ในเดือนเมษายนที่จะถึงนี้ องค์การอวกาศแห่งยุโรป European Space Agency (ESA) จะส่งยานสำรวจชื่อ JUpiter Icy moons Explorer (JUICE) ขึ้นอวกาศไปสำรวจดวงจันทร์บริวารของดาวพฤหัสบดี 3 ดวง อันได้แก่ Ganymede, Callisto และ Europa ซึ่งมีน้ำแข็งปกคลุมเต็มที่ผิว และมีทะเลอยู่เบื้องล่าง เพื่อค้นหาหลักฐานที่แสดงว่า ดวงจันทร์ทั้งสามดวงนี้ มีดวงใดบ้างที่มีสภาพแวดล้อมเอื้ออำนวยต่อการถือกำเนิดของสิ่งมีชีวิต
JUICE จะทะยานขึ้นโดยจรวด Ariane 5 จากฐานยิง Kourou ในประเทศ French Guiana และ JUICE จะใช้เวลา 8 ปี ในการเดินทางถึงจุดหมายปลายทาง คือ ดาวพฤหัสบดี โดยอาศัยแรงโน้มถ่วงของโลก และดาวศุกร์ในการเพิ่มความเร็วของยาน และมีกำหนดจะเดินทางถึงดาวพฤหัสบดี ในปี 2031 ต่อจากนั้นยานจะโคจรผ่านดวงจันทร์ทั้งสามที่ระยะสูงตั้งแต่ 200-1,000 กิโลเมตร และจะใช้เวลาสำรวจทั้งหมดนาน 3 ปี รวมทั้งหมดเป็นเวลา 11 ปี ซึ่งเวลาที่ค่อนข้างนานเช่นนี้ เป็นเรื่องปกติสำหรับการสำรวจทางดาราศาสตร์ในแทบทุกครั้ง ดังเช่น ในกรณีโครงการ Cassini–Huygens ที่ได้ออกเดินทางไปดาวเสาร์ตั้งแต่ปี 1997 จนกระทั่งสิ้นสุดเมื่อปี 2017 รวมเวลาทั้งสิ้น 20 ปี โดย NASA ได้ทำลายยาน ด้วยการบังคับให้ยานพุ่งลงดาวเสาร์ เพื่อให้แรงต้านของบรรยากาศเผายานจนลุกไหม้ไปให้หมด ก่อนที่ยานมีโอกาสจะปะทะดวงจันทร์ Enceladus ซึ่งเป็นดวงจันทร์อีกดวงหนึ่งที่นักดาราศาสตร์คาดว่าอาจจะมีสิ่งมีชีวิตอาศัยอยู่ได้ ดังนั้นถ้าคิดเวลาตั้งแต่ NASA เริ่มอนุมัติโครงการ คือ ปี 1979 โครงการ Cassini–Huygens ก็ได้ใช้เวลาทั้งสิ้น 38 ปี
JUICE จะนำอุปกรณ์วิทยาศาสตร์รวมทั้งสิ้น 11 ชิ้นไปด้วย เช่น spectrometer, magnetometer เพื่อวัดสนามแม่เหล็กของดวงจันทร์ทั้งสาม สำรวจหาน้ำ และสารอินทรีย์ต่างๆ รวมถึงหาแหล่งพลังงานความร้อนในทะเลใต้ผิวดาว เพื่อให้รู้แน่ชัดว่าทะเลใต้ดาวเป็นสถานที่ ๆ เหมาะสำหรับการให้กำเนิดสิ่งมีชีวิตหรือไม่ นอกจากนี้ JUICE จะหาความลึกของทะเลใต้ดาว จะวัดความหนาของผิวน้ำแข็งที่ปกคลุมดาว ตลอดจนถึงความเค็ม และปฏิกิริยาเคมีต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นในทะเลใต้ผิวน้ำแข็งของดวงจันทร์ทั้งสามดวงด้วย
หลังจากที่ได้ข้อมูลแล้ว JUICE จะส่งข้อมูลทั้งหลายกลับโลก คือตรงไปที่ศูนย์รับสัญญาณ ณ เมือง Madrid ในสเปน เพื่อให้บุคลากรทั่วโลกร่วม 2,000 คนจากอังกฤษ ฝรั่งเศส อิตาลี เยอรมัน เนเธอร์แลนด์ อเมริกา และสเปน ทำการวิเคราะห์ โดยจะส่งข้อมูลทุกวัน วันละครั้ง ตลอดระยะเวลา 3 ปี ก่อนที่ ESA จะบังคับให้ยานทำลายตัวเองเหนือดวงจันทร์ Ganymede
บทความวันนี้ จะกล่าวถึง ดวงจันทร์ Europa ส่วนดวงจันทร์ Ganymede และ Callisto นั้น จะกล่าวถึงในโอกาสต่อไป
เทพนิยายกรีกได้กล่าวถึง Europa ว่าเป็นพระธิดาในกษัตริย์แห่งอาณาจักร Phoenicia พระนางทรงมีพระสิริโฉมงดงามมาก จนเทพ Jupiter แห่งดาวพฤหัสบดีทรงหลงรัก และทรงปรารถนาจะมีนางในครอบครอง ทั้ง ๆ ที่พระองค์ทรงมีเทพธิดา Juno เป็นพระมเหสีอยู่แล้ว พระองค์จึงทรงวางแผนฉุดคร่า โดยทรงคอยจนกระทั่ง Europa เสด็จประพาสชายทะเลใกล้เมือง Sidon (เมืองนี้ปัจจุบันอยู่ใน Lebanon) Jupiter จึงทรงแปลงพระองค์เป็นวัว เพราะทรงรู้ดีว่า Europa ทรงโปรดปรานวัวมาก และก็ได้ผล เพราะเมื่อ Europa ทรงเห็นวัว นางได้ทรงเดินเข้าหา แล้ววัว “Jupiter” ก็ได้ทรุดตัวลงให้นางเสด็จขึ้นประทับบนหลัง จากนั้นวัวก็วิ่งลงทะเล แล้วได้กลายร่างเป็นคลื่น ซัดพา Europa ข้ามทะเล Mediterranean ไปจนถึงเกาะ Crete เมื่อถึงจุดหมายปลายทาง องค์เทพ Jupiter ก็ได้ทรงสารภาพรัก และ Europa ก็ทรงยินยอมเป็นพระสนมพระองค์หนึ่งในเทพ Jupiter ด้วยเหตุนี้ดาวพฤหัสบดี (Jupiter) จึงมีดวงจันทร์บริวารชื่อ Europa
นักประวัติศาสตร์กรีกชื่อ Herodotus (484 BC - 425 BC) ก็ได้เคยกล่าวถึงนักรบจากเกาะ Crete ว่า เป็นกลุ่มคนที่มีอารมณ์ร้าย และชอบปล้นทรัพย์สมบัติของชาว Phoenician และได้ฉุดคร่าพระราชบุตรีในกษัตริย์แห่งอาณาจักร Phoenicia ไป ซึ่งเหตุการณ์นี้ อาจจะเป็นที่มาของตำนานในเทพนิยายกรีกก็ได้
ในปี 1614 Simon Marius (1573-1624) นักดาราศาสตร์ชาวเยอรมัน ได้เสนอให้วงการดาราศาสตร์เรียกชื่อดวงจันทร์ทั้ง 4 ว่า Europa, Io, Ganymede และ Callisto ตามชื่อพระสนมในองค์เทพ Jupiter
ตลอดเวลาร่วม 370 ปีที่ผ่านไป ไม่มีนักดาราศาสตร์คนใดรู้รายละเอียดที่เป็นข้อมูลของดวงจันทร์เหล่านี้มาก จนกระทั่งปี 1979 ที่ NASA ได้ส่งยานอวกาศชื่อ Voyager 1 และ 2 โคจรผ่านดวงจันทร์บริวารทั้งหลายของดาวพฤหัสบดี
ต่อมาในปี 1995 NASA ก็ได้ส่งยาน Galileo ไปโคจรรอบดาวพฤหัสบดีเป็นครั้งแรก และยานได้ศึกษาธรรมชาติของดวงจันทร์บริวาร รวมถึงได้ศึกษาดาวเคราะห์น้อย Gaspra กับ Ida ที่โคจรอยู่ในแถบดาวเคราะห์น้อยที่อยู่ระหว่างดาวพฤหัสบดีกับดาวอังคารด้วย
สำหรับการพบทะเลที่แฝงตัวอยู่ใต้ผิวน้ำแข็งนั้น เกิดจากการที่ยาน Galileo ได้พบว่า ดาวพฤหัสบดีมีสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงมาก และแกนแม่เหล็กของดาวกับแกนหมุนรอบตัวเองของมันไม่ได้ซ้อนทับกัน (คือ ไม่ได้ชี้ในแนวเดียวกัน) ดังนั้นเวลาดาวหมุน สนามแม่เหล็กของดาวพฤหัสบดีก็จะมีอิทธิพลต่อสรรพสิ่งบนดวงจันทร์ Europa ด้วย ครั้นเมื่อยาน Galileo ได้พบว่า บน Europa ก็มีสนามแม่เหล็กในตัวเองด้วยเหมือนกัน คำถามที่ตามมา คือ สนามแม่เหล็กบน Europa เกิดจากสาเหตุอะไร
คำตอบหนึ่งที่เป็นไปได้ คือ ใต้ผิวดาวที่เป็นน้ำแข็ง มีน้ำที่เป็นตัวทำละลาย และมีสารประกอบที่นำไฟฟ้า ซึ่งเมื่อสารนี้อยู่ในสนามแม่เหล็ก มันจะเคลื่อนที่ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า และกระแสนี้ได้สร้างสนามแม่เหล็กที่มีทิศชี้ตรงกันข้ามกับทิศของสนามที่ให้กำเนิดมัน
การวัดขนาดของสนามและการรู้ทิศของสนามแม่เหล็กบน Europa ทำให้ทุกคนตระหนักว่า บนดวงจันทร์ Europa มีทะเลแฝงอยู่ใต้ผิวน้ำแข็งจริง
ณ วันนี้ข้อมูลหยาบๆ ได้แสดงให้เรารู้ว่า ทั้ง Europa, Callisto และ Ganymede ต่างก็มีทะเลใต้ผิวดาว ซึ่งถ้าเปรียบเทียบกันจะเป็นดังนี้
ในปี 1979 ที่ NASA ส่งยาน Voyager 2 ไปสำรวจ Europa นั้น อุปกรณ์ถ่ายภาพบนยาน ได้บันทึกภาพของแหล่งน้ำพุจำนวนมากกำลังพ่นน้ำขึ้นจากผิวดาว โดยเฉพาะที่บริเวณขั้วใต้ของดาว สายน้ำได้พุ่งสูงถึง 160 กิโลเมตร ซึ่งนับว่าสูงยิ่งกว่าน้ำพุ Old Faithful ที่ Yellowstone Park ในอเมริกามาก ซึ่งน้ำได้พุ่งสูงเพียง 56 เมตรเท่านั้นเอง การวิเคราะห์ปริมาณน้ำพุที่พุ่งออกมาแสดงให้เห็นว่า ภายในเวลาเพียง 8 นาที น้ำพุมีปริมาณมากเท่าความจุของสระว่ายน้ำ 1 สระ
และเมื่อวันที่ 26 กันยายน ปี 2016 กล้องโทรทรรศน์อวกาศ Hubble ก็สามารถถ่ายภาพเหตุการณ์ดวงจันทร์ Europa กำลังพ่นน้ำพุได้อีก เหตุการณ์นี้ทำให้นักดาราศาสตร์ตระหนักได้ว่า เราไม่มีความจำเป็นจะต้องเจาะพื้นน้ำแข็งที่หนาหลายกิโลเมตรลงไป เพื่อสำรวจว่า ใต้น้ำแข็งมีสิ่งมีชีวิตหรือไม่ เพราะนักวิทยาศาสตร์สามารถรู้ความเป็นไป และความเป็นอยู่ของสิ่งต่าง ๆ ที่อยู่ใต้น้ำแข็งได้ จากการศึกษาน้ำที่ถูกพ่นออกมาจากใต้ดาว และถ้าน้ำนั้นมีเกลือ (NaCl) ปน ดังเช่นน้ำทะเลบนโลก และสารอินทรีย์อื่นๆ Europa ก็น่าจะเป็นดาวที่มีโอกาสจะมีสิ่งมีชีวิตได้
ใน วารสาร Science Advance ฉบับวันที่ 12 มิถุนายน ปี 2019 ได้มีรายงานว่า บนผิวน้ำแข็งของ Europa มีเกลือแกงจริงๆ ซึ่งเกลือแกงนี้มาจากน้ำใต้ผิวดาว ซึ่งก็ตรงกับที่ Kevin Hand และ Robert Carlson แห่ง NASA ได้เคยวิเคราะห์สเปกตรัมของแสงสะท้อนสีเหลือง-น้ำตาลอ่อน จากผิวดาวที่เปล่งออกมา ซึ่งอาจจะเกิดจากการเปล่งรังสีของเกลือ NaCl เวลาได้รับแสงอาทิตย์
แต่การมีน้ำและเกลือบนดาว มิได้หมายความว่า บนดาวดวงนั้นจะมีสิ่งมีชีวิต เพราะสิ่งมีชีวิตต้องการธาตุอื่น ๆ อีกหลายชนิดในการดำรงชีพ อีกทั้งต้องการพลังงานจากภายนอกด้วย
ที่ห้องปฏิบัติการ Jet Propulsion Laboratory (JPL) ในสหรัฐอเมริกา ทีมวิจัยที่นั่นได้สร้างสถานการณ์ และสถานภาพจำลองของสิ่งแวดล้อมที่มีบน Europa โดยได้ทำให้ห้องปฏิบัติการมีอุณหภูมิ ความดัน บรรยากาศ และรังสีคอสมิกจากดวงอาทิตย์เหมือนสถานการณ์ที่เกิดบน Europa มากที่สุด แล้วได้สังเกตดูสภาพการเปลี่ยนแปลงว่า สามารถจะเอื้ออำนวยให้สิ่งมีชีวิตถือกำเนิดได้หรือไม่
สำหรับบทบาทของพลังงานที่จำเป็นต้องใช้ในการสร้างสิ่งมีชีวิตนั้น นักวิทยาศาสตร์ก็ตระหนักดีว่า อาจจะได้จากภูเขาไฟ หรือบ่อน้ำพุร้อนที่อยู่ใต้ทะเล
เพราะในอดีตเมื่อ 45 ปีก่อน Robert Ballard (นักสำรวจผู้มีชื่อเสียงจากการพบซากเรือเดินทะเล Titanic) ได้นำยานดำน้ำลงไปสำรวจท้องมหาสมุทร Atlantic ตรงบริเวณ Mid-Ocean Ridge ซึ่งเป็นเทือกเขายาวที่อยู่ใต้มหาสมุทรและพบว่า แม้บริเวณนี้จะมืดสนิท เพราะไม่ได้รับแสงอาทิตย์เลย ดังนั้นจึงไม่มีพืชใด ๆ แต่ก็มีภูเขาไฟใต้น้ำนับพันลูกที่ยังมีชีวิตอยู่ (คือ ระเบิดได้) และบางลูกกำลังพุ่งลาวาร้อนออกมา ทำให้น้ำในบริเวณโดยรอบมีอุณหภูมิสูงมาก ถึงระดับที่สามารถละลายตะกั่วได้ แต่สิ่งที่ทำให้ Ballard รู้สึกประหลาดใจมากที่สุด คือ การได้เห็นสิ่งมีชีวิตประเภทหนอนตัวกลมยาวเหมือนท่อน้ำ ตลอดจนถึงหอยกาบ และแบคทีเรียว่าสามารถดำรงชีวิตอยู่ร่วมกันได้บนหิน โดยใช้กระบวนการพึ่งพาอาศัยซึ่งกันและกัน (symbiosis) คือ ให้และรับพลังงานจากปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นระหว่างตัวมันกับสิ่งแวดล้อม
สำหรับธาตุอื่นๆ ที่จำเป็นต่อการสร้างสิ่งมีชีวิต อันได้แก่ คาร์บอน ไนโตรเจน กำมะถัน ฟอสฟอรัส ฯลฯ นั้น Europa ก็อาจจะได้รับจากการถูกดาวหางพุ่งชน ขณะที่ Europa กำลังถือกำเนิด ซึ่งดาวหางอาจจะนำสารอินทรีย์ต่าง ๆ มาให้มันก็ได้ หรือเวลาภูเขาไฟจำนวนมากที่มีอยู่บนดวงจันทร์ Io ระเบิด ละอองฝุ่นและเถ้าถ่านที่ถูกพ่นออกมาจากภูเขาไฟ ได้กระจายลอยไปในอวกาศแล้วตกลงบน Europa ก็ได้ การได้ธาตุกำมะถันจากภูเขาไฟ และธาตุต่าง ๆ จากดาวหาง จึงทำให้นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์หลายคนคาดหวังจะพบสิ่งมีชีวิตบน Europa อย่างค่อนข้างจะมั่นใจมาก
แล้วการคาดการณ์เรื่องการพบธาตุต่าง ๆ บน Europa ก็เป็นจริง เมื่อ Mike Brown แห่ง Caltech ได้ใช้กล้องโทรทรรศน์ Keck 2 ที่ติดตั้งอยู่บนเกาะ Hawaii และ spectrometer เห็นบรรยากาศเหนือ Europa ว่ามีทั้ง sodium, chloride, magnesium, sulfur และ oxygen ในรูปของสารประกอบ NaCl และ MgSO4 ฯลฯ
ประเด็นเรื่องอุณหภูมิที่เย็นจัดระดับ -90 องศาเซลเซียสในทะเลใต้ดาวและ -163 องศาเซลเซียสที่ผิวดาว Europa ก็ไม่ได้สร้างปัญหา คือ ห้ามไม่ให้สิ่งมีชีวิตที่มีโครงสร้างง่าย ๆ สามารถถือกำเนิดได้ ตามปกติเรามักจะคิดว่า มนุษย์ดำรงชีวิตอยู่ในน้ำแข็งไม่ได้ แต่สำหรับสิ่งมีชีวิตพวกจุลินทรีย์ อุณหภูมิน้ำแข็งเป็นอุณหภูมิที่มันรู้สึกอบอุ่นสบาย ๆ Pierre-Alain Monnard จากมหาวิทยาลัย Southern Denmark ในเดนมาร์ก ได้ทดลองเรื่องนี้ เพื่อต้องการจะดูว่า ชีวโมเลกุลที่มีขนาดเล็กได้มาจับเรียงตัวกันเป็นสายยาว เพื่อสร้าง enzyme และ gene ได้อย่างไร ทั้งนี้เพราะ RNA ส่วนใหญ่ มักประกอบด้วย base อย่างน้อย 70 bases
แล้ว Monnard ก็ได้พบว่า ถ้าระบบที่เขาทดลองมีผลึกน้ำแข็ง ผลึกจะบีบอัด RNA monomer จนทำให้มีความหนาแน่นเพิ่มมากถึง 500 เท่า แล้ว monomer ก็จะกลายสภาพเป็น polymer ในการทดลองที่อุณหภูมิ -18 องศาเซลเซียส โดยใช้เวลา 38 วัน อย่างไร้การกำกับควบคุมใด ๆ Monnard ได้พบว่า มีสาย RNA เกิดขึ้นจริง
ด้าน Hauke Trinks จาก Technical University of Hamburg-Harburg ในเยอรมนี ก็ได้ทดลองเพาะโมเลกุล RNA ในน้ำแข็งเป็นเวลานาน 1 ปี ที่อุณหภูมิ -7 องศาเซลเซียส และ -24 องศาเซลเซียส โดยได้ใช้สาย RNA สั้น เป็นเชื้อเพาะ (แต่บน Europa จริง ๆ อาจจะไม่มีโมเลกุลต้นแบบ) และพบว่าได้สาย RNA ใหม่ที่มี 400 monomers
เพราะเป้าหมายสูงสุดของยานอวกาศ JUICE คือ การค้นหาหลักฐานที่ส่อแสดงว่า ใต้ดาว Europa สามารถมีสิ่งมีชีวิตได้ ดังนั้น อุปกรณ์หลัก ๆ ที่ ESA ได้จัดให้นำไป จึงได้แก่
(1) UV Imaging Spectrograph ซึ่งจะศึกษารังสีที่มีความยาวคลื่นตั้งแต่ 55-210 นาโนเมตร
(2) Laser Altimeter ซึ่งเป็นอุปกรณ์ทำแผนที่ทางภูมิศาสตร์ของผิว โดยใช้แสงเลเซอร์ในการสำรวจระยะทางไกล
(3) Magnetometer ที่จะวัดความเข้มของสนามแม่เหล็กบน Europa ซึ่งจะให้ข้อมูลโครงสร้างของทะเลใต้ดาว
เช่น ความลึก ความเค็ม ความหนาของแผ่นน้ำแข็งที่ปกคลุมดาว สภาพของภูเขาไฟ (ถ้ามี) ใต้ทะเล เป็นต้น
ในความเป็นจริง JUICE มิใช่ยานที่จะเดินทางไปสำรวจ Europa เพียงยานเดียวเท่านั้น องค์การ NASA เอง ก็มีโครงการจะส่งยาน Europa Clipper ไปด้วย คือ จะส่งไปในเดือนตุลาคมปี 2024 โดยจะให้ไปโคจรรอบ Europa จำนวน 45 รอบ และจะค้นหาสิ่งมีชีวิตที่มีบนดาวดวงนี้เหมือนกับที่ JUICE พยายามจะพิสูจน์ให้เห็นว่า โลกมิได้เป็นดาวดวงเดียวในระบบสุริยะเท่านั้นที่มีสิ่งมีชีวิต ดวงจันทร์ Europa ก็สามารถมีได้เช่นกัน
ตามกำหนดเดิม JUICE จะออกเดินทางในช่วงระหว่างวันที่ 14 กับวันที่ 30 เมษายน ที่จะถึงนี้ และจะโคจรผ่านดวงจันทร์ของโลกในเดือนสิงหาคม ปี 2024 จากนั้นจะผ่านดาวศุกร์ในเดือนสิงหาคม ปี 2025 แล้วโคจรย้อนกลับมาผ่านโลกอีกในเดือนกันยายน ปี 2026 ต่อจากนั้นจะมุ่งหน้าสู่แถบ Asteroid โดยผ่านใกล้ดาวเคราะห์น้อยชื่อ 223 Rosa ในเดือนตุลาคม ปี 2029
หลังจากที่ JUICE เดินทางทะลุผ่านแถบ Asteroid แล้ว JUICE ก็จะมุ่งหน้าสู่ Europa และมีกำหนดจะถึงจุดหมายปลายทางในเดือนกรกฎาคม ปี 2032 ลุถึงปี 2034 JUICE ก็จะเป็นยานอวกาศยานแรกของโลก ที่โคจรรอบดวงจันทร์บริวารของดาวเคราะห์อื่น ที่ไม่ใช่ดวงจันทร์ของโลก
นักดาราศาสตร์ทุกคนกำลังตั้งหน้าตั้งตาคอยรายงานจาก JUICE เพราะคำตอบที่ได้จะมีความสำคัญต่อมนุษยชาติมากว่า สิ่งมีชีวิตสามารถอุบัติได้จริง ๆ บนต่างดาว และงานที่นักดาราศาสตร์จะต้องทำในขั้นต่อไป คือ การค้นหา “คน” ต่างดาว
อ่านเพิ่มเติมจาก “Europa’s Ocean – the Case Strengthens” โดย David Stevenson ในวารสาร Science ฉบับวันที่ 25 สิงหาคม 2016
ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน : ประวัติการทำงาน - ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์
