พบร่องรอยน้ำดึกดำบรรพ์จาก Kuiper Belt ในฝุ่นอวกาศ 12 เม็ดที่ตกสู่โลก

นักวิทยาศาสตร์พบหลักฐานของน้ำยุคเริ่มแรกของระบบสุริยะ ซึ่งมีองค์ประกอบทางเคมีต่างจากน้ำบนโลก จากฝุ่นอวกาศ 12 เม็ด ที่เดินทางมาจาก Kuiper Belt (แถบวัตถุน้ำแข็งนอกวงโคจรของดาวเนปจูน) งานวิจัยนำโดย Lindsay Keller นักวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์จาก NASA Johnson Space Center และตีพิมพ์ในวารสาร Science Advances

Keller ระบุว่าผลการศึกษาเป็น "หลักฐานที่น่าเชื่อถือว่ามีแหล่งน้ำมวลหนัก (heavy water) ขนาดใหญ่อยู่นอกวงโคจรของดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ ซึ่งแยกตัวออกจากวัสดุในระบบสุริยะชั้นในเป็นส่วนใหญ่" น้ำมวลหนักในที่นี้หมายถึงน้ำที่มีออกซิเจนไอโซโทปหนักในสัดส่วนสูง

Kuiper Belt อยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ราว 30 หน่วยดาราศาสตร์ หรือ 30 เท่าของระยะทางระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์ มียานอวกาศที่ฝ่าเข้าไปถึงน้อยมาก และการส่งยานลงจอดหรือเก็บตัวอย่างกลับมายังโลกยังเป็นเรื่องยากและมีค่าใช้จ่ายสูงเกินกว่าจะทำได้ในปัจจุบัน ขณะที่ก้อนน้ำแข็งและหินในบริเวณนี้ถูกมองว่าเป็นซากยุคต้นของระบบสุริยะที่เปลี่ยนแปลงน้อยที่สุด นับตั้งแต่ระบบสุริยะก่อตัวเมื่อราว 4,500 ล้านปีก่อน

อย่างไรก็ตาม ฝุ่นจากบริเวณนี้บางส่วนเดินทางเข้ามาถึงโลก โดยมีการประเมินว่าฝุ่นจักรวาลตกลงสู่โลกราว 5,200 เมตริกตันต่อปี ทีมวิจัยพบฝุ่น 12 เม็ด ขนาดเม็ดละ 10-30 ไมโครเมตร ในวัสดุที่เครื่องบินของ NASA ซึ่งบินระดับสูงเก็บมาจากชั้นสตราโทสเฟียร์

การระบุว่าฝุ่นมาจากไกลแค่ไหนอาศัยร่องรอยความเสียหายจากรังสีระหว่างการเดินทาง อนุภาคพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์ทำให้อะตอมในผลึกของฝุ่นเคลื่อนที่ผิดตำแหน่ง และทิ้งรอยไว้ในแร่ ยิ่งมีรอยมากก็แสดงว่าลอยอยู่ในอวกาศระหว่างดาวเคราะห์นานกว่า ฝุ่นที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ยังเผชิญแรงฉุดเล็กน้อยจากแสงอาทิตย์ (Poynting-Robertson effect) ทำให้ค่อยๆ เคลื่อนเข้าหาดวงอาทิตย์ ฝุ่นกลุ่มนี้มีความหนาแน่นของรอยประมาณ 100 เท่า ของที่คาดไว้สำหรับฝุ่นจากแถบดาวเคราะห์น้อยหรือดาวหางตระกูลดาวพฤหัสบดี ซึ่งสอดคล้องกับต้นกำเนิดที่ไกลกว่านั้นมาก ถึงขั้น Kuiper Belt

ฝุ่นเหล่านี้มีคาร์บอนสูงมาก ประมาณ 4 เท่าของอุกกาบาตคาร์บอนบางชนิด และมีแร่ดินเหนียว เช่น saponite และ serpentine รวมถึงแร่ที่มีน้ำเป็นองค์ประกอบ ซึ่งเกิดเมื่อน้ำทำปฏิกิริยาเคมีกับแร่อื่น แสดงว่าครั้งหนึ่งเคยมีน้ำเหลวอยู่ภายในวัตถุต้นกำเนิดของฝุ่น ทีมวิจัยระบุว่าแม้ Kuiper Belt เย็นจัดในปัจจุบัน แต่การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีหรือความร้อนจากการชนอาจเคยทำให้ภายในวัตถุน้ำแข็งบางส่วนอุ่นพอจะละลายน้ำได้

น้ำดังกล่าวหายไปนานแล้ว แต่แร่ในฝุ่นยังเก็บออกซิเจนที่เคยเป็นส่วนหนึ่งของโมเลกุลน้ำไว้ ออกซิเจนมีหลายไอโซโทป คือ oxygen-16 ที่พบมากที่สุด รวมถึง oxygen-17 และ oxygen-18 ซึ่งหนักกว่า เมื่อวัดสัดส่วนไอโซโทปพบว่าฝุ่นมีไอโซโทปหนักสูงผิดปกติ ทีมวิจัยจึงสร้างปฏิกิริยาเคมีที่ก่อแร่ขึ้นใหม่เพื่อประเมินองค์ประกอบของน้ำต้นทาง และพบว่าน้ำนั้นต้องมีไอโซโทปหนักสูงมากเช่นกัน ลายเซ็นไอโซโทปนี้ต่างจากน้ำที่ประเมินจากอุกกาบาตคาร์บอนซึ่งก่อตัวในบริเวณอื่นของระบบสุริยะยุคแรก

ทีมวิจัยเสนอว่าสิ่งที่ทำให้แหล่งน้ำนี้แยกตัวอยู่ได้คือดาวเคราะห์ยักษ์ แบบจำลองของระบบสุริยะยุคแรกชี้ว่าดาวเสาร์อาจสร้างแรงดันสูงขึ้นเป็นสันในจานก๊าซและฝุ่นรอบดวงอาทิตย์ยุคเยาว์ ซึ่งชะลอหรือหยุดการไหลของวัสดุเข้าด้านใน ดาวเสาร์ร่วมกับดาวเคราะห์ยักษ์น้ำแข็งจึงอาจช่วยรักษาแหล่งน้ำที่มีลายเซ็นไอโซโทปต่างจากวัสดุใกล้ดวงอาทิตย์

นักวิทยาศาสตร์สงสัยมานานว่ามีแหล่งน้ำที่อุดมด้วยออกซิเจนหนักเช่นนี้ แต่หาหลักฐานได้ยาก เพราะอุกกาบาตส่วนใหญ่ที่นำมาศึกษามาจากบริเวณที่มีการผสมและเปลี่ยนแปลงทางเคมีมาก จนลายเซ็นไอโซโทปดั้งเดิมถูกบดบัง ในงานวิจัยปี 2022 Keller และ George Flynn จาก State University of New York ประเมินว่าฝุ่นระหว่างดาวเคราะห์ที่เข้าสู่ระบบสุริยะชั้นในอาจมาจาก Kuiper Belt มากถึงหนึ่งในสี่

ข่าวที่เกี่ยวข้องกับที่มาของน้ำในระบบดาวเคราะห์: พบ "น้ำมวลหนัก" ครั้งแรกในจานดาวเคราะห์ ชี้ต้นกำเนิดน้ำเก่าแก่กว่าดาวฤกษ์