สุริยะศาสตร์

ในปี 1958 ที่องค์การ NASA ถือกำเนิด นักวิทยาศาสตร์สหรัฐได้จัดทำแผนสำรวจอวกาศในระยะยาวไว้ 4 โครงการ คือ
1. สร้างกล้องโทรทรรศน์อวกาศ
2. ส่งยานอวกาศไปสำรวจดาวเคราะห์ต่างๆ ในสุริยะระบบ
3. ส่งมนุษย์ไปลงบนดวงจันทร์แล้วนำกลับอย่างปลอดภัย
4. ส่งยานอวกาศสำรวจดวงอาทิตย์ที่ระยะใกล้

สำหรับโครงการที่ 1 นั้น NASA ทำได้สำเร็จตามเป้า เพราะมีกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Hubble, Fermi, Chandra ฯลฯ

ในส่วนของโครงการที่ 2 ก็มีการส่งยานอวกาศ Voyager I, Voyager II, Cassini, New Horizon ฯลฯ ไปสำรวจดาวเคราะห์ทุกดวงและดาวเคราะห์น้อย รวมถึงดาวหางด้วย

ส่วนโครงการที่ 3 นั้นก็มีโครงการ Apollo เป็นผลงานชิ้นโบว์แดง

แต่โครงการที่ 4 ได้เพิ่งดำเนินการเมื่อ 2 ปีก่อนนี้เอง เพราะ NASA ยังไม่มีความพร้อมด้านเทคโนโลยีในการสร้างยาน และอุปกรณ์ที่สามารถทนความร้องที่รุนแรงได้

ในความเป็นจริง NASA กับองค์การอวกาศของเยอรมันได้เคยส่งยาน Helios เข้า “ใกล้” ดวงอาทิตย์ที่ระยะ 45 ล้านกิโลเมตรมาแล้ว เมื่อปี 1975 และอีก 25 ปีต่อมาก็ได้ส่งยาน Ulysses ให้โคจรผ่านขั้วทั้งสองของดวงอาทิตย์อีก แต่ไม่ได้ถ่ายรูปใดๆ เพราะไม่มีกล้องถ่ายภาพบนยาน

และในปี 1995 NASA ได้ส่งยาน SOHO (Solar and Heliospheric Observatory) ไปสำรวจดวงอาทิตย์อีกที่ระยะไกล 148 ล้านกิโลเมตร ซึ่งก็เปรียบเสมือนการศึกษาธรรมชาติของน้ำตกที่ปลายน้ำ โดยไม่ได้เห็นต้นน้ำว่ามีสภาพเช่นไร

ดังนั้น เมื่อเวลา 3.31 น. ของวันที่ 12 สิงหาคม ค.ศ.2018 NASA จึงยิงจรวด Delta IV-Heavy นำยานอวกาศชื่อ Parker Solar Probe (PSP) ที่หนัก 685 กิโลกรัม มูลค่า 49,700 ล้านบาทออกจากฐานที่ Cape Canaveral ในรัฐ Florida ไปยังดวงอาทิตย์ โดยให้เข้าใกล้ที่ระยะ 6.16 ล้านกิโลเมตรจากผิว จึงเสมือนให้โคจรไปในบรรยากาศของดวงอาทิตย์ เพื่อถ่ายภาพศึกษาข้อมูลต่างๆ ของดวงอาทิตย์อย่างที่มนุษย์ไม่เคยทำมาก่อน

ในการปล่อยยานครั้งนี้ Eugene N. Parker วัย 91 ปี ซึ่งชื่อ Parker ได้ถูกนำไปตั้งเป็นชื่อของยาน PSP ก็มาเฝ้าดูเป็นสักขีพยานด้วย

โครงการ PSP มีจุดมุ่งหมาย 3 ประการ คือตอบปริศนาที่ได้ทำให้นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์งุนงงมาหลายสิบปีแล้ว ซึ่งได้แก่

ปริศนาแรกคืออะไรเป็นสาเหตุที่ทำให้ corona (ไม่ใช่ coronavirus) ซึ่งเป็นชั้นบรรยากาศเหนือผิวดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิสูงถึง 1 ล้านองศาเซลเซียส ในขณะที่อุณหภูมิที่ผิวดวงอาทิตย์เป็นเพียง 6,000 องศาเซลเซียสเท่านั้นเอง

นี่เป็นปริศนาที่ยังไม่มีคำตอบ เพราะขัดกับหลักฟิสิกส์อย่างสิ้นเชิง ที่ขณะยืนห่างจากเตาไฟจะร้อนยิ่งกว่าที่ยืนใกล้เตาไฟ การรู้คำตอบสำหรับเรื่องนี้อาจจะชี้แนะให้นักฟิสิกส์รู้วิธีผลิตพลังงาน fusion อย่างไม่สิ้นเปลืองมากได้

ขณะ PSP โคจรผ่านไปในชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ด้วยความเร็ววินาทีละ 200 กิโลเมตร/วินาที ซึ่งนับว่าเร็วที่สุดในบรรดาสิ่งที่มนุษย์สร้าง เสมือนการเดินทางจากกรุงเทพฯ ถึงเชียงใหม่ได้ภายในเวลาไม่ถึง 4 วินาที ยาน PSP จะตรวจวัดองค์ประกอบของบรรยากาศที่ประกอบด้วยอนุภาค proton, electron และ ion ต่างๆ ซึ่งเรียกรวมๆ ว่า plasma (มิใช่ plasma เลือด) กล้องถ่ายภาพบนยานจะถ่ายภาพผิวของดวงอาทิตย์ ถ่ายภาพจุดบนดวงอาทิตย์ (sunspot) การเดือดอย่างพลุ่งพล่านของผิวอยู่ตลอดเวลา (ทั้งๆ ที่เวลาดูจากโลก ดวงอาทิตย์ดูสงบนิ่ง แต่เวลาเข้าใกล้มันกลับเป็นคนเจ้าอารมณ์) ข้อมูลสนามแม่เหล็กที่ผิวและเหนือผิวจะช่วยให้นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ตอบปัญหาได้ว่า พายุพลาสมาที่เกิดบนดวงอาทิตย์ภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็กสามารถทำให้อุณหภูมิของ corona สูงกว่าอุณหภูมิที่ผิว ซึ่งมีชื่อเรียกอย่างเป็นทางการว่า photosphere ได้อย่างไร

ปริศนาที่สอง คือ ลมสุริยะ (solar wind) ซึ่งเป็นกระแสอนุภาค (electron, proton, ion) ที่ดวงอาทิตย์พ่นออกมาสู่อวกาศโดยรอบตัว ผ่านดาวเคราะห์ต่างๆ รวมถึงดวงจันทร์ ดาวหาง อุกกาบาต ดาวเคราะห์น้อย ฯลฯ จนกระทั่งสิ้นสุดที่เขตสุริยมณฑล (heliosphere) นั้น มีธรรมชาติเช่นไร ถูกขับเคลื่อนออกมาด้วยกลไกอะไร โดยเริ่มต้นจากที่ใด เพราะข้อมูลที่วัดได้ แสดงให้เห็นว่า ณ ที่ไกลจากดวงอาทิตย์แทนที่ลมสุริยะจะช้าลงๆ กลับเร็วขึ้น

Eugene N. Parker เป็นบุคคลแรกที่เสนอความคิดว่าธรรมชาติจะต้องมีลมสุริยะที่ประกอบด้วยอนุภาคต่างๆ พุ่งออกมาจากดวงอาทิตย์ และการกระแทกของลมสุริยะกับการกระแทกของแสงจากดวงอาทิตย์ทำให้หางที่ประกอบด้วยฝุ่นของดาวหาง ชี้ออกจากดวงอาทิตย์


ในส่วนของกลไกที่ทำให้ลมสุริยะมีพลังมากนั้น นักวิทยาศาสตร์มีความเห็นว่า อันตรกริยาระหว่าง corona ที่ร้อนจัดกับสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์มีบทบาทมาก เพราะถ้า corona ไม่ร้อน ลมสุริยะก็ไม่รุนแรง

นอกจากนี้ที่ใต้ผิวดวงอาทิตย์ลงไป เป็นบริเวณที่มี plasma ซึ่งมีความเข้มข้นสูง การไหลของ plasma ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าซึ่งจะสร้างสนามแม่เหล็กของตัวมันเองเข้ารบกวนสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์ จนสนามทั้งสองรวมตัวกันอย่างพัลวันเป็นเส้นแรงที่มีพลังงานสูง จนถึงระดับหนึ่งเส้นแรงจะขาด แล้วปลดปล่อยพลังงานออกมา ในรูปของการลุกจ้า (flare) ที่ผิว ซึ่งอาจรุนแรงเท่ากับการระเบิดของระเบิดไฮโดรเจนขนาด 50 เมกะตัน

ปริศนาที่สามคือ การพ่นมวลขนาดใหญ่ออกมาจากดวงอาทิตย์ (coronal mass ejection, CME) ที่มีผลต่อสรรพสิ่งบนโลก เพราะถ้า CME เดินทางถึงโลก มวลที่มากมหาศาลจะทำร้ายดาวเทียม GPS ในอวกาศ สถานีอวกาศและมนุษย์อวกาศที่โคจรรอบโลก แม้จะมีฉนวนและชุดอวกาศคุ้มกัน ก็ไม่สามารถจะทนความร้อนที่มากับ CME ได้ และเมื่อ CME เดินทางถึงโลก ระบบการสื่อสาร การจ่ายกระแสไฟฟ้าต่างๆ ในเมืองจะถูกรบกวน จนอาจหยุดชะงัก ดังในปี 1967 ที่เหตุการณ์นี้ได้ทำให้กองทัพอากาศสหรัฐคิดว่า รัสเซียได้เปิดฉากโจมตีโดยทำลายระบบคมนาคมของสหรัฐก่อน จึงเตรียมพร้อมสำหรับการโจมตีกลับ แต่ปรากฏว่า ระบบเรดาร์ที่ใช้ในการเตือนภัยติดขัดไม่นานก็กลับทำงานได้ตามปกติ สงครามโลกครั้งที่สามจึงไม่เกิด

ปริศนาที่ค้างคาใจ คือ ไม่มีใครรู้ว่าเหตุการณ์ CME จะเกิดขึ้นอีกเมื่อใด ณ ที่ใด และรุนแรงเพียงใด เพราะเวลา CME มา มันจะใช้เวลาประมาณ 15 นาทีก็ถึงโลก (แสงจากดวงอาทิตย์ใช้เวลา 8 นาที) การรู้เวลาและขนาดของ CME ก่อนจะทำให้ทุกอย่างที่อยู่บนโลกสามารถเตรียมรับสถานการณ์ได้ ถึงวันนี้นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ก็ยังไม่มีความสามารถจะพยากรณ์มหาภัยลักษณะนี้ได้ และนี่ก็เป็นปริศนาหนึ่งที่ PSP จะพยายามหาคำตอบ

วัฏจักรการเกิดจุดบนดวงอาทิตย์ (sunspot) ก็เป็นอีกปัญหาหนึ่งที่น่าสนใจ เพราะจำนวนจุดจะเกิดมากในทุก 11 ปี จุดที่เป็นรอยมัวสลัวบนผิวดวงอาทิตย์จะมีจำนวนมาก-น้อยไม่คงตัว (การนับจำนวนจุดก็เป็นปัญหา เพราะขึ้นกับความสามารถของกล้องโทรทรรศน์ในการเห็น และความใกล้-ไกลกันระหว่างจุด) จะอย่างไรก็ตามจุดเหล่านี้ก็มีความสัมพันธ์โดยตรงกับการระเบิดที่ผิว เพราะมันเป็นบริเวณที่สนามแม่เหล็กบนดวงอาทิตย์มีความเข้มมาก วัฎจักรที่นาน 11 ปีเป็นประเด็นที่น่าสนใจนักฟิสิกส์หลายคนคิดว่า เกิดจากการที่ดวงอาทิตย์กลับขั้วได้ทุก 22 ปี (โลกก็กลับขั้วแม่เหล็กได้ในทุก 300,000 ปี) เหตุการณ์นี้เกิดเพราะส่วนต่างๆ ของดวงอาทิตย์ซึ่งเป็นของไหล หมุนรอบแกนด้วยความเร็วที่ไม่เท่ากัน เช่น ของไหลที่เส้นศูนย์สูตรหมุนครบรอบใน 25 วัน แต่ที่ขั้วดวงอาทิตย์ การหมุนครบรอบจะใช้เวลา 27 วัน ดังนั้น เส้นสนามแม่เหล็กบนดวงอาทิตย์ จึงอยู่ในสภาพบิดโค้งและยืดเข้าออกตามเวลาได้อย่างไม่คงตัว

PSP มิได้เป็นยานอวกาศเพียงยานเดียวที่กำลังทำหน้าที่สำรวจดวงอาทิตย์ องค์การอวกาศของยุโรป (European Space Agency, ESA) ก็มียานอวกาศ Solar Orbiter ที่กำลังสำรวจดวงอาทิตย์ด้วย โดยยานมีกล้องถ่ายภาพดวงอาทิตย์ผ่านทางรูเล็ก (เปิดหน้ากล้องมากไม่ได้ เพราะแสงจะทำลายวงจรอิเล็กทรอนิกส์) ที่ระยะห่าง 42 ล้านกิโลเมตร ยานจึงเห็นภาพขนาดใหญ่ของดวงอาทิตย์จากมุมสูง และสังเกตสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์ได้ว่า เคลื่อนที่จากบริเวณเส้นศูนย์สูตรสู่ขั้วโลกอย่างไร รวมทั้งจะพยายามตอบปัญหาว่า ดวงอาทิตย์กลับขั้วแม่เหล็กได้อย่างไรด้วย ยาน Orbiter จะทำงานนานจนถึงปี 2030 ในขณะที่ PSP จะทำงานต่ออีก 5 ปีจนถึงปี 2025

นอกจาก Solar Orbiter แล้ว องค์การมูลนิธิวิทยาศาสตร์ของอเมริกา (National Science Foundation) ก็ยังมีกล้องโทรทรรศน์ที่ติดตั้งอยู่ที่ยอดเขา Haleakala บนเกาะ Maui ในหมู่เกาะ Hawaii ``เพื่อสังเกตดวงอาทิตย์โดยเฉพาะด้วย กล้องโทรทรรศน์นี้ชื่อ DKIST ตามชื่อของ Daniel K. Inouye Solar Telescope โดยมีเลนส์ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 4 เมตรจะติดตามดู sunspot และ solar flare เท่านั้น DKIST จึงเป็นกล้องดูดวงอาทิตย์ที่ใหญ่ที่สุดในโลก และจะทำงานไปจนถึงปี 2030

ข้อมูลต่างๆ ที่ PSP, Solar Orbiter และ DKIST จะเสริมเติมเต็มให้กันและกัน รวมถึงช่วยกันตรวจสอบความถูกต้องของข้อมูลทุกข้อมูลด้วย

สำหรับการตั้งชื่อกล้องว่า DKIST นั้น ก็เพื่อเป็นเกียรติแก่ Daniel K. Inouye ที่ได้รณรงค์ให้ชาวเกาะ Maui ยอมรับการสร้างกล้องโทรทรรศน์บนยอดเขา ซึ่งชาวเกาะถือว่าเป็นยอดเขาศักดิ์สิทธิ์อย่างดุษณีภาพ หลังจากที่ NSF สัญญาว่าจะไม่ทำลายสภาพแวดล้อมแต่อย่างใด และยินยอมให้ชาวเกาะขึ้นไปทำพิธีกรรมทางศาสนาได้เหมือนเดิม



ด้าน Eugene N. Parker ผู้มีชื่อประจำยาน PSP นั้น เกิดเมื่อวันที่ 10 มิถุนายน ค.ศ.1927 ที่เมือง Houghton ในรัฐ Michigan ประเทศสหรัฐอเมริกา สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาตรีที่ Michigan State University และปริญญาเอกที่ California Institute of Technology (Caltech)


เมื่ออายุประมาณ 30 ปี Parker ได้เสนอทฤษฎีลมสุริยะ (solar wind) ซึ่งเมื่อรวมกับโมเมนตัมของแสง ได้ผลักส่วนหางของดาวหางให้ชี้ออกจากดวงอาทิตย์ ในตอนแรกวงการฟิสิกส์ไม่มีใครเชื่อ แต่ในเวลาต่อมา การพบลมสุริยะในปี 1962 โดยดาวเทียม Mariner 2 ได้ทำให้ชื่อ Parker เป็นที่ยอมรับ

ในปี 1989 Parker ได้รับเหรียญเกียรติยศ National Medal of Science
ปี 2003 ได้รับ Kyoto Prize สาขาฟิสิกส์ดาราศาสตร์
ปี 2017 ชื่อยาน Solar Probe Plus ถูกเปลี่ยนเป็น Parker Solar Probe (PSP)
และในปี 2020 ได้รับ Crafoord Prize สาขาดาราศาสตร์

จุดประสงค์ลึกๆ อีกประการหนึ่งของยาน PSP คือ จะศึกษาธรรมชาติของดวงอาทิตย์อย่างละเอียด เพื่อใช้เป็นข้อมูลพื้นฐานในการศึกษาดาวฤกษ์อื่น ที่เป็น “ญาติ” กับดวงอาทิตย์ โดยเฉพาะดาวที่มีอายุมากกว่าไม่มาก แต่มีขนาด อุณหภูมิ และดาวเคราะห์บริวาร ใกล้เคียงกับดวงอาทิตย์ และได้พบว่ามีดาวฤกษ์ดวงหนึ่งในกลุ่มดาว Hercules ชื่อ HD162686 ซึ่งอยู่ห่างจากโลก 110 ปีแสง แต่มีมวลมากกว่า 15% และมีองค์ประกอบเหมือนดวงอาทิตย์มาก ปัจจุบันดาราศาสตร์กำลังใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศ Gaia ส่องดูดาวฤกษ์ดวงนี้อยู่ เพื่อให้รู้ว่าในอนาคตที่ไม่ไกลนัก ดวงอาทิตย์จะมีวิวัฒนาการเช่นไร


ในวารสาร Narure ฉบับวันที่ 4 ธันวาคม ปี 2019 ยาน PSP ได้รายงานผลการสำรวจว่า ข้อมูลที่ได้รับทำให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจกลไกการทำงานในดวงอาทิตย์ดีขึ้นว่า

หลังจากที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ทุก 5 เดือน และเข้า “ใกล้” ผิวที่ระยะทาง 24 ล้านกิโลเมตร ความเร็วสูงสุดของยาน PSP คือ 343,181 กิโลเมตร/ชั่วโมง หรือ 99 กิโลเมตร/วินาที ยานซึ่งห่อหุ้มด้วยใยคาร์บอนที่หนา 11.4 เซนติเมตร ได้วัดสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก ซึ่งเกิดจากอิเล็กตรอน โปรตอน และไอออนต่างๆ ที่ถูกเร่งให้มีความเร็วสูง กล้องถ่ายภาพของยานได้ถ่ายภาพ corona (บรรยากาศเหนือดวงอาทิตย์) และสภาพแวดล้อมทั้งหมด และพบความเร็วของลมสุริยะว่ามีหลายส่วน บางส่วนช้า และบางส่วนเร็ว ส่วนที่ช้ามีความเร็ว 500 กิโลเมตร/วินาที ส่วนที่เร็วมีความเร็วกว่าประมาณ 2 เท่า และพบว่า ลมสุริยะถือกำเนิดที่รูโหว่ใน corona แถบเส้นศูนย์สูตร ซึ่งมีอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิที่ขั้วของดวงอาทิตย์ ยานยังได้สังเกตเห็นการกลับทิศของสนามแม่เหล็ก แล้วกลับไปเหมือนเดิมภายในเสี้ยววินาทีด้วย

แต่การทำให้ corona ร้อนมากนั้นยังไม่มี คำตอบกระนั้น PSP ก็ยังมีเวลาศึกษา จนถึงปี 2025 เพราะยานจะโฉบเข้าใกล้ดวงอาทิตย์มากขึ้นๆ จนถึงระยะใกล้ 6.16 ล้านกิโลเมตร ด้วยความเร็ว 200 กิโลเมตร/วินาที และใช้เวลา 88 วันในการโคจรครบรอบ จากปัจจุบันที่เป็น 150 วัน

ข้อมูลในอนาคตจะทำให้เรารู้ว่า อีก 5,000 ล้านปี เมื่อดวงอาทิตย์ขยายขนาดเป็นดาวยักษ์แดง (red giant star) ที่กลืนกินดาวพุธ ดาวศุกร์ และโลกแล้ว มนุษย์ต้องการจะไปอยู่ที่ใด

อ่านเพิ่มเติมจาก “A Place in the Sun” โดย Joshua Sokol ใน Science ฉบับที่ 361 วันที่ 3 สิงหาคม 2018


สุทัศน์ ยกส้าน

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

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" จาก "ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน" ได้ทุกวันศุกร์