดเวลา ส่วนด้านไกล (Far Side) นั้นไม่สามารถสังเกตเห็นจากโลกได้


เนื่องจากดวงจันทร์ไม่มีชั้นบรรยากาศคอยปกป้อง พื้นผิวของมันจึงเต็มไปด้วยความขรุขระเป็นหลุมเป็นบ่อเนื่องจากถูกอุกกาบาตก้อนเล็กก้อนใหญ่พุ่งเข้าชนอยู่บ่อยครั้ง นักดาราศาสตร์ชาวตะวันตกเริ่มเฝ้าสังเกตและศึกษาภูมิประเทศของดวงจันทร์มาตั้งแต่ยุคของกาลิเลโอ นักวิทยาศาสตร์ในยุคนั้นพบว่าพื้นผิวของดวงจันทร์มีบริเวณที่สว่างและบริเวณที่มืดคล้ำ พวกเขาเรียกบริเวณที่สว่างว่า Terra ซึ่งหมายถึงพื้นที่สูงและเรียกบริเวณที่มืดคล้ำว่า Mare ซึ่งหมายถึงทะเลในภาษาละติน อย่างไรก็ตาม บนดวงจันทร์นั้นไม่ได้มีทะเลอยู่จริง เพราะ Mare เกิดจากการชนของอุกกาบาตแล้วถูกหินหนืดเอ่อท่วมจนเกิดเป็นแอ่งที่ราบต่ำสีคล้ำ


ปี ค.ศ.1959 ยานอวกาศลูนา 3 (Luna 3) ได้ทำการถ่ายภาพขั้วใต้ด้านไกลของดวงจันทร์เพื่อศึกษาและทำแผนที่ภูมิประเทศ ผนวกกับข้อมูลจากยานอวกาศรุ่นหลังอีกหลายลำที่สำรวจในบริเวณนั้น นักวิทยาศาสตร์ก็พบว่าที่ตรงนั้นมีลักษณะเป็นแอ่งรูปไข่ (Oval-Shaped Crater) มีความยาวประมาณ 2,500 กิโลเมตรและลึกประมาณ 13 กิโลเมตร พวกเขาเรียกมันว่า The Moon's South Pole–Aitken Basin ซึ่งแอ่งแห่งนี้นับว่าเป็นแอ่งที่ใหญ่ที่สุดในระบบสุริยะ (คำว่า Aitken มาจากชื่อของ Robert Grant Aitken นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกัน ผู้เชี่ยวชาญด้านระบบดาวคู่)


ล่าสุด เมื่อวันที่ 5 มิถุนายน ค.ศ.2019 ที่ผ่านมา Peter B. James และคณะวิจัยด้านธรณีฟิสิกส์ของดาวเคราะห์ (Planetary Geophysics) จาก Baylor University ได้ตีพิมพ์งานวิจัยชื่อ Deep Structure of the Lunar South Pole-Aitken Basin ลงในวารสาร Geophysical Research Letters พวกเขาเปิดเผยว่ามีการตรวจพบค่ามวลที่ผิดปกติ (Mass Anomaly) บริเวณชั้นแมนเทิลของ The South Pole–Aitken Basin ซึ่งอาจอยู่ลึกลงไปมากกว่า 300 กิโลเมตร มวลดังกล่าวมีค่าอย่างน้อย 2.18×10¹⁸ กิโลกรัม โดยอาจเปรียบเทียบได้ว่ามวลที่ตรวจพบเป็นแท่งโลหะที่ใหญ่กว่าเกาะของฮาวาย 5 เท่าตัวเลยทีเดียว!
 

ภาพแสดงขั้วใต้ด้านไกลของดวงจันทร์บริเวณ The South Pole–Aitken Basin
(ภาพจาก NASA/GSFC/Arizona State University)

ในทางอุดมคติ หากสมมติให้สสารที่ประกอบเป็นดาวเคราะห์มีความหนาแน่นเท่ากันหรือใกล้เคียงกัน ค่าความเร่งโน้มถ่วงจะมีค่าเท่ากันหรือใกล้เคียงกันในทุกๆ ตำแหน่งบนพื้นผิวดาวเคราะห์ แต่ในความเป็นจริงดาวเคราะห์ประกอบขึ้นจากธาตุหลายชนิดซึ่งมีความหนาแน่นแตกต่างกัน หรืออาจมีเหตุการณ์บางอย่างทำให้ธาตุที่มีความหนาแน่นเฉพาะตัวมากระจุกรวมกันในบริเวณใดบริเวณหนึ่ง จากหลักการทางธรณีฟิสิกส์ ความผิดปกติของความเร่งโน้มถ่วงเป็นสิ่งที่บ่งบอกว่าสสารในบริเวณนั้นมีความหนาแน่นแตกต่างจากบริเวณอื่น กล่าวคือบริเวณที่มีความหนาแน่นสูง ความเร่งโน้มถ่วงก็จะสูง บริเวณที่มีความหนาแน่นต่ำ ความเร่งโน้มถ่วงก็จะต่ำ หรืออาจกล่าวได้ว่าดาวเคราะห์มีการกระจายความเข้มข้นเชิงมวล (Mass Concentration) ที่ไม่สม่ำเสมอนั่นเอง
 

ยานอวกาศสองลำในภารกิจ Gravity Recovery and Interior Laboratory ที่ถูกส่งขึ้นไปในปี ค.ศ. 2011
(ภาพจาก NASA)
 

แบบจำลองของคณะวิจัยเกิดจากการนำข้อมูลขององค์การ NASA ในภารกิจ Gravity Recovery and Interior Laboratory (GRAIL) ซึ่งเป็นการสร้างแผนที่ความโน้มถ่วงและโครงสร้างภายในของดวงจันทร์มารวมกับข้อมูลเชิงภูมิประเทศ (Topography Data) ของโครงการ Lunar Reconnaissance Orbiter โดยข้อมูลความโน้มถ่วงจาก GRAIL เกิดจากยานอวกาศขนาดเล็ก 2 ลำชื่อ Ebb และ Flow ซึ่งติดตั้งระบบ Lunar Gravity Ranging System (LGRS) เอาไว้


การทำงานของระบบ LGRS สามารถอธิบายอย่างง่ายได้ว่ายานอวกาศทั้งสองลำจะเคลื่อนที่เคียงกันโดยอยู่สูงจากพื้นผิวของดวงจันทร์เป็นระยะห่างค่าหนึ่ง ยานทั้งสองลำจะส่งสัญญาณไป-กลับระหว่างกันเพื่อวัดตำแหน่งและผลต่างเวลาของกันและกันด้วยช่องสัญญาณ Ka Band และ S-Band ตามลำดับ และใช้ช่องสัญญาณ X-Band กับ S-Band อีกช่องหนึ่งในการเทียบเวลา กำหนดวงโคจร และควบคุมระบบกับสถานีบนโลก และจากหลักการทางธรณีฟิสิกส์ที่กล่าวไปก่อนหน้านี้ เมื่อตัวยานเคลื่อนที่ผ่านบริเวณที่มีค่าความโน้มถ่วงต่างกัน ระบบจะวัดตำแหน่งที่เปลี่ยนไปของตัวยานเนื่องจากความโน้มถ่วงแล้วนำข้อมูลดังกล่าวไปใช้งาน ซึ่งคณะวิจัยคาดว่ามวลส่วนเกินที่ตรวจพบน่าจะมาจากโลหะในกลุ่มเหล็กกับนิกเกิลของดาวเคราะห์น้อยที่พุ่งเข้าชนดวงจันทร์เมื่อราว 4,000 ล้านปีก่อน หรืออาจเกิดจากการรวมตัวของธาตุหนักในขั้นตอนสุดท้ายของการแข็งตัวของมหาสมุทรแมกมาบนดวงจันทร์ (Lunar Magma Ocean Solidification) ในอดีตก็เป็นได้


สุดท้าย ไม่ว่ามวลส่วนเกินนี้จะมาจากไหน แต่การที่มนุษย์ซึ่งเคยเฝ้ามองดวงจันทร์แต่เพียงด้านเดียวสามารถส่งยานอวกาศไปถึง ถ่ายภาพ และ “รู้” ว่ามีอะไรอยู่ใต้พื้นผิวด้านไกลของดวงจันทร์ สิ่งนี้ก็เป็นการบ่งบอกว่ามนุษย์เป็นนักสำรวจที่เดินมาไกลกว่าแต่ก่อนมากแล้ว


 

เรียบเรียงโดย

สมาธิ ธรรมศร
ภาควิชาวิทยาศาสตร์พื้นพิภพ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

• [1] https://phys.org/news/2019-06-mass-anomaly-moon-largest-crater.html?fbclid=IwAR1N66Q5n7rt80YYG37fN0ea2EXBBPjKVK3IGfDxCXwI7SQc4o2CgCSp2BE
• [2] https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2019GL082252
• [3] https://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraft/display.action?id=1959-008A
• [4] https://www.jpl.nasa.gov/missions/gravity-recovery-and-interior-laboratory-grail/
• [5] Mission Design Overview for the Gravity Recovery and Interior Laboratory (GRAIL) Mission - Ralph B. Roncoli and Kenneth K. Fujii (2010)