เปลือกชั้นนอกที่บางและหนาแน่นของดาวพุธ มีความบางกว่าที่ใครจะคาดคิด การคำนวณทางคณิตศาสตร์ใหม่ได้เปิดเผยเรื่องนี้

ดาวพุธมีขนาดเล็ก หมุนเร็วและอยู่ใกล้ดวงอาทิตย์ ทำให้ดาวที่เต็มไปด้วยหินนี้ มีความท้าทายให้ไปเยือน มีเพียงการไปสำรวจครั้งเดียวที่เคยได้โคจรรอบดาวดวงนี้ และรวบรวมข้อมูลที่เพียงพอที่จะบอกให้นักวิทยาศาสตร์ทราบเกี่ยวกับคุณสมบัติทางเคมีและภูมิประเทศของพื้นผิวดาวพุธ อย่างไรก็ตาม การเรียนรู้เกี่ยวกับสิ่งที่อยู่ใต้พื้นผิวต้องใช้การประเมินอย่างรอบคอบ

หลังจากภารกิจการสำรวจสิ้นสุดลงในปี 2015 นักวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับดวงดาวคาดว่าเปลือกนอกของดาวพุธ มีความหนาคร่าวๆประมาณ 22 ไมล์ แต่นักวิทยาศาสตร์ของมหาวิทยาลัยแห่งหนึ่งในอริโซน่าไม่เห็นด้วย

เมื่อใช้สูตรทางคณิตศาสตร์ล่าสุด นักวิทยาศาสตร์ที่มีส่วนร่วมในห้องทดลองเกี่ยวกับดวงจันทร์และดาวเคราะห์, ไมเคิล โซริ (Michael Sori ) ประเมินว่าเปลือกของดาวพุธ มีความหนาเพียง 16 ไมล์ และมีความหนาแน่นกว่าอลูมิเนียม การศึกษาในเรื่องเปลือกที่บางและหนาแน่นของดาวพุธนี้ ถูกตีพิมพ์เมื่อวันที่ 1 พฤษภาคม 2018 ในวารสาร Earth and Planetary Science Letters ซึ่งปัจจุบันมีการให้บริการทางออนไลน์

ไมเคิลกำหนดความหนาแน่นของเปลือกดาวพุธโดยใช้ข้อมูลที่เก็บรวบรวมโดยยานอวกาศเมสเซนเจอร์ (MESSENGER- Mercury Surface, Space Environment and Geochemistry Ranging ) เขาได้สร้างค่าประมาณโดยใช้สูตรที่พัฒนาขึ้นโดย ศาสตราจารย์อิซะมุ มัทสุยาม่า (Isamu Matsuyama ) ซึ่งเป็นศาสตราจารย์ในห้องปฏิบัติการดวงจันทร์และดาวเคราะห์ และนักวิทยาศาสตร์ ดักลาส เฮมิงเวย์ (Douglas Hemingway) จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์

การประมาณการของไมเคิลสนับสนุนทฤษฎีที่ว่า เปลือกโลกของดาวพุธได้เกิดขึ้นจากการกระทำของภูเขาไฟ การทำความเข้าใจว่าเปลือกดาวพุธเกิดขึ้นได้อย่างไร อาจทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถเข้าใจถึงการก่อตัวของดาวเคราะห์ที่มีโครงสร้างแปลกๆได้ทั้งหมด

“ในหมู่ดาวเคราะห์ที่มีองค์ประกอบพื้นฐานที่คล้ายกับโลก ดาวพุธมีแกนกลางที่ใหญ่ที่สุดเมื่อเทียบกับขนาดของมัน “ ไมเคิลกล่าว

แกนของดาวพุธ เชื่อว่าจะกินพื้นที่ 60% ของพื้นที่ทั้งหมดของดาว ถ้าเปรียบเทียบกับแกนของโลกซึ่งมีพื้นที่ประมาณ 15 % ของพื้นที่ทั้งหมด 

ทำไมดาวพุธถึงมีแกนใหญ่?

” บางที มันอาจก่อตัวขึ้นในแบบที่ใกล้เคียงกับดาวเคราะห์ปกติทั่วไป แล้วเปลือกชั้นนอกและเนื้อดาวจำนวนมากหลุดหายไปจากการกระแทกที่รุนแรง ความคิดอีกอย่างหนึ่งคือ บางทีเมื่อมันอยู่ใกล้ดวงอาทิตย์มาก ลมสุริยะอาจพัดพาหินจำนวนมากออกไป จึงทำให้มีขนาดแกนที่ใหญ่มากตั้งแต่แรก ตอนนี้ยังไม่มีคำตอบใดที่ทุกคนเห็นด้วย” ไมเคิลกล่าว

งานวิจัยของเขาอาจช่วยชี้นำนักวิทยาศาสตร์ไปในทิศทางที่ถูกต้อง และมันก็ได้แก้ปัญหาแล้ว เกี่ยวกับหินเปลือกโลกของดาวพุธ

เปลือกหินที่แปลกของดาวพุธ

เมื่อดาวเคราะห์ต่างๆและดวงจันทร์ของโลกก่อตัวขึ้น เปลือกของพวกมันเกิดมาจากเนื้อดาวที่อยู่เป็นชั้นๆระหว่างแกนดาวและเปลือก ซึ่งค่อยๆสร้างของเหลวที่เหนียวข้นและไหลเคลื่อนเป็นเส้นทางตลอดระยะเวลาหลายล้านปี ความหนาของเปลือกของดาวหมายถึงเปอร์เซ็นต์ของเนื้อดาวที่กลายเป็นหิน

ก่อนการศึกษาของเขา การประเมินความหนาของเปลือกดาวพุธทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่า 11 % ของเนื้อเดิมของดาวถูกเปลี่ยนเป็นหินที่เปลือกดาว เมื่อดูดวงจันทร์ของโลก ขนาดของมันมีความใกล้เคียงกับดาวพุธ แต่ความหนาของเปลือกดาวพุธอาจน้อยลง เป็น7 %

” ดาวทั้ง 2 สร้างเปลือกของพวกมันด้วยวิธีที่แตกต่างกันหลายอย่างมาก ดังนั้นจึงไม่น่าตกใจว่าเปอร์เซ็นต์ของหินในเปลือกของพวกมัน ไม่เท่ากัน “ ไมเคิลกล่าว

เปลือกของดวงจันทร์ก่อตัวขึ้นเมื่อแร่ธาตุที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าลอยตัวขึ้นมาอยู่บนผิวมหาสมุทรของหินที่เป็นของเหลวซึ่งกลายเป็นเนื้อดาว ที่ชั้นบนของมหาสมุทรแม็กม่าของนี้ แร่ธาตุที่ลอยตัวของดวงจันทร์เย็นลงและแข็งตัวก่อเป็นโครงร่างของเปลือก แต่สำหรับดาวพุธ การระเบิดของภูเขาไฟจะเคลือบพื้นผิวดาวพุธและสร้าง เปลือกแมกม่า”

การอธิบายว่าทำไมดาวพุธถึงสร้างเปลือกแข็งมากกว่าดวงจันทร์เป็นปริศนาทางวิทยาศาสตร์ที่ไม่มีใครทราบได้ก่อนหน้า ตอนนี้กรณีนี้ สามารถจบลงได้ จากการศึกษาของไมเคิลระบุเปอร์เซ็นต์ของหินในเปลือกของดาวพุธที่ 7% ดาวพุธไม่ได้สร้างหินมากกว่าดวงจันทร์

ไมเคิลไขความลึกลับด้วยการประเมินความลึกและความหนาแน่นของเปลือกดาว ซึ่งหมายความว่าเขาต้องค้นหาว่าดุลยภาพเปลือกดาวพุธ (การปรับสภาพแผ่นเปลือกดาว เพื่อให้อยู่ในสภาวะที่สมดุลตามกฎความโน้มถ่วงของดาว) แบบไหนที่หนุนเปลือกดาวอยู่

การกำหนดความหนาแน่นและความลึกของดาว

รูปร่างที่เป็นธรรมชาติที่สุดสำหรับของดาวเคราะห์ที่นำมาใช้คือทรงกลมเรียบซึ่งทุกจุดบนพื้นผิวมีระยะห่างเท่ากันจากแกนของดาว ดุลเสมอภาคของเปลือกดาวอธิบายว่าภูเขาหุบเขาและเนินเขาได้รับการหนุนและรักษาไม่ให้แบนลงมาเป็นที่ราบ

ดุลเสมอภาคมี 2 แบบตามทฤษฎีคือ ทฤษฎีของแพรทท์ และ แอรี่ ทั้งสองมุ่งเน้นความสมดุลของมวลที่มีขนาดเท่ากันในส่วนต่างๆของดาวเคราะห์ ถ้ามวลส่วนหนึ่งมีมากกว่ามวลในส่วนที่อยู่ข้างๆ เนื้อดาวจะไหลซึมออกมา เคลื่อนเปลือกด้านบนของมันจนกว่ามวลของทุกส่วนจะเท่ากัน

ทฤษฎีของแพรทท์ระบุว่าเปลือกดาวมีความหนาแน่นแตกต่างกันไป ในส่วนของดาวที่มีภูเขามีมวลเช่นเดียวกับส่วนที่เป็นพื้นราบ เพราะเปลือกส่วนที่ทำให้เป็นภูเขาจะมีความหนาแน่นน้อยกว่าเปลือกที่เป็นพื้นที่ราบ ในทุกจุดของดาวนั้นใต้เปลือกจะลอยตัวอยู่อย่างเสมอกันในเนื้อดาว

จนกว่าไมเคิลจะเสร็จสิ้นการศึกษาของเขา ยังไม่มีนักวิทยาศาสตร์ที่อธิบายได้ว่าทำไมทฤษฎีของแพรทท์จะหนุน หรือไม่หนุนสภาพภูมิทัศน์ของดาวพุธ ในการทดสอบนี้ ไมเคิลต้องเชื่อมโยงให้ความหนาแน่นของดาวให้มีความสัมพันธ์กับภูมิประเทศ นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างแผนที่ภูมิประเทศของดาวพุธ โดยใช้ข้อมูลจากยาน แต่มันไม่มีแผนที่ความหนาแน่น ดังนั้นเขาจึงทำด้วยตัวเองโดยใช้ข้อมูลเกี่ยวกับองค์ประกอบที่พบบนพื้นผิวดาวพุธ

“เรารู้ว่าแร่ธาตุชนิดไหนที่ก่อให้เกิดเป็นหิน และเรารู้ว่าแร่ธาตุเหล่านี้มีองค์ประกอบอะไรบ้าง เราสามารถแยกแยะความหลากหลายของสารเคมีทั้งหมดลงในรายการของแร่ธาตุต่างๆได้” ไมเคิลกล่าวถึงกระบวนการที่เขาใช้ในการระบุตำแหน่งและความอุดมสมบูรณ์ของแร่ธาตุบนพื้นผิว “เรารู้ถึงความหนาแน่นของแร่ธาตุแต่ละชนิด เราเพิ่มเติมทั้งหมดเข้าไป และเราก็ได้แผนที่ของความหนาแน่น”

เขาเปรียบเทียบแผนที่ความหนาแน่นของเขากับแผนที่ภูมิประเทศ ถ้าทฤษฎีของแพรทท์ สามารถอธิบายถึงภูมิทัศน์ของดาวพุธ เขาคาดว่าจะพบแร่ธาตุที่มีความหนาแน่นสูงในปล่องภูเขาไฟ และแร่ธาตุที่มีความหนาแน่นต่ำในเทือกเขา แต่เขายังไม่พบความสัมพันธ์ดังกล่าว บนดาวพุธแร่ธาตุที่มีความหนาแน่นสูงและต่ำจะพบได้ในภูเขาและปล่องภูเขาไฟเหมือนกัน

เมื่อทฤษฎีของแพรทท์ดูไม่ถูกต้อง เขาดูทฤษฎีของแอรี่ ซึ่งใช้ในการประเมินความหนาของเปลือกดาวพุธ ที่ระบุว่าความลึกของเปลือกดาวเคราะห์จะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับภูมิประเทศ

“ถ้าคุณเห็นภูเขาบนพื้นผิวมันอาจได้รับการหนุนจากรากฐานด้านล่างมัน” เขากล่าวเปรียบเหมือนภูเขาน้ำแข็งที่ลอยอยู่ในน้ำ ยอดภูเขาน้ำแข็งถูกหนุนโดยมวลของน้ำแข็งที่แผ่ออกมาใต้น้ำลึก ภูเขาน้ำแข็งมีมวลเท่ากับน้ำที่มาแทนที่ ในทำนองเดียวกัน ภูเขาและฐานรากของมันจะมีมวลเช่นเดียวกับเนื้อดาวที่ถูกแทนที่ ในปล่องภูเขาไฟเปลือกดาวจะบาง และเนื้อดาวจะอยู่ใกล้กับพื้นผิว แนวลึกของดาวที่มีภูเขาจะมีมวลเช่นเดียวกับที่มีในปล่องภูเขาไฟ

“ข้อโต้เถียงเหล่านี้ ดูจาก2 มิติ แต่เมื่อคุณคำนวณทางเรขาคณิตรูปทรงกลมแล้วสูตรนี้ก็ไม่ได้ผลแน่ ๆ ” เขากล่าว

สูตรที่เพิ่งได้รับการพัฒนาโดย มัทซึยามะ และ เฮมิ่งเวย์ ซึ่งใช้ได้กับรูปทรงกลมเหมือนดาวเคราะห์ แทนที่จะคงความสมดุลย์ของความหนาแน่นของเปลือกและเนื้อดาว มันให้ความสมดุลย์กับเปลือกดาวที่ใช้แรงกดลงบนเนื้อดาว ทำให้ได้ค่าประมาณของความหนาที่แน่นอนกว่า เขาจึงใช้ค่าประมาณความหนาแน่นของเปลือกและสูตรของทั้งคู่ เพื่อค้นหาความหนาของเปลือกดาว เขามั่นใจว่าการประเมินความหนาของเปลือกดาวพุธในซีกเหนือของเขาจะถูกต้อง แม้ว่าจะมีข้อมูลใหม่เกี่ยวกับดาวพุธเข้ามา เขามีความมั่นใจมากเกี่ยวกับความหนาแน่นของเปลือกดาวพุธนี้

ยานเมสเซนเจอร์ได้รวบรวมข้อมูลในซีกเหนือมากกว่าทางฉีกใต้ เขาคาดการณ์ว่าความหนาแน่นเฉลี่ยของพื้นผิวของดาวเคราะห์จะเปลี่ยนไปเมื่อข้อมูลความหนาแน่นถูกเก็บมาจากทั่วทั้งดาว เขาเห็นความจำเป็นในการศึกษานี้ต่อไปในอนาคต

ภารกิจดาวพุธครั้งต่อไป จะมาถึงในปี 2025 ในระหว่างนี้นักวิทยาศาสตร์จะยังคงใช้ข้อมูลจากยาน และสูตรทางคณิตศาสตร์ เพื่อเรียนรู้ทุกอย่างที่เกี่ยวกับดาวดวงแรกที่ห่างจากดวงอาทิตย์

 

ที่มา: ScienceDaily
เรียบเรียง: SignorScience