เมื่อวันที่ 14 ตุลาคม 2020 วารสารด้านวิทยาศาสตร์ ScienceAdvances โดย AAAS ตีพิมพ์บทความทางการวิจัยชื่อ “When the Moon had a magnetosphere” ซึ่งนำการวิจัยโดย NASA พบว่าดวงจันทร์เคยมีสนามแม่เหล็กมาก่อนและสนามแม่เหล็กดังกล่าวยังแข็งแรงพอ ๆ กับโลกขนาดที่สามารถป้องกันลมสุริยะและชั้นบรรยากาศของตัวมันเองได้ด้วย นอกจากนี้สนามแม่เหล็กของทั้งโลกและดวงจันทร์ยังเคยเป็นอันเดียวกันด้วย
ดวงจันทร์ก่อตัวขึ้นเมื่อ 4.5 พันล้านปีก่อน เมื่อวัตถุขนาดประมาณดาวอังคาร มีชื่อว่า Theia ชนเข้ากับโลกขณะก่อตัว (proto-Earth) ที่พึ่งมีอายุได้เพียงแค่ 100 ล้านปีเท่านั้น ทำให้เศษซากจากการชนพุ่งออกนอกโลกและโคจรรอบโลกจนเศษซากดังกล่าวรวมตัวกันเป็นดาวบริวารของโลกกลายเป็นดวงจันทร์ ส่วนเศษซากที่มีความเร็วไม่พอก็ตกกลับลงโลก ซึ่งการมีอยู่ของดวงจันทร์ในตอนนั้นนับว่าเป็นเรื่องดีต่อโลกเพราะแรงดึงดูดของมันช่วยให้แกนหมุนเสถียรขึ้นและความเร็วในการหมุนรอบตัวเองของโลกลดลง ซึ่งก่อนหน้านั้นโลกหมุนรอบตัวเองเร็วกว่าตอนนี้เกือบ 5 เท่าหรือวันหนึ่งมีแค่ 5 ชั่วโมงเพียงเท่านั้น
หลังจากการชนดวงจันทร์โคจรรอบโลกที่ระยะเพียง 128,000 กิโลเมตรเท่านั้นเองซึ่งเป็นระยะที่ใกล้มากจนวงโคจรของดวงจันทร์และโลกค่อย ๆ Stabilize ซึ่งกันและกันมาจนถึงปัจจุบันที่วงโคจรของดวงจันทร์ Tidally locked กับโลกที่ระยะ 383,000 กิโลเมตร หมายความว่าดวงจันทร์หันด้านเดียวมาหาโลกตลอดเวลาเนื่องจากความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการหมุนรอบตัวเองของดวงจันทร์และอัตราการหมุนรอบโลกของดวงจันทร์
นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าในอดีตหลังจากดวงจันทร์ก่อตัว มันไม่น่าจะมีสนามแม่เหล็กเหมือนกับโลกเพราะว่าขนาดที่เล็กของมัน ซึ่งสนามแม่เหล็กของเทห์ฟากฟ้า (Celestial body) จะทำหน้าที่เหนี่ยวนำอนุภาคที่มีประจุต่าง ๆ ไปตามแนวเส้นสนามแม่เหล็กของมันซึ่งก็คือหลักการทำงานของสนามแม่เหล็กในปัจจุบัน อย่างเช่นสนามแม่เหล็กโลกที่เหนี่ยวนำอนุภาคมีประจุจากดวงอาทิตย์เช่นลมสุริยะไปตามเส้นสนามแม่เหล็กโลกเพื่อป้องกันโลกจากอันตรายของอนุภาคมีประจุและรังสีความเข้มข้นสูงต่าง ๆ จากลมสุริยะและ Solar Particle Event (SPE) อื่น ๆ ซึ่งเป็นอันตรายต่อชีวิตบนโลกเป็นอย่างมาก (อ่านบทความเกี่ยวกับรังสีในอวกาศได้ที่นี่ Radiation in Space เมื่อมนุษย์กับรังสีในอวกาศ เราจะกลายพันธ์ุไหม)
แต่อย่างไรก็ตามจากการศึกษาล่าสุดด้วยตัวอย่างของดินบนดวงจันทร์ในภารกิจ Apollo นักวิทยาศาสตร์พบว่าดวงจันทร์เคยมีสนามแม่เหล็ก (Magnetosphere) มันเริ่มต้นขึ้นเมื่อหลายสิบปีก่อน เมื่อยาน Luna ของโซเวียตบินผ่านดวงจันทร์พร้อมกับเซนเซอร์วัดความเข้มข้นของสนามแม่เหล็กและพบว่าดวงจันทร์ไม่มีสนามแม่เหล็กแต่อย่างใด ต่อมาภารกิจ Apollo 12 ซึ่งเป็นภารกิจต่อจาก Apollo 11 ซึ่งเป็นครั้งที่สองที่มนุษย์กลับไปเหยียบดวงจันทร์ รอบนี้ Apollo 12 เอา Magnetometer ขนาดใหญ่ซึ่งเป็นเครื่องมือสำหรับการวัดอำนาจของสนามแม่เหล็กไปเสียบบนผิวดวงจันทร์ด้วยและรอบนี้พวกเขาพบว่าค่ามันไม่ได้เป็นศูนย์ เพียงแค่อ่อนแรงกว่าสนามแม่เหล็กโลกราว ๆ 1000 เท่า บ่งบอกว่าดวงจันทร์ในตอนนี้ไม่มีสนามแม่เหล็กแต่อาจเคยมีในอดีต และสามารถพิสูจน์ได้ด้วยการวิเคราะห์ “Magnetic memory” ซึ่งเป็น Precursor ของแม่เหล็กในอดีต แต่การวิเคราะห์ดังกล่าวไม่สามารถทำได้บนดวงจันทร์ แต่ต้องนำตัวอย่างของดินบนดวงจันทร์ที่อาจมี Magnetic memory กลับมาตรวจสอบบนโลก
Magnetic memory คืออะไร Magnetic memory เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในหิน เมื่อหินอยู่ในสภาพที่เป็นของเหลว เช่น หินลาวาจำพวกบะซอลต์ (Basalt) ซึ่งหินพวกนี้เมื่อมันก่อตัวมันจะเกิดแร่ธาตุภายในหินจำนวนหนึ่งซึ่งมีคุณสมบัติด้านอำนาจการดึงดูดหรือแม่เหล็กด้วย (Magnetism) เช่น บนโลกแร่ธาตุที่มีคุณสมบัติเหล่านี้คือ Magnetite แต่บนดวงจันทร์ไม่สามารถเกิด Magnetite ได้เพราะว่าการเกิด Magnetite จำเป็นต้องมีการออกซิไดซ์เหล็กซึ่งจำเป็นต้องใช้ออกซิเจน แต่บนดวงจันทร์ดันไม่มีไง เลยเป็นได้แค่ผงเหล็กธรรมดา ๆ (เคยมีออกซิเจนทำให้เกิด Hematite อยู่แต่น้อยมาก อ่านได้ที่ ปริศนาสนิมบนดวงจันทร์ นักวิทยาศาสตร์พบ Hematite ทั้งที่ดวงจันทร์ไม่ควรมีสนิม)
ซึ่งผงเหล็กพวกนี้ก็มีอิเล็กตรอนในตัวมันเองที่หมุนไปหมุนมาทำให้เกิดอำนาจทางแม่เหล็กขึ้น และหากดวงจันทร์มีสนามแม่เหล็กอิเล็กตรอนพวกนี้มันก็จะเรียงตัวกันแนวเดียวกันกับสนามแม่เหล็กที่มี เมื่ออุณหภูมิของหินลดต่ำลงกว่าจุดวิกฤติที่เรียกว่า Curie temperature ซึ่งในกรณีของผงเหล็ก คือ 780 องศาเซลเซียส อิเล็กตรอนในผงเหล็กพวกนี้ก็จะเหมือนถูกแช่แข็งในหินไม่สามารถขยับได้ทำให้มันคงคุณสมบัติความเป็นแม่เหล็กได้อย่างถาวร เกิดเป็นปรากฏการณ์ Magnetic memory การจะทำลาย Magnetic memory ก็สามารถทำได้ด้วยเช่นกันโดยการพังอิเล็กตรอนที่มันเรียงกันอยู่ให้ได้ เช่นเอาแท่งแม่เหล็กมาบด หรือการเอาแม่เหล็กมาเผาจนเกิดอุณหภูมิวิกฤต มันก็จะสูญเสียอำนาจทางแม่เหล็กเพราะว่าอิเล็กตรอนที่เรียงตัวกันอยู่แตกกระจายออก
จากการวิเคราะห์ตัวอย่างของหินบนดวงจันทร์ซึ่งได้มาจากโครงการ Apollo พบว่าตัวอย่างของหินจำนวนมากมีอำนาจทางแม่เหล็กสูงและถ้าดวงจันทร์ยังมีสนามแม่เหล็กอยู่ อำนาจของสนามแม่เหล็กของดวงจันทร์ในตอนนี้อาจเทียบเท่าโลกเมื่อ 350 พันล้านปีก่อนเลยทีเดียว
และจากการศึกษาล่าสุดด้วยการสร้างแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์ของสนามแม่เหล็กระบบโลกและดวงจันทร์เมื่อ 4 พันล้านปีก่อน พบว่าดวงจันทร์เคยเป็นส่วนหนึ่งของการป้องกันระบบ Earth-Moon จากอนุภาคที่อาจหลุดเข้ามาในเส้นสนามแม่เหล็กโลกเส้นในซึ่งเดินทางมาหยุดที่ขั้วโลกและทำให้เกิดแสง Aurora และที่มันเกิดขึ้นแบบนี้ก็เพราะว่าสนามแม่เหล็กของโลกและดวงจันทร์อาจเคยเป็นอันเดียวกันมาก่อน เมื่อสนามแม่เหล็กทั้งสองรวมกันทำให้สนามแม่เหล็กของระบบ Earth-Moon แข็งแรงขึ้นมากและเหนี่ยวนำอนุภาคจาก SPE ออกจากระบบจนหมดไม่เหลือไว้แม้แต่ให้เกิดแสง Aurora เลยทีเดียว
นอกจากนี้ทฤษฎี Shared Magnetic Field หรือการรวมตัวกันของสนามแม่เหล็กโลกและดวงจันทร์ยังสนับสนุนทฤษฎีชั้นบรรยากาศที่เบาบางบนดวงจันทร์และการค้นพบแก๊สไนโตรเจนในหินของดวงจันทร์ด้วย เพราะว่าเมื่อลมสุริยะซึ่งมีอนุภาคจำพวก Ultraviolet (UV) ถูกเหนี่ยวนำให้ไปตามเส้นแม่เหล็ก ระหว่างที่อนุภาคพวกนี้ถูกเหนี่ยวนำอ้อมโลกมันจะไปไอออไนซ์และดึงอิเล็กตรอนจากอนุภาคที่เป็นกลางในชั้นบรรยากาศส่วนบนของโลกด้วยซึ่งการถูกดึงอิเล็กตรอนออกทำให้อนุภาคดังกล่าวกลายเป็นอนุภาคที่มีประจุทันทีทำให้มันจะถูกเหนี่ยวนำไปตามเส้นแม่เหล็กด้วยและอนุภาคที่เป็นกลางที่ว่าก็คือ ไนโตรเจน ซึ่งเป็นแก๊สที่ครอบคลุมโลกส่วนใหญ่อยู่แล้วโดยเฉพาะในอดีต ทำให้ไนโตรเจนถูกพัดไปตกบนดวงจันทร์นั่นเอง
โดยนักวิทยาศาสตร์คาดการณ์ว่าการรวมตัวกันของสนามแม่เหล็กโลกและดวงจันทร์อาจเกิดขึ้นเมื่อประมาณ 4.1 พันล้านปี – 3.5 พันล้านปีก่อน ก่อนที่สนามแม่เหล็กของดวงจันทร์จะเริ่มอ่อนกำลังลงเนื่องจากขาดพลังงานความร้อนในแกนที่ทำให้เกิดการหมุนเวียนของของเหลวภายในแกนของดวงจันทร์ โดยของเหลวในแกนที่ทำให้เกิดการเหนี่ยวนำจนเกิดสนามแม่เหล็กหมุนเวียนช้าลงเรื่อย ๆ จนสนามแม่เหล็กสูญเสียกำลังและหมดอำนาจแม่เหล็กในที่สุด นักวิทยาศาสตร์คาดว่าดวงจันทร์เสียอำนาจแม่เหล็กอย่างมีนัยสำคัญเมื่อประมาณ 3.2 พันล้านปีก่อนและสูญเสียอำนาจแม่เหล็กทั้งหมดเมื่อ 1.5 พันล้านปีก่อน ชั้นบรรยากาศที่เคยมีสนามแม่เหล็กคุ้มหัวก็ค่อย ๆ ถูกลมสุริยะพัดไปเรื่อย ๆ จนในที่สุดก็ไม่เหลือชั้นบรรยากาศอยู่อีก
ทำให้มันเป็นอีกหัวข้อการศึกษาที่น่าสนใจเพราะว่าอาจเคยมีดาวเคราะห์นอกระบบอื่น ๆ ที่ดาวบริวารของมันทำหน้าที่ป้องกันชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์แม่ของมัน และโครงการ Artemis ซึ่งกำลังจะไปเก็บตัวอย่างบนขั้วใต้ของดวงจันทร์กำลังจะช่วยไขปริศนาการรวมตัวกันของสนามแม่เหล็กโลกและสนามแม่เหล็กดวงจันทร์ในอดีตซึ่งที่น่าสนใจไปกว่านั้นคือพื้นที่บนขั้นใต้ของดวงจันทร์มีลักษณะเป็นหลุมขนาดใหญ่ที่ไม่ได้สัมผัสแสงดวงอาทิตย์รวมถึงอนุภาคลมสุริยะจากดวงอาทิตย์มาเป็นพันล้านปีแล้ว หมายความว่าอนุภาคอะไรก็ตามที่เคยถูกพัดปลิวมาจากโลกลงมายังดวงจันทร์ก็จะยังคงอยู่บนขั้วใต้ของดวงจันทร์เหมือนเดิมและแน่นอนว่ามันต้องเป็นอนุภาคจากโลกที่มีอายุราว ๆ พันล้านปีแน่นอน ทำให้เราอาจสามารถไขปริศนามากมายในอดีตเกี่ยวกับชั้นสภาวะบรรยากาศของโลกได้แน่นอน
เรียบเรียงโดย ทีมงาน SPACETH.CO
อ้างอิง
Earth and Moon Once Shared a Magnetic Shield, Protecting Their Atmospheres
Gravity Assist: When the Moon Was Like a Magnet, with Sonia Tikoo
When the Moon had a magnetosphere, Vol. 6, no.42, Science Advances
