นาซาเผยเบื้องลึกโครงสร้างภายในของดวงจันทร์และดาวเคราะห์น้อยเวสตา

นักวิทยาศาสตร์จากองค์การนาซา (NASA) ใช้ข้อมูลแรงโน้มถ่วงจากยานอวกาศที่โคจรรอบดาวอื่น ๆ เพื่อศึกษาโครงสร้างภายในของดาวเคราะห์ โดยไม่ต้องลงจอดบนพื้นผิว แม้ว่าดวงจันทร์และดาวเคราะห์น้อยเวสตา (Vesta) จะต่างกันมาก แต่นักวิจัยนาซาใช้เทคนิคเดียวกันในการศึกษาโครงสร้างภายในของทั้งคู่

ในการศึกษาดวงจันทร์ นักวิจัยสร้างแบบจำลองแรงโน้มถ่วงใหม่ โดยนำข้อมูลการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของแรงโน้มถ่วงขณะที่ดวงจันทร์โคจรรอบโลกมาวิเคราะห์ การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ทำให้ดวงจันทร์โค้งงอเล็กน้อยจากแรงดึงดูดของโลก ซึ่งเรียกว่า “การเสียรูปจากแรงไทดัล” (tidal deformation) และช่วยให้เข้าใจโครงสร้างภายในของดวงจันทร์ได้ดีขึ้น

แบบจำลองนี้ทำให้นักวิจัยสร้างแผนที่แรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์ที่ละเอียดที่สุดเท่าที่เคยมีมา ซึ่งจะเป็นประโยชน์ต่อภารกิจสำรวจดวงจันทร์ในอนาคต ข้อมูลที่ใช้ในการวิเคราะห์มาจากการเคลื่อนที่ของยานอวกาศ Ebb and Flow ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของภารกิจ GRAIL (Gravity Recovery and Interior Laboratory) ของนาซา ยานอวกาศทั้งสองลำนี้โคจรรอบดวงจันทร์ตั้งแต่ปลายปี 2554 ถึงปลายปี 2555

ส่วนการศึกษาดาวเคราะห์น้อยเวสตา นักวิจัยใช้ข้อมูลจากเครือข่าย Deep Space Network ของนาซา และภาพจากยานอวกาศ Dawn ยาน Dawn โคจรรอบเวสตาตั้งแต่กลางปี 2554 ถึงกลางปี 2555 ผลการศึกษาพบว่า โครงสร้างภายในของเวสตาค่อนข้างสม่ำเสมอ ไม่ได้มีชั้นแบ่งชัดเจนอย่างที่คิด และอาจมีแกนเหล็กขนาดเล็กมาก หรือไม่มีเลย

ภาพถ่ายดาวเคราะห์น้อยเวสตา (Vesta) โดยยานอวกาศ Dawn ของนาซา เมื่อวันที่ 24 กรกฎาคม 2554

งานวิจัยทั้งสองชิ้นนี้ใช้เวลานานหลายปี นำโดย Ryan Park จาก Jet Propulsion Laboratory ของนาซา นักวิจัยใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ของนาซา สร้างแผนที่แสดงความแตกต่างของแรงโน้มถ่วงบนดาวแต่ละดวง เพื่อทำความเข้าใจองค์ประกอบและวิธีการก่อตัวของดวงจันทร์และเวสตา

ดวงจันทร์สองด้านไม่เหมือนกัน

การศึกษาดวงจันทร์พบว่า แรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์ด้านใกล้และด้านไกลแตกต่างกัน ด้านใกล้มีที่ราบขนาดใหญ่ที่เกิดจากหินหลอมเหลวเย็นตัวและแข็งตัวเมื่อหลายพันล้านปีก่อน ส่วนด้านไกลมีพื้นผิวขรุขระและมีที่ราบน้อยกว่า

นักวิทยาศาสตร์บางส่วนเชื่อว่า ภูเขาไฟระเบิดรุนแรงในด้านใกล้อาจเป็นสาเหตุของความแตกต่างนี้ การระเบิดทำให้ธาตุที่สร้างความร้อนและมีกัมมันตภาพรังสีสะสมในชั้นแมนเทิลของด้านใกล้ การศึกษาใหม่นี้ให้ข้อมูลสนับสนุนแนวคิดนี้

Park กล่าวว่า “เราพบว่าด้านใกล้ของดวงจันทร์โค้งงอมากกว่าด้านไกล ซึ่งแสดงว่าโครงสร้างภายในของดวงจันทร์ทั้งสองด้านไม่เหมือนกัน ตอนแรกที่เราวิเคราะห์ข้อมูล เราประหลาดใจมากจนไม่เชื่อ จึงต้องคำนวณซ้ำหลายครั้งเพื่อยืนยันผลลัพธ์ งานวิจัยนี้ใช้เวลาทำถึง 10 ปี”

เมื่อเปรียบเทียบผลลัพธ์กับแบบจำลองอื่น ๆ นักวิจัยพบว่า การโค้งงอของดวงจันทร์ทั้งสองด้านแตกต่างกันเล็กน้อยแต่มากกว่าที่คาดไว้ คำอธิบายที่เป็นไปได้มากที่สุดคือ ด้านใกล้มีชั้นแมนเทิลที่อุ่นกว่า ซึ่งบ่งชี้ว่ามีธาตุที่สร้างความร้อนและมีกัมมันตภาพรังสีอยู่ และเป็นหลักฐานว่าเคยมีภูเขาไฟระเบิดในด้านใกล้เมื่อ 2-3 พันล้านปีก่อน

เวสตา: ดาวเคราะห์น้อยที่ไม่เหมือนที่คิด

ทีมวิจัยของ Park ใช้วิธีการคล้ายกันในการศึกษาการหมุนของเวสตา เพื่อศึกษาโครงสร้างภายในของมัน Park อธิบายว่า “เทคนิคของเราตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของสนามแรงโน้มถ่วงได้ ไม่ว่าจะเป็นการเปลี่ยนแปลงตามเวลา เช่น การโค้งงอของดวงจันทร์ หรือการเปลี่ยนแปลงตามตำแหน่ง เช่น การส่ายไปมาของดาวเคราะห์น้อย

การวัดความเฉื่อยของเวสตาช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจการกระจายตัวของมวลภายในได้ ถ้าความเฉื่อยต่ำ แสดงว่ามวลกระจุกตัวอยู่ใกล้ศูนย์กลาง แต่ถ้าความเฉื่อยสูง มวลจะกระจายตัวสม่ำเสมอ

นักวิทยาศาสตร์บางส่วนเชื่อว่า เวสตาค่อย ๆ ก่อตัวเป็นชั้น ๆ คล้ายหัวหอม และมีแกนกลางหนาแน่น แต่ผลการวัดความเฉื่อยใหม่ชี้ว่า เวสตามีเนื้อเดียวกันมากกว่า นั่นคือ มีมวลกระจายตัวสม่ำเสมอ และอาจมีแกนกลางเล็ก ๆ หรือไม่มีเลย

แรงโน้มถ่วงดึงธาตุหนักไปรวมกันที่ศูนย์กลางของดาวเคราะห์ ทำให้โลกมีแกนกลางเป็นเหล็กเหลว แต่ถึงแม้ว่าก่อนหน้านี้จะเชื่อว่าเวสตามีโครงสร้างเป็นชั้น ๆ ผลการศึกษาใหม่นี้ชี้ว่า มันอาจไม่ได้ก่อตัวเป็นชั้น ๆ ตั้งแต่แรก หรืออาจเกิดจากเศษซากจากการชนของวัตถุขนาดใหญ่

ในปี 2559 Park ใช้ข้อมูลแบบเดียวกับที่ศึกษาเวสตา มาศึกษาดาวเคราะห์แคระซีรีส (Ceres) ซึ่งเป็นเป้าหมายที่สองของยาน Dawn ผลการศึกษาชี้ว่า ซีรีสมีโครงสร้างภายในเป็นชั้น ๆ บางส่วน เมื่อไม่นานมานี้ Park และทีมงานยังใช้วิธีการคล้ายกันนี้ศึกษาวงแหวนภูเขาไฟไอโอ (Io) ของดาวพฤหัสบดี โดยใช้ข้อมูลจากยาน Juno และ Galileo ของนาซา รวมถึงข้อมูลจากการสังเกตการณ์บนโลก

การวัดการเปลี่ยนแปลงของแรงโน้มถ่วงของไอโอขณะโคจรรอบดาวพฤหัสบดี ซึ่งมีแรงดึงดูดมหาศาล แสดงให้เห็นว่า ไอโอไม่น่าจะมีมหาสมุทรแมกมาทั่วทั้งดวง

Park กล่าวว่า “เทคนิคของเราไม่ได้จำกัดอยู่แค่ Io, Ceres, Vesta หรือดวงจันทร์เท่านั้น เราสามารถใช้เทคนิคนี้ศึกษาโครงสร้างภายในของวัตถุอื่น ๆ ที่น่าสนใจในระบบสุริยะได้อีกมาก”