วันที่ 26 ตุลาคม 2020 Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy หรือกล้อง SOFIA ของ NASA ซึ่งเป็นกล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสงเส้นผ่านศูนย์กลางกระจก 2.7 เมตร ติดอยู่บนเครื่องบิน Boeing 747SP สามารถอ่านบทความเกี่ยวกับ SOFIA ได้ที่ SOFIA หอดูดาวบินได้บนเครื่อง 747 ที่ออกแบบให้ไปอยู่ตรงไหน เมื่อไหร่ ก็ได้บนโลก โดย NASA ประกาศว่า SOFIA ค้นพบหลักฐานซึ่งบ่งบอกว่าอาจมีน้ำในรูปของของเหลวบนพื้นผิวของดวงจันทร์ด้านที่ถูกกับแสงอาทิตย์
SOFIA ค้นพบน้ำได้อย่างไร
SOFIA ค้นพบโมเลกุลของน้ำที่หลุมอุกกาบาต Clavius ซึ่งเป็นหลุมอุกกาบาตขนาดใหญ่บนขั้วใต้ของดวงจันทร์ซึ่งสามารถมองเห็นได้จากโลก ก่อนหน้านี้นักวิทยาศาสตร์และนักดาราศาสตร์พบโมเลกุลของไฮโดรเจนอยู่บนพื้นผิวอยู่ แต่ยังไม่สามารถแยกได้ว่าโมเลกุลที่ค้นพบเป็นสารประกอบของน้ำหรือ Hydroxyl (OH) ซึ่งมีลักษณะใกล้เคียงกับน้ำในทางเคมีอยู่ จึงทำให้ยังไม่สามารถสรุปได้ว่าไฮโดรเจนที่พบเป็นโมเลกุลไฮโดรเจนของน้ำจริง ๆ
แต่จากการสำรวจด้วยกล้องโทรทรรศน์ SOFIA ที่ความสูง 45,000 ฟีต (13,716 เมตร) ซึ่งที่ความสูงระดับ 45,000 ฟีต หมายความว่า SOFIA กำลังบินอยู่ในชั้น Stratosphere และอยู่สูงกว่าไอน้ำในอากาศกว่า 99% ซึ่งไอน้ำดังกล่าวส่วนใหญ่อยู่ในชั้น Troposphere ที่เป็นที่ตั้งของกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินต่าง ๆ
หมายความว่าประสิทธิภาพในการถ่ายรูปของ SOFIA จะดีกว่ากล้องที่อยู่บนพื้นโลกกว่า 99% เลยนั่นเอง เพราะว่าไอน้ำอาจทำให้แสงที่เดินทางผ่านกระเจิงออกและทำให้แสงที่ตกกระทบกับกระจกสะท้อนแสงของกล้องโทรทรรศน์น้อยลง
SOFIA ใช้กล้อง Faint Object infraRed CAmera for the SOFIA Telescope (FORCAST) ซึ่งใช้สำหรับการสังเกตการณ์ดาราศาสตร์ในระดับมิลลิเมตรที่ช่วงคลื่นอินฟราเรดโดย FORCAST ทำงานร่วมกับกล้องช่วงคลื่นอินฟราเรดกลาง (Impurity-Band infrared focal plane array) ร่วมกับฟิลเตอร์ G603 ขนาด 2.4 x 191 นิ้ว สำหรับการกรองแสงที่สเปกตรัม 5 ถึง 8 ไมโครเมตร
จากนั้นจึงกำหนดพื้นที่สำรวจบนดวงจันทร์แบ่งออกเป็น 2 พื้นที่หลัก ๆ คือ พื้นที่ที่มีลาติจูดสูงซึ่งนักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานว่ามีปริมาณน้ำ และสำรวจพื้นที่บริเวณเส้นศูนย์สูตรซึ่งประมาณการไว้ว่ามีน้ำน้อยเป็นตัวแปรควบคุม โดยพื้นที่ทั้งสองถูกสำรวจโดย SOFIA พร้อมกันในไฟลท์เดียวในช่วงระยะเวลา 10 นาที ที่ SOFIA ความสูงระหว่าง 13,105 เมตร ถึง 13,112 เมตร โดยพื้นที่ตัวแปรต้นถูกเลือกเป็นพื้นที่บริเวณ Clavius crater ซึ่งอ้างอิงจากข้อมูลของอุปกรณ์ M3 (Moon Mineralogy Mapper) ที่บ่งบอกว่าบริเวณ Clavius อาจมีปริมาณน้ำสูง และให้ Mare Seranitatis เป็นตัวแปรควบคุมซึ่งเป็นพื้นที่บริเวณเส้นศูนย์สูตรที่คาดว่ามีน้ำน้อยอ้างอิงจากข้อมูล M3
SOFIA ถ่ายรูปพื้นที่ทั้ง 2 พื้นที่เป็นรูป Spectral ที่ความละเอียด 248 x 248 พิกเซล ครอบคลุมความยาวคลื่นที่ 5 ถึง 8 ไมโครเมตร จากนั้นจึงนำไปประมวลผลโดยข้อมูล Spectral ของพื้นผิวดวงจันทร์จำเป็นจะต้องถูกลด Artefact หรือสิ่งรบกวนก่อน เช่น การลบ Bad pixel, error correction, nonlinearity correction, jailbar removal, droop effect correction และอื่น ๆ อีกเป็นจำนวนมากกว่าจะได้ภาพของ Spectral ที่มีคลื่นรบกวนน้อยที่สุดเท่าที่จะทำได้
นอกจากนี้การประมวลผลภาพจะต้องคำนึงถึง 1% ของน้ำที่ยังหลงเหลืออยู่ในชั้นบรรยากาศที่ SOFIA บินอยู่ด้วย หมายความว่าจะมีการดูดกลืนแสงโดยน้ำเกิดขึ้นด้วยนั่นเอง (Water vapour absorption lines) ซึ่งนี่อาจจะทำให้การวิเคราะห์น้ำบนดวงจันทร์คลาดเคลื่อนได้ อ้างอิงจากงานวิจัย (Citation 1, Ref. 31) พบว่าน้ำในชั้นบรรยากาศมีประมาณ 2–10 µg g−1 ซึ่งน้อยมากแต่ก็ยังมีนัยสำคัญต่อการวิเคราะห์ข้อมูล
จากการวิเคราะห์ข้อมูลจาก SOFIA โดยนักวิทยาศาสตร์พบว่าเกิดการเพิ่มขึ้นของช่องความยาวคลื่น 6 micrometers band จากภาพ Spectral ที่ถ่ายได้บริเวณ Clavius region บ่งบอกว่ามีน้ำในรูปของของเหลวอยู่บนพื้นผิวของดวงจันทร์ที่ความเข้มข้นประมาณ 100 – 400 µg g−1 H2O
โดยน้ำบริเวณดังกล่าวเทียบเท่าได้กับความเข้มข้นประมาณ 100 – 412 PPM (parts per million) หรือประมาณ 12-ounce (354 มิลลิลิตร) กระจายอยู่ในบริเวณ 1 ตารางเมตรของดินบนดวงจันทร์ ซึ่งอาจดูเหมือนเยอะแต่จริง ๆ แล้วถือว่าน้อยมาก หากเทียบง่าย ๆ ทะเลทรายซาฮาร่ามีน้ำมากกว่า 100 เท่าของน้ำบนดวงจันทร์ในพื้นที่ที่ปริมาตรเท่ากัน
จากการวิเคราะห์ข้อมูลน้ำของ SOFIA พบว่าข้อมูลของ SOFIA ใกล้เคียงและอยู่ใน Data Set ของข้อมูลจาก M3 อย่างไรก็ตามข้อมูลของ SOFIA และ M3 ขัดแย้งกันในเรื่องของความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณน้ำและละติจูด โดยข้อมูลทั้งสองมีทิศทางไปตรงข้ามกันอย่างชัดเจน และยังไม่ทราบสาเหตุว่าทำไมจึงเป็นเช่นนั้น ซึ่งนักวิจัยของ SOFIA คาดว่าอาจเป็นเพราะการสำรวจที่ช่วงความยาวคลื่น 3 – 6 ไมโครเมตร ที่ให้ผลลัพธ์ที่ดีในการทดลองในห้องปฏิบัติการ แต่อาจจะไม่ Practical ในทางปฏิบัติ ทำให้เกิดการคลาดเคลื่อน
ส่วนการสำรวจในพื้นที่ละติจูดต่ำบริเวณเส้นศูนย์สูตรที่ Mare Serenitatis พบว่าใน Spectral ส่วนใหญ่นั้นไม่ตรวจพบน้ำเลยแต่ตรวจพบน้ำในหิน (Pyroclastic deposits) สูงที่ปลาย Slit ของตัวกรอง จึงทำให้ยังมีความเป็นไปได้ว่าอาจมีน้ำในบริเวณนี้เช่นกัน แต่ทีมนักวิจัยไม่ได้ทำการขยายผลต่อเพราะใช้เป็นเพียงอ้างอิงเท่านั้น การสังเกตการณ์เพื่อหาน้ำใน Mare Serenitatis อ้างอิงข้อมูลการสะท้อนแสงจากตัวอย่างดินดวงจันทร์ 62231 และ 15041 ของ Apollo ซึ่งปัจจุบันอาจคลาดเคลื่อนได้ อย่างไรก็ตามทีมวิจัยมั่นใจว่าน้ำในบริเวณนี้มีน้อยกว่าน้ำใน Clavius crater แน่นอนเพราะว่าน้ำที่ตรวจพบในบริเวณ Mare Serenitatis อยู่ที่ขอบล่างของปริมาณที่ตรวจพบได้ (Lower limit)
การค้นพบน้ำบนดวงจันทร์ครั้งนี้หมายถึงอะไร
กว่าหลายปีมาแล้วที่มนุษย์เราพยายามพิสูจน์การมีอยู่ของน้ำบนดวงจันทร์ ไม่ว่าจะเป็นการส่งยานไปพุ่งชนดวงจันทร์เมื่อ 20 ปีที่แล้วอย่าง Lunar Crater Observation and Sensing Satellite (LCROSS) ซึ่งพิสูจน์ว่ามีน้ำในรูปของน้ำแข็งอยู่บริเวณหลุมอุกกาบาตแถบขั้วโลกของดวงจันทร์อยู่ แต่การค้นหาน้ำในรูปแบบของของเหลวก็ยังคงดำเนินต่อไปซึ่งเป็นความร่วมมือระหว่างหน่วยงานจำนวนมาก เช่น Chandrayaan-1 ของ ISRO หรือ Infrared Telescope Facility ของ NASA อย่างไรก็ตามภารกิจดังกล่าวค้นพบการ Hydration หรือการมีอยู่ของ Hydrogen ก็จริง แต่ไม่สามารถแยกได้ว่าเป็นไฮโดรเจนของน้ำ (H2O) หรือไฮโดรเจนของ Hydroxyl (OH) กันแน่
แต่ตอนนี้เราค้นพบน้ำในรูปแบบของของเหลวแล้ว นักวิทยาศาสตร์คาดว่าน้ำเหล่านั้นอาจเกิดจากอุกกาบาตขนาดเล็กจำนวนมาก (Micrometeorites) ที่อาจมีน้ำเป็นส่วนประกอบตกลงมาบนพื้นผิวของดวงจันทร์ทำให้เกิดการสะสมของน้ำบนพื้นผิวของดวงจันทร์ขึ้นหรือแม้แต่อาจจะเป็นผลจากลมสุริยะของดวงอาทิตย์ที่พัดไฮโดรเจนลงมาบนพื้นผิวของดวงจันทร์ทำให้เกิดปฏิกิริยากับออกซิเจนในแร่บนพื้นผิวของดวงจันทร์ทำให้เกิด Hydroxyl (OH) ส่วนรังสีต่าง ๆ จาก Micrometeorites อาจทำให้ Hydroxyl แปลงกลายเป็นน้ำได้
โดยน้ำที่เกิดขึ้นดังกล่าวอาจสะสมอยู่ในบริเวณที่มีลักษณะเป็นหลุมซึ่งเกิดจากแรงกระแทกจากอุกกาบาตขนาดเล็ก หรืออาจสะสมอยู่ในช่องว่างระหว่างโมเลกุลของดินทำให้มันไม่ระเหยจากการถูกแสงแดดโดยไม่มีชั้นบรรยากาศมาคุ้มกัน
การค้นพบน้ำบนดวงจันทร์ครั้งนี้เหมือนเป็นการปูทางให้อนาคตของการสำรวจดวงจันทร์อย่างโครงการ Artemis ที่มีแผนจะไปตั้งถิ่นฐาน Artemis Base Camp ภายในทศวรรษหน้า (อ่านบทความเกี่ยวกับ Artemis ได้ที่นี่ เจาะลึกโครงการ Artemis ที่จะพามนุษย์รุ่นใหม่ ออกเดินทางกลับไปสู่ดวงจันทร์) การค้นพบน้ำบนพื้นผิวนี้อาจทำให้การใช้ทรัพยากรแบบ In-situ Resource Utilization หรือ ISRU เป็นจริง (สามารถอ่านบทความเกี่ยวกับ ISRU ได้ที่นี่ แผนการบริหารทรัพยากรบนดาวอังคาร In-Situ Resource Utilization)
ISRU เป็นการนำทรัพยากรที่มีอยู่มาใช้ให้เกิดประโยชน์และหมุนเวียนกันไปโดยไม่ต้องพึ่งพาทรัพยากรจากโลกแต่อยางใด ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการสำรวจอวกาศในอนาคตมากและสามารถช่วยลดภาระในการขนส่งทรัพยากรได้มากหาก ISRU เป็นจริงขึ้นมา
NASA กำลังจัดไฟลท์ติดตามของ SOFIA ใหม่ขึ้นเพื่อเก็บข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการค้นพบนี้ นอกจากนี้งานวิจัยนี้ยังจะถูกนำไปใส่ในภารกิจการสำรวจดวงจันทร์ของ NASA ชื่อว่า Volatiles Investigating Polar Exploration Rover หรือ VIPER เพื่อทำแผนที่ทรัพยากรบนดวงจันทร์ด้วย โดย VIPER จะทำหน้าที่ยืนยันการค้นพบนี้ในอนาคต (สามารถอ่านบทความเกี่ยวกับ VIPER ได้ที่นี่ VIPER โรเวอร์ที่จะถูกส่งขึ้นไปบนดวงจันทร์เพื่อไปหา “น้ำ” สิ่งหนึ่งที่สำคัญที่สุดของชีวิต)
เรียบเรียงโดย ทีมงาน SPACETH.CO
อ้างอิง
NASA’s SOFIA Discovers Water on Sunlit Surface of Moon
Citation 1: Molecular water detected on the sunlit Moon by SOFIA
Citation 2: Water on the surface of the Moon as seen by the Moon Mineralogy Mapper: Distribution, abundance, and origins
