เจาะลึกยานอวกาศ PARKER SOLAR PROBE กับภารกิจสัมผัสดวงอาทิตย์

องค์การบริหารการบินและอวกาศแห่งชาติสหรัฐ หรือ NASA ได้ปล่อยยานอวกาศออกไปสำรวจดวงอาทิตย์ ชื่อ Parker Solar Probe สู่อวกาศเพื่อทำภารกิจสัมผัสดวงอาทิตย์เป็นที่เรียบร้อย แน่นอนว่าหลายคนอาจจะมีคำถามสงสัยอยู่ในใจว่ายานสำรวจอวกาศลำนี้จะพาเราไปถึงจุดหมายที่เรียกว่าดวงอาทิตย์ได้จริงหรือ  แล้วทำไมยานลำนี้ถึงทนความร้อนของดวงอาทิตย์ได้ล่ะ บทความนี้จะพาทุกคนไปเรียนรู้ และทำความเข้าใจกับเจ้ายานสำรวจอวกาศลำนี้ให้มากขึ้น

คลิก  Image # 2. hd-people-mobile-image-750x352px

PARKER SOLAR PROBE คืออะไร?

NASA ประกาศแผนดำเนินโครงการนี้ตั้งแต่ปี ค.ศ.2009 โดยใช้งบประมาณ 1.5 พันล้านดอลลาร์สหรัฐหรือเกือบ 5 หมื่นล้านบาทสำหรับการสำรวจของ Parker Solar Probe 

ซึ่งเจ้า Parker Solar Probe นี้เป็นยานสำรวจอวกาศที่มีขนาดเทียบเท่ากับรถยนต์คันเล็กๆ คันหนึ่งเท่านั้น และมีน้ำหนักประมาณ 685 กิโลกรัม โดยมีภารกิจในการเข้าไปสำรวจชั้นบรรยากาศรอบนอกของดวงอาทิตย์ ในระยะ 6 ล้านกิโลเมตร ผ่านชั้นบรรยากาศบางส่วนของดวงอาทิตย์แล้วเข้าใกล้พื้นผิวมากที่สุด โดยจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงสุดถึง 700,000 กม./ชั่วโมง และมีกำหนดการโคจรรอบดวงอาทิตย์นานถึง 7 ปี เพื่อศึกษาที่มาและพัฒนาการของลมสุริยะและกิจกรรมต่างๆ ของดวงอาทิตย์

Image # 3. ภาพจำลองลมสุริยะ

ภารกิจของ PARKER SOLAR PROBE ทำไมเราถึงต้องศึกษาดวงอาทิตย์

หลายคนอาจะสงสัยว่าเราจะสำรวจดวงอาทิตย์ไปทำไม เราไม่ได้อาศัยอยู่บนดวงอาทิตย์สักหน่อย แต่จริงๆ แล้วการสำรวจดวงอาทิตย์และลมสุริยะนั้น เป็นประโยชน์อย่างมากสำหรับการศึกษาปรากฎการณ์ธรรมชาติต่างๆ ที่เกิดขึ้นบนโลกของเรา เพราะดวงอาทิตย์ถือเป็นดาวฤกษ์ที่ดวงเดียวที่อยู่ใกล้โลกและเป็นแหล่งพลังงานและความร้อนที่สำคัญ ยิ่งเรารู้เรื่องนี้มากเท่าใดก็จะยิ่งสามารถนำความรู้ตรงนี้มาใช้พัฒนาในชีวิตและรับมือกับปรากฏการณ์ต่างๆ ในอนาคตได้ ในขณะที่ลมสุริยะซึ่งเกิดจากการไหลของก๊าซไอออนจากดวงอาทิตย์ผ่านมาที่โลกด้วยความเร็ว 500 กม./วินาที หรือประมาณล้านไมล์/ชั่วโมง จะเข้าไปรบกวนสนามแม่เหล็กโลกและสูบพลังงานเข้าไปในเข็มขัดรังสี (Van Allen Radiation Belt) ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการเปลี่ยนแปลงสภาพอากาศในอวกาศใกล้โลกที่เรียกว่า “Space Weather” 

สรุปสั้นๆ PARKER SOLAR POLAR PROBE จะไขปริศนา 3 เรื่องหลัก

ในระหว่างที่โคจรอยู่รอบดวงอาทิตย์ อุปกรณ์ที่อยู่ในภาย Parker Solar Probe จะเก็บข้อมูลและทำงานเพื่อศึกษาปัญหาหลักๆ 3 เรื่อง คือ

  1. ทำไมชั้นบรรยากาศที่อยู่ไกลพื้นผิวของดวงอาทิตย์ถึงร้อนกว่าชั้นบรรยากาศที่อยู่ใกล้
  2. ลมสุริยะ (solar wind) เกิดขึ้นได้อย่างไร
  3. อะไรที่ทำให้เกิดการปลดปล่อยก้อนมวล Coronal Mass Ejections (CME) ของดวงอาทิตย์

Image # 4. ภาพจำลอง Van Allen Belts

คลิปจำลอง Van Allen Radiation Belt

สภาพอากาศในอวกาศยังส่งผลต่อวงโคจรของดาวเทียม รบกวน และลดอายุการใช้งานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บนอวกาศอีกด้วย เพราะฉะนั้นถ้าเราเรียนรู้เกี่ยวกับลมสุริยะมากเท่าไหร่ เราก็จะสามารถปกป้องดาวเทียมของเราได้มากขึ้นเท่านั้น 

ดวงอาทิตย์อยู่ใกล้เรามากกว่าที่คิด ยิ่งเรียนรู้ ยิ่งเข้าใจ และนำมาใช้ในชีวิตได้

ภาพจำลองวงโคจรของ Parker Solar Probe

อุปกรณ์ที่ PARKER SOLAR PROBE นำติดไปด้วย

แน่นอนว่าเจ้ายาน Parker Solar Probe จะต้องพกอุปกรณ์ตรวจวัดอนุภาค สนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็ก จากอุปกรณ์หลักทั้ง 4 ชิ้น ได้แก่

Image # 5. อุปกรณ์หลักทั้ง 4 และอุปกรณ์อื่นๆ ที่ Parker Solar Probe ติดตัวไปด้วย (ภาพจาก: <a href="https://www.researchgate.net/figure/Parker-Solar-Probe-Spacecraft-2_fig1_321366244" target="_blank">Research Gate</a>)

1. FIELDS

อุปกรณ์ตัวแรกที่เจ้ายานลำนี้ใช้เป็นเครื่องตรวจวัดแรงที่มองไม่เห็น (Invisible force) โดยจะทำการรวบรวมขนาด รูปร่างของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กในชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ รวมไปถึงวัดคลื่นและความแปรปรวนในชั้น heliosphere ที่มีความละเอียดสูงเพื่อทำความเข้าใจคลื่น แรงกระแทก และการเชื่อมต่อด้วยคลื่นแม่เหล็ก ซึ่งกระบวนการเหล่านี้จะทำให้เกิดการขยับตัวของสนามแม่เหล็ก

FIELDs จะวัดสนามไฟฟ้ารอบๆยานอวกาศด้วยเสาอากาศทั้ง 5 ซึ่งติดตั้งอยู่เหนือโล่ความร้อนของยานอวกาศและอยู่ภายใต้แสงอาทิตย์ที่อุณหภูมิ 2,500 F โดยเสาอากาศนั้นมีความยาวถึง 2 เมตร ทำมาจากอัลลอยไนโอเบียมสามารถทนต่ออุณหภูมิสูงได้  FIELDs จะวัดสนามไฟฟ้าในช่วงความถี่กว้างทั้งโดยตรง ในพื้นที่ รวมไปถึงในระยะไกลโดยวัดจากการไหลเวียนของอนุภาคพลังงานที่ออกมาจากดวงอาทิตย์อย่างต่อเนื่อง โดยมี Magnetometer หรือเครื่องมือวัดค่าความเข้มของสนามแม่เหล็กทั้ง 3 ที่ช่วยประเมินสนามแม่เหล็กโดย Magnetometer แบ่งได้เป็น 2 ประเภทดังนี้

  1. Search Coil Magnetometer หรือ SCM จะวัดการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กเมื่อเวลาผ่านไป เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กทำให้แรงดันไฟฟ้าในขดลวดสามารถติดตามการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กได้โดยการวัดแรงดันไฟฟ้า และจำเป็นต้องใกล้เคียงกับดวงอาทิตย์มากที่สุดเพราะสนามนี้จะมีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วโดยสามารถตรวจจับสนามแม่เหล็กในอัตรา 2ล้านครั้ง/วินาที
  2. Fluxgate Magnetometers มีทั้งหมด 2 เครื่องก็คือ MAGi และ MAGO โดยจะวัดสนามแม่เหล็กที่มีขนาดใหญ่ โดยวัดสนามแม่เหล็กต่อจากดวงอาทิตย์ในอัตราที่ช้าลง

คลิปแสดงการทำงานของ FIELDs

2. WISPR

อุปกรณ์ตัวถัดมาเป็นอุปกรณ์สำหรับจับภาพขนาดกว้าง โดย WISPR จะทำหน้าที่จับภาพโครงสร้างของโคโรน่าและลมสุริยะก่อนที่ยานอวกาศจะบินผ่านเข้าไป

WISPR จะใช้ภาพจากระยะไกลที่เกิดจากการระเบิดของมวลโคโรนาหรือ CMEs เครื่องบินไอพ่น รวมไปถึงวัตถุระเบิดอื่นๆจากดวงอาทิตย์ โครงสร้างทั้งหลายเหล่านี้จะเดินทางออกจากดวงอาทิตย์และแซงยานอวกาศ โดย WISPR จะทำการเชื่อมโยงสิ่งต่างๆในโครงสร้างเพื่อวัดคุณสมบัติทางกายภาพอย่างละเอียดโดยตรง และมีแผ่นป้องกันความร้อนที่ถูกออกแบบมาเป็นพิเศษเพื่อดูดซับและสะท้อนความร้อนสำหรับป้องกันอุปกรณ์

WISPR ใช้กล้องสองตัวพร้อมเซนเซอร์ตรวจจับภาพแบบ CMOS ที่ได้ผ่านการฉายรังสี แทนการใช้เซนเซอร์แบบ CCD ที่มีน้ำหนักมากกว่าและใช้พลังงานสูงกว่า แต่อุปกรณ์เหล่านี้ก็ยังอาจได้รับผลกระทบจากรังสีคอสมิกและอนุภาคอื่นๆที่เคลื่อนเข้าสู่ดวงอาทิตย์ เลนส์ของกล้องจึงถูกออกแบบจาก BK7 ซึ่งเป็นแก้วที่ใช้สำหรับกล้องโทรทรรศน์ทั่วไปและมีความแข็งแรงเพียงพอต่อการกระทบของอนุภาคในอวกาศ

คลิปแสดงการทำงานของ WISPR

3. SWEAP

The Solar Wind Electrons Alphas and Protons investigation หรือ SWEAP เป็นอุปกรณ์ที่ประกอบไปด้วย 2 ส่วน คือ Solar Probe Cup หรือ SPC และ Solar Probe Analyzers หรือ SPAN ใช้สำหรับการนับอนุภาคในลมสุริยะ (ซึ่งประกอบไปด้วย อิเล็กตรอน โปรตรอน และฮีเลียมไอออน) และวัดคุณสมบัติต่างๆ เช่น ความเร็ว ความหนาแน่น และอุณหภูมิเพื่อเข้าใจลมสุริยะมากขึ้น

ในส่วนของ SPC หรือก็คือถ้วยฟาราเดย์ที่เรารู้จักกันนั่นเอง ซึ่งใช้ตรวจวัดเก็บข้อมูลประจุไฟฟ้าและกระแสอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ โดยในถ้วยจะประกอบไปด้วยชุดของกริดที่มีความโปร่งใสสูง ซึ่งในชุดกริดนั้นจะใช้แรงดันไฟฟ้าสูงเพื่อเรียงลำดับอนุภาคเหนือแผ่นเก็บซึ่งจะวัดคุณสมบัติต่างๆของอนุภาค และช่วยแยกแยะเสียงรบกวนจากรังสีคอสมิกออกไปได้

กริดที่อยู่ใกล้กับอุปกรณ์สามารถทนอุณหภูมิได้ถึง 3,000 F และเรืองสีแดงขณะที่กำลังวัดค่าโดยใช้ผลึกแซฟไฟร์ในการแยกส่วนประกอบต่างๆภายในถ้วย 

และเมื่อผ่านไปใกล้ดวงอาทิตย์ SPC จะใช้เวลาในการตรวจวัดถึง 146 ครั้ง/วินาทีเพื่อหาอัตราเร็ว ความหนาแน่นและอุณหภูมิของพลาสมาของดวงอาทิตย์ได้อย่างถูกต้อง

และในส่วนของ SPAN จะประกอบไปด้วย SPAN-A และ SPAN-B ซึ่งจะมีมุมมองในการวัดที่กว้าง สามารถมองเห็นพื้นที่ในส่วนที่ SPC ไม่สามารถวัดได้ โดยอนุภาคที่ตรวจพบจะเข้าสู่วงกตผ่านแรงดันไฟฟ้าเพื่อเรียงลำดับอนุภาคโดยขึ้นอยู่กับมวลและประจุ ในขณะที่ SPAN-A จะวัดอิเล็กตรอนและไอออน SPAN-B จะวัดเฉพาะอิเล็กตรอนเท่านั้น

คลิปแสดงการทำงานของ SWEAP

4. ISʘIS

มาถึงอุปกรณ์ตัวสุดท้ายที่ใช้สำหรับวัดอิเล็กตรอน โปรตรอน และไอออนเช่นเดียวกับอุปกรณ์ก่อนหน้านี้ แต่ ISʘIS จะทำให้เราเข้าใจวัฏจักรของอนุภาค ว่าเกิดขึ้นมาได้อย่างไร ทำไมความเร็วถึงเปลี่ยนแปลง และอนุภาคเคลื่อนที่ออกมาจากดวงอาทิตย์สู่อวกาศได้อย่างไร โดย ISʘIS ยังมีอุปกรณ์ข้างในอีกสองอย่างคือ EPI-Lo และ EPI-Hi (EPI ย่อมาจาก Energetic Particle Instrument)

EPI-Lo จะวัดสเปกตรัมของอิเล็กตรอนและไอออนรวมไปถึงการระบุคาร์บอน ออกซิเจน นีออน แมกนีเซียม ซิลิกอน เหล็กและไอโซโทปของฮีเลียม (He-3 และ He-4) การแยกแยะระหว่างฮีเลียมไอโซโทปจะช่วยในการพิจารณาว่ากลไกใดทำให้เกิดการเร่งอนุภาค 

EPI-Lo ถูกออกแบบมาให้มีรูปร่างแบบ octagonal รองรับช่องมองภาพกว่า 80 ช่องเพื่อสังเกตอนุภาคพลังงานต่ำ ไอออนจะเข้าสู่ EPI-Lo ผ่านช่องมองภาพ ผ่านฟอยล์ carbon-polyimide-aluminium ทั้ง 2 ก่อนจะเข้าสู่เครื่องตรวจจับของแข็ง อิเล็กตรอนจะถูกวัดค่าโดยพลังงานที่เหลือจากการกระทบของไอออน โดยเวลาที่ผ่านเซนเซอร์จะเป็นตัวบอกถึงชนิดของอนุภาค

ส่วน EPI-Hi จะใช้เซนเซอร์ในเครื่องตรวจจับซ้อนกันเป็นชั้นๆ เพื่อวัดอนุภาคที่มีพลังงานสูงกว่า EPI-Lo โดยชั้นหน้าจะประกอบไปด้วยเครื่องตรวจจับซิลิกอนบางเฉียบช่วยในการกำหนดทิศทางอนุภาคและลดเสียงรบกวน และเมื่อใกล้กับดวงอาทิตย์ EPI-Hi จะสามารถตรวจจับได้ถึง 100,000 อนุภาค/วินาที

ด้วยการใช้เครื่องมือทั้งสองร่วมกัน ISʘIS จะตรวจสอบพลังงานทั้งหมดของอนุภาคพลังงานแสงอาทิตย์รวมถึงอนุภาคพลังงานลม พลังงานแสงอาทิตย์ที่มีพลังงานสูงซึ่งไม่สามารถตรวจพบได้โดย SWEAP

คลิปแสดงการทำงานของ ISʘIS

ดวงอาทิตย์ร้อนขนาดนั้น แล้วยานลำนี้เข้าไปสำรวจได้อย่างไร?

แน่นอนว่าเจ้ายาน Parker Solar Probe จะต้องพบเจอสภาวะที่เลวร้ายในขณะที่ทำภารกิจ ยานจะต้องปลอดภัยจากอุณภูมิที่สูงมากของดวงอาทิตย์ โดยดร. Elisabeth Abel หัวหน้าทีมวิจัยเกราะกันความร้อนแห่งห้องทดลองฟิสิกส์ประยุกต์ มหาวิทยาลัย Johns Hopkins ได้แสดงให้เราเห็นว่า เกราะกันความร้อนของยานอวกาศนี้ สามารถทนความร้อนได้สูงถึง 1,371 องศาเซลเซียสที่ผิวด้านนอก และทำให้ผิวด้านในมีอุณหภูมิเหลือเพียง 316 องศาเซลเซียส

เกราะสามารถกันความร้อนได้ขนาดนี้ เนื่องจากการใช้แผ่นโฟมคาร์บอนที่ประกอบด้วยรูจำนวนมากหนา 11.4 เซลติเมตรเป็นวัสดุแกนกลาง ทำให้ความร้อนผ่านไปอีกด้านได้ยาก และประกบด้วยวัสดุคาร์บอนทั้ง 2 อีกทีเป็นเหมือนแซนวิช และมันมีน้ำหนักเบา

Image # 6. ภาพแสดงเกราะกันความร้อนของ Parker Solar Probe

คลิปดร. Elisabeth Abel ให้ผู้ทดสอบลองสัมผัสอีกด้านของเกราะกันความร้อน ขณะเธอกำลังพ่นไฟใส่ตัวเกราะ

Image # 7.

ชื่อ PARKER SOLAR PROBE เพื่อเป็นเกียรติแก่ศ.ยูจีน ปาร์กเกอร์

เดิมทียานสำรวจดวงอาทิตย์ลำนี้ชื่อ “Solar Probe Plus” และได้เปลี่ยนมาเป็น “Parker Solar Probe” เพื่อเป็นเกียรติแก่ ศ.ยูจีน ปาร์กเกอร์ นักวิทยาศาสตร์ผู้บุกเบิกงานวิจัยด้านลมสุริยะ และเป็นครั้งแรกที่ NASA ตั้งชื่อยานอวกาศตามชื่อของบุคคลที่ยังมีชีวิตอยู่

Image # 8.

จากนี้เราคงต้องคอยติดตามกันว่ายาน Parker Solar Probe จะพาพวกเราไปเจอกับอะไรบ้าง

ที่มา : https://soscity.co/space/parker-solar-probe/