Blockdit Logo (Mobile)
Novice Physicist - นักฟิสิกส์เลเวล 1
•
16 ก.ย. 2020 เวลา 02:44 • วิทยาศาสตร์ & เทคโนโลยี
หลังจากที่โพสต์ที่แล้ว เราได้เสนอข่าวใหญ่ในวงการวิทยาศาสตร์ ที่ว่าด้วยทีมนักวิจัยได้ค้นพบฟอสฟีน (PH3) บนชั้นบรรยากาศของดาวศุกร์ได้เป็นครั้งแรก ในโพสต์นี้ เราก็จะมาเจาะลึกเกี่ยวกับการค้นพบครั้งนี้กันครับ
ต้องออกตัวก่อนเลยว่า เนื้อหาจะค่อนข้างออกไปทางชีววิทยาและเคมีพอสมควร ซึ่งผมเองก็ไม่ได้ชำนาญมากนัก หากมีข้อผิดพลาดแต่อย่างใด ทักท้วงกันมาได้เลยนะครับ
อันดับแรกที่อยากจะบอกทุกคนไว้ ก็คือการค้นพบครั้งนี้ “ไม่ใช่” หลักฐานที่ยืนยันว่ามีสิ่งมีชีวิตบนดาวศุกร์นะครับ เพราะอาจจะยังมีความเป็นไปได้อื่นๆอีก ดังนั้นก็อย่าเพิ่งเคลมเป็นตุเป็นตะว่าเจอมนุษย์ต่างดาวแล้ว แค่อาจจะมีความเป็นไปได้มากขึ้นเนื่องจากพบหลักฐานสำคัญชิ้นนี้นั่นเองครับ
ก่อนอื่น เราต้องมารู้จักพระเอกของงานอย่าง “ฟอสฟีน” กันก่อนครับ ฟอสฟีนมีสูตรทางเคมีเป็น PH3 เป็นก๊าซที่ไร้สี ติดไฟ และเป็นพิษต่อระบบทางเดินหายใจของมนุษย์อย่างรุนแรง แต่ทว่าก็ยังมีประโยชน์ในทางด้านอุตสาหกรรมบางประเภท รวมไปถึงใช้ในการพ่นยาไล่แมลงอีกด้วย โดยฟอสฟีนสามารถถูกสร้างได้จากห้องแล็บในโรงงานอุตสาหกรรมด้วยปฏิกิริยาทางเคมี และยังถูกสร้างตามธรรมชาติโดยจุลินทรีย์ชนิดที่ไม่ใช้ออกซิเจน (anaerobic microbe) ถึงแม้นักวิทยาศาสตร์ยังไม่เข้าใจกระบวนการสร้างฟอสฟีนของจุลินทรีย์อย่างถ่องแท้ แต่ว่าก็มีหลักฐานจากการที่เราพบฟอสฟีนตามท่อน้ำเสีย ลุ่มน้ำ หรือระบบทางเดินอาหารของสัตว์ รวมไปถึงบนชั้นบรรยากาศอย่างเบาบาง นอกจากนี้แล้วก็ยังอาจเกิดได้จากกระบวนการอื่นๆ ทางกายภาพ แต่ทว่าก็ไม่ได้ส่งผลต่อปริมาณฟอสฟีนในบรรยากาศมากนัก
โครงสร้างของโมเลกุลฟอสฟีน (PH3)
ในทาง Astrobiology ก็ได้มีการศึกษาฟอสฟีน ในฐานะที่เป็น Biosignatures หรือหลักฐานที่ใช้บ่งบอกว่ามีสิ่งมีชีวิตบนดาวเคราะห์นั้นๆ ซึ่งก่อนหน้าที่เราจะเจอฟอสฟีนบนดาวศุกร์ นักดาราศาสตร์ก็เคยพบฟอสฟีนบนดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์มาก่อน แต่ก็ได้วินิจฉัยว่า ฟอสฟีนบนดาวเคราะห์ทั้งสองดวงนั้นไม่ได้มาจากกระบวนการทางชีวภาพ แต่เกิดจากสภาพบรรยากาศที่มีแก๊สไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบหลักและมีความปั่นป่วนสูง ดังนั้นจึงอาจจะถือได้ว่าฟอสฟีนเป็น biosignatures ชิ้นสำคัญสำหรับดาวเคราะห์หิน ถ้าดาวเคราะห์หินมีฟอสฟีนในชั้นบรรยากาศ ก็อาจจะมีสิ่งมีชีวิตบนดาวเคราะห์หินนั้นคอยสร้างมันอยู่ก็เป็นได้ เพราะเท่าที่เราทราบ ยังไม่มีกระบวนการใดบนดาวเคราะห์หินที่ที่สามารถสร้างฟอสฟีนให้มีความเข้มข้นพอที่จะตรวจจับได้ นอกเหนือจากกระบวนการทางชีวภาพในจุลินทรีย์ที่เราสังเกตได้บนโลกเท่านั้น
สมมติฐานของ Pathway ที่อาจอธิบายได้ว่า anaerobic microbes บนดาวศุกร์สามารถสร้างฟอสฟีนขึ้นมาได้อย่างไร โดย pathway ที่น่าจะเป็นไปได้มากที่สุด คือการรีดิวซ์กรดฟอสฟอริก(H3PO4) ในบรรยากาศกลายเป็นฟอสฟีน
ทีนี้ เราจะไปตรวจหาฟอสฟีนบนดาวศุกร์ได้อย่างไร คำตอบก็คือการส่องกล้องโทรทรรศน์แล้วไปวิเคราะห์สเปกตรัมการแผ่รังสีของดาวดวงนั้นครับ โดยที่ทีมนักวิจัยได้ใช้กล้องโทรทรรศน์ JCMT (James Clerk Maxwell Telescope) ที่ฮาวายและกล้องโทรทรรศน์ ALMA (Atacama Large Millimeter Array) ส่องไปที่ดาวศุกร์และวัดสเปกตรัมในช่วงคลื่นวิทยุ โดยพวกเขาค้นพบว่า ที่ความถี่ราวๆ 266 Ghz หรือความยาวคลื่นประมาณ 1 mm ความเข้มของคลื่นวิทยุลดลงอย่างชัดเจนเมื่อเทียบกับบริเวณรอบข้าง ซึ่งที่ความยาวคลื่นนี้ ก็สอดคล้องกับการเปลี่ยนระดับพลังงานของโมเลกุลฟอสฟีนพอดี (PH3 1-0 rotational transition) สรุปง่ายๆก็คือเหตุผลที่คลื่นวิทยุช่วง 1 mm หายไป ก็เพราะว่ามันถูกดูดกลืนโดยโมเลกุลฟอสฟีนนั่นเองครับ ดังนั้นเราจึงสามารถรู้ได้ว่า มีฟอสฟีนอยู่บนชั้นบรรยากาศของดาวศุกร์จริงๆ
กราฟระหว่างความเข้มของคลื่นวิทยุ (line:continuum ratio) เทียบกับความยาวคลื่น(ถูกแปลงเป็น doppler velocity โดยที่ v=0 หมายถึงความยาวคลื่น 1.123 mm ที่เป็นลักษณะเฉพาะของฟอสฟีน) จะเห็นได้ว่า กราฟเกิดหลุมที่บริเวณใกล้ๆ v=0 พอดี จึงบ่งบอกว่าพบฟอสฟีนบนดาวศุกร์ [ผลจาก JCMT telescope]
โดยทีมวิจัยได้ผลสเปกตรัมครั้งแรกจากกล้อง JCMT ในปี 2017 และก็ยืนยันได้อีกครั้งจากกล้อง ALMA ในปี 2019 ซึ่งด้วยความละเอียดของ ALMA ทำให้นักวิทยาศาสตร์พบว่า ฟอสฟีนน่าจะอยู่ที่ช่วง mid-latitude ที่มีตำแหน่งละติจูดประมาณ 15-60 องศาจากเส้นศูนย์สูตร และยังทำให้ผลการค้นพบน่าเชื่อถือมากยิ่งขึ้นเพราะผลมาจากคนละกล้องโทรทรรศน์ ที่วัดกันคนละเวลา
กราฟซ้ายคือการพลอตสเปกตรัมของคลื่นวิทยุโดยใช้ผลจาก ALMA ซึ่งเห็นผลคล้ายคลึงกับที่พบจาก JCMT ส่วนกราฟขวาคือการพลอตสเปกตรัม ที่ละติจูดต่างๆกันบนดาวศุกร์ จะเห็นได้ว่ากราฟสีฟ้า ที่เป็นการพลอตในช่วง mid latitude เป็นกราฟเดียวที่เห็นการเกิดของฟอสฟีน
เมื่อทีมวิจัยได้ทำการวิเคราะห์สเปกตรัมอย่างละเอียด ก็พบว่าฟอสฟีนมีความเข้มข้นประมาณ 20 ppb (part per billion) ซึ่งเข้มข้นน้อยกว่าที่พบดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์ แต่ก็มากกว่าที่พบบนชั้นบรรยากาศโลก และฟอสฟีนน่าจะมาจากความสูงประมาณ 53-61 km จากพื้นดาว ซึ่งชั้นบรรยากาศที่ความสูงนั้น ถูกเรียกว่า Temperate Zone เนื่องจากมีความดันอากาศและอุณหภูมิใกล้เคียงกับโลกของเรา และก่อนหน้านี้ก็เพิ่งมีการเสนอสมมติฐานว่า สิ่งมีชีวิตพวกจุลินทรีย์อาจจะสามารถอาศัยอยู่ที่บริเวณ Temperate Zone ได้อีกด้วย ทำให้การค้นพบนี้น่าตื่นเต้นมากๆ
แต่ทว่า เราจะแน่ใจได้อย่างไรว่าฟอสฟีนมาจากจุลินทรีย์จริงๆ ดังนั้นก็เลยมีการวิจัยอีกชุดหนึ่ง เพื่อลองคำนวณดูว่าฟอสฟีนจะสามารถเกิดจากกระบวนการอื่นๆนอกจากจุลินทรีย์ได้หรือไม่ ซึ่งจากการวิเคราะห์กระบวนการหลายๆแบบ ไม่ว่าจะเป็น photochemical หรือกระบวนการใช้แสง กระบวนการทางเทอร์โมไดนามิกส์บนชั้นบรรยากาศ ปฏิกิริยาจากหินหรือพื้นผิวดาว ฟ้าผ่า ดาวตก หรือภูเขาไฟระเบิด ซึ่งจากเท่าที่วิเคราะห์ได้หรือเท่าที่ทีมวิจัยนึกออก ก็ไม่มีกระบวนการใดที่สามารถสร้างฟอสฟีนได้เพียงพอกับความเข้มข้น 20 ppb ที่คำนวณจากสเปกตรัมได้เลย ในทางกลับกัน ถ้าเป็นกระบวนการทางชีวภาพจากจุลินทรีย์ ขอเพียงแค่จุลินทรีย์บนดาวศุกร์มีประสิทธิภาพเพียง 10% เทียบกับบนโลก ก็เพียงพอแล้วที่จะสร้างฟอสฟีนปริมาณมากพอที่จะสอดคล้องกับความเข้มข้นที่พบแล้ว
กราฟซ้าย เป็นการเทียบกันระหว่าง formation rate ของฟอสฟีนที่มาจากกระบวนการ photochemical เทียบกับ destruction rate ของฟอสฟีนบนชั้นบรรยากาศของดาวศุกร์. กราฟขวา เป็นการพลอตเทียบ upperlimit ของการเกิดฟอสฟีนโดยกระบวนการที่ไม่ใช่ชีวภาพ (abiotic process) เทียบกับความเข้มข้นที่พบ
ถึงแม้ว่าหลักฐานทุกอย่างอาจจะชี้ไปทางที่สนับสนุนว่า ฟอสฟีนที่พบบนดาวศุกร์นี้เกิดจากสิ่งมีชีวิต แต่ทางทีมวิจัยก็ยังคงย้ำว่ามันก็ไม่สามารถใช้ยืนยันได้ 100 % ว่าเราพบสิ่งมีชีวิตบนดาวศุกร์ เพราะว่ายังมีความเป็นไปได้ที่ฟอสฟีนนี้อาจจะเกิดจากกระบวนการอื่นๆทางเคมีหรือธรณีวิทยา ที่นักวิทยาศาสตร์อาจจะไม่รู้จักมาก่อนก็เป็นได้ ซึ่งถ้าเป็นกรณีนี้จริงๆ เราอาจจะต้องมีการเปลี่ยนแปลงมุมมองครั้งใหญ่ในการศึกษาเกี่ยวกับดาวเคราะห์หินและกระบวนการทางเคมีที่เกิดขึ้นบนดาวเคราะห์เหล่านั้นไปเลยก็ว่าได้ แต่ถ้าฟอสฟีนมาจากสิ่งมีชีวิตจริงๆ ก็คงเป็นข่าวใหญ่โด่งดังไปทั่วโลกอย่างแน่นอน
เพราะฉะนั้น การค้นพบฟอสฟีนครั้งนี้จึงกลายเป็นข่าวใหญ่ที่นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกจับตามอง และทำให้วงการ Astrobiology โดยเฉพาะดาวศุกร์กลับมาคึกคักกันอีกครั้ง รวมไปถึงอาจจะเปิดโอกาสให้มีการส่งยานไปสำรวจดาวศุกร์มากขึ้นในอนาคต เพื่อหาคำตอบให้กับปริศนาการเกิดฟอสฟีนนี้ และไปลองตรวจดูอีกสักครั้ง ว่ามีสิ่งมีชีวิตอยู่จริงๆหรือไม่
Picture from
Greaves et al. 2020
WIRED
โฆษณา