รังสีคอสมิก: ความลึกลับและความน่าสนใจที่เหลือเชื่อ

เมื่อเวลาเช้า 6 นาฬิกาของวันที่ 7 สิงหาคม ค.ศ.1912 Victor Hess ซึ่งเป็นนักฟิสิกส์ชาวออสเตรียได้เหินฟ้าด้วยบอลลูนที่บรรจุแก๊สไฮโดรเจน ขึ้นถึงระดับสูง 5,300 เมตร โดยได้นำ electroscope ติดตัวไปด้วย (electroscope เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ตรวจสอบว่าวัตถุมีประจุไฟฟ้าหรือไม่ ถ้ามี เป็นชนิดอะไร และมีมากเพียงใด) นี่เป็นครั้งที่ 7 แล้วสำหรับการเหาะของ Hess ในปีนั้น และเขาก็รู้สึกประหลาดใจมาก เมื่อได้พบว่า ขึ้นยิ่งสูง ประจุไฟฟ้าที่มีในอากาศก็ยิ่งมาก แทนที่จะลดลง โดยเฉพาะที่ระดับสูง 4,500 เมตรอุปกรณ์ electroscope บันทึกการอ่านปริมาณประจุได้ค่าประมาณ 3 เท่าของค่าที่ระดับน้ำทะเล

อีก 6 ชั่วโมงต่อมา บอลลูนได้ลอยไปตกที่ชานกรุง Berlin ซึ่งอยู่ห่างจากเมือง Aussig ซึ่งเป็นจุดตั้งต้น ประมาณ 200 กิโลเมตร และ Hess ได้รายงานการพบความผิดปกตินี้เป็นครั้งแรก

ความจริงเหตุการณ์การมีรังสีที่ตามองไม่เห็นซึ่งรบกวนโลกตลอดเวลานั้น Charles Augustin de Coulomb (เจ้าของกฎ Coulomb) ได้สังเกตเห็นมาเป็นเวลานานแล้ว คือตั้งแต่ปี 1785 เมื่อได้สังเกตเห็นว่า ทรงกลมโลหะที่มีประจุไฟฟ้า เวลาถูกปล่อยทิ้งไว้ในอากาศเป็นเวลานาน ประจุบนทรงกลมจะค่อยๆ หายไป แต่ Coulomb ไม่รู้ว่าเพราะเหตุใด ด้าน William Crooke (เจ้าของหลอด Crooke) ก็ได้สังเกตเห็นว่า อัตราการสูญเสียประจุบน electroscope จะลดลง ตามความดันอากาศในบริเวณรอบ electroscope

ในเวลาต่อมานักฟิสิกส์คนอื่นๆ ได้ทดลองนำ electroscope ลงไปทดสอบในห้องปฏิบัติการ ทั้งที่อยู่ใต้ดิน ใต้น้ำ หรือขึ้นไปทดสอบบนหอ Eiffel ในกรุงปารีส ผลก็ยังเหมือนเดิม เมื่อสิ่งที่เห็นนี้ไม่ได้ทำให้ใครสามารถอธิบายสาเหตุได้ ข้อสันนิษฐานจึงมีหลากหลาย เช่น electroscope ได้รับรังสีเอ็กซ์ รังสีแกมมา หรือกัมมันตรังสีจากใต้โลก หรือได้รับรังสีลึกลับจากต่างดาว แต่ถ้ารังสีปริศนานั้นมาจากใต้โลก เวลาบอลลูนลอยขึ้นที่สูง อิทธิพลของรังสีต่อ electroscope ย่อมลด มิใช่เพิ่มดังที่ Hess เห็น

ในบทความที่ตีพิมพ์ในวารสาร Physikalische Zeitschrift ของเยอรมนี Hess ได้ให้คำตอบว่า รังสีลึกลับที่เป็นต้นเหตุของปรากฏการณ์ที่ทุกคนเห็น มาจากนอกโลก

ผลงานนี้ทำให้ Hess ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 1936

Hess เกิดเมื่อปี 1883 (ตรงกับรัชสมัยสมเด็จพระปิยมหาราช) ที่เมือง Styria ในออสเตรีย บิดาเป็นเจ้าหน้าที่อนุรักษ์ป่า Hess สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัย Graz เมื่ออายุ 23 ปีด้วย การทำวิจัยเรื่องการดูดกลืนกัมมันตรังสีที่มาจากธาตุ radium โดยบรรยากาศโลก โดยเฉพาะเรื่องการดูดกลืนรังสีบีต้า ซึ่ง Hess จึงได้ออกแบบ electroscope ให้สามารถทำงานได้ที่ระดับสูง เพื่อนำไปใช้ทดสอบในบอลลูน จนพบรังสีคอสมิกในที่สุด

ในปี 1914 เมื่อเกิดสงครามโลกครั้งที่ 1 การวิจัยวิทยาศาสตร์ทุกเรื่องในทุกประเทศแทบหยุดชะงัก แต่เหล่านักวิทยาศาสตร์ได้เริ่มทำวิจัยอีก หลังจากที่สงครามโลกยุติ สำหรับเรื่องรังสีลึกลับที่ Hess เห็นนั้นนักวิทยาศาสตร์อเมริกันที่มีชื่อเสียงมาก ชื่อ Robert Millikan (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1923 จากการวัดค่าประจุของอิเล็กตรอน) ไม่เชื่อว่า มีรังสีมาจากนอกโลกดังที่ Hess คิด แต่เขาคิดว่า มันเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีอยู่รอบโลก ส่วน Arthur Compton (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1927 จากการพบว่ารังสีเอ็กซ์มีสมบัติของอนุภาค) กลับเชื่อว่า รังสีลึกลับเป็นอนุภาคที่มาจากนอกโลก การถกเถียงของสองผู้ยิ่งใหญ่ระดับซูเปอร์สตาร์แห่งวงการฟิสิกส์ได้ขึ้นหน้าหนึ่งของหนังสือพิมพ์ The New York Times แต่ในที่สุด Compton ก็ชนะ เพราะรังสีลึกลับประกอบด้วยอนุภาค กระนั้นคำว่า รังสีคอสมิก (cosmic ray) ที่ Millikan ใช้เรียก ก็ยังติดปากและติดหูทุกคนมาจนทุกวันนี้

บทความนี้จะขอเรียกรังสีคอสมิกทั้งๆ ที่มันมิใช่รังสี แต่เป็นอนุภาค ซึ่งได้แก่โปรตอนและนิวเคลียสของธาตุ เช่น ไฮโดรเจน ฮีเลียม คาร์บอน ออกซิเจน นีออน แมกนีเซียม ซิลิกอน กำมะถัน แคลเซียม และเหล็ก ฯลฯ ที่ล้วนมีพลังงานสูงมาก มากยิ่งกว่าอนุภาคโปรตอนที่ถูกเร่งในเครื่องเร่งอนุภาค LHC ที่ CERN ประมาณ 10 ล้านเท่า การมีพลังงานที่สูงมากเช่นนี้ คือ ปริศนาที่คาใจนักฟิสิกส์ในปัจจุบันว่า อนุภาคที่มีความเร็วใกล้แสงนี้ได้พลังงานจากที่ใด และเกิดขึ้นได้โดยกระบวนการใด

ตามปกตินักดาราศาสตร์มักได้ความรู้เกี่ยวกับเอกภพ จากการศึกษาคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มาจากเทห์ฟ้าในอวกาศ คลื่นเหล่านี้มีความยาวคลื่นต่างๆ กัน ตั้งแต่คลื่นวิทยุ อินฟราเรด แสงที่ตาเห็น อัลตราไวโอเลต รังสีเอ็กซ์ และรังสีแกมมา โดยรังสีเหล่านี้จะพุ่งเข้ากล้องโทรทรรศน์บนโลก ซึ่งทำให้ตาเห็น เพราะคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเดินทางเป็นเส้นตรง (ยกเว้นเวลาผ่านใกล้หลุมดำ หรือดาวฤกษ์ที่มีมวลมาก) ดังนั้น นักดาราศาสตร์จึงรู้แหล่งที่มาของคลื่นที่ส่งมานั้น แต่รังสีคอสมิกเป็นอนุภาคที่มีประจุบวก ดังนั้นเวลาเคลื่อนที่ผ่านอวกาศ อนุภาคต้องผ่านสนามแม่เหล็กที่มีอยู่ในอวกาศทุกหนแห่ง และทุกทิศทางแรงแม่เหล็กจะทำให้อนุภาคที่มีประจุเปลี่ยนทิศการเคลื่อนที่ ด้วยเหตุนี้ เวลาอนุภาคคอสมิกเดินทางถึงโลก นักฟิสิกส์จะไม่รู้แหล่งที่มาของอนุภาคคอสมิก เพราะทิศตั้งต้นของมันได้ถูกเบี่ยงเบนไปหมดแล้ว ครั้นเมื่ออนุภาคคอสมิกเดินทางถึงโลก สนามแม่เหล็กของโลกก็จะเบี่ยงเบนทิศการเคลื่อนที่ของอนุภาคต่อไปอีก เพราะสนามแม่เหล็กโลกมีความเข้มไม่สม่ำเสมอ เช่นที่ขั้วโลกจะมีความเข้มของสนามแม่เหล็กมากที่สุด และที่เส้นศูนย์สูตร ความเข้มของสนามจะมีค่าต่ำสุด ดังนั้นปริมาณของอนุภาคที่มาถึงพื้นที่ต่างๆ บนโลกในทุกวินาทีจะมีค่าไม่เท่ากัน คือ ขึ้นกับเส้นรุ้งที่เครื่องวัดปริมาณอนุภาคตั้งอยู่ และนี่ก็คือสิ่งที่ Jacob Clay นักฟิสิกส์ ชาวเนเทอร์แลนด์ได้พบขณะที่เขาเดินทางจากอินโดนีเซียไปอิตาลี เมื่อปี 1926 ว่า ปริมาณอนุภาคคอสมิกที่มาจากนอกโลกขึ้นกับตำแหน่ง latitude ที่นักทดลองอยู่

ในช่วงปี 1947- 1956 ซึ่งเป็นเวลาหลังสงครามโลกครั้งที่ 2 งานวิจัยด้านรังสีคอสมิกได้รุดหน้าไปมาก เพราะนักฟิสิกส์ได้พบอนุภาคต่างๆ มากมายที่เกิดขึ้นเวลาอนุภาคคอสมิก เช่น โปรตอนจากนอกโลก พุ่งชนอะตอม ไนโตรเจน และออกซิเจนในบรรยากาศโลก ทำให้เกิดอนุภาค pion, neutron ฯลฯ โดยอนุภาค pion ที่มีทั้งประจุบวกและลบจะสลายตัวเป็น muon, electron, kaon, positron, neutrino, antineutrino ฯลฯ แล้วปล่อยรังสีแกมมา นั่นคือรังสีคอสมิกได้ทำให้เกิดฝนอนุภาคมูลฐานชนิดต่างๆ มากมายจนทำให้นักฟิสิกส์ว้าวุ่นมาก จึงต้องคิดสร้างทฤษฎีอนุภาคมูลฐานใหม่ เพื่ออธิบายที่มาของอนุภาคที่ “ประหลาด” เหล่านี้

นอกจากอนุภาคโปรตอนจากนอกโลกที่พบมากแล้วนักฟิสิกส์ยังได้พบนิวเคลียสของ lithium, beryllium, boron ฯลฯ ด้วยอนุภาคเหล่านี้ส่วนใหญ่มาจากอวกาศนอกกาแล็กซีทางช้างเผือกของเรา และมีพลังงานสูงมาก อนุภาคหนึ่งอนุภาคอาจมีพลังงานจลน์มากเทียบได้กับพลังงานจลน์ของลูกเทนนิสที่กำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 250 กิโลเมตร/ชั่วโมง

แต่อนุภาคที่มีพลังงานสูงมากนี้ก็ไม่ได้มีกลาดเกลื่อน ในหนึ่งศตวรรษจะมีอนุภาคพลังงานสูงมากเดินทางถึงโลกประมาณ 2-3 อนุภาคเท่านั้นเอง แต่เวลามันพุ่งชนอนุภาคอื่นๆ ในบรรยากาศโลกจะทำให้เกิดฝนอนุภาคที่พุ่งกระจัดกระจายไปทั่ว การรู้ทิศของฝนอนุภาคช่วยให้นักวิทยาศาสตร์รู้ย้อนกลับไปว่าต้นกำเนิดของอนุภาคคอสมิกมาจากการระเบิดของ supernova หรือจากใจกลางของกาแล็กซีที่กำลังระเบิดรุนแรง หรือจากการระเบิดของดาวฤกษ์และปล่อยรังสีแกมมาปริมาณมากออกมา

คุณประโยชน์หนึ่งของรังสีคอสมิกคือทำให้เรารู้ว่า เวลาอนุภาคคอสมิกพุ่งชนนิวเคลียสของไนโตรเจนในบรรยากาศ มันจะให้กำเนิดนิวเคลียสของคาร์บอนกัมมันตรังสี C-14 และปริมาณ C-14 ที่เกิดขึ้นมีความสัมพันธ์กับวัฏจักร การเกิดจุดบนดวงอาทิตย์ที่มีประโยชน์ในการช่วยให้นักโบราณคดีรู้อายุของวัตถุโบราณ

ความรู้เกี่ยวกับรังสีคอสมิกนี้ยังมีประโยชน์ในการศึกษาสุขภาพของสิ่งมีชีวิตที่ได้รับรังสีคอสมิกด้วย โดยเฉพาะในร่างกายคนซึ่งได้รับรังสีคอสมิกตลอดเวลา เพราะรังสีอาจทำอันตราย DNA จนทำให้เซลล์ร่างกายกลายพันธุ์เป็นเซลล์มะเร็ง ดังนั้นเวลามนุษย์อวกาศเดินทางไปนอกโลกที่ปราศจากบรรยากาศ ร่างกายของมนุษย์อวกาศจะได้รับรังสีคอสมิก และปริมาณรังสีสะสมจะมากขึ้นๆ ตลอดเวลาจนทำให้ร่างกายเป็นอันตราย นี่เป็นเหตุผลหนึ่งที่ทำให้มนุษย์มีขีดจำกัดด้านความสามารถในการเดินทางสำรวจจักรวาล

ณ วันนี้การวิจัยเรื่องรังสีคอสมิกได้เปลี่ยนรูปโฉมไปมาก จากการทดลองของ Hess ที่ใช้บอลลูนและสำรวจเพียงคนเดียว มาเป็นทีมวิจัยขนาดใหญ่ที่ใช้นักวิทยาศาสตร์จากหลายชาติมาทำการทดลอง และวัดหรือวิเคราะห์ผลที่ได้ในห้องทดลองทั่วโลก โดยใช้อุปกรณ์ทั้งที่อยู่บนบก ในน้ำ และในอวกาศ เช่น ที่หอสังเกตการณ์ Pierre Auger Observatory ใน Argentina ซึ่งกำลังค้นหาอนุภาคคอสมิกที่มีพลังงานมากที่สุด โดยใช้ถังน้ำวางเรียงรายในพื้นที่ 3,000 ตารางกิโลเมตร และที่ขั้วโลกใต้มีหอสังเกตการณ์ก้อนน้ำแข็งเพื่อศึกษาอนุภาค neutrino หรือที่เรียกว่า IceCube Neutrino Observatory ซึ่งประกอบด้วยน้ำแข็งปริมาตร 1 ลูกบาศก์กิโลเมตร และอยู่ลึกใต้น้ำแข็งเพื่อวิเคราะห์อันตรกริยาระหว่างอนุภาคคอสมิกกับสสาร และปลดปล่อย neutrino ออกมา

ในทะเลก็มีการศึกษาอันตรกริยาระหว่างอนุภาคคอสมิกกับน้ำ ซึ่งจะปล่อยรังสี Cerenkov ออกมาให้กล้องโทรทรรศน์ ANTARES neutrino สังเกตเห็นได้ โดยกล้องนี้อยู่ใต้ทะเล Mediteranean และสถานที่สังเกตตั้งอยู่นอกชายฝั่งของประเทศฝรั่งเศส

ในอวกาศก็มีการศึกษาอนุภาคคอสมิกโดยใช้กล้องโทรทรรศน์ Fermi เพื่อรับรังสีแกมมา (Fermi Gamma-Ray Space Telescope) ที่ระดับสูง 550 กิโลเมตร และที่สถานีอวกาศนานาชาติก็มีอุปกรณ์ Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) เพื่อศึกษาอนุภาคคอสมิก โดยได้ทำงานมาตั้งแต่ปี 2011

อุปกรณ์เหล่านี้มุ่งมั่นจะตอบคำถามว่า แหล่งกำเนิดของอนุภาคคอสมิกพลังงานสูงมากมาจากแหล่งใด และกลไกใดที่ทำให้มันมีพลังงานสูงมากเช่นนี้ หรือรังสีคอสมิกจะสามารถตอบปัญหาเรื่องที่มาของสสารมืดได้

อ่านเพิ่มเติมจาก Particle Physics: A very short introduction โดย Frank Close จัดพิมพ์โดย Oxford University Press ปี 2004






เกี่ยวกับผู้เขียน

สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์