นักวิจัยเสนอทฤษฎีใหม่เกี่ยวกับการก่อตัวของเนินทรายบนดวงจันทร์ไททัน

          ไททัน (Titan) เป็นดวงจันทร์บริวารขนาดใหญ่ที่สุดของดาวเสาร์ ถูกค้นพบโดย Christiaan Huygens ในศตวรรษที่ 17 มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 5,150 กิโลเมตร มีอุณหภูมิประมาณ -179 องศาเซลเซียส มีความดันบรรยากาศ 146.7 กิโลพาสคาล และโคจรอยู่ห่างจากดาวเสาร์ประมาณ 1,220,000 กิโลเมตร ชั้นบรรยากาศของดวงจันทร์ไททันหนาทึบและมีสีส้มแดงซึ่งส่วนใหญ่ปกคลุมด้วยไนโตรเจน มีเทน และอื่นๆ ส่วนบนพื้นผิวอุดมไปด้วยโมเลกุลอินทรีย์ที่ก่อตัวขึ้นในชั้นบรรยากาศ จากนั้นจึงตกสู่พื้นแล้วสะสมตัวเป็นเนินทรายสีคล้ำขนาดใหญ่ซึ่งบางแห่งมีความสูงถึง 100 เมตร เกือบเท่าความสูงของพีระมิด Giza           อย่างไรก็ตาม งานวิจัยของ Ralf Kaiser จาก University of Hawaii ชื่อ Low-temperature synthesis of polycyclic aromatic hydrocarbons in Titan’s surface ices and on airless bodies ที่ตีพิมพ์ลงในวารสาร Science Advances เมื่อเดือนตุลาคม ค.ศ.2019 ก็ได้ท้าทายแนวคิดเดิมเกี่ยวกับที่มาของโมเลกุลอินทรีย์บนเนินทรายของดวงจันทร์ไททันโดยมีรังสีคอสมิก (Cosmic Ray) เข้ามาเป็นตัวแปรสำคัญ ซึ่งผู้เขียนจะขอเล่าประวัติของการศึกษารังสีคอสมิกอย่างสั้นๆ ดังต่อไปนี้


           โลกของเราถูกรังสีและอนุภาคจากอวกาศพุ่งชนตลอดเวลา แต่ความรู้ความเข้าใจเรื่องรังสีจากอวกาศเป็นเรื่องที่ค่อนข้างใหม่ เพราะนักฟิสิกส์เพิ่งมีการศึกษาเรื่องนี้เมื่อประมาณ 100 ปีก่อนนี้เอง การศึกษารังสีคอสมิกเริ่มต้นประมาณ ค.ศ.1912 เมื่อนักฟิสิกส์นามว่า วิกเตอร์ ฟรานซ์ เฮสส์ (Victor Franz Hess) ได้นำเครื่อง Electroscope และเครื่อง Ionization-Chambers ไปติดตั้งบนบอลลูนแล้วปล่อยให้ลอยขึ้นสู่ท้องฟ้า ผลปรากฏว่ายิ่งบอลลูนลอยสูงขึ้น การแตกตัวเป็นไอออนก็ยิ่งมีแนวโน้มเพิ่มมากขึ้น เขาจึงตั้งสมมติฐานว่าน่าจะมี “อะไรบางอย่างจากนอกโลก” ที่ทำให้การแตกตัวเป็นไอออนเพิ่มสูงขึ้น หลังจากนั้นก็มีนักฟิสิกส์อีกหลายท่านที่ทำการทดลองแบบเดียวกันโดยใช้เครื่องมือที่ดีขึ้นในระดับความสูงที่มากขึ้น สิ่งที่พบคือสมมติฐานของ Hess นั้นถูกต้อง ส่งผลให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ.1936 และนี่คือจุดกำเนิดของการศึกษารังสีคอสมิกบนโลก

            รังสีคอสมิกส่วนใหญ่ประกอบด้วยอนุภาคประจุบวก โดยมีแหล่งกำเนิดมาจากดวงอาทิตย์ (Solar Cosmic Rays) บางส่วนมาจากภายในแกแล็กซี (Galactic Cosmic Rays) และอีกส่วนหนึ่งมาจากภายนอกแกแล็กซี (Extragalactic Cosmic Rays) รังสีคอสมิกที่มาจากแหล่งกำเนิดระยะไกลมักมีพลังงานสูงกว่ารังสีคอสมิกที่มาจากแหล่งกำเนิดระยะใกล้ นักฟิสิกส์เรียกรังสีคอสมิกที่ออกมาจากแหล่งกำเนิดต่างๆ ว่า รังสีคอสมิกปฐมภูมิ (Primary Cosmic Rays) เมื่อรังสีคอสมิกปฐมภูมิเดินทางผ่านสสารในอวกาศระหว่างดวงดาว (Interstellar Matter) รังสีคอสมิกปฐมภูมิจะสูญเสียพลังงานไปบางส่วนและพุ่งชนกับนิวเคลียสของอะตอมต่างๆ เกิดเป็นรังสีคอสมิกทุติยภูมิ (Secondary Cosmic Rays) ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคมากมายที่มีพลังงานต่ำลง


          การศึกษารังสีคอสมิกภายใต้อิทธิพลของดวงดาวที่มีสนามแม่เหล็กเรียกว่า ทฤษฎีของสตอร์เมอร์ (Stoermer Theory) กล่าวคืออนุภาคมีประจุจะทำอันตรกิริยากับเส้นแรงของสนามแม่เหล็กแล้วหมุนควงเป็นเกลียวไปตามเส้นแรงแม่เหล็กนั้น ซึ่งรัศมีการหมุนควงจะแปรผกผันกับความเข้มของสนามแม่เหล็ก ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเหนือพื้นโลกของเราเช่นกัน เพราะอนุภาคมีประจุถูกสนามแม่เหล็กโลกจับเอาไว้ เกิดเป็นแถบรังสีนอกโลกที่เรียกว่า แถบรังสีแวน อัลเลน (Van Allen Radiation Belts)

            อนุภาคที่มีพลังงานสูงจะเดินทางเข้าใกล้โลกได้มากกว่าอนุภาคที่มีพลังงานต่ำ เมื่ออนุภาคเหล่านี้ชนกับนิวเคลียสของอะตอมต่างๆ ในชั้นบรรยากาศก็จะทำให้มีรังสีคอสมิกทุติยภูมิจำนวนมากเกิดขึ้น เรียกว่าปรากฏการณ์ Air Showers ส่งผลให้บริเวณพื้นที่สูงมีปริมาณรังสีคอสมิกมากกว่าบนพื้นดินที่อยู่ต่ำลงมา

            แม้ผลกระทบของรังสีคอสมิกจะดูมีแต่แง่ลบ แต่ความจริงแล้วรังสีคอสมิกมีแง่มุมที่สวยงามอยู่ด้วย นั่นคือเมื่อรังสีคอสมิกเข้าชนกับอะตอมของแก๊สในชั้นบรรยากาศแถบขั้วโลก อะตอมเหล่านั้นจะถูกทำให้อยู่ในสถานะกระตุ้น (Excited States) แล้วคายพลังงานออกมาในรูปของแสงหลากสีที่เรียกว่า ออโรร่า (Aurora) เพื่อกลับไปสู่สถานะพื้น (Ground State) ซึ่งม่านแสงออโรร่านี่เองที่ดึงดูดนักท่องเที่ยวจากทั่วโลกให้ฝ่าอากาศหนาวเพื่อไปชมงานศิลปะจากฝีมือธรรมชาติ นอกจากนี้ นักชีวฟิสิกส์ (Biophysicist) บางท่านก็ตั้งสมมติฐานที่น่าสนใจว่าการกลายพันธุ์ของสิ่งมีชีวิต (Mutation) อาจเกิดจากอิทธิพลของรังสีคอสมิกได้เช่นกัน


          ตัดกลับมาที่งานวิจัยของ Ralf Kaiser ผลการศึกษาของคณะวิจัยพบว่าโมเลกุลอินทรีย์อาจไม่ได้ร่วงหล่นลงมาจากปฏิกิริยาทางเคมีบนท้องฟ้าเพียงอย่างเดียว แต่ “อาจ” เกิดขึ้นบนพื้นผิวของดวงจันทร์ไททันได้เมื่อมีรังสีคอสมิกเข้ามาตกกระทบน้ำแข็งอะเซทิลีน (Acetylene Ice) ที่ปกคลุมอยู่บนพื้นผิว และเพื่อจำลองสภาพแวดล้อมให้คล้ายกัน คณะวิจัยจึงนำน้ำแข็งที่มีองค์ประกอบเหมือนกันไปวางไว้ในห้องปฏิบัติการที่มีการแผ่รังสีสูงเพื่อจำลองสภาพการรับรังสีจากอวกาศและให้ความร้อนจนเกิดการระเหย


          ผลการทดลองพบว่ากระบวนการนี้สามารถทำให้เกิดโมเลกุลอินทรีย์ Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) บางชนิด เช่น Benzene Naphthalene และ Phenanthrene ซึ่งนักวิจัยคาดว่ากระบวนการดังกล่าวจะเกิดขึ้นได้ง่ายกว่าบนเทหวัตถุที่มีบรรยากาศเบาบางหรือไม่มีเลยอย่าง Makemake และ Pluto เนื่องจากรังสีคอสมิกสามารถทะลุทะลวงเข้ามาได้มากกว่า อย่างไรก็ตาม คณะวิจัยได้ย้ำอย่างชัดเจนว่าผลการทดลองของพวกเขาเป็นเพียง “หนึ่งในความเป็นไปได้” เท่านั้น           แม้นักวิทยาศาสตร์จะยังรู้จักดวงจันทร์ไททันไม่มากนัก ทั้งยังมีปริศนาอีกมากมายเกี่ยวกับกำเนิดและการก่อตัวของเนินทราย แต่ในปี ค.ศ.2026 NASA จะทำการส่งยานสำรวจชื่อ Dragonfly ไปยังพิภพไททันก่อนจะลงจอดในอีก 8 ปีให้หลังเพื่อสำรวจองค์ประกอบทางเคมีของดวงจันทร์เยือกแข็งแห่งนี้ เมื่อถึงเวลานั้นนักวิทยาศาสตร์จะต้องรู้จักดวงจันทร์ดวงนี้มากขึ้นอย่างแน่นอน

 

อ้างอิง

• หนังสือ รังสีคอสมิก โดย สุพัฒน์ ราชณรงค์
• https://phys.org/news/2019-10-theory-dunes-titan.html
• https://www.sciencedaily.com/releases/2019/10/191018100506.htm?fbclid=IwAR0m9VxpNp6WRhgu-aeBzgo4sAdUW6bopHJsB7K1dkxRJUlF887gEmLqBbc
• https://advances.sciencemag.org/content/5/10/eaaw5841
• https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1936/hess/biographical/
• https://science.psu.edu/news-and-events/2012-news/Coutu10-2012?fbclid=IwAR0zUg5Ri3ewyCPIdfdpMyZmjco8Ru1c-mEsuuxhq9kmQQMITKbcyTjt5SA
• https://www.technologyreview.com/s/528781/cosmic-rays-neutrons-and-the-mutation-rate-in-evolution/
• https://www-spof.gsfc.nasa.gov/Education/whtrap1.html