มหันตภัยที่อาจจะเกิดจาก เหตุการณ์ระเบิดปล่อยรังสีแกมมาพลังงานสูงสู่โลก (ชมคลิป)

ถ้าตาเปล่าของคนสามารถเห็นเหตุการณ์ระเบิดปล่อยรังสี Gamma-ray burst (GRB)ที่มีพลังงานมหาศาลได้ภายในช่วงเวลาสั้นๆ แล้วรังสีก็วูบหายไป เราก็จะเห็นท้องฟ้าในเวลากลางคืนสว่างไสวไปชั่วแว๊บหนึ่ง ซึ่งอาจจะนานระดับมิลลิวินาทีถึงนาที เสมือนกับว่าขณะนั้นเป็นเวลากลางวัน




ตามปกติ ต้นกำเนิดของปรากฏการณ์ GRB มักจะอยู่ไกลจากโลกมาก เช่น อยู่นอกกาแล็กซีทางช้างเผือก คือ อยู่ในกาแล็กซีอื่น ดังนั้นพลังทำลายล้างสิ่งมีชีวิตบนโลกให้ล้มหายไปจนสูญพันธุ์ จึงมีโอกาสเกิดขึ้นได้น้อย แต่ถ้า GRB เกิด ณ ที่ใกล้โลก และรังสีแกมมาที่มีพลังงานสูงและมีปริมาณมากได้พุ่งตรงมาสู่โลก รังสีก็จะทำลายบรรยากาศของโลกจนหมดสภาพและไร้คุณภาพ ซึ่งมีผลทำให้ DNA ของพืชและสัตว์ถูกทำลาย จนสิ่งมีชีวิตทั้งหลายล้มตายอย่างขนานใหญ่ จนเกิดปรากฏการณ์การสูญพันธุ์ครั้งยิ่งใหญ่ (mass extinction) ซึ่งนักบรรพชีวินวิทยาได้ตั้งข้อสันนิษฐานว่า การสูญพันธุ์ครั้งยิ่งใหญ่ในยุค Ordovician เมื่อ 440-360 ล้านปีก่อน เกิดขึ้นเพราะได้เกิดเหตุการณ์ GRB ในกาแล็กซีทางช้างเผือกของเรา


ตำราฟิสิกส์เรื่องกัมมันตรังสีมักกล่าวถึงธาตุกัมมันตรังสี เช่น uranium, radium, plutonium, thorium ฯลฯ ว่า มักปล่อยรังสีออกมา เป็นรังสี alpha, beta และ gamma โดยบุคคล ที่พบเห็นปรากฎการณ์นี้เป็นคนแรก คือ Antoine Henri Becquerel (1852–1908) ซึ่งเป็นนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส เมื่อวันที่ 26 กุมภาพันธ์ ปี 1896 โดยได้พบว่า เกลือของยูเรเนียม เวลานำมาวางบนแผ่นฟิล์มถ่ายรูปที่มีกระดาษปิดหุ้มอย่างมิดชิด ฟิล์มจะขุ่นมัวเหมือนมีแสงมาตกกระทบ ทั้ง ๆ ที่เกลือ uranium, กระดาษ และฟิล์ม อยู่ในลิ้นชักที่ไม่มีแสงอาทิตย์เล็ดลอดเข้ามาได้เลย


“รังสีลึกลับ” นี้ จึงแตกต่างจากรังสีเอกซ์ ที่ Wilhelm Conrad Röntgen (1845–1923) พบ ซึ่งเป็นรังสีที่ออกมาจากหลอด cathode ผู้คนจึงเรียกรังสีลึกลับนี้ว่า รังสี Becquerel


แม้จะเป็นบุคคลแรกที่เห็นปรากฏการณ์การปล่อยรังสีลึกลับ Becquerel ก็ไม่ได้ศึกษาธรรมชาติของรังสีว่าเกิดจากอะไร มีประโยชน์หรือโทษเช่นไร เขาจึงมอบให้ Marie Curie (1867–1934) ซึ่งเป็นศิษย์กับสามีของเธอ Pierre Curie (1859-1906) ศึกษาธรรมชาติของรังสีลึกลับ เพื่อ Marie จะได้ใช้ปัญหานี้ในการทำวิทยานิพนธ์ระดับปริญญาเอกของเธอ


Marie กับ Pierre Curie ได้ทดลองให้รังสีที่ออกมาจากเกลือ uranium ผ่านสนามแม่เหล็กและพบว่า ทิศการเคลื่อนที่ของรังสีจะเบี่ยงเบน คือ รังสีหนึ่งจะเบนไปทางซ้าย ซึ่งแสดงว่า มันมีประจุบวก ส่วนอีกรังสีหนึ่งจะเบนไปทางขวา ซึ่งแสดงว่า มันมีประจุลบ Marie Curie ได้ตั้งชื่อปรากฏการณ์นี้ว่า กัมมันตภาพรังสี (radioactivity) และ Ernest Rutherford (1871–1937) ได้เรียกรังสีที่มีประจุบวกว่า รังสี alpha และเรียกรังสีที่มีประจุลบว่า รังสี beta ตามชื่ออักษรสองตัวในภาษากรีก คือ α และ β


การศึกษาธรรมชาติของรังสี beta แสดงให้เห็นว่า มันคืออนุภาค electron ที่ J. J. Thomson (1856–1940) ได้พบเมื่อปี 1897 ว่า เป็นอนุภาคที่โคจรรอบนิวเคลียสในอะตอม ส่วนอนุภาค beta นั้น มาจากนิวเคลียสในอะตอม เมื่ออนุภาคนิวตรอนเปลี่ยนสภาพเป็นอนุภาคโปรตอนและอิเล็กตรอน แล้วอิเล็กตรอนได้ทะลุหลุดออกมาจากนิวเคลียสเป็นรังสี beta

นอกจากจะพบรังสี alpha และ beta แล้ว สองสามีภรรยาตระกูล Curie ยังได้พบ ธาตุ thorium และ plutonium ด้วย ผลงานเหล่านี้ ทำให้ Becquerel และ Curie ทั้งสองคนได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 1903 ร่วมกัน โดย Becquerel ได้รับครึ่งหนึ่ง และสองสามีภรรยาได้รับอีกครึ่งหนึ่ง


สำหรับการศึกษาธรรมชาติของรังสี alpha นั้น Ernest Rutherford (1871–1937) กับ Frederick Soddy (1877-1956) ได้ใช้เวลานานถึง 5 ปี จึงสามารถพิสูจน์ได้ว่า อนุภาค alpha ประกอบด้วยประกอบด้วยโปรตอน 2 อนุภาค และนิวตรอน 2 อนุภาค ดังนั้นมันจึงมีประจุบวกสอง และเป็นนิวเคลียสของธาตุฮีเลียม ไม่ใช่อะตอมฮีเลียม เพราะไม่มีอิเล็กตรอน 2 อนุภาคอยู่ด้วย


ในปี 1900 นักเคมีชาวฝรั่งเศสชื่อ Paul Ulrich Villard (1860–1934) ได้พบรังสีชนิดที่สาม ที่ออกมาจากธาตุกัมมันตรังสี รังสีนี้เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่ารังสีเอกซ์ มันจึงมีความถี่สูงและมีพลังงานมากยิ่งกว่าแสงที่ตาเห็นเป็นล้านเท่า การเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ทำให้รังสีนี้ไม่เบี่ยงเบนในสนามแม่เหล็ก และ Rutherford ได้เรียกชื่อรังสีที่สามว่ารังสี gamma ตามชื่อตัวอักษรที่ 3 ในภาษากรีก คือ γ

สำหรับที่มาของรังสีแกมมาจากนิวเคลียสนั้น เกิดจากอนุภาคนิวตรอน และโปรตอนที่อยู่ในนิวเคลียส ซึ่งต่างก็มีพลังงาน ดังนั้นเวลาอนุภาคเหล่านี้เปลี่ยนสถานะจากที่มีพลังงานสูง มาสู่สถานะที่มีพลังงานต่ำ มันจะปล่อยพลังงานออกมาเป็นรังสีแกมมา

แหล่งกำเนิดรังสีแกมมา มิได้มาจากนิวเคลียสในอะตอมบนโลกเท่านั้น แต่มาจากอะตอมนอกโลก เช่น จากดวงอาทิตย์ หลุมดำ supernova, pulsar, quasar, white dwarf และ globular cluster


อย่างที่ทุกคนรู้จักกันดี ดวงอาทิตย์เปล่งแสงที่เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งมีความยาวคลื่นต่าง ๆ กัน เช่น แสงอินฟราเรด แสงที่ตาเห็น แสง ultraviolet คลื่นวิทยุ คลื่นไมโครเวฟ รังสีเอกซ์ และรังสีแกมมา โดยรังสีแกมมาจะเกิดขึ้นเวลาเส้นสนามแม่เหล็กที่ขดเป็นวงอยู่เหนือผิวดวงอาทิตย์แตกหรือขาดจากกัน เหตุการณ์นี้จะปลดปล่อยพลังงานแม่เหล็กที่มีมากมหาศาลออกมา เพื่อขับอนุภาค อิเล็กตรอน และโปรตอน ที่มีในบรรยากาศชั้น corona ของดวงอาทิตย์ให้มีความเร็วสูง จนพุ่งหนีออกจากดวงอาทิตย์ได้ เป็นพายุสุริยะ และการเคลื่อนที่ด้วยความเร่งสูงมากนี้ ทำให้อนุภาคเหล่านั้นแผ่รังสีหลายชนิด รวมถึงรังสีแกมมาออกมาด้วย

ในการทดลองระเบิดปรมาณู ก็มีรังสีแกมมาออกมาด้วยเช่นกัน เพราะระเบิดมีธาตุ caesium-133 (ซึ่งเวลาได้รับอนุภาคนิวตรอนเข้าไป มันจะเปลี่ยนเป็นธาตุ caesium-134 ที่มีครึ่งชีวิตนาน 2.06 ปี) กับอิเล็กตรอน ดังนั้นการตรวจพบธาตุ caesium-134 จึงบ่งบอกว่า ได้มีการระเบิดของระเบิดปรมาณูแล้ว เพราะเวลาธาตุ caesium-134 ปล่อยรังสีแกมมา นักวิทยาศาสตร์สามารถจะรับรังสีแกมมาที่เกิดขึ้นได้ โดยใช้ผลึก NaI (sodium iodide) ดูดกลืนรังสีแกมมา แล้วอะตอมที่ดูดกลืนรังสีนี้ จะปล่อยรังสี UV (ultraviolet) ออกมา ซึ่งมีความถี่ที่เป็นเอกลักษณ์เฉพาะของธาตุที่มีอยู่ในระเบิดนิวเคลียร์


ในปี 1963 ในบรรดาประเทศมหาอำนาจนิวเคลียร์ได้มีการจดสนธิสัญญาห้ามการทดลองระเบิดนิวเคลียร์ทั้งบนดิน ใต้ดิน ในน้ำ และในบรรยากาศ ดังนั้นองค์การ NASA จึงติดตามการลอบทดลองระเบิดปรมาณูของรัสเซีย โดยการปล่อยดาวเทียม VELA ขึ้นโคจรเหนือประเทศรัสเซีย ที่ระยะสูง 100,000 กิโลเมตร การตรวจสอบนี้ใช้ดาวเทียม 12 ดวง ที่ปล่อยขึ้นเป็นคู่รวม 6 คู่ และบนดาวเทียมมีอุปกรณ์ตรวจจับรังสีเอกซ์ รังสีแกมมา และอนุภาคนิวตรอน ในช่วงปี 1963-1970

Ray Klebesadel แห่งห้องปฏิบัติการที่ Los Alamos Laboratory ได้รายงานในปี 1967 ว่า เขาได้พบแหล่งกำเนิด GRB ที่ปล่อยรังสีแกมมาออกมาเป็นช่วง ทั้งช่วงสั้นและช่วงยาว โดยช่วงสั้นใช้เวลาน้อยกว่า 2 วินาที และช่วงยาวใช้เวลานานกว่า 2 วินาที Klebesadel จึงได้ตั้งสมมติฐานว่า ปรากฏการณ์ GRB จำนวนมาก เกิดจากการชนกันระหว่างนิวตรอน หรือเกิดจากการระเบิดของ supernova หรือเกิดจากการยุบตัวภายใต้แรงโน้มถ่วงของดาวฤกษ์ขนาดใหญ่


เมื่อมีการพบเหตุการณ์ GRB จำนวนมากเช่นนี้ วิทยาการด้านดาราศาสตร์แกมมาเรย์ (gamma-ray astronomy) จึงถือกำเนิด และ NASA ก็ได้ส่งยานอวกาศจำนวนมากขึ้นอวกาศ เพื่อศึกษา GRB เช่น เมื่อวันที่ 5 เมษายน ปี 1991 NASA ได้ส่งยาน Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) เพื่อศึกษา GRB โดยเฉพาะ และได้พบว่า แหล่งกำเนิด GRB อยู่นอกกาแล็กซีทางช้างเผือก นอกจากนี้ก็ได้เห็นดาว blazar, pulsar เป็นจำนวนมากด้วย

ในปี 2008 NASA ได้ส่งกล้องโทรทรรศน์อวกาศชื่อ Fermi Gamma Ray Space Telescope (FGRST) ขึ้นอวกาศ เพื่อศึกษาผลกระทบที่ GRB มีต่อสภาพการเปลี่ยนแปลงของอากาศบนโลก และขณะนี้กล้องก็ยังทำงานอยู่

ผลงานที่สำคัญของกล้อง FGRST นี้ คือ การได้พบ GRB 221009A (22 คือ ปี 2022 ที่พบ 10 คือ เดือนที่พบ เป็นเดือนตุลาคม และ 09 คือ วันที่พบ) แหล่ง GRB นี้ มีพลังงานสูงสุด และสว่างไสวที่สุด (นับเป็นสถิติโลกในปัจจุบัน)

องค์ความรู้เกี่ยวกับ GRB ณ เวลานี้ มีดังนี้


GRB มีสามรูปแบบ คือ 1.การระเบิดแบบสั้น ที่น้อยกว่า 2 วินาที 2.แบบยาว คือ นานกว่า 2 วินาที และ 3.แบบที่ยาวมาก ultra-long gamma ray burst ที่อาจจะนานถึง 1,500 นาที เช่น GRB 101225A (ที่เห็นเมื่อวันที่ 25 เดือนธันวาคม ปี 2010) เป็นต้น ข้อสังเกตหนึ่งเกี่ยวกับ GRB คือ การระเบิดจะไม่แผ่กระจายเศษซากออกทุกทิศทาง แต่จะเป็นแสงแกมมาที่ออกเป็นลำแคบ คือ มีความกว้างเชิงมุมน้อย ดังนั้นถ้าลำแสงพุ่งผ่านโลกไป เราก็จะไม่เห็นการระเบิด แต่ถ้าลำแสง GRB พุ่งเข้าหาโลกเราก็จะเห็น เพราะพลังงานที่เกิดจากการระเบิดของ GRB มีค่าสูงระดับ 10^44 จูล หรือมากกว่า ดังนั้นมันจึงเป็นการระเบิดที่มีพลังงานสูงสุดในเอกภพ ยกเว้นการระเบิด Big Bang


เรายังไม่มีทฤษฎีที่อธิบายต้นกำเนิดของ GRB ได้ครอบคลุมทุกรูปแบบ เพราะ GRB แต่ละกรณีมีลักษณะไม่เหมือนกันเลย แต่นักดาราศาสตร์ทฤษฎีก็พอจะอนุมานได้ว่า GRB เกี่ยวข้องกับดาวฤกษ์ที่มีมวลมหาศาลมาชนกัน เช่น ดาวนิวตรอน หลุมดำ หรือ galaxy ที่ชนกัน โดยดาวเหล่านั้น มักจะมีอุณหภูมิสูงมากและมีมวลมาก เงื่อนไขนี้ จึงทำให้ดาวฤกษ์ Eta Carinae และ Wolf–Rayet เป็นดาวที่ให้กำเนิด GRB ได้ แต่กระบวนการที่ดาวเปลี่ยนพลังงานจากการยุบตัว และการชนกันเป็นรังสีแกมมานั้น ยังเป็นปริศนาที่ไม่มีใครสามารถอธิบายได้

สำหรับแหล่งกำเนิด GRB นั้น นักดาราศาสตร์ได้พบในอัตราประมาณวันละ 1 แหล่ง ส่วน GRB ที่เคยพบอยู่ใกล้โลกที่สุด คือ GRB 98045A ซึ่งปล่อยคลื่นเป็นเวลานาน 30 วินาที และอยู่ห่างจากโลก 122 ล้านปีแสง โดยมีค่า z = v/c = 0.0085 เมื่อ v คือ ความเร็วของแหล่งกำเนิด GRB และ c คือ ความเร็วแสง

ผลกระทบ GRB ที่มีต่อโลก เมื่อรังสีแกมมาพลังงานสูงมาก แต่พุ่งสู่โลกในปริมาณน้อย บรรยากาศของโลกที่มีประสิทธิภาพในการดูดกลืนรังสีนี้ จะทำให้ภัยที่จะเกิดจากรังสีนี้ มีอันตรายน้อย แต่ถ้ารังสีที่มีพลังงานสูง และมาถึงโลกในปริมาณมาก มันจะทำลายแถบโอโซนที่ห่อหุ้มโลก จนเป็นรูโหว่ ซึ่งจะเปิดโอกาสให้รังสี UV จากดวงอาทิตย์พุ่งผ่านลงถึงพื้นโลกได้ และสามารถทำอันตรายต่อมนุษย์ ทำให้ DNA ในเซลล์กลายเป็นเซลล์มะเร็ง หรือกลายพันธุ์เป็นเซลล์อันตราย ส่วนโมเลกุลไนโตรเจนและออกซิเจนในบรรยากาศก็จะแตกตัว แล้วรวมกันเป็น nitrogen oxide และ nitrogen dioxide ซึ่งเป็นหมอกพิษที่ทำให้ท้องฟ้าสลัวมาก จนสามารถบดบังแสงอาทิตย์ได้ จึงมีผลกระทบต่อกระบวนการสังเคราะห์พลังงานด้วยแสง (photosynthesis) ด้านบรรยากาศก็จะมีอุณหภูมิลดลงมาก จนทำให้ทุกทวีปมีฤดูหนาวรุนแรง (cosmic winter) และเมื่อแก๊ส nitrogen oxide รวมกับไอน้ำ ก็จะทำให้เกิดฝนกรด ซึ่งเป็นพิษต่อสิ่งที่มีชีวิตทุกชนิด ดังนั้นเมื่อโลกได้รับ GRB สรรพสิ่งบนโลกก็จะได้รับผลกระทบกระเทือนที่รุนแรง


ใน ยุค Ordovician-Silurian เมื่อ 450-360 ล้านปีก่อน ได้เกิดการสูญพันธุ์ของสิ่งมีชีวิตครั้งยิ่งใหญ่ และนักชีววิทยาได้สันนิษฐานว่า โลกได้ประสบภัย GRB ที่ทำให้สัตว์ในยุค Ordovician จำนวนมากสูญพันธุ์ แต่ก็มีสัตว์บางชนิด เช่น ปลาดาว ปะการัง และหอยงวงช้าง (nautiloid) ที่ยังมีชีวิตอยู่ ส่วนในยุค Silurian นั้น ที่เกิดเมื่อ 360-320 ล้านปีก่อนนั้น ก็มีสัตว์ heterostracan ซึ่งเป็นปลาไม่มีกราม (Agnatha) ที่ได้สูญพันธุ์ไปแล้ว


สำหรับ ดาว Wolf-Rayet ที่อยู่ห่างจากโลก 8,000 ปีแสงนั้น ก็อาจจะเป็นแหล่งกำเนิด GRB ที่อาจจะระเบิดได้ในอนาคต คือ ในอีก 500,000 ปี และถ้าระเบิดจริง โดยลำรังสีแกมมาพุ่งตรงมาหาโลก สิ่งมีชีวิตบนโลกก็อาจจะเป็นอันตราย แต่โอกาสที่เป็นเช่นนั้นก็มีน้อย


GRB ที่นักดาราศาสตร์พบล่าสุด คือ GRB 230307A และ GRB 221009A ซึ่งพบโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศ James Webb Space Telescope (JWST)

นอกจาก GRB แล้ว นักดาราศาสตร์ก็ยังพบ FRB (Fast Radio Burst) ซึ่งเป็นการปล่อยคลื่นวิทยุพลังงานสูงจากดาวด้วย



อ่านเพิ่มเติมจาก Reddy, Francis (2023-03-28). "NASA Missions Study What May Be a 1-In-10,000-Year Gamma-ray Burst - NASA". nasa.gov. Retrieved 2023-09-29


ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน : ประวัติการทำงาน - ราชบัณฑิตสำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์