ยานอวกาศ PSP กำลังสำรวจบรรยากาศของดวงอาทิตย์

Image # 2. ภาพจำลองเหตุการณ์เมื่อยาน Parker Solar Probe เดินทางเข้าใกล้ดวงอาทิตย์ (AFP)ภาพจำลองเหตุการณ์เมื่อยาน Parker Solar Probe เดินทางเข้าใกล้ดวงอาทิตย์ (AFP)

คลิก  Image # 3. hd-people-mobile-image-750x352px

NASA ได้ยิงจรวด Delta IV นำยานอวกาศชื่อ Parker Solar Probe (PSP) ที่หนัก 685 กิโลกรัม มูลค่า 45,000 ล้านบาท ออกจากฐานยิงที่ Cape Canaveral ในรัฐ Florida ของสหรัฐอเมริกาไปสำรวจบรรยากาศเหนือผิวดวงอาทิตย์ และพยายามตอบคำถามที่ว่า อะไรคือสาเหตุที่ทำให้บรรยากาศมีอุณหภูมิสูงกว่า อุณหภูมิที่ผิวถึง 200 เท่า (ในกรณีโลก บรรยากาศโดยเฉลี่ยมีอุณหภูมิต่ำกว่าที่ผิว คือ ยิ่งสูง ยิ่งหนาว) 

นอกจากนี้ยานก็จะหาคำตอบด้วยว่า ลมสุริยะ (solar wind) ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุ เช่น อิเล็กตรอน และโปรตอนที่เดินทางจากดวงอาทิตย์สู่โลกด้วยความเร็ว 800 กิโลกรัม/วินาทีนั้นพุ่งสู่โลกได้ด้วยกลไกอะไร ยาน PSP ยังมีความประสงค์จะศึกษาโครงสร้างสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์ด้วย เพราะการเข้าใจสาเหตุเหล่านี้จะทำให้นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์สามารถทำนายโอกาสการเกิดพายุสุริยะ (solar storm) ล่วงหน้าได้เป็นเวลานานๆ ซึ่งจะเป็นเรื่องที่ดีมาก เพราะถ้าพายุสุริยะพัดรุนแรง การคมนาคมสื่อสารบนโลกจะถูกกระทบกระเทือนหนัก ดาวเทียมที่กำลังโคจรอยู่ในอวกาศอาจถูกพายุถาโถมพัดจนกระเด็นหลุดจากวงโคจร และยานที่มนุษย์อวกาศใช้ในการเดินทางไปดวงจันทร์ และดาวอังคารอาจถูกพายุร้อนเผาจนสิ้นสภาพได้

ยานอวกาศนี้มีชื่อแรกว่า Parker ตามชื่อของ Eugene Parker ซึ่งเป็นนักฟิสิกส์ในสังกัดมหาวิทยาลัย Chicago ในสหรัฐอเมริกา ผู้พยากรณ์เป็นคนแรกว่า ธรรมชาติมีลมสุริยะ ที่พัดจากดวงอาทิตย์สู่โลก

หลังจากที่เวลาได้ผ่านไปประมาณ 8 สัปดาห์ ยาน PSP ก็ได้เดินทางถึงดาวศุกร์ แรงโน้มถ่วงของดาวศุกร์ก็ได้ชะลอความเร็วของยานให้พอเหมาะ เพื่อนำยานเข้าสู่วงโคจรรอบดวงอาทิตย์ที่ระยะห่าง 24 ล้านกิโลเมตร จากนั้นยานได้โคจรอ้อมผ่านดวงอาทิตย์ และดาวศุกร์อีก 6 ครั้ง เพื่อปรับวิถีโคจรเป็นวงรีให้ผ่านใกล้ดวงอาทิตย์มากที่สุด ที่ระยะทาง 6.2 ล้านกิโลเมตร และไกลที่สุดที่ระยะทาง 10.9 ล้านกิโลเมตร (ที่ระยะทางใกล้และไกลเช่นนี้ยาน PSP จึงโคจรใกล้ดวงอาทิตย์ยิ่งกว่าดาวพุธ) โดยมีคาบการโคจรเท่ากับ 88 วัน

Image # 4. ภาพขณะส่งยาน Parker Solar Probe จากฐานปล่อยจรวด (AFP) ภาพขณะส่งยาน Parker Solar Probe จากฐานปล่อยจรวด (AFP)

ความจริงการเดินทางไปสำรวจดวงอาทิตย์ที่ระยะใกล้มากเช่นนี้ องค์การ NASA ของสหรัฐฯ ได้ดำริจะทำตั้งแต่ปี 1958 หลังจากที่สหรัฐฯ ตกตะลึงกับความสำเร็จของรัสเซียในการปล่อยดาวเทียม Sputnik ดวงแรกของโลก แต่ความฝันจะไปดวงอาทิตย์ก็ไม่ได้เป็นจริง เพราะติดขัดเรื่องงบประมาณ จนกระทั่งปี 1976 NASA กับศูนย์วิจัยอวกาศของเยอรมนีจึงได้ร่วมกันพัฒนายาน Helios 2 ขึ้นมา เพื่อส่งไปโคจรรอบดวงอาทิตย์ที่ระยะห่าง 40 ล้านกิโลเมตร (0.26 AU) คราวนี้ PSP จะทำลายสถิตินั้น เพราะจะโคจรใกล้ดวงอาทิตย์มากที่ระยะห่างเพียง 0.04 AU (1 AU คือระยะห่างโดยเฉลี่ยระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์ซึ่งมีค่าเท่ากับ 150 ล้านกิโลเมตร) จึงใกล้ดวงอาทิตย์ยิ่งกว่าดาวพุธประมาณ 10 เท่า และใกล้ดวงอาทิตย์ยิ่งกว่า Helios 2 ประมาณ 7 เท่า

ดังได้กล่าวแล้วว่า ความล่าช้าของโครงการเกิดจากปัญหางบประมาณ และเทคโนโลยีในการสร้างยาน ดังนั้น NASA จึงได้ปรับแผนโดยให้ยานโคจรห่างออกมาจากที่เคยกำหนดไว้เล็กน้อย แต่ให้โคจรเพิ่มจำนวนรอบของวงโคจร และใช้เซลล์แสงอาทิตย์ในการผลิตพลังงานเพื่อให้อุปกรณ์วิทยาศาสตร์บนยานสามารถทำงานได้ แทนการใช้สารกัมมันตรังสีที่มีราคาแพงมากเป็นแหล่งพลังงานให้แก่ยาน ยาน PSP ยังมีแผงกำบังรังสีจากดวงอาทิตย์ด้วย เพื่อป้องกันไม่ให้ยานร้อนจนเกินไป โดยให้ยานหมุนไปรอบตัวเองทุกวินาที เพื่อให้ความร้อนกระจายไปทั่วยาน และใช้ระบบทำความเย็นที่มีประสิทธิภาพสูงเข้าช่วยด้วย เพื่อไม่ให้ยานถูกเผาทั้งเป็น สำหรับวัสดุที่ใช้หุ้มยานนั้นเป็นแผ่น carbon-carbon ที่หนามีแผ่น carbon foam แทรกกลาง ซึ่งเวลาอุณหภูมิเพิ่มสูงมันจะแข็งขึ้น นี่เป็นวัสดุชนิดเดียวกับที่ NASA ใช้ในการหุ้มกระสวยอวกาศ เพราะได้มีการทดสอบแล้วว่า ในที่ๆ ไม่มีอ๊อกซิเจน แม้อุณหภูมิจะสูงถึง 1400 องศาเซลเซียส แผ่น carbon-carbon ก็ไม่ลุกไหม้ แต่ถ้านำมาทดสอบบนโลก ซึ่งมีออกซิเจนอุดมสมบูรณ์ แผ่นฉนวนจะลุกไหม้ทันที เพราะบรรยากาศรอบดวงอาทิตย์แทบไม่มีออกซิเจนเลย ดังนั้น อุณหภูมิสูงจึงไม่สามารถทำอันตรายใดๆ ต่อฉนวนได้

นักฟิสิกส์ที่เชี่ยวชาญเรื่องดวงอาทิตย์ (heliophysicist) โดยเฉพาะ ได้รู้มาเป็นเวลานานแล้วว่า อุณหภูมิที่ผิวดวงอาทิตย์มีค่าประมาณ 5,500 องศาเซลเซียส และความรู้ฟิสิกส์ก็ระบุว่า วัตถุยิ่งอยู่ห่างจากผิวที่ร้อนเพียงใด อุณหภูมิของวัตถุก็จะลดตาม แต่ในกรณีดวงอาทิตย์ อุณหภูมิของบรรยากาศกลับสูงขึ้นถึงล้านองศาเซลเซียส ในขณะที่อุณหภูมิที่ผิวมีค่าประมาณหกพันองศาเซลเซียส

ในการอธิบายสาเหตุนี้ นักฟิสิกส์ได้สังเกตเห็นว่าผิวของดวงอาทิตย์มีลักษณะไม่เรียบ คือ ขรุขระ พลุ่งพล่านเหมือนผิวน้ำเชื่อมที่กำลังเดือด เป็นเม็ด เป็นฟอง (ที่มีขนาดใหญ่เท่าประเทศไทย) และเคลื่อนที่ขึ้นๆ ลงๆ ตลอดเวลา และในบางครั้งก็มีการระเบิดให้แสงสว่างจ้าที่ผิว นักฟิสิกส์หลายคนคิดว่า ฟองแก๊สร้อนมีพลังงานสูงมาก จึงอาจเป็นแหล่งให้กำเนิดลมสุริยะที่พุ่งออกมาจากผิวดวงอาทิตย์สู่โลก โดยลมจะเคลื่อนที่ไปตามทิศสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์

การไหลของกระแสอนุภาคที่มีประจุในลักษณะนี้ ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าที่สามารถสร้างสนามแม่เหล็กในตัวของมันเองได้ อีกสนามหนึ่ง ซึ่งจะพุ่งเข้าไปในบรรยากาศเหนือดวงอาทิตย์ แล้วเปลี่ยนพลังงานจลน์ของอนุภาคเป็นพลังงานความร้อน อุณหภูมิของบรรยากาศจึงสูง

PSP มิได้เป็นเพียงโครงการเดียวที่กำลังศึกษาบรรยากาศของดวงอาทิตย์ สหรัฐฯ ยังมีอีกหนึ่งโครงการคือ Daniel K. Inouye Solar Telescope (DKIST) มูลค่า 113,000 ล้านบาทของ National Science Foundation ที่เป็นกล้องโทรทรรศน์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางของกระจกเว้ายาว 4 เมตร กล้องโทรทรรศน์อยู่บนเกาะ Maui ในฮาวาย โดยกล้องสามารถถ่ายภาพผิวของดวงอาทิตย์ได้อย่างคมชัด และจะเริ่มทำงานในปี 2020

เดิมกล้องโทรทรรศน์กล้องนี้ มีชื่อว่า Advanced Technology Solar Telescope แต่ในปี 2013 วุฒิสมาชิกของฮาวายชื่อ Daniel K. Inouye ได้เป็นหัวหอกในการชักนำให้ชาวเกาะ Maui ยอมรับให้มีการสร้างกล้องโทรทรรศน์บนเกาะ ชื่อของกล้องจึงเปลี่ยนเป็น DKIST

ปัจจุบันกล้องโทรทรรศน์ที่ใช้ศึกษาดวงอาทิตย์สามารถเห็นบริเวณบนผิวที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กที่สุดได้ประมาณ 300 กิโลเมตรเท่านั้นเอง แต่นักวิทยาศาสตร์ต้องการเห็นรายละเอียดมากกว่านั้น คือ ต้องการกล้องจุลทรรศน์ในการส่องดู และนี่ก็คือสิ่งที่ DKIST จะสามารถทำได้ เพราะจะเห็นบริเวณที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 25 กิโลเมตรได้ โดยเห็นการทำงานของเปลวไฟจากผิวดวงอาทิตย์ ขณะอยู่ในพลาสมา ซึ่งอาจตอบปริศนาได้ในที่สุดว่า เหตุใดอุณหภูมิของบรรยากาศ (corona) จึงสูงกว่าอุณหภูมิของผิว (photosphere) และการมีองค์ความรู้นี้จะช่วยชี้ทางสร้างปฏิกิริยา fusion บนโลก

Image # 5. ภาพ ยาน Parker Solar Probe ทะยานจากฐานปล่อยจรวด (AFP) ภาพ ยาน Parker Solar Probe ทะยานจากฐานปล่อยจรวด (AFP)


ในปี 2020 เดียวกันนี้ ยานอวกาศ Solar Orbiter มูลค่า 35,000 ล้านบาทขององค์การอวกาศยุโรป (European Space Agency) ก็จะถูกส่งขึ้นไปโคจรรอบดวงอาทิตย์เช่นกัน แต่ยาน Solar Orbiter จะอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ที่ระยะ 0.28 AU ยานอวกาศลำนี้จะสำรวจรังสีที่มีพลังงานสูงจากบรรยากาศของดวงอาทิตย์

การมียานอวกาศ 3 ลำ คือ PSP, DKIST และ Solar Orbiter ทำงานในช่วงเวลาเดียวกัน และมีเป้าหมายเดียวกัน เป็นการตรวจสอบข้อมูลของกันและกัน ยานทั้งสามจะศึกษาการเปลี่ยนแปลงของบรรยากาศเหนือดวงอาทิตย์ ขณะผิวดวงอาทิตย์กำลังเดือดระอุ เพื่อจะได้รู้กลไกที่ทำให้มันมีอุณหภูมิสูง เพราะ DKIST จะรับรังสีอินฟราเรด และ Solar Orbiter จะรับรังสีอัลตราไวโอเลตกับรังสีเอ็กซ์ ส่วน PSP รับรังสีเอ็กซ์ และรังสีที่ตาเห็น ยานทั้งสามจึงทำงานที่จะให้ผลเติมเต็มกัน

นอกจากปริศนาเรื่องอุณหภูมิของพลาสมาที่สูงผิดปกติแล้ว ลมสุริยะเองก็มีธรรมชาติที่เป็นปริศนาเช่นกัน เพราะได้มีการพบว่า ความเร็วของลมสุริยะขณะเคลื่อนที่ออกห่างจากผิวดวงอาทิตย์แทนที่จะช้าลง และมีอุณหภูมิน้อยลง กลับสูงขึ้นนั่นแสดงว่า จะต้องมีอะไรบางอย่างได้ออกมาขับเคลื่อนลมสุริยะ และนี่จึงเป็นอีกหนึ่งปัญหาที่ PSP จะต้องหาคำตอบ

เมื่อเดือนตุลาคม ปี 2017 ก่อนที่ จะมีการปล่อยยาน PSP ห้องปฏิบัติการของ NASA ได้เชิญ Eugene Parker วัย 91 ปี มาดูยาน PSP ที่จะถูกส่งไปศึกษา Solar Wind ตามที่ Parker ได้เคยพยากรณ์ว่ามี ตั้งแต่เมื่อ 60 ปีก่อน หลังจากที่ Parker ได้เห็นหางของดาวหางว่า ชี้ไปในทิศที่ตรงข้ามกับดวงอาทิตย์ และอธิบายว่า เพราะฝุ่นของดาวหางถูกลมสุริยะพุ่งชน

ในเวลานั้น ความคิดนี้ได้ถูกโต้แย้ง และงานวิจัยของ Parker เกี่ยวกับเรื่องนี้ได้ถูกห้ามมิให้ลงตีพิมพ์เผยแพร่
Image # 6. ภาพ ยาน Parker Solar Probe หลังถูกปล่อยจากฐานปล่อย (AFP)ภาพ ยาน Parker Solar Probe หลังถูกปล่อยจากฐานปล่อย (AFP)

ถึงวันนี้ ความคิดของ Parker ได้เป็นที่ยอมรับแล้วว่า ลมสุริยะมีจริง มีความสำคัญ และจะมีบทบาทมากในการวางแผนเดินทางของมนุษย์อวกาศไปดวงจันทร์และดาวอังคาร เพราะถ้ามีการระเบิดที่ผิวดวงอาทิตย์อย่างรุนแรง (solar flare) มวลของพลาสมา (แก๊สที่แตกตัวเป็นไอออน) ที่มากมหาศาลจะถูกขับออกมา (coronal mass ejection CME) ซึ่งถ้า CME เดินทางถึงโลก ระบบการคมนาคมบนโลกจะถูกกระทบกระเทือน การส่งกระแสไฟฟ้าในเมืองต่างๆ จะหยุดชะงัก ดังในปี 1967 เมื่อการสื่อสารในสหรัฐฯ ติดขัด กองทัพอากาศสหรัฐฯ คิดว่า รัสเซียกำลังเปิดฉากโจมตีสหรัฐฯ โดยการทำลายระบบคมนาคมก่อน ทางสหรัฐฯ จึงเริ่มเตรียมพร้อมสำหรับการถูกโจมตีด้วยระเบิดนิวเคลียร์ แต่ปรากฏว่า ระบบเรดาร์ที่ใช้ในการเตือนภัยได้ติดขัดแต่ไม่นาน ก็เริ่มทำงานได้ตามปกติ CME เป็นตัวการที่ทำให้เกิดเหตุการณ์นี้

Image # 7. ภาพดวงอาทิตย์จากมุมมองบนโลก (LOIC VENANCE / AFP)ภาพดวงอาทิตย์จากมุมมองบนโลก (LOIC VENANCE / AFP)


คำถามที่น่าสนใจคือ CME ที่ขนาดใหญ่จะเกิดขึ้นเมื่อใด เวลาที่เกิดจะนานเพียงใด และความเสียหายจะมีมากน้อยเพียงใด ถึงวันนี้เราก็ยังไม่มีคำตอบสำหรับคำถามเหล่านี้เลย เพราะเรารู้แต่เพียงว่า ถ้า CME มา มันไม่บอกอะไรใครเลย ดาวเทียม NOAA ที่ใช้สำรวจลมสุริยะ ปัจจุบันอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ประมาณ 0.99 AU ดังนั้น CME จากดวงอาทิตย์อาจเดินทางถึงโลกได้ภายในเวลา 15 นาที การรู้เวลาที่ CME มาโดย PSP, DKIST และ Solar Orbiter จะทำให้ชาวโลกทุกคนรู้สึกสบายใจ เพราะมีเวลาเตรียมตัวดีขึ้น และถ้า CME เดินทางมาถึงโลกจริง ทุกคนก็หวังว่า มันคงไม่พุ่งผ่านยานอวกาศทั้งสาม คือ PSP, DKIST และ Solar Orbiter

ที่มา: https://mgronline.com/science/detail/9620000008588