ปริศนาเกี่ยวกับ “ดวงจันทร์” ที่ยังไม่มีคำตอบ (ชมคลิป)

"ดวงจันทร์" เป็นดาวบริวารหนึ่งเดียวที่โลกมี แม้จะโคจรอยู่เคียงข้างโลกมาเป็นเวลานานร่วม 4,000 ล้านปี และอยู่ใกล้โลกมากที่สุดก็ตาม มนุษย์ก็ยังมีประเด็นสงสัยเกี่ยวกับดวงจันทร์อยู่หลายเรื่อง เช่นว่า ในอดีต ดวงจันทร์เคยมีสิ่งมีชีวิตอาศัยอยู่หรือไม่ บนดวงจันทร์มีน้ำหรือไม่ เพราะถ้ามี เราก็สามารถจะใช้น้ำในการทำเกษตรกรรม หรือแยกด้วยกระแสไฟฟ้า ได้ไฮโดรเจนกับออกซิเจนเป็นเชื้อเพลิงสำหรับใช้ในการเดินทางไปยังดาวเคราะห์ดวงอื่น ๆ และใช้ในการหายใจ นอกจากนี้นักฟิสิกส์ก็ยังสงสัยอีกว่า บนโลกจันทร์มีไฮโดรเจน-2 (deuterium) และไฮโดรเจน-3 (tritium) เพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิงในเตาปฏิกรณ์แบบ fusion หรือไม่ ด้านนักธรณีวิทยาก็มีข้อสงสัยว่า บนดวงจันทร์มี KREEP (คำนี้มาจาก K=potassium, REE=rare earth element และ P=phosphorus) หรือไม่ เพราะแร่นี้มีประโยชน์มากในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ ดังนั้นการสำรวจทางธรณีวิทยาอย่างละเอียดของดาวทั่วทั้งดวง จึงเป็นเรื่องที่สำคัญมาก




ในบทบาทของดวงจันทร์การสร้างความรู้ดาราศาสตร์นั้น นักดาราศาสตร์มีความคิดจะสร้างกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่บนดวงจันทร์ โดยให้อยู่ในหลุมอุกกาบาตขนาดใหญ่ เพราะเงามืดที่เกิดจากแสงอาทิตย์กระทบขอบแอ่ง จะทำให้อุณหภูมิของกล้องไม่สูง ยิ่งไปกว่านั้น บนดวงจันทร์ก็แทบจะไม่มีปรากฏการณ์แผ่นดินไหวเลย ดังนั้นกล้องโทรทรรศน์จึงสามารถทำงานได้อย่างมีเสถียรภาพ ให้นักดาราศาสตร์สามารถดูดาวได้ทั้งวันทั้งคืน เพราะท้องฟ้าเหนือดวงจันทร์มืดสนิท และไม่มีเมฆปกคลุม ความสะดวกลักษณะนี้ ทำให้ผลสัมฤทธิ์ในการทำงานของนักดาราศาสตร์บนดวงจันทร์ มีค่าเท่าเทียมงานที่กล้องโทรทรรศน์อวกาศ Hubble ทำเป็นปี ดวงจันทร์ยังสามารถเป็นสถานีทดลองให้มนุษย์อวกาศได้ใช้ฝึกการดำรงชีวิตในสภาพที่ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงมีค่าน้อยอีกด้วย เช่นก่อนจะเดินทางไปดาวอังคาร


ดังนั้นเราจึงเห็นได้ว่าการศึกษาดวงจันทร์ในทุกแง่มุม จึงเป็นเรื่องสำคัญที่จะมีคุณค่ามหาศาลต่ออนาคตของมนุษยชาติ

ในอดีตเมื่อ 500 ปีก่อน มนุษย์เราไม่สามารถตอบคำถาม หรือตั้งประเด็นสงสัยด้วยปริศนาเหล่านี้ได้เช่นว่า เหตุใดดวงจันทร์จึงมีสภาพดังที่เป็นทุกวันนี้ ดวงจันทร์มีอายุมากหรือน้อยเพียงใด และถือกำเนิดได้อย่างไร ถ้าโลกไม่มีดวงจันทร์ สิ่งมีชีวิตบนโลก จะได้รับผลกระทบกระเทือนมากเพียงใด เป็นต้น

การที่เราไม่สามารถตอบคำถามเช่นนี้ได้ เพราะเราไม่มีกล้องโทรทรรศน์ที่มีประสิทธิภาพสูง เพื่อใช้ในการสังเกตดวงจันทร์ ไม่มีทฤษฎีฟิสิกส์ที่สามารถอธิบายปรากฏการณ์ต่าง ๆ บนดวงจันทร์ได้ และไม่มีเทคโนโลยีที่จะนำมนุษย์ไปสำรวจดวงจันทร์ เพื่อนำหินและดินจากดวงจันทร์กลับมาวิเคราะห์บนโลก จนได้ข้อมูลและทฤษฎีที่จะบอกให้เรารู้ว่า ดวงจันทร์ถือกำเนิดเกิดขึ้นพร้อมโลก หลังโลก หรือก่อนโลก และขณะดวงจันทร์อุบัตินั้น สถานการณ์ต่างๆ ในอวกาศเป็นเช่นไร


มนุษย์เราในอดีตเมื่อ 2,000 ปีก่อน มีความรู้วิทยาศาสตร์อันเป็นคำสอนของ Aristotle (384-322 ปีก่อนคริสตกาล) ซึ่งเป็นปราชญ์กรีก และเป็นพระอาจารย์ในจักรพรรดิ Alexander มหาราช เท่านั้นคำสอนของ Aristotle ส่วนที่เกี่ยวกับวิทยาศาสตร์นั้นมีว่า ของหนักจะตกถึงพื้นก่อนของเบาเสมอ และ Aristotle ยังสอนอีกว่าดวงจันทร์เป็นดาวที่ใช้แบ่งสวรรค์ออกเป็น 2 ส่วน คือ ส่วนที่อยู่ต่ำกว่าดวงจันทร์ และส่วนที่อยู่สูงกว่าดวงจันทร์ ดังนั้นอะไรก็ตามที่อยู่ต่ำกว่า จะประกอบด้วยธาตุ 4 ชนิด คือ ดิน น้ำ ลม และไฟ ส่วนอะไรที่อยู่สูงกว่า จะประกอบด้วยแก่นสาร (quintessence) และเป็นบริเวณที่มนุษย์ไม่มีวันจะไปได้ถึง


แต่เมื่อถึงยุคของ Nicolaus Copernicus (1473–1543) ซึ่งเป็นนักดาราศาสตร์ชาวโปแลนด์ ผู้ได้เสนอทฤษฎีใหม่ว่า ดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางของระบบสุริยะ ความจริงนี้ได้ทำให้การสำรวจสวรรค์ที่อยู่ไกลจากโลกยิ่งกว่าดวงจันทร์เป็นเรื่องที่เป็นไปได้ ดังนั้นในปี 1610 เมื่อ Galileo Galilei (1564-1642) ได้พบดวงจันทร์ 4 ดวงของดาวพฤหัสบดี Johannes Kepler (1571-1630) จึงมีจินตนาการว่า ถ้าโลกมีดวงจันทร์เป็นบริวาร 1 ดวง ดาวพฤหับดีที่มีดวงจันทร์เป็นบริวารมากถึง 4 ดวง ก็ย่อมมีมนุษย์อาศัยอยู่ด้วย ตรรกะนี้เป็นการใช้ความคิดที่ผิด Galileo ยังได้พบอีกว่า แสงจันทร์เป็นแสงที่ได้รับจากดวงอาทิตย์โดยตรง และได้รับแสงอาทิตย์ที่สะท้อนจากโลก

ในเวลาต่อมาแม้มนุษย์จะเหาะเหินเดินอากาศไม่ได้ หรือจะสร้างเครื่องบินก็ยังทำไม่ได้ แต่มนุษย์ก็มีจินตนาการจะเดินทางไปต่างดาวมาตั้งแต่ปี 1638 เมื่อ John Wilkins (1614-1672) ได้เรียบเรียงนวนิยายเรื่องการเดินทางไปดวงจันทร์ “The Discovery of a World in the Moone” และเมื่อถึงปี 1865 Jules Verne ก็ได้เรียบเรียงนวนิยายไซไฟคลาสสิก เรื่อง “From the Earth to the Moon” โดยใช้ปืนใหญ่ยิงยานอวกาศที่มนุษย์อยู่ภายใน ให้พุ่งไปในอวกาศจนถึงดวงจันทร์

ความฝันของมนุษย์ที่จะไปเยือนดวงจันทร์ได้เริ่มปรากฏเป็นความจริง ในปี 1968 เมื่อยานอวกาศ Apollo 8 ได้ไปโคจรวนรอบดวงจันทร์ และมนุษย์อวกาศในยานได้เห็นอีกด้านหนึ่งของดวงจันทร์ที่ไม่มีใครเคยเห็นมาก่อนเป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์ของมนุษยชาติ

ครั้นถึงปี 1969 มนุษย์อวกาศในยาน Apollo 11 ก็ได้ลงไปสำรวจผิวดวงจันทร์เป็นครั้งแรก และในปี 1972 โครงการ Apollo ก็ได้ยุติ

โครงการ Apollo นั้นนอกจากจะให้ความรู้ดาราศาสตร์แล้ว ยังให้ความรู้ธรณีวิทยาด้วย และความรู้นี้ได้เข้ามามีบทบาทในการตอบปริศนาเรื่อง การถือกำเนิดของดวงจันทร์


ตามความเชื่อเดิม เมื่อโลกถือกำเนิดใหม่ ๆ ผิวของโลกร้อนมาก จนหินที่ผิวได้กลายเป็นของเหลว และหินเหลวในปริมาณมากได้กลายเป็นทะเลหิน การหมุนรอบตัวเองอย่างรวดเร็วของโลก ได้ทำให้ผิวโลกส่วนที่เป็นทะเลหินได้กระเด็นหลุดออกไปเป็นดวงจันทร์ แล้วผิวโลกส่วนที่หายไปก็ได้กลายเป็นมหาสมุทรแปซิฟิก แต่ความรู้ภูมิศาสตร์ในปัจจุบันกลับแสดงให้เห็นว่า น้ำทั้งหมดในมหาสมุทรแปซิฟิกมีปริมาตร 7.1x(10^8) ลูกบาศก์กิโลเมตร และปริมาตรของดวงจันทร์มีค่า 2.2x(10^10) ลูกบาศก์กิโลเมตร ตัวเลขที่ไม่สอดคล้องกันนี้ ได้ทำให้สมมติฐานที่ว่า ดวงจันทร์เกิดจากการที่โลกได้เหวี่ยงมวลส่วนหนึ่งออกไป เป็นที่ไม่ยอมรับ


ความรู้ปัจจุบันเกี่ยวกับการถือกำเนิดของดวงจันทร์ ส่วนใหญ่เป็นข้อมูลที่ได้มาจากการวิเคราะห์หินและดินมวล 382 กิโลกรัม ที่มนุษย์อวกาศในโครงการ Apollo ได้ขุดและนำกลับมายังโลกในช่วงปี 1969-1677 และข้อมูลที่นักดาราศาสตร์ได้จากการวิเคราะห์หินเหล่านี้ จะต้องนำมาสร้างทฤษฎีที่ให้ผลสอดคล้องกับข้อมูลทางกายภาพปัจจุบันของดวงจันทร์ทุกประการ เช่น




ในความเชื่อเดิมๆ นั้น หลายคนเคยเชื่อว่า ดวงจันทร์กับโลกถือกำเนิดมาพร้อมกัน คือ เกิดจากแก๊สร้อนที่อยู่ในจานดาวเคราะห์บริเวณเดียวกัน แต่บางคนเชื่อว่า ดวงจันทร์เป็นดาวเคราะห์ทีได้พลัดหลงเข้ามาในสนามแรงดึงดูดของโลก จึงถูกโลกดึงดูดไว้เป็นบริวาร

ซึ่งถ้าดวงจันทร์ถือกำเนิดจากแก๊สกลุ่มเดียวกันของโลก ธาตุต่าง ๆ ที่มีบนดวงจันทร์ ก็จะต้องมีในปริมาณที่สอดคล้องกับธาตุที่มีบนโลก และดวงจันทร์ก็จะต้องมีอายุใกล้เคียงกับโลก แต่ถ้าดวงจันทร์มีอายุน้อยกว่าโลก นั่นแสดงว่า ดวงจันทร์ถือกำเนิดหลังโลก ด้วยเหตุนี้เราจึงเห็นได้ว่า เราจะต้องรู้อายุหินบนดวงจันทร์ที่โบราณที่สุด เราจึงจะตอบคำถามเรื่องการเป็นพี่หรือน้อง ระหว่างโลกกับดวงจันทร์ได้ และในกรณีที่เชื่อว่ามันเป็นดาวที่ได้พลัดหลงเข้ามา เราก็จะต้องมีเหตุผลว่า อะไรคือสาเหตุที่ทำให้ดาวดวงนั้น พลัดหลงเข้ามาใกล้โลก


ในปี 1975 William Kenneth Hartmann (1939-ปัจจุบัน) จาก Pennsylvania State University ในสหรัฐอเมริกา ได้เสนอทฤษฎีการถือกำเนิดของดวงจันทร์ว่า ในขณะที่ระบบสุริยะกำลังก่อตัว อวกาศขณะนั้นมีก้อนอุกกาบาตหินน้อย-ใหญ่ ที่ล่องลอยอยู่ในบริเวณแผ่นดิสก์ดาวเคราะห์ (planetary disc) และอุกกาบาตเหล่านี้เคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่าง ๆ อีกทั้งมีมวลและขนาดต่าง ๆ กันด้วย ได้มีอุกกาบาตก้อนหนึ่งที่มีมวลประมาณ 1/10 เท่าของโลก ได้พุ่งชนโลกในเวลานั้นแบบเฉียง ๆ ทำให้ชิ้นส่วนหนึ่งของโลกหลุดกระเด็นออกไป แล้วชิ้นส่วนนั้นได้หลอมรวมกันเป็นดวงจันทร์

ทฤษฎีนี้สามารถอธิบายได้ว่า เหตุใดองค์ประกอบของหินและดินบนดวงจันทร์ จึงเหมือนกับหินและดินบนโลกทุกประการ และถ้าดวงจันทร์ถือกำเนิดโดยวิธีนี้จริงก็จะดวงจันทร์มีอายุน้อยกว่าโลก เพราะถือกำเนิดจากโลก และเมื่อนักวิทยาศาสตร์ได้วิเคราะห์องค์ประกอบของหินบนดวงจันทร์ก็ได้พบว่า อัตราส่วนระหว่างไอโซโทปต่าง ๆ เช่น ของออกซิเจน O-16, O-17 และ O-18 ที่มีบนโลกกับที่อยู่บนดวงจันทร์ มีค่าเท่ากัน ดวงจันทร์จึงถือกำเนิดจากโลกจริง


แต่ในปี 1986 ทีมนักดาราศาสตร์จาก Los Alamos National Laboratory ในรัฐ New Mexico สหรัฐอเมริกา ได้ใช้คอมพิวเตอร์จำลองเหตุการณ์ชนกันระหว่างอุกกาบาตใหญ่-น้อย จำนวน 3,000 ก้อน และได้พบว่า ดวงจันทร์ที่เกิดใหม่จะมีองค์ประกอบเหมือนวัตถุที่พุ่งชน แต่จะมีองค์ประกอบไม่เหมือนกับโลก ซึ่งเป็นวัตถุที่ถูกชน ดังนั้นแบบจำลองของ Hartmann จึงยังไม่เป็นที่ยอมรับ

ในปี 2004 Robin Canup แห่งสถาบัน Southwest Research Institute ที่เมือง Boulder รัฐ Colorado ได้พบว่า ในการจำลองสถานการณ์ด้วยก้อนอุกกาบาตจำนวน 120,000 ก้อน ให้พุ่งชนกัน จะทำให้ได้ดวงจันทร์ที่มีองค์ประกอบกว่า 80% เหมือนก้อนอุกกาบาตที่พุ่งชนกัน ตัวเลขนี้ แสดงให้เห็นว่า โลกทีถือกำเนิดใหม่กับอุกกาบาตที่พุ่งชนโลก จะต้องมีองค์ประกอบที่เหมือนกัน นั่นคือ โลกที่ถือกำเนิดใหม่ และดวงจันทร์ที่กำลังจะถือกำเนิด จะต้องมาจากบริเวณจานดาวเคราะห์ที่อยู่ใกล้กันมาก

แต่แบบจำลองนี้ ก็ได้ถูกล้มล้างไปอีกในปี 2007 เมื่อ D. Stevenson และคณะจาก Caltech ได้ให้ความเห็นว่า ขณะดวงอาทิตย์มีอายุยังน้อย และมีแผ่นดิสก์แก๊สร้อนล้อมรอบ วัตถุที่มีขนาดใหญ่เท่าดาวอังคารได้พุ่งชนโลก ตามปกติวัตถุที่พุ่งชนจะมีมวลค่อนข้างน้อย เพราะเป็นวัตถุที่ได้จากการเก็บรวมเศษวัตถุที่มีในวงโคจรแคบ ๆ ส่วนวัตถุที่มีในโลก เกิดจากการเก็บรวมเศษวัตถุที่มีขนาดใหญ่ในวงโคจรกว้าง วัตถุที่มาจากบริเวณที่แตกต่างกันนี้ ทำให้พบไอโซโทปของธาตุต่าง ๆ บนโลกและดวงจันทร์ในอัตราส่วนที่แตกต่างกัน และเหตุผลอีกประการหนึ่งก็คือ ก่อนจะกระเด็นหลุดออกไปเป็นดวงจันทร์ วัตถุที่พุ่งชนได้หลอมรวมกับเนื้อโลกส่วนที่เป็น mantle แบบจำลองการชนของ Stevenson จึงตอบคำถามได้ว่า เหตุใดองค์ประกอบของดวงจันทร์จึงคล้ายกับองค์ประกอบที่เป็น mantle ของโลก


ในวารสาร Nature ฉบับวันที่ 18 ธันวาคม ปี 2024 ทีมวิจัยจาก Max Planck Institute for Solar System ในเยอรมนี กับทีมวิจัยที่มหาวิทยาลัย California Santa Cruz ในสหรัฐอเมริกา และทีมวิจัยจาก College de France ในฝรั่งเศสได้รายงานว่า อันที่จริงดวงจันทร์มีอายุมากกว่าที่เราเคยวัด เพราะเมื่อ 300 ล้านปีหลังจากที่ดวงจันทร์ได้ถือกำเนิดแล้ว ได้มีการระเบิดของภูเขาไฟบนดวงจันทร์อย่างขนานใหญ่ ลาวาร้อนที่พุ่งออกมาจากปล่องภูเขาไฟหลายต่อหลายครั้ง ได้ทำให้หินและดินบนดวงจันทร์แปรสภาพ นอกจากนี้ในเวลานั้น ดวงจันทร์ก็โคจรอยู่ใกล้โลกมาก แรงโน้มถ่วงที่โลกกระทำต่อดวงจันทร์ได้ทำให้เนื้อส่วนที่เรียกว่า magma ของดวงจันทร์บิดเบี้ยว จนทำให้เกิดความร้อนมาก และความร้อนนี้ได้แผ่กระจายไปทั่วดวงจันทร์ จนในที่สุดความร้อนได้เล็ดลอดออกมาจากทางปล่องภูเขาไฟ การระเบิดของภูเขาไฟบนดวงจันทร์ จึงเป็นไปในลักษณะเดียวกับการระเบิดของภูเขาไฟบนดวงจันทร์ Io ของดาวพฤหัสบดี ข้อมูลนี้ทำให้ดวงจันทร์มีอายุตั้งแต่ 4,430 ถึง 4,510 ล้านปี และการระเบิดของดวงจันทร์เกิดขึ้นเมื่อ 80 ล้านปี หลังจากที่ดวงจันทร์ได้ถือกำเนิดแล้ว


โดยสรุปดวงจันทร์ได้ถือกำเนิดเกิดขึ้นเมื่อวัตถุอวกาศที่มีขนาดใหญ่ประมาณดาวอังคารได้พุ่งชนโลกอย่างเฉียง ๆ ในขณะที่โลกมีอายุยังน้อยอยู่ ความร้อนที่เกิดขึ้นได้ทำให้เนื้อของโลกและดวงจันทร์ในเวลานั้นหลอมเหลวหมด และเนื้อส่วนที่หลุดไป ได้รวมตัวเป็นดวงจันทร์ จากนั้นดวงจันทร์ก็ได้เริ่มเย็นลง และได้เคลื่อนที่ห่างออกไปเรื่อย ๆ ตลอดเวลา จนกระทั่งปัจจุบันอยู่ห่างจากโลกเป็นระยะทาง 384,400 กิโลเมตร

การวิเคราะห์หินบนดวงจันทร์ ได้บอกให้เรารู้ประวัติความเป็นมาของดวงจันทร์โดยตลอดตั้งแต่เมื่อเริ่มถือกำเนิด และรู้กระทั่งการเกิดเหตุการณ์ภูเขาไฟระเบิดอย่างขนานใหญ่ และรุนแรงมาก เมื่อ 4,350 ล้านปีก่อน


การค้นพบใหม่เหล่านี้ ได้ขจัดข้อสงสัยต่าง ๆ เกี่ยวกับธรรมชาติของดวงจันทร์ เพราะสามารถอธิบายได้ด้วยว่า เหตุใดหลุมอุกกาบาตบนดวงจันทร์ จึงมีจำนวนน้อย ทั้ง ๆ ที่ดวงจันทร์มีอายุมาก การที่เป็นเช่นนี้เพราะลาวาที่พุ่งออกมาจากภูเขาไฟได้ลบล้างหลักฐานที่เป็นหลุมอุกกาบาตไปเป็นจำนวนมากนั่นเอง

อ่านเพิ่มเติมจาก “Tidally driven remelting around 4.35 billion years ago indicates the Moon is old” by Francis Nimmo, Thorsten Kleine and Alessandro Morbidelli, 18 December 2024, Nature. DOI: 10.1038/s41586-024-08231-0


ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน : ประวัติการทำงาน - ราชบัณฑิตสำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์