พาไปรู้จัก SOFIA ของ NASA ที่ทำให้ค้นพบน้ำบนดวงจันทร์!

SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) เป็นหอสังเกตการณ์ลอยฟ้าเพียงลำเดียวที่ยังประจำการอยู่ โดยเครื่องบินจัมโบ้เจ็ท Boeing 747SP ลำนี้ ได้ถูกดัดแปลงเพื่อบรรทุกกล้องโทรทรรศน์ขนาดมหึมา 2.7 เมตร (ใหญ่กว่ากล้องโทรทรรศน์ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 2.4 เมตร ของหอดูดาวเฉลิมพระเกียรติ 7 รอบพระชนมพรรษา ที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในอาเซียน) หอดูดาวบินได้นี้จะทำงานที่ระดับความสูงจากระดับน้ำทะเลระหว่าง 38,000-45,000 ฟุต ซึ่งทำให้อยู่สูงกว่าชั้นบรรยากาศที่บดบังแสงในช่วงคลื่นอินฟราเรดไปมากกว่า 99 เปอร์เซนต์

SOFIA นี้เป็นความร่วมมือระหว่างองค์การบริหารการบินอวกาศแห่งชาติ สหรัฐอเมริกา (NASA - National Aeronautics and Space Administration) และศูนย์อวกาศเยอรมนี (German Aerospace Center - DLR)

และด้วยความที่ SOFIA นั้นเป็นหอสังเกตการณ์ลอยฟ้า มันจึงสามารถเดินทางไปได้ทุกที่บนโลก และสามารถเดินทางไปสังเกตการณ์จากมหาสมุทรหรือที่ห่างไกล เพื่อสังเกตปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเหนือน่านน้ำที่ไม่มีกล้องโทรทรรศน์ หรือผู้ใดอาศัยอยู่ได้ เช่น ในวันที่ 29 มิถุนายน 2015 ดาวพลูโตได้โคจรผ่านหน้าดาวฤกษ์ เงาของมันได้พาดผ่านเหนือมหาสมุทรใกล้ประเทศนิวซีแลนด์ SOFIA ได้ทำการศึกษาและสามารถศึกษาชั้นบรรยากาศของดาวพลูโตเอาไว้ได้

นอกจากนี้ การที่ SOFIA นั้นต้องลงจอดบนพื้นดินอยู่เป็นประจำ ทำให้การดูแลรักษาอุปกรณ์นั้นสามารถทำได้ง่ายกว่ากล้องโทรทรรศน์อวกาศมาก และสามารถปรับเปลี่ยนและดัดแปลงอุปกรณ์ให้เหมาะกับสถานการณ์ได้

 

 

การสังเกตการณ์ในช่วงคลื่นอินฟราเรด

ตามปกติแล้ว รังสีอินฟราเรดที่มาจากนอกโลกนั้น ส่วนมากจะถูกดูดกลืนโดยชั้นบรรยากาศ โดยเฉพาะจากความชื้นในชั้นบรรยากาศ การสังเกตการณ์จากภาคพื้นในช่วงคลื่นนี้ จึงสามารถทำได้เพียงบนยอดภูเขาสูง และ/หรือในทะเลทรายอันแห้งแล้ง การที่ SOFIA บินอยู่ในชั้นบรรยากาศที่สูง จึงทำให้สามารถสังเกตการณ์ในช่วงคลื่นที่กล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินทั่วไปไม่สามารถสังเกตการณ์ได้

วัตถุท้องฟ้าเกือบทุกชนิดมีการแผ่รังสีในช่วงคลื่นรังสีอินฟราเรด ไม่เพียงเท่านั้น รังสีอินฟราเรดนั้นจะสามารถทะลุผ่านกลุ่มฝุ่นละอองได้ดี ทำให้การศึกษาในช่วงคลื่นนี้สามารถทำให้เรามองเห็นดาวที่ถูกบดบังโดยแถบฝุ่นหนาได้

สิ่งที่พิเศษอย่างหนึ่งเกี่ยวกับช่วงคลื่นอินฟราเรด ก็คือในการศึกษาสเปกตรัมของมัน โมเลกุลทุกโมเลกุลที่มีการหมุน จะสามารถเปลี่ยนพลังงานในการหมุนได้โดยการดูดกลืนหรือปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา คลื่นที่ตรงกับสเปกตรัมในการหมุนของโมเลกุลทั่ว ๆ ไปนั้นอยู่ในช่วงคลื่นอินฟราเรดถึงไมโครเวฟพอดี การศึกษาสเปกตรัมในช่วงอินฟราเรดจึงสามารถบอกถึงชนิดของโมเลกุลที่พบอยู่ในวัตถุท้องฟ้าที่ห่างไกลออกไปได้

ตัวอย่างที่ดีที่สุดอย่างหนึ่งก็คือโมเลกุลของน้ำ เนื่องจากโมเลกุลของน้ำประกอบขึ้นด้วยอะตอมของไฮโดรเจนสองอะตอมที่ติดอยู่กับอะตอมของออกซิเจนหนึ่งอะตอมด้วยมุม 104.5 องศา ทำให้โมเลกุลของน้ำมีรูปแบบการหมุนที่แตกต่างออกไป จึงสามารถแผ่สเปกตรัมในการหมุนได้ทั้งในช่วงอินฟราเรด และช่วงไมโครเวฟ สเปกตรัมการหมุนของน้ำในช่วงคลื่นไมโครเวฟนี้เอง ที่เราใช้ในการอุ่นอาหารผ่านทางเตาไมโครเวฟ เนื่องจากเตาไมโครเวฟนั้นปล่อยรังสีที่ตรงกับสเปกตรัมการหมุนของน้ำ โมเลกุลของน้ำจึงสามารถดูดกลืนรังสีไปแล้วเปลี่ยนไปเป็นการหมุนที่เร็วขึ้น ทำให้มีอุณหภูมิที่สูงขึ้น

 

น้ำบนพื้นผิวของดวงจันทร์

ก่อนหน้านี้เราเคยพบน้ำในหลุมอุกกาบาตบนดวงจันทร์ที่ไม่มีแสงแดดส่องไปถึง แต่เรายังไม่เคยมีหลักฐานว่าเราสามารถพบน้ำได้นอกไปจากบริเวณหลุมอุกกาบาตที่มืดมิดเหล่านั้น นอกจากนี้ ถึงแม้ว่าการศึกษาก่อนหน้านี้อาจมีการค้นพบของหมู่ไฮดรอกซิล (OH) แต่ยังไม่สามารถยืนยันได้ถึงการมีอยู่ของน้ำในพื้นผิวด้านสว่างของดวงจันทร์

แต่การศึกษาของ SOFIA ทำให้ค้นพบสเปกตรัมการดูดกลืนที่เป็นลักษณะเฉพาะของโมเลกุลของน้ำในหลุมอุกกาบาต Clavius ซึ่งเป็นหลุมอุกกาบาตที่มีขนาดใหญ่ที่สุดหลุมหนึ่งที่สามารถเห็นได้จากโลก และอยู่ในบริเวณที่แสงอาทิตย์ส่องถึง ถือเป็นหลักฐานที่ชัดเจนว่าแม้กระทั่งบนพื้นผิวด้านสว่างของดวงจันทร์ที่ถูกส่องสว่างโดยแสงอันแรงจ้าจากดวงอาทิตย์ก็สามารถพบน้ำได้เช่นกัน

ด้านสว่างของดวงจันทร์นั้นสามารถมีอุณหภูมิพื้นผิวสูงได้ถึง 127 องศาเซลเซียส (เทียบกับในเงาที่สามารถต่ำได้ถึง -173 องศาเซลเซียส) แต่เดิมเราจึงไม่คาดกันว่าจะมีน้ำหลงเหลืออยู่บนพื้นผิวของดวงจันทร์ด้านที่แสงแดดส่องถึง แต่การค้นพบนี้ ยืนยันว่าไม่เพียงแต่จะสามารถค้นพบน้ำบนดวงจันทร์ได้เท่านั้น แต่เราค้นพบว่าบนดวงจันทร์มีน้ำถึง 100 ถึง 412 ppm เทียบเท่ากับน้ำหนึ่งขวด ต่อดินดวงจันทร์ทุก ๆ หนึ่งลูกบาศก์เมตร

การค้นพบนี้ไม่เพียงแต่จะทำให้เราค้นพบว่าดวงจันทร์นั้นมีน้ำมากกว่าที่เราคาดคิดเอาไว้แต่เดิม แต่ยังเป็นการท้าทายความเข้าใจเกี่ยวกับกำเนิดของน้ำบนวัตถุในระบบสุริยะ และยังอาจบ่งชี้ว่าน้ำนั้น อาจจะเกิดขึ้นได้ง่ายกว่านั้นมากในเอกภพ ความเป็นไปได้หนึ่งอาจจะเกิดขึ้นจากอุกกาบาตที่บรรทุกน้ำมาลงยังบนดวงจันทร์ แต่อีกความเป็นไปได้หนึ่งคืออาจจะเกิดจากการรวมตัวกันระหว่างหมู่ไฮดรอกซิล กับหมู่ไฮดรอกซิลด้วยกันอีกหมู่ หรือจากไฮโดรเจนที่มาจากดวงอาทิตย์ เกิดขึ้นมาเป็นน้ำอย่างต่อเนื่องบนพื้นผิวดวงจันทร์

คำถามที่น่าสนใจถัดไปก็คือ น้ำที่ถูกผลิตขึ้นมานั้นสะสมขึ้นมาในปริมาณที่พบอยู่ได้อย่างไร ความเป็นไปได้ก็คือโมเลกุลของน้ำนั้นอาจจะไปแทรกตัวอยู่ระหว่างเม็ดดินบนดวงจันทร์ และถูกปกป้องเอาไว้จากแสงอาทิตย์

นี่เป็นครั้งแรกที่ SOFIA ได้หันกล้องไปยังดวงจันทร์ ตามปกติแล้ว SOFIA จะทำการสังเกตการณ์วัตถุท้องฟ้าจาง ๆ ที่ห่างไกลออกไปเป็นอย่างมาก เช่น กาแล็กซี หลุมดำ หรือกระจุกดาว และการศึกษาดวงจันทร์ที่มีขนาดใหญ่สว่างขนาดนี้ และปราศจากซึ่งดาวฤกษ์ที่ระบบกล้องจะสามารถติดตามตำแหน่งและการเล็งได้นั้นเป็นสิ่งที่ไม่เคยทำกันมาก่อน การศึกษาที่นำไปสู่การค้นพบนี้ แท้จริงแล้วเป็นเพียงการ "ทดสอบระบบ" เพื่อจะตรวจสอบว่าระบบกล้องของ SOFIA นั้นจะสามารถติดตามตำแหน่งของดวงจันทร์ได้หรือไม่

เมื่อการทดสอบนำไปสู่การค้นพบเช่นนี้แล้ว แน่นอนว่านี่ย่อมจะต้องนำไปสู่การสังเกตการณ์ดวงจันทร์เพิ่มเติมในอนาคต และอาจจะนำไปสู่การทำ "แผนที่" ของน้ำบนพื้นผิวของดวงจันทร์ และดาวเคราะห์น้อยดวงอื่น ๆ ในอนาคต

การพบน้ำบนดวงจันทร์นั้นมีประโยชน์เป็นอย่างยิ่งเกี่ยวกับโครงการการส่งมนุษย์ไปยังดวงจันทร์ในอนาคต เช่นโครงการ Artemis ของนาซา ที่วางแผนจะส่งมนุษย์กลับไปเหยียบบนดวงจันทร์อีกครั้ง เนื่องจากน้ำเป็นทรัพยากรที่สำคัญ ไม่เพียงต่อการดำรงอยู่ของชีวิต แต่ยังอาจจะสามารถนำไปเปลี่ยนเป็นเชื้อเพลิงสำหรับยานอวกาศได้

นอกจากนี้ หากบนดวงจันทร์มีน้ำในปริมาณที่มากพอ นั่นหมายความว่าดวงจันทร์อาจจะเป็นจุดหมายสำคัญของโครงการสำรวจอวกาศในอนาคต ที่อาจจะต้องมาเติมเสบียงในการเดินทางต่อไปยังห้วงอวกาศที่ไกลออกไป

เรียบเรียง : ดร. มติพล ตั้งมติธรรม - ผู้เชี่ยวชาญดาราศาสตร์ สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ

อ้างอิง/อ่านเพิ่มเติม:
[1] https://www.nasa.gov/press-release/nasa-s-sofia-discovers-water-on-sunlit-surface-of-moon/