ชีวดาราศาสตร์บนดาวอังคาร

เมื่อวันที่ 30 กรกฎาคม ปีกลายนี้ องค์การ NASA ของสหรัฐอเมริกา ได้ยิงจรวดจากแหลม Canaveral ในรัฐฟลอริดา นำยาน Perseverance ที่ขับเคลื่อนได้ มุ่งหน้าสู่ดาวอังคาร

อีก 7 เดือนต่อมา ยาน Perseverance ได้ลงจอดในหลุมอุกกาบาต ชื่อ Jezero ซึ่งตั้งอยู่ ณ บริเวณที่ราบต่ำ ชื่อ Isidis ณ ตำแหน่งเส้นรุ้ง 16 องศาเหนือ ตัดกับเส้นแวง 80 องศาตะวันตก เพื่อค้นหาสิ่งมีชีวิตบนดาวอังคาร โดยจะศึกษาธรรมชาติในอดีตของดาว รวมถึงจะพยากรณ์ปรากฏการณ์วิทยาศาสตร์ที่อาจจะเกิดขึ้นบนดาวในอนาคต โดยใช้อุปกรณ์วิทยาศาสตร์ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในประวัติการสำรวจดาวอังคาร

ตลอดเวลา 45 ปีที่ผ่านมา ทั้งประเทศสหรัฐอเมริกา รัสเซีย จีนและอินเดียต่างก็ได้ส่งดาวเทียมไปโคจรรอบดาวอังคาร และส่งยานอวกาศไปสำรวจดาว รวมกันทั้งสิ้นประมาณ 50 ครั้ง เช่น ได้ส่งยาน Viking 1 ไปลงจอดในบริเวณพื้นราบ Xanthe เมื่อวันที่ 20 กรกฎาคม ปี 1976 ส่งยาน Mars Pathfinder ไปลงจอดที่เนินเขาขนาดเล็ก ชื่อ Qxia เมื่อวันที่ 4 กรกฎาคม ปี 1997 รวมถึงได้ส่งยานชื่อ Opportunity ไปสำรวจบริเวณที่ขรุขระด้วยหลุมอุกกาบาตใหญ่น้อย ชื่อ Margaritifer เมื่อวันที่ 25 มกราคม ปี 2004 ด้านสหภาพโซเวียตก็ได้พยายามส่งยานไปสำรวจดาวอังคารเช่นกัน แต่ยานหลายลำประสบอุบัติเหตุตก ขณะลงจอดใกล้ภูเขา Newton เมื่อวันที่ 2 ธันวาคม ปี 1971 เป็นต้น

สถิติความสำเร็จในการส่งยานลงไปสำรวจดาวอังคารโดยประเทศต่าง ๆ มีค่าประมาณ 40 %

ข้อมูลทางภูมิศาสตร์ที่ได้รับจากดาวเทียมที่ถูกส่งไปโคจรรอบดาวอังคารได้แสดงให้เห็นว่าดาวอังคารมีวงโคจรรอบดาวอาทิตย์เป็นวงรี โดยมีระยะใกล้ที่สุด 206.6 ล้านกิโลเมตร และไกลที่สุด 249.2 ล้านกิโลเมตร โดยเฉลี่ยดาวจึงอยู่ไกลจากดวงอาทิตย์เป็นระยะทาง 227.9 ล้านกิโลเมตร และโคจรไปในอวกาศด้วยความเร็ว 24.1 กิโลเมตร/วินาที ดังนั้นเวลา 1 ปี บนดาวอังคาร ซึ่งเป็นเวลาที่ดาวใช้ในการโคจรรอบดวงอาทิตย์ จึงมีค่า 687 วัน สำหรับอุณหภูมิต่ำสุดบนดาวมีค่าประมาณ -129 องศาเซลเซียส และสูงสุด 30 องศาเซลเซียส อุณหภูมิเฉลี่ยจึงมีค่า -63 องศาเซลเซียส (ในขณะที่โลกมีอุณหภูมิต่ำสุด -88 องศาเซลเซียส สูงสุด 58 องศาเซลเซียส และ อุณหภูมิเฉลี่ยมีค่าประมาณ 14 องศาเซลเซียส) ดาวอังคารหมุนรอบตัวเองโดยใช้เวลา 24.6 ชั่วโมง (1 วันบนดาวอังคารจึงนานพอ ๆ กับ 1 วันบนโลก) ดาวมีเส้นผ่านศูนย์กลางยาว 6,792 กิโลเมตร (โลกมีเส้นผ่านศูนย์กลางยาว 12,742 กิโลเมตร) มีมวลประมาณ 10.7% ของโลก และมีความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงที่ผิวดาวเท่ากับ 38% ของความเร่งเดียวกันที่ผิวโลก ดังนั้นถ้าคนเดินบนโลกได้ด้วยความเร็ว 1.5 เมตร/วินาที เขาคนนั้นก็จะเดินได้เร็วประมาณ 0.9 เมตร/วินาทีบนดาวอังคาร

ภาพถ่ายที่ได้จากดาวเทียมที่ถูกส่งไปโคจรรอบดาวอังคารแสดงให้เห็นว่า พื้นผิวของดาวมีความขรุขระ เช่น เป็นหุบเขา ยอดเขาสูง ที่ราบ หลุมอุกกาบาต ที่ลาดชัน เนินทราย ฯลฯ จึงมีชื่อทางภูมิศาสตร์เป็นภาษาละติน เช่น

คำ Planum ที่แปลว่า ที่ราบสูง เป็นชื่อของ Daedalia Planum , Syrtis Major Planum
คำ Unda แปลว่า เนินทราย เช่น Ulysses Unda
คำ Terra แปลว่า พื้นที่กว้าง เช่น Promethei Terra และ Xanthe Terra
คำ Montes แปลว่า ภูเขา เช่น Ausonia Montes , Echus Montes
คำ Valles แปลว่า หุบเขา เช่น Axius Valles และ Zarqua Valles
คำ Fossae แปลว่า แอ่งแคบยาว เช่น Melas Fassae , Giagas Fossae
คำ Mons แปลว่า ภูเขาสูง เช่น Olympus Mons ซึ่งเป็นภูเขาสูงที่สุดบนดาวอังคาร เพราะสูงถึง 21,249 เมตร ในขณะที่ยอดเขาเอเวอร์เรสต์บนโลกสูงเพียง 8,848 เมตรเท่านั้นเอง
คำ Scopulus แปลว่า กำแพงชัน เช่น Nilokeres Scopulus
คำ Palus แปลว่า ที่ราบขนาดเล็ก เช่น Echus Palus
คำ Tholus แปลว่า ภูเขาขนาดเล็กที่เป็นรูปโดม เช่น Ulysses Tholus
คำ Rupes แปลว่า หน้าผาชัน เช่น Bosporos Rupes

นอกจากนี้ก็มีหลุมอุกกาบาตที่มีขนาดใหญ่น้อยอีกเป็นจำนวนมาก ซึ่งตั้งตามชื่อของนักวิทยาศาสตร์ นักสำรวจและนักประพันธ์ เช่น Pickering, Ross, Heaviside, Reynolds, Hipparchus, Schiaparelli , Columbus, Cassini, Arago, Le Verrier, Herschel และ Wallace เป็นต้น


สำหรับบรรยากาศเหนือดาวอังคารนั้น ก็ได้พบว่ามีความหนาแน่นน้อยมาก เพราะมีค่าประมาณ 0.6% ของโลก ในขณะที่บรรยากาศโลกมีแก๊สไนโตรเจน 78% และแก๊สออกซิเจน 21% แต่บรรยากาศของดาวอังคารกลับมีแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ 96% แก๊สไนโตรเจน 1.89% และแก๊สอาร์กอน 1.93%

ประเด็นการมีบรรยากาศที่เจือจางมากเช่นนี้ เป็นเรื่องที่นักวิทยาศาสตร์สนใจมาก เพราะคิดว่ามันอาจเป็นปัจจัยที่ทำให้ดาวอังคารสูญเสียน้ำได้ง่าย ดังเหตุการณ์ที่ได้สำรวจพบในปี 2013 เมื่อ NASA ได้ส่งยาน MAVEN (จากคำเต็ม Mars Atmosphere and Volatile Evolution) ไปวิเคราะห์บรรยากาศชั้นบนของดาวอังคารว่ามีการเปลี่ยนแปลงตามกาลเวลาอย่างไร โดยวัดความเร็วที่โมเลกุลของแก๊สได้เล็ดลอดหนีไปในอวกาศอย่างรวดเร็ว ตลอดเวลา 2,000 – 3,000 ล้านปีที่ผ่านมา ในความพยายามจะตอบปริศนานี้ ยาน Perseverance จะศึกษาอิทธิพลของลมสุริยะต่อบรรยากาศชั้นบนของดาวอังคาร เพราะการรู้คำตอบจะทำให้รู้เหตุผลว่า เหตุใดดาวอังคารจึงมีสภาพดังที่เป็นอยู่ในทุกวันนี้ ส่วนการวิเคราะห์องค์ประกอบของแก๊สในหินบนดาวนั้น ก็จะแสดงให้เห็นว่า ในอดีตดาวเคยมีบรรยากาศที่หนาทึบหรือไม่ และอิทธิพลของแก๊สเรือนกระจกได้ทำให้ผิวดาวอังคารอบอุ่น จนสามารถทำให้ดาวมีน้ำที่ผิวได้อย่างไร นอกจากเหตุผลเหล่านี้แล้ว ดาวอังคารก็ยังเป็นดาวที่มีขนาดเล็กด้วย ดังนั้นแรงดึงดูดแบบโน้มถ่วงระหว่างดาวกับโมเลกุลของแก๊สจึงมีค่าน้อย ทำให้การสูญเสียบรรยากาศของดาวจึงเกิดขึ้นได้ง่าย

ส่วนอุปกรณ์ ultraviolet spectrograph ที่ติดตั้งอยู่บนยาน MAVEN ได้วัดอัตราส่วนระหว่างไอโซโทปต่าง ๆ ของไฮโดรเจน ซึ่งได้แก่ deuterium กับ hydrogen ที่พบในหิน ตัวเลขที่ได้แสดงอัตราการสูญเสีย deuterium ตั้งแต่ในอดีตจนถึงปัจจุบัน
ในปี 1988 ยาน Phobos 2 ของรัสเซียได้แสดงให้เห็นว่าลมสุริยะจากดวงอาทิตย์มีบทบาทในการกำจัดไอออนต่าง ๆ ออกจากบรรยากาศเหนือดาวอังคารได้อย่างไร และยาน Mars Express ขององค์การ European Space Agency หรือ ESA ก็ได้พบเช่นกันว่า ในทุกวินาทีไอออนของออกซิเจน และคาร์บอนไดออกไซด์ ได้ลดปริมาณลงมากเพียงใด

ยาน MAVEN ยังได้ศึกษาการเปลี่ยนแปลงของบรรยากาศที่ห่อหุ้มดาวอังคารด้วยโดยเฉพาะได้ศึกษาอะตอมออกซิเจนเวลาได้รับรังสีอัลตราไวโอเลตจากดวงอาทิตย์ ซึ่งรังสีนี้ เป็นรังสีที่มีความยาวคลื่นสั้นมาก (มีพลังงานสูงมาก) จึงทำให้อะตอมออกซิเจนมีพลังงานมาก จนสามารถเคลื่อนที่หลุดหนีจากแรงดึงดูดของดาวอังคารได้ MAVEN ยังได้ศึกษาการเปลี่ยนแปลงของบรรยากาศที่เกิดเวลาพายุสุริยะพัดอย่างรุนแรงด้วย

ไม่เพียงแต่เรื่องบรรยากาศเท่านั้นที่เป็นเรื่องน่าสนใจ สภาพทางธรณีวิทยาของดาวอังคารก็มีเป็นเรื่องน่ารู้ไม่แพ้กัน เพราะทุกคนอยากจะรู้ว่าบนดาวอังคารมีทะเลเมื่อใด และอะไรได้เกิดขึ้นกับทะเลนั้น นอกจากนี้ดาวอังคารเคยมีสิ่งมีชีวิตหรือไม่ หรือกำลังจะมีเมื่อใด และสิ่งมีชีวิตบนดาวอังคารแตกต่างจากสิ่งมีชีวิตบนโลกเพียงใด

ในการพยายามตอบคำถามเหล่านี้ NASA เองตระหนักดีว่า องค์การมีข้อมูลจำนวนมากที่ได้จากการสังเกต และการวัด แต่ยังไม่มีความรู้แล้วความเข้าใจในภาพรวมของสิ่งที่เห็น รวมถึงไม่มีความรู้เกี่ยวกับที่มาของสถานการณ์ และเหตุการณ์ที่กำลังจะเกิดขึ้นในอนาคต


ในอดีต NASA เคยมีดาวเทียมชื่อ Mars Reconnaissance Orbiter ที่ถูกส่งไปโคจรรอบดาวอังคาร ให้เฝ้าสังเกตพายุฝุ่นที่เกิดขึ้นบนดาว และดาวเทียมได้เห็นคาร์บอนไดออกไซด์แข็งที่ขั้วทั้งสองของดาว รวมถึงได้เห็นการละลายของน้ำแข็งด้วย ด้านยาน Curiosity ก็เคยวิเคราะห์ธรรมชาติของหินบนดาว เพื่อจะให้รู้ว่าดาวอังคารเคยมีทะเลหรือไม่ และเมื่อใด โดยการยิงแสงเลเซอร์ไปกระทบหินจนโมเลกุลและอะตอมที่เป็นองค์ประกอบของหินจนแตกกระจาย กลายสภาพเป็นพลาสมา (plasma) ที่ปล่อยแสงออกมา การวัดความยาวคลื่นแสงโดยอุปกรณ์ spectrometer สามารถบอกชนิดของโมเลกุลและอะตอมที่มีในหินได้

ข้อมูลปัจจุบันแสดงให้เห็นว่า ผิวดาวอังคารมีสภาพค่อนข้างแห้งแล้ง และในอดีตเมื่อหลายพันล้านปีก่อน ผิวดาวเคยถูกปกคลุมด้วยน้ำ เพราะบรรยากาศเหนือดาวมีแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ค่อนข้างหนาแน่น และมีทะเล แต่ก็มีได้ไม่นาน เพราะน้ำทะเลได้เหือดหายไปหมด ผิวดาวอังคารในอดีตจึงมีสภาพเหมือนทวีปแอนตาร์กติกาในปัจจุบัน คือ บนที่ราบสูงของดาวมีน้ำแข็งแห้งปกคลุม

นักธรณีวิทยาบางคนได้เสนอความเห็นว่า ปัจจัยหนึ่งที่ทำให้ผิวดาวเปลี่ยนแปลงมาก คือในอดีตภูเขาไฟบนดาวอังคารอาจพ่นแก๊สไฮโดรเจนและลาวาที่เป็นกำมะถันออกมา ทำให้บรรยากาศมีอุณหภูมิสูง จนน้ำแข็งบนดาวอังคารละลายและสามารถไหลได้อย่างสะดวก

ในการสำรวจดาวอังคารโดยยาน Perseverance ครั้งนี้ นักวิทยาศาสตร์ NASA ได้กำหนดให้ยานทำการวิเคราะห์หาองค์ประกอบของหินบนดาวอย่างละเอียด โดยใช้กล้องที่สามารถถ่ายภาพระยะใกล้และใช้ spectrometer กำลังสูง ในการเก็บรายละเอียดต่าง ๆ ให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ เพื่อจะได้สามารถบอกประวัติความเป็นมาของหินต่าง ๆ ว่า หินเหล่านั้นเกิดขึ้นได้อย่างไร และสภาพแวดล้อมขณะที่หินก้อนนั้นถือกำเนิดเป็นอย่างไร รวมถึงให้วัดอายุของหินด้วย เพราะข้อมูลเหล่านี้จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถลำดับเหตุการณ์ต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นบนดาวอังคารได้

แต่จุดมุ่งหมายสูงสุดในการสำรวจครั้งนี้คือ การค้นหาฟอสซิลของสิ่งมีชีวิตดึกดำบรรพ์ ซึ่งอาจจะอยู่ในรูปของจุลินทรีย์ (เพราะในอดีตดาวอังคารเคยมีน้ำและมีบรรยากาศที่อบอุ่น นั่นจึงเป็นสภาพแวดล้อมที่สามารถให้กำเนิดจุลินทรีย์ได้) แต่ทว่าบรรยากาศของดาวอังคารก็ไม่ได้อบอุ่นติดต่อกันเป็นเวลานาน อีกทั้งไม่มีน้ำอย่างต่อเนื่องเป็นเวลาหลายร้อยล้านปี ดังนั้นสิ่งมีชีวิตขั้นสูงที่มีโครงสร้างซับซ้อน จึงไม่สามารถถือกำเนิดได้ ดังนั้นจึงไม่มีใครคาดหวังว่า ยาน Perseverance จะพบกระดูกไดโนเสาร์หรือกระดูกมนุษย์ (Homo sapiens)

นักวิทยาศาสตร์นั้นได้รู้มานานแล้วว่า ในกรณีของโลก อินทรีย์โมเลกุลตัวแรกได้ถือกำเนิดเกิดขึ้นบนโลกเมื่อ 3,800 ล้านปีก่อน และเซลล์ของสิ่งมีชีวิตเซลล์แรกก็ได้ถือกำเนิดในน้ำ ในอีก 300 ล้านปีต่อมา จนกระทั่งเวลาล่วงเลยไปอีก 900 ล้านปี แบคทีเรียตัวแรกจึงได้ใช้กระบวนการสังเคราะห์พลังงานด้วยแสง (photosynthesis) ปลดปล่อยออกซิเจนออกมาสู่บรรยากาศโลก จากนั้นอีก 400 ล้านปี เซลล์ที่ซับซ้อนเซลล์แรกก็ได้ถือกำเนิด แล้วอีก 500 ล้านปีต่อมา บรรพบุรุษของพืช สัตว์ และเห็ดราก็ถือกำเนิด นั่นคือเมื่อ 1,500 ล้านปีก่อน ต่อจากนั้นกระบวนการวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตเป็นฟองน้ำและแมงกะพรุนก็ได้ตามมา


ดังนั้นถ้าสิ่งมีชีวิตเริ่มต้นบนโลก คือ จุลินทรีย์ นักวิทยาศาสตร์ก็คาดว่าสิ่งมีชีวิตชริดแรกบนดาวอังคารก็ควรเป็นไปในลักษณะเดียวกัน และเวลาจุลินทรีย์ดึกดำบรรพ์ตาย ผลึก calcium carbonate ที่เป็นฟอสซิลของมันก็จะเป็นหลักฐานที่แสดงว่า มันเป็นสิ่งมีชีวิตชนิดแรกที่ถือกำเนิดบนโลกในยุค Precambrian ซึ่งมีอายุมากกว่า 3,500 ล้านปี

นี่จึงเป็นเหตุผลที่ NASA ส่งยาน Perserverance ไปจอดในหลุมอุกกาบาต Jezero ซึ่งในยุคดึกดำบรรพ์เคยเป็นทะเลสาบ เพราะมีตะกอนและโคลนมากมาย โดยคาดว่าในตะกอนและโคลนเหล่านี้อาจมี stromatolite ของจุลินทรีย์ปรากฎอยู่ นอกจากเหตุผลนี้แล้ว หลุมอุกกาบาต Jezero ก็มีอายุประมาณ 3,500 ล้านปี ซึ่งนับว่าดึกดำบรรพ์พอให้สิ่งมีชีวิตชนิดแรกถือกำเนิดได้
อุปกรณ์สำคัญบนยาน Perseverance ที่ NASA ใช้ในการค้นหาสิ่งมีชีวิต ได้แก่ SuperCam ซึ่งประกอบด้วยกล้องถ่ายภาพ อุปกรณ์ spectrometer ที่ใช้วิเคราะห์หิน และเลเซอร์พลังงานสูงที่สามารถยิงก้อนหินที่อยู่ไกลออกไป 7 เมตรได้ ให้อะตอมต่าง ๆ ที่ผิวหินกลายเป็นพลาสมา ซึ่งจะปล่อยแสงออกมาให้นักวิทยาศาสตร์รู้ว่าโมเลกุลของหินเป็นโมเลกุลอะไร จากนั้นนักวิทยาศาสตร์ก็จะหาแร่หรืออินทรีย์โมเลกุลที่สามารถถือกำเนิดได้ในสภาพแวดล้อมที่มีน้ำ ซึ่งถ้าพบเขาก็จะอนุมานได้ว่า ดาวอังคารเคยมีน้ำจริง

ในการคัดเลือกหินที่จะนำมาวิเคราะห์ NASA ได้ใช้ AI หรือปัญญาประดิษฐ์ ดังนั้นถ้า AI เห็นหินก้อนใดที่สามารถให้กำเนิด stromatolite ได้ ก็จะบอก SuperCam ให้เริ่มทำงานทันที

แต่การจะยืนยันว่า บนดาวอังคารมีสิ่งมีชีวิตหรือไม่ NASA ต้องนำหินตัวอย่างนั้นกลับมาวิเคราะห์อย่างจริงจังในห้องปฏิบัติการบนโลก ซึ่งต้องใช้งบประมาณอีกมากและนั่นก็คือเหตุผลที่ NASA ต้องร่วมมือกับ ESA ในโครงการ Mars Sample Return ซึ่งจะเริ่มดำเนินการในปี 2030

ในอดีตเมื่อปี 1984 คนทั้งโลกเคยตื่นเต้นกับข่าวการพบสิ่งมีชีวิตในอุกกาบาต ALH 84001 ที่ตกใกล้เนิน Allan Hill ในทวีปแอนตาร์กติกา ซึ่งเป็นอุกกาบาตอายุ 4,000 ล้านปี และถือกำเนิดบนดาวอังคาร ดังนั้นทุกคนจึงตื่นเต้นมาก แต่การวิเคราะห์อย่างละเอียดในเวลาต่อมา แสดงให้เห็นว่าสิ่งที่เห็นไม่ใช่ซากจุลินทรีย์ แต่เป็นสารประกอบคาร์บอเนตที่เกิดจากปฏิกิริยาทางธรณีวิทยา

อุทาหรณ์นี้จึงเป็นบทเรียนให้เรารู้ว่า ความคาดหวังเกี่ยวกับสิ่งมีชีวิตบนดาวอังคารอาจจะต้องใช้เวลานานกว่าจะได้ความจริงทั้งหมด และเมื่อนักวิทยาศาสตร์รู้แจ้งเห็นจริงแล้ว เขาก็ต้องนำสิ่งที่เห็นนั้นกลับมายังโลก เพื่อสังเคราะห์เป็นองค์ความรู้ใหม่ แต่จะไม่วิเคราะห์เรื่องนี้แล้วสรุปโดยใช้ข้อมูลจากยาน Perserverance แต่เพียงแหล่งเดียว

อ่านเพิ่มเติมจาก The Copernicus Complex: The Quest for Our Cosmic Significance โดย Caleb Scharf จัดพิมพ์โดย Farrar, Straus and Giroux ปี 2014


สุทัศน์ ยกส้าน

ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" จาก "ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน" ได้ทุกวันศุกร์