บรรยากาศบนไททัน (Titan) ดวงจันทร์ของดาวเสาร์

โดย สุทัศน์ ยกส้าน 4 พฤศจิกายน 2554 07:00 น.

ขณะยานอวกาศ Voyager I เดินทางใกล้จะถึงดาวเสาร์เมื่อวันที่ 12 พฤศจิกายน ค.ศ.1980 องค์การ NASA ได้ส่งสัญญาณบังคับยานให้เบนเส้นทางโคจรไปผ่านดวงจันทร์ Titan ที่ระยะใกล้ 22,000 กิโลเมตร การหันเหทิศครั้งนั้นทำให้ Voyager I ไม่สามารถเดินทางผ่านใกล้ Uranus และ Neptune ได้ ถึงกระนั้นนักดาราศาสตร์ส่วนมากก็เห็นพ้องว่า คุ้ม เพราะการศึกษา Titan คือการเดินทางย้อนกาลเวลาสู่การได้เห็นโลกในอดีตเมื่อ 4,000 ล้านปีก่อน
       
        Christiaan Huygens คือนักดาราศาสตร์ชาวเนเธอร์แลนด์ผู้ได้เห็น Titan เป็นคนแรกเมื่อเดือนมีนาคม ค.ศ.1655 (รัชสมัยพระเจ้าปราสาททอง) และ Sir John Herschel เป็นบุคคลที่ตั้งชื่อดวงจันทร์ดวงนี้ว่า Titan ซึ่งแปลว่า ยักษ์ เพราะ Herschel คิดว่า มันเป็นดวงจันทร์ที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในสุริยะจักรวาล (แต่การวัดขนาดของดวงจันทร์ของดาวเคราะห์ต่างๆ ในเวลาต่อมา แสดงให้เห็นว่า ดวงจันทร์ Ganymede ของดาวพฤหัสบดีมีขนาดใหญ่กว่า คือ มีเส้นผ่าศูนย์กลางยาวถึง 5,280 กิโลเมตร ในขณะที่เส้นผ่าศูนย์กลางของ Titan เป็นเพียง 5,150 กิโลเมตร)
       
        ลุถึงปี 1908 José Comas Sola ได้เห็นบรรยากาศบน Titan เป็นครั้งแรก Titan จึงเป็นดวงจันทร์ดวงแรกในสุริยะระบบที่มีบรรยากาศ (Triton ของดาว Neptune เป็นดาวอีกดวงหนึ่งทีมีบรรยากาศ)และ Sir James Jean ก็ได้พบว่า แม้ Titan จะมีขนาดเล็กแต่ก็มีแรงโน้มถ่วงที่รุนแรงพอจะดึงดูดโมเลกุลของแก๊สบนดาวมิให้หลบหนีจากผิวของมันได้ ดังนั้นเมื่อ Titan อยู่ไกลจากดาวเสาร์ประมาณ 1.2 ล้านกิโลเมตร และดาวเสาร์อยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ประมาณ 1,430 ล้านกิโลเมตร Jean จึงคำนวณพบว่าอุณหภูมิบนดาวจะมีค่าประมาณ -190 องศาเซลเซียส และแก๊สที่สามารถอยู่บน Titan ได้ต้องมีน้ำหนักโมเลกุลมากกว่า 16 ซึ่งได้แก่ แอมโมเนีย (NH3) ไนโตรเจน (N2) และมีเทน (CH4)
       
        ผลการคำนวณของ Jeans ได้รับการยืนยันว่าถูกต้องในปี 1944 เมื่อ G. Kiuper แห่งมหาวิทยาลัย Chicago ได้เห็นแก๊สมีเทนบน Titan เป็นครั้งแรก
       
        ข้อมูลที่ได้จากยาน Voyager I แสดงให้เห็นว่า Titan โคจรรอบดาวเสาร์ทุก 16 วัน และมีขนาดใหญ่กว่าดวงจันทร์ของโลก (ซึ่งมีเส้นผ่าศูนย์กลางยาว 3,478 กิโลเมตร) การอยู่ห่างไกลจากดวงอาทิตย์ประมาณ 10 เท่าของโลก ทำให้พลังงานแสงที่ Titan ได้รับมีค่าประมาณ 1% ของโลก ดังนั้นถ้าเราสามารถยืนบน Titan ได้ เราจะเห็นดวงอาทิตย์สว่างพอๆ กับที่เราเห็นดวงจันทร์ของโลกสว่าง
       
        Voyager I ยังพบอีกว่า ตัวดาว Titan ประกอบด้วยน้ำแข็งและหิน ในอัตราส่วน 48:52 มีความหนาแน่น 1,900 กิโลกรัม/ลูกบาศก์เมตร จึงมีความหนาแน่นสัมพัทธ์เป็น 1.9 มีชั้นบรรยากาศสีน้ำตาลที่หนา 200 กิโลเมตร และความดันบรรยากาศที่ผิวดาวมีค่าประมาณ 1.4 เท่าของโลก บรรยากาศส่วนใหญ่เป็นไนโตรเจน (มากถึง 95%) และมี methane, propane, acetylene, hydrogencyania กับ carbon dioxide เล็กน้อย
       
        ครั้นเมื่อโมเลกุลของแก๊สเหล่านี้ถูกอนุภาคพลังงานสูงจากดาวเสาร์พุ่งชน และถูกรังสีอัลตราไวโอเลตจากดวงอาทิตย์ตกกระทบ โมเลกุลจะแตกตัวเป็นสารประกอบอินทรีย์เชิงซ้อนมากมาย และรวมตัวตกเป็นฝน ทำให้เกิดทะเลของเหลวไฮโดรคาร์บอนบนผิว Titan เหมือนดังที่โลกมีทะเลน้ำ และทะเลสาบที่ว่านี้ได้รับการยืนยันว่ามีจริง เมื่อคลื่นเรดาร์ที่ถูกส่งจากโลกไปกระทบและสะท้อนที่ผิวดาวได้รับการวิเคราะห์ ข้อมูลที่ได้รับแสดงว่า Titan มีสภาพเหมือนโลกในอดีตเมื่อ 4,000 ล้านปีก่อนมาก ดังนั้นมันจึงเป็นดวงจันทร์หนึ่งในสองดวงที่นักดาราศาสตร์สนใจมากที่สุด (ดวงจันทร์อีกดวงคือ Europa ของดาวพฤหัสบดี ซึ่งอาจมีสิ่งมีชีวิตแฝงอยู่ใต้ผิวน้ำแข็ง)
       
       ดังนั้นในเดือนตุลาคม 1997 องค์การ NASA จึงส่งยานอวกาศ Cassini มุ่งสู่ดาวเสาร์ และยานเดินทางถึงดาวเสาร์เมื่อเดือนกรกฎาคม 2003 ขณะยาน Cassini โคจรผ่าน Titan ยานได้ปล่อยยานสำรวจขนาดเล็กชื่อ Huygens ลงบน Titan ขณะร่อนลง อุปกรณ์ทุกชิ้นบน Huygens ได้หยุดทำงาน ยกเว้นนาฬิกาควอทซ์ซึ่งจะกระตุ้นอุปกรณ์วิทยาศาสตร์ ให้เริ่มทำงานเมื่อเวลา 45 นาที ก่อนที่ Huygens จะสัมผัสบรรยากาศ นั่นคือ ที่ระยะสูง 600 กิโลเมตร ยาน Huygens ใช้เวลานาน 2.5 ชั่วโมง ในการร่อนด้วยร่มชูชีพลงแตะผิว Titan และใช้เวลาสำรวจนาน 1.5 ชั่วโมง ยานที่หนัก 319 กิโลกรัมนี้มีอุปกรณ์ทำหน้าที่วัดอุณหภูมิ ความดันบรรยากาศ ความเร็วลม ทิศการพัด และวิเคราะห์องค์ประกอบของบรรยากาศ
       
        ผลการสำรวจแสดงให้เห็นว่า Titan มีลักษณะทั้งที่เหมือนกับโลกและแตกต่างจากโลก เช่นผิวดาวมีที่ราบสูง เกาะ แก่ง ลำคลอง รวมถึงของเหลวที่ไหลน่าจะเป็น methane มากที่สุด นอกจากนี้ผิวดาวมีก้อนน้ำแข็งปกคลุม ส่วนบริเวณที่มีสีคล้ำ คือ ตะกอนของสารประกอบไฮโดรคาร์บอน Huygens ยังได้เห็นธารของเหลวที่มีความกว้างประมาณ 40 เมตร และเห็นก้อนน้ำแข็ง แทนที่จะเห็นหินแกรนิต หรือ ซิลิเกต เหมือนหินบนโลก
       
        อุปกรณ์ chromatograph และ mass spectrometer บนยานได้แสดงให้เห็นว่า ใต้ผิว Titan เล็กน้อยมี methane อุดมสมบูรณ์ยิ่งกว่า methane ที่มีในบรรยากาศถึง 30% และการร่อนลงของ Huygens ครั้งนั้นเป็นไปอย่างนิ่มนวลโดยยานลงจอดบนที่ลาดเอียง 10° กับแนวระดับ
       
        อนึ่งการพบ methane ปริมาณมากใต้ผิว Titan ก็ได้ตอบคำถามที่ได้ทำให้นักดาราศาสตร์งุนงงมาเป็นเวลานานว่า เหตุใดบรรยากาศของ Titan จึงมี methane เพราะตลอดเวลาหลายร้อยล้านปีที่ผ่านมา รังสีอัลตราไวโอเลต (UV) จากดวงอาทิตย์ โมเลกุลน่าจะทำให้ methane แตกตัวหมด และแหล่ง methane ใต้ดาวนี่เองที่ได้ทำให้บรรยากาศมี methane จนถึงทุกวันนี้ การมีแหล่ง methane ขนาดมโหฬารอาจหมายความว่า ใต้ผิว Titan มีทะเล methane ก็เป็นได้
       
       อุณหภูมิที่เย็นจัดของ Titan ก็ได้มีส่วนช่วยให้ภูมิทัศน์ของดาวไม่เปลี่ยนแปลงมากเหมือนของโลก แม้ Titan จะมีอุณหภูมิต่ำเกินที่จะให้สิ่งมีชีวิตที่เรารู้จักอุบัติได้ แต่มันก็มีองค์ประกอบ 2 ประการที่สำคัญ และจำเป็นในการให้กำเนิดสิ่งมีชีวิต นั่นคือ มีสารอินทรีย์ และมีบรรยากาศที่หนาทึบ ซึ่งช่วยดูดกลืนรังสีอัลตราไวโอเลตที่เป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิต และนี่ก็คือเหตุผลสำคัญที่ทำให้นักวิทยาศาสตร์ต้องการศึกษา Titan
       
        อนึ่งการที่ Huygens ไม่ได้พบ ethane ปริมาณมากบน Titan ก็เป็นเรื่องที่นักดาราศาสตร์ประหลาดใจ เพราะตามความเข้าใจทั่วไป เวลา methane แตกตัว ชิ้นส่วนต่างๆ ของโมเลกุลหลังการแตกตัวน่าจะรวมตัวกันทำให้เกิด ethane ในปริมาณที่ mass spectrometer สามารถตรวจจับได้ แต่ Huygens กลับเห็น ethane ปริมาณน้อย และนั่นก็หมายความว่า ปฏิกิริยาเคมีที่นักเคมีเข้าใจดีบนโลก มิได้เกิดในทำนองเดียวกันบน Titan นั่นคือโมเลกุลที่แตกตัวแล้ว ได้รวมกันเป็นโมเลกุลชนิดใหม่ชื่อ tholin ที่เรายังไม่รู้จักดี
       
        Huygens ไม่พบแก๊สเฉื่อย (อันได้แก่ neon และ xenon) บน Titan ทั้งๆ ที่บนดาวอังคาร ดาวศุกร์ โลก และดาวหางล้วนมีแก๊สเฉื่อย และนี่ก็เป็นประเด็นที่น่าสนใจ เพราะผิวของ Titan มีน้ำแข็ง และน้ำแข็งที่มีอุณหภูมิต่ำมาก (-193°C) ซึ่งจะเป็นตัวกักเก็บแก๊สเฉื่อยที่มีประสิทธิภาพมาก ครั้นเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า -193°C ประสิทธิภาพในการกักเก็บแก๊สเฉื่อยจะด้อยลงทันที สมบัตินี้ทำให้ นักวิทยาศาสตร์รู้แหล่งที่เกิดของ Titan ว่าต้องถือกำเนิดในบริเวณที่มีอุณหภูมิสูง นั่นคือ ในบริเวณใกล้ดาวเสาร์ และเมื่อบรรยากาศของ Titan มี ไนโตรเจนมากถึง 95% เพราะไนโตรเจนมาจากแอมโมเนีย (NH3) ในน้ำแข็ง ดังนั้น Titan จึงถือกำเนิดจากการรวมตัวของหิน และก้อนน้ำแข็ง
       
        ภาพที่ได้จากคลื่นเรดาร์ ยังแสดงให้เห็นว่า ผิว Titan บางส่วนมีลักษณะคล้ายลาวาภูเขาไฟ แต่อุณหภูมิของ Titan ก็ไม่สูงพอที่จะทำให้บนดาวมีภูเขาไฟ ดังนั้นการระเบิดของลาวาบน Titan จึงเป็นลาวาน้ำแข็ง และของเหลวแอมโมเนียที่ถูกพ่นออกมานี้ จะทำให้จุดหลอมเหลวของน้ำลดลง 200 องศาเซลเซียส ดังนั้น น้ำเหลวที่มีแอมโมเนียปนจะมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำแข็ง ของผสมจึงลอยขึ้นทำให้ผิวมีลักษณะเหมือนลาวา
       
        ในอนาคตองค์การ NASA วางแผนจะส่งยานหรือหุ่นยนต์ไป Titan อีก ซึ่งจะใช้เวลาสำรวจนานกว่า 3 ชั่วโมง และจะบังคับให้ยานเดินทางจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง หรือให้ยานลอยไปในทะเลบนดาว
       
        แม้ ณ วันนี้ยาน Huygens จะได้หยุดทำงานแล้วก็ตาม แต่ยาน Cassini ก็ยังโคจรเหนือ Titan ต่อไป โดยในบางครั้งจะโคจรต่ำที่ระยะ 880 กิโลเมตรเหนือดาว ภาพที่ Cassini ถ่ายแสดงให้เห็นว่า Titan มีหมอกสีส้มของสารประกอบไฮโดรคาร์บอน และผิวดาวมีทะเล methane ซึ่งปกคลุมพื้นที่ผิวดาวประมาณ 2-3% เท่านั้นเอง ดังนั้น Titan จึงแห้งแล้งกว่าโลก เรดาร์ยังระบุอีกว่า สายน้ำบน Titan มิได้มีน้ำตลอดเวลา แต่จะมีเป็นบางเวลา
       
        แม้ Cassini จะแสดงหลักฐานว่า บน Titan มีฝนตก แต่ก็ไม่แสดงหลักฐานว่าได้เห็นฝนจริงๆ และเมื่อแรงโน้มถ่วงของ Titan ค่อนข้างน้อย ดังนั้น เม็ดฝน methane ที่ตกจึงมีขนาดใหญ่ ฝนบน Titan มีความเร็วในการตกช้ากว่าฝนบนโลก แต่ฝนก็จะตกไม่ถึงผิวดาว เพราะจะระเหยหายไปในบรรยากาศก่อน เพราะเวลาฝน methane ตกในทะเลที่ประกอบด้วย ethane 75%, methane 10%, propane 7%, hydrogen, cyanide, butane และ nitrogen ปริมาณเล็กน้อย โมเลกุลของเม็ดฝนจะระเหยง่ายกว่าโมเลกุลของโมเลกุลน้ำ ทะเลบน Titan จึงมีแต่โมเลกุลหนัก แต่การทดสอบความคิดนี้เป็นไปได้ยาก เพราะบรรยากาศของ Titan มี methane มาก และสรรพสิ่งบน Titan ถูกปกคลุมด้วยสารประกอบ hydrocarbon อนึ่งในวันที่มีฝนตก เพราะบรรยากาศเหนือดาวหนาแน่นมาก ดังนั้น คลื่นแสงจากดวงอาทิตย์ที่มีความยาวคลื่นสั้นจะถูกบรรยากาศดูดกลืนหมด จะมีก็แต่แสงสีแดงเท่านั้นที่พุ่งผ่านได้ ด้วยเหตุนี้ฟ้าบน Titan จึงปรากฏเป็นสีแดง-ส้ม และรุ้งกินน้ำที่เกิดขึ้นก็จะประกอบด้วยแสงสีแดง กับสีดำเท่านั้นเอง
       
        ขณะดาวเสาร์โคจรไปรอบดวงอาทิตย์โดยใช้เวลานาน 29.5 ปี Titan ก็จะโคจรไปรอบดวงอาทิตย์ด้วย และเมื่อแกน Titan เอียงทำมุมกับระนาบวงโคจร ลักษณะการโคจรเช่นนี้จึงทำให้บน Titan มีฤดู ซึ่งก็เป็นอีกประเด็นหนึ่งที่นักดาราศาสตร์สนใจ
       
        ธรรมชาติของทะเลบน Titan ก็เป็นเรื่องที่น่าสนใจ เพราะทะเลมีของเหลวผสมซึ่งประกอบด้วย ethane กับ methane ดังนั้นจึงมีความหนืดน้อยกว่าน้ำ ด้วยเหตุนี้เวลาลมพัด คลื่นที่เกิดขึ้น จะมีขนาดใหญ่มหาศาล แต่การสังเกตด้วยอุปกรณ์บน Cassini แสดงให้เห็นว่า ผิวทะเลบน Titan ราบเรียบ คือ มีคลื่นสูงไม่เกิน 1 มิลลิเมตร นี่จึงเป็นโจทย์ที่ยังไม่มีคำอธิบาย แต่เมื่อฤดูบนดาวเปลี่ยนแปลง ความเร็วของลมก็ย่อมเปลี่ยนตาม ดังนั้น นักดาราศาสตร์จึงเฝ้าคอยสังเกตการเปลี่ยนแปลงของความเร็วลมบน Titan
       
        เนินทรายบน Titan ก็น่าสนใจ เพราะพื้นที่ผิวบน Titan ประมาณ 20% เป็นทราย และเนินทรายของโลกประกอบด้วย quartz, gypsum และ basalt แต่ทรายบน Titan ประกอบด้วย tholin ดังนั้นเมื่อ NASA ยังไม่มีโครงการจะใช้หุ่นยนตร์นำดิน และหินตัวอย่างจาก Titan มาวิเคราะห์บนโลก นักวิทยาศาสตร์ จึงศึกษาสถานการณ์บน Titan ด้วยการใช้แบบจำลองแทน เพื่อจะได้เข้าใจอันตรกิริยาและความสัมพันธ์ระหว่างเม็ดทราย tholin กับฝน methane ในการทำให้เกิดภูมิทัศน์ลักษณะต่างๆ บน Titan
       
        ในปี 2016 ที่จะถึงนี้ NASA มีโครงการจะส่งยาน Titan Mare Explorer (TIME) ไปร่อนลงในทะเล Ligeia Mare บน Titan ซึ่งมีพื้นที่ 10,000 ตารางกิโลเมตร และยานจะใช้เวลา 3-6 เดือน ในการสำรวจทะเลนี้ โดยจะได้วิเคราะห์องค์ประกอบของน้ำในทะเล และพื้นที่ข้างเคียง ข้อมูลที่ได้จะช่วยให้นักดาราศาสตร์เข้าใจบรรดาดาวเคราะห์ดวงใหม่ๆ ที่กล้องโทรทรรศน์ลอยฟ้า Kepler ได้พบแล้ว จำนวนร่วม 1,200 ดวง เพราะดาวเคราะห์ใหม่ๆ เหล่านี้อยู่ไกลเกินที่มนุษย์เราจะไปถึง แต่นักดาราศาสตร์ก็สามารถเข้าใจธรรมชาติของดาวเคราะห์เหล่านั้นได้ด้วยการศึกษาดวงจันทร์ Titan ที่อยู่ใกล้โลกเรานี้เอง