มหาสมุทรที่เคยอยู่บนดาวอังคารหายไปไหน

นับตั้งแต่ยาน Mariner 4 ของ NASA บินโฉบดาวอังคารแรกเมื่อปี 1965 จนกระทั่งการลงจอดของโรเวอร์ Perseverance ในปี 2021 เรามีข้อมูลอยู่ล้นมือ พร้อมกับหลักฐานที่แน่ชัดว่าเมื่อช่วงประมาณ 4 พันล้านปีก่อน ดาวอังคารเคยเป็นดาวเคราะห์ที่ชุ่มชื้นกว่านี้มาก ในช่วงสมัยที่ดาวอังคารอายุน้อยยังน้อย มันเต็มไปด้วยมหาสมุทรกว้างใหญ่ไพศาลทางตอนเหนือครอบคลุมพื้นที่ 1 ใน 3 ของดาว พร้อมทั้งมีแม่น้ำลำธาร ไหลผ่านกระจายตัวตามแผ่นดินไปทั่วภาคพื้นทวีป ก่อเกิดเป็นที่ราบลุ่มและทะเลสาป แต่จู่ ๆ ราว 3 พันล้านปีก่อน มหาสมุทรก็ได้อันตธานหายไป ทิ้งไว้เพียงแต่ร่องรอยของสายน้ำแห้งเหือด และดาวอังคารก็กลายเป็นดาวเคราะห์แดงอย่างที่เรารู้จักกันในทุกวันนี้ ในขณะที่โลกเต็มไปด้วยชีวิต ในบทความนี้เราจะมาเจาะลึกประวัติศาสตร์การสูญเสียน้ำของดาวอังคารกันครับ

อ่านเรื่องราวความพยายามในการค้นหาน้ำบนดาวอังคารของมนุษยชาติ เพิ่มเติมได้ที่นี่ สรุปเราจะค้นพบน้ำเหลว ๆ บนดาวอังคารได้จริง ๆ ซะทีหรือยัง

กำเนิดน้ำบนดาวอังคาร

การศึกษาเรื่องน้ำก็ดาวอังคารเราต้องย้อนอดีตกลับไปเมื่อครั้งระบบสุริยะของเรากำลังก่อตัวขึ้นใหม่ ๆ ถึงแม้เราจะไม่ได้มีไทม์แมคชีนย้อนเวลาไปดูเหตุการณ์ในตอนนั้น แต่ว่าเรามีหลักฐานมากมายจากการสังเกตดาวฤกษ์ที่กำลังก่อตัวขึ้นในปัจจุบัน ทำให้นักดาราศาสตร์สามารถสรุปโมเดลช่วงแรกเริ่มของระบบสุริยะของเราได้ว่า ในตอนนั้นระบบสุริยะชั้นในเป็นอะไรที่โกลาหลเป็นอย่างมาก กลุ่มแก๊ซและฝุ่นผงปริมาณมหาศาลถูกสนามโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์ดึงเข้ามาโคจรหมุนวนรอบ ๆ เป็นวงแหวนขนาดยักษ์ ซึ่งนักดาราศาสตร์เรียกกระบวนการหมุนวนของแก๊ซรอบดาวฤกษ์เกิดใหม่นี้ว่า Protoplanetary Disk วัตถุต่าง ๆ ใน Protoplanetary Disk ต่างดึงดูดเข้าหากันและกันด้วยอิทธิพลของแรงโน้มถ่วง จากกลุ่มก้อนหินเล็ก ๆ จึงเริ่มก่อตัวกลายเป็นก้อนหินที่มีขนาดใหญ่เท่าภูเขาและทวีคูณจนกลายเป็นดาวเคราะห์ที่มีขนาดครึ่งหนึ่งของโลก

ในช่วงแรกเริ่มนั้นดาวอังคารและดาวเคราะห์หินดวงอื่น ๆ อาจกล่าวได้ว่าไม่ต่างอะไรไปจากภาพของนรกมากนัก ความร้อนและพลังงานที่เกิดขึ้นจากการก่อตัวของดาวนั้นมากพอที่จะทำหินหลอมเหลว กระจายตัวไปทั่วพื้นผิว อุณหภูมิพื้นผิวของดาวพุ่งขึ้นสูงหลายร้อยองศาเซลเซียส กิจกรรมทางธรณีวิทยาของดาวดำเนินไปอย่างเต็มกำลัง ภูเขาไฟนับร้อยต่างพ่นแก๊สหลายล้านตันจากภายในดาวออกมาซึ่งต่อมาก็ได้สร้างชั้นบรรยากาศของดาวอังคารขึ้น และชั้นบรรยากาศนี้เองที่เป็นตัวแปรสำคัญในการมีอยู่ของน้ำบนพื้นผิวของดาวอังคาร

แต่ก่อนที่จะไปต่อเราอาจจะต้องเปลี่ยนภาพจำที่เรามีต่อน้ำเสียก่อนว่าน้ำนั้นไม่ได้เป็นของหายากในอวกาศเท่าใดนัก โมเลกุลของน้ำกระจายตัวไปทั่วเอกภพแต่เพียงไม่ได้อยู่ในรูปของเหลวเท่านั้นเอง อย่างวงแหวนของดาวเสาร์ทั้งหมดนั่นก็เป็นน้ำแข็ง ดวงจันทร์ของดาวพฤหัสฯ อย่าง Ganymede (แกนีมีด) ก็มีน้ำเป็นส่วนประกอบถึงร้อยละ 46 หรือแม้แต่บนดวงจันทร์ของเรายังมีการตรวจพบน้ำแข็งบริเวณขั้วโลกในหลุมอุกกาบาตที่แสงอาทิตย์ไม่เคยส่องถึง

เนื่องจากหากเราดูไปที่องค์ประกอบโมเลกุลของน้ำ จะค้นพบว่ามีอะตอมของ ไฮโดรเจนอยู่ 2 ตัว และออกซิเจน 1 ตัว ซึ่งไฮโดรเจนเป็นธาตุที่มีปริมาณมากที่สุดในเอกภพเป็นอันดับ 1 ส่วนออกซิเจน มีมากเป็นอันดับ 3 การที่อะตอมของทั้งสองธาตุนี้มาสร้างพันธะกันจึงไม่ใช่เรื่องที่ยากเท่าใดนัก

สมมติฐานในปัจจุบันเชื่อว่าดาวอังคารและโลกนั้นต่างได้รับน้ำมาตั้งแต่การก่อตัวขึ้นของดาวเคราะห์ ในขณะที่ชั้นบรรยากาศของดาวอังคารมีอุณหภูมิสูง น้ำจะคงสภาพอยู่ในรูปแบบของไอน้ำ ก่อนที่หลายร้อยล้านปีต่อมาอุณหภูมิจะลดต่ำลง สภาพแวดล้อมในชั้นบรรยากาศจึงเอื้อให้เกิดการควบแน่นของไอน้ำขึ้นจนกลายเป็นก้อนเมฆ และในสภาพที่เหมาะสมจึงเกิดเป็นหยดน้ำ ของเหลวที่จำเป็นต่อการกำเนิดชีวิตที่เรารู้จัก ตกลงมายังพื้นดินเบื้องล่าง ในช่วงแรกพื้นผิวก็ดูดซับน้ำไว้แต่พอเยอะเข้าก็เอ่อล้นออกมาเป็นบ่อน้ำ ไหลทะลักออกมาจากที่สูงลงที่ต่ำ สุดท้ายก็กลายเป็นมหาสมุทรในที่สุด

แต่การที่น้ำจะคงสภาวะของเหลวนั้นไม่ใช่เรื่องง่าย มันต้องอาศัยอุณหภูมิและความดันบรรยากาศที่เหมาะสม ซึ่งเป็นตัวแปรสำคัญมาก หากเราเทน้ำลงไปบนพื้นดินของดาวอังคารในปัจจุบันที่มีความดันบรรยากาศเพียงแค่ร้อยละ 0.6 ของโลก ที่มีจุดเดือดน้ำอยู่ที่อุณหภูมิติดลบ – 4.6 องศาเซลเซียส จะทำให้น้ำระเหยขึ้นไปในอากาศทันทีหรือไม่ก็กลายเป็นน้ำแข็งเนื่องจากอุณหภูมิที่หนาวเย็นของของดาวอังคาร ขึ้นอยู่กับสภาวะของดาวในตอนนั้น ในขณะที่โลกมีชั้นบรรยากาศหนาแน่น จุดเดือดของน้ำจึงอยู่ที่ 100 องศาเซลเซียส น้ำจึงคงสภาวะของเหลวอยู่ทั่วทั้งดาวเป็นส่วนใหญ่ได้ (ไม่ใช่เพราะดาวอังคารมีอากาศร้อนแต่อย่างใด)

ดังนั้นเพื่อที่จะศึกษาชั้นบรรยากาศในอดีตของดาวอังคาร NASA จึงส่งยาน MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN) เข้าไปยังวงโคจรของดาวอังคารเมื่อปี 2014 ตัวยาน MAVEN นั้นถูกออกแบบมาให้โคจรแบบวงรี (Elliptical Orbit) โดยจุดที่ใกล้ที่สุดจะอยู่สูงจากพื้นผิวของดาวอังคารเพียงแค่ 160 กิโลเมตรเท่านั้น ทำให้สามารถวิเคราะห์องค์ประกอบต่าง ๆ ในชั้นบรรยากาศระดับ Ionosphere ของดาวอังคารได้

หนึ่งในวิธีการที่ใช้ประเมินค่าความหนาแน่นของชั้นบรรยากาศของดาวอังคารในยุคโบราณคือ การใช้วิธีการตรวจสอบไอโซโทปของออกซิเจน ซึ่งก็คืออะตอมที่มีมวลมากกว่าปกติจากการเพิ่มขึ้นของนิวตรอน บนดาวอังคารนั้นธาตุที่มีไอโซโทปน้อยจะมีน้ำหนักเบาและหนีออกจากชั้นบรรยากาศของดาวอังคารได้ง่ายกว่า จึงมักจะเหลือแต่ไอโซโทปของออกซิเจนที่มีมวลเยอะไว้มากกว่า ในกรณีนี้ดาวอังคารมีปริมาณไอโซโทปของออกซิเจน ในที่นี้คือ ¹⁸O มากกว่าบนโลกที่มักมี ¹⁶O อยู่ทั่วไป การวัดความสัมพันธ์ระหว่างไอโซโทปของออกซิเจน 2 ตัวนี้ทำให้เราสามารถประมาณค่าความหนาแน่นของชั้นบรรยากาศของดาวอังคารในอดีตได้จากอัตราการสูญเสีย ¹⁶O ไปในอวกาศ

แต่อย่างไรก็ตามอัตราไอโซโทปของออกซิเจนระหว่าง ¹⁸O และ ¹⁶O  มีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลาบนดาวอังคาร ซึ่งในแต่ละภารกิจได้ค่าข้อมูลที่ล้วนแตกต่างกันออกไปทั้งสิ้น เพราะว่าค่าแก๊สในชั้นบรรยากาศแปรผันตามอุณหภูมิในแต่ละช่วงเวลาของดาว อีกทั้งชั้นบรรยากาศของดาวอังคารประกอบด้วยคาร์บอนไดออกไซค์ถึงร้อยละ 96 นักดาราศาสตร์จึงต้องใช้ไอโซโทปของออกซิเจนที่อยู่ในคาร์บอนไดออกไซค์อีกที โดยที่ในระหว่างขั้นตอนตรวจสอบนั้นต้องไม่เปลี่ยนแปลงค่าไอโซโทปดั้งเดิมของอะตอมอีกด้วย ทำให้การคำนวณชั้นบรรยากาศในอดีตของดาวอังคารนั้นซับซ้อนกว่าที่นักดาราศาสตร์คิดไว้แต่เดิมมาก ปัจจุบันเราจึงไม่มีข้อมูลเพียงพอได้ว่าในอดีตนั้นชั้นบรรยากาศบนดาวอังคารมีความหนาแน่นเท่าใดกันแน่ แต่ก็มากพอที่จะทำให้น้ำคงสภาวะเป็นของเหลวได้ ดังนั้นคำถามต่อไปก็คือชั้นบรรยากาศของดาวอังคารที่เคยหนาแน่นนั้นหายไปไหนแล้ว

การหายไปของน้ำ

อ้างอิงจากข้อมูลที่ยาน MAVEN ตรวจจับได้ว่าในทุก ๆ วินาที ดาวอังคารจะสูญเสียชั้นบรรยากาศประมาณ 100 กรัม ในสถานการณ์ปกติ ซึ่งอัตราการสูญเสียชั้นบรรยากาศนั้นขึ้นอยู่กับระยะห่างของดาวอังคารกับดวงอาทิตย์ ในช่วงที่ใกล้ดวงอาทิตย์นั้นอัตราการสูญเสียของไฮโดรเจนในชั้นบรรยากาศจะมีมากกว่าปกติ 10 เท่า ผลการสำรวจครั้งนั้นจึงเป็นข้อมูลสำคัญที่บ่งชี้ให้เห็นว่า ในอดีตน้ำระเหยขึ้นมาจากพื้นผิวดาวอังคาร แล้วอนุภาคของแสงอาทิตย์จะไปทำลายพันธะของไอน้ำ ในชั้นบรรยากาศระดับล่าง แยกอะตอมของไฮโดรเจนและออกซิเจน ออกจากกัน อะตอมของไฮโดรเจนที่เบากว่าจึงลอยขึ้นไปยังชั้นบรรยากาศส่วนบนแล้วหนีออกจากดาวไปในที่สุด กระบวนการนี้กินเวลายาวนานหลายร้อยล้านปีจนทำให้ดาวอังคารมีชั้นบรรยากาศเบาบางเหมือนอย่างทุกวันนี้

แต่ในขณะเดียวกันนั้นอนุภาคแรงสูงจากดวงอาทิตย์หรือที่เรียกว่าลมสุริยะนั้น ไม่สามารถทำลายพันธะของไอน้ำหรือทำให้ชั้นบรรยากาศของโลกหายไปได้ก็เพราะว่าโลกมีสนามแม่เหล็กที่คอยป้องกันอนุภาคแรงสูงอยู่ และเบี่ยงให้อนุภาคเหล่านั้นที่หลุดเข้ามาบางส่วนไปยังบริเวณขั้วโลก เมื่ออนุภาคพลังงานสูงกระทบกับออกซิเจนในชั้นบรรยากาศโลกที่ระดับความสูงประมาณ 100 ถึง 150 กิโลเมตรเหนือพื้นดิน จึงเกิดเป็นแสงออโรร่าสีเขียวตระการตาขึ้นบริเวณขั้วโลก อันเป็นปรากฏการณ์ที่เป็นผลมาจากสนามแม่เหล็กโลกนั่นเอง

ส่วนดาวอังคารนั้นกลับไร้ซึ่งสนามแม่เหล็กที่จะคอยป้องกันชั้นบรรยากาศของมัน ซึ่งนักดาราศาสตร์เชื่อว่าในอดีตดาวอังคารก็เคยมีสนามแม่เหล็กเช่นกันเมื่อราว 4 พันล้านปีก่อน ก่อนที่ระบบสนามแม่เหล็กของดาวจะหยุดทำงานไป ทำให้ลมสุริยะพัดพาชั้นบรรยากาศของดาวอังคารออกไปจนน้ำไม่สามารถคงสภาวะอยู่ในรูปแบบของเหลวได้อีกต่อไป หากเราได้ไปอยู่ในดาวอังคารในยุคแรกเริ่ม เราอาจจะได้เห็นมหาสมุทรทางตอนเหนือของดาวอังคารสะท้อนแสงออโรร่าสีน้ำเงินเปล่งประกายยามค่ำคืน คงเป็นทิวทัศน์ที่สวยงามไม่น้อยเลยทีเดียว

และการที่เราจะเข้าใจว่าทำไมสนามแม่เหล็กของดาวอังคารถึงหายไป ก็ต้องเข้าใจกลไกการสร้างสนามแม่เหล็กของดาวเคราะห์อย่างโลกเสียก่อนว่า สนามแม่เหล็กของโลกนั้นประพฤติตัวเหมือนกับแท่งแม่เหล็กในเข็มทิศ แต่ในสถานะที่อุณหภูมิสูงโลหะจะสูญเสียคุณสมบัติการสร้างสนามแม่เหล็กไป ซึ่งเป็นที่แน่ชัดว่าแกนโลหะร้อนของโลกไม่ใช่จุดกำเนิดของสนามเหล็ก แต่เป็นกระบวนการไดนาโมภายในโลกต่างหาก ที่การเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าสร้างสนามแม่เหล็กขึ้น ในโลกปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเมื่อโลหะหลอมเหลวในแกนโลกชั้นนอกสร้างกระแสไฟฟ้าขึ้นขณะที่โลกหมุนรอบตัวเอง จึงสร้างสนามแม่เหล็กที่กระจายตัวออกไปในอวกาศ ห่างจากแกนโลกหลายพันกิโลเมตร

นักดาราศาสตร์ต่างมีสมมติฐานว่าการที่ดาวอังคารสูญเสียสนามแม่เหล็ก แสดงให้เห็นว่าความร้อนที่แกนของดาวนั้นไม่เพียงพอที่จะเกิดกลไกของไดนาโมได้ จึงมีความเป็นไปได้ว่าอาจเป็นเพราะดาวอังคารมีมวลน้อยกว่าโลกมาก ดาวอังคารเลยคายความร้อนจากภายในแกนของดาวได้ไวกว่าโลก ทำให้การเปลี่ยนแปลงทางธรณีวิทยาของดาวหยุดลง ภูเขาไฟต่างนิ่งสนิทไร้การปะทุ หินหลอมเหลวภายในดาวเคลื่อนตัวช้าเกินไปกว่าที่สนามแม่เหล็กของดาวอังคารจะเกิดขึ้นได้

ซึ่งสร้างผลกระทบในระยะยาวต่อชั้นบรรยากาศที่เบาบางขึ้นตลอดเวลาจากลมสุริยะ เมื่อถึงจุดหนึ่ง ความดันบรรยาก็ลดต่ำลงจนน้ำก็ไม่สามารถคงสภาพของเหลวได้อีกต่อไป บางส่วนระเหยขึ้นไปในชั้นบรรยากาศและออกจากดาวไปตลอดกาล บางส่วนก็ซึมลงไปใต้ดินที่มีความกดอากาศมากกว่าและแข็งตัวกลายเป็นชั้นของน้ำแข็งที่เราเรียกว่า Permafrost

โดยยาน Mars Odyssey ที่ได้ส่งไปสำรวจดาวอังคารตั้งแต่ปี 2001 ได้ใช้เครื่องมือวิเคราะห์ปริมาณไฮโดรเจนที่อยู่ใต้พื้นผิวดาวอังคาร จนสามารถทำแผนที่น้ำแข็ง Permafrost ที่ฝังตัวอยู่ใต้พื้นผิวดาวอังคารได้ ซึ่งสนับสนุนสมมติฐานการหายไปของน้ำบนดาวอังคารได้เป็นอย่างดี ว่าดาวอังคารสูญเสียน้ำไปประมาณร้อยละ 40 ถึง 95 จากปริมาณดั้งเดิมในยุค Noachian หรือยุคช่วงแรกเริ่มของดาวอังคารในช่วงเวลาประมาณ 4,100 – 3,700 ล้านปีก่อน

แต่ถึงกระนั้นช่วงที่ดาวอังคารอบอุ่นและชุ่มชื้นนั้นอาจกินระยะเวลายาวนานหลายร้อยล้านปีก่อนที่มหาสมุทรจะเหือดแห้งลง มันจึงมีความเป็นไปได้ว่าในช่วงเวลาสั้น ๆ นั้นอาจจะมีสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวหรือจุลินทรีย์อะไรก็ตามแต่เกิดขึ้น ทาง NASA จึงส่งโรเวอร์คันล่าสุดอย่าง Perseverance ไปสำรวจดาวอังคารบริเวณสามเหลี่ยมปากแม่น้ำโบราณ Jezero Crater เพื่อตอบคำถามสำคัญที่ว่า ดาวอังคารเคยมีสิ่งมีชีวิตหรือเปล่า ที่มนุษยชาติเฝ้าสงสัยมาโดยตลอด

อ่านข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ Perseverance ได้ที่นี่ Perseverance Rover สรุปรายละเอียด อุปกรณ์ทุกตัว บนยาน ภารกิจสำรวจดาวอังคาร

การที่ดาวอังคารมีมวลและขนาดที่เล็กกว่าโลกจนไม่สามารถรักษาสนามแม่เหล็กในระยะเวลานานได้นั้น อาจจะดูเป็นเรื่องบังเอิญจากการก่อตัวของดาวในช่วงแรกเริ่มของระบบสุริยะ แต่หากเราส่องกล้องขึ้นส่องมองดาวเคราะห์ดวงอื่นที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ที่เราเรียกว่า ดาวเคราะห์ต่างระบบ หรือ Exoplanet จะค้นพบว่าดาวเคราะห์ส่วนใหญ่มักจะมีขนาดใหญ่กว่าโลกทั้งสิ้น แสดงให้เห็นว่าวัสดุในการก่อสร้างดาวเคราะห์ในช่วงแรกเริ่มของระบบสุริยะของเราก็ควรที่จะมีมากเฉกเช่นระบบดาวอื่น ๆ และอะไรเป็นสิ่งที่ห้ามการเติบโตของดาวอังคารกันเล่า

ปัจจุบันนักดาราศาสตร์มีสมมติฐานอยู่หลายข้อเกี่ยวกับปัจจัยเรื่องขนาดของดาวอังคารและดาวเคราะห์หินดวงอื่น ๆ ในระบบสุริยะว่าทำไมถึงเล็กเกินกว่าที่มันควรจะเป็น ซึ่งอาจสามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฎี Grand Tack Hypothesis ที่เคยเขียนไว้ในบทความก่อนหน้า

หากเราสามารถเดินทางย้อนอดีตไปได้ เราจะได้เห็นช่วงเวลาหนึ่งที่ทั้งโลกและดาวอังคารต่างเป็นดาวเคราะห์สีน้ำเงินที่เต็มไปด้วยมหาสมุทรกว้างใหญ่ แต่เมื่อเวลาผ่านไปดาวดวงหนึ่งเต็มไปด้วยชีวิต อีกดวงกลับเหลือแต่ทะเลทรายหนาวเย็นแห้งแล้ง ทิ้งไว้เพียงแต่ร่องรอยของสายน้ำ ถึงแม้ดินแดนนี้จะสภาพโหดร้ายเพียงแต่ในปัจจุบัน ดาวเคราะห์แดงก็ยังเป็นโลกที่มนุษย์ใฝ่ฝันจะไปเยี่ยมเยือนหรือแม้แต่กระทั่งลงหลักปักฐาน ไม่ทำให้อดที่จะจินตนาการไม่ได้ว่าเมื่อถึงวันที่เรามีเทคโนโลยีเพียงพอ มนุษยชาติจะสามารถทำให้ดาวเคราะห์แดงนี้กลับมามีชีวิตอีกครั้งได้หรือไม่

เรียบเรียงโดย ทีมงาน SPACETH.CO

อ้างอิง

Clues to Mars’ Lost Water

NASA Research Suggests Mars Once Had More Water Than Earth’s Arctic Ocean

NASA’s MAVEN Mission Observes Ups and Downs of Water Escape from Mars