แม้จะอยู่ใกล้โลกของเรามากกว่าอีกหลายวัตถุในอวกาศ แต่สำหรับ ‘ดวงอาทิตย์ของเรา’ ก็ยังมีอะไรให้สำรวจและค้นพบอยู่อีกมาก เนื่องจากความเจิดจ้าของมัน ทำให้ยากต่อการสังเกตการณ์
อย่างชั้นโครโมสเฟียร์ (Chromosphere) ของดวงอาทิตย์ ที่แม้ค้นพบมาหลายทศวรรษแล้ว แต่เพราะสามารถมองเห็นชั้นดังกล่าวได้ในช่วงเวลาสั้น ๆ เท่านั้น นั่นคือในช่วงสุริยุปราคาเต็มดวง เมื่อดวงจันทร์เคลื่อนมาบดบังแสงอันสว่างจ้าจนทำให้เราเห็นเปลวสุริยะที่ล้นพุ่งออกมาจากดวงอาทิตย์ได้ จึงส่งผลให้โครโมสเฟียร์ เป็นชั้นบรรยากาศที่ ‘ลึกลับที่สุด’ ของดวงอาทิตย์
โครโมสเฟียร์คือ ชั้นบรรยากาศที่คั่นกลางระหว่างพื้นผิวที่สว่างและโคโรนา ซึ่งเป็นบรรยากาศชั้นนอกของดวงอาทิตย์ บริเวณโครโมสเฟียร์เป็นสถานที่ที่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว ที่ซึ่งมีอุณหภูมิสูงขึ้นอย่างมากและสนามแม่เหล็กเริ่มมีอิทธิพลเหนือพฤติกรรมของดวงอาทิตย์
ทว่าล่าสุด 3 ภารกิจของนาซา ได้ ‘มองเข้าไป’ ในโครโมสเฟียร์ เพื่อวัดความสูงหลายระดับของสนามแม่เหล็กในนั้น โดยได้สังเกตการณ์ผ่านดาวเทียมสองดวง และภารกิจ Chromospheric Layer Spectropolarimeter 2 หรือ CLASP2 ที่ใช้จรวดใต้วงโคจร (Suborbital rocket) ขนาดเล็ก ช่วยเผยให้เห็นว่า สนามแม่เหล็กบนพื้นผิวดวงอาทิตย์ก่อให้เกิดการปะทุที่สว่างจ้าในบรรยากาศภายนอกได้อย่างไร จนก่อเกิดเป็นงานวิจัยที่ได้รับการตีพิมพ์ใน Science Advances
Heliophysics คือศาสตร์ที่มุ่งศึกษาอิทธิพลของดวงอาทิตย์ที่มีต่ออวกาศและชั้นบรรยากาศ เพื่อทำนายการเปลี่ยนแปลงของสภาพภูมิอวกาศ และอธิบายว่ามันก่อให้เกิดผลพวงที่ส่งผลต่อโลกยังไบ้าง เรียวโกะ อิชิกาวะ (Ryohko Ishikawa) นักฟิสิกส์ดวงอาทิตย์ที่ศึกษาศาสตร์ดังกล่าว จากหอดูดาวแห่งชาติญี่ปุ่น และหัวหน้าผู้เขียนงานวิจัยกล่าวว่า “ดวงอาทิตย์ทั้งสวยงาม ลึกลับ และยังคงมีกิจกรรมที่เกิดจากสนามแม่เหล็กอย่างต่อเนื่อง”
สิ่งที่การขับเคลื่อนให้เกิดการปะทุบนดวงอาทิตย์ คือสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์ มันมีลักษณ์เป็นเส้นที่มองไม่เห็นทอดยาวจากพื้นผิวสุริยะ พุ่งผ่านไปยังอวกาศและผ่านโลก สามารถสังเกตได้ทางอ้อม ด้วยการสังเกตแสงของพลาสมาหรือก๊าซที่มีความร้อนสูง ซึ่งเกาะติดเส้นสนามแม่เหล็ก เหมือนกับไฟหน้ารถที่สาดไปตามถนนในยามค่ำคืน
เส้นสเปกตรัมเกิดขึ้นเมื่ออะตอมที่อุณหภูมิเฉพาะดูดซับความยาวคลื่นของแสงที่เฉพาะเจาะจง
อนึ่ง CLASP2 วัดเส้นสเปกตรัมในช่วงอัลตราไวโอเลต ในขณะที่การสาธิตส่วนภาพนี้แสดงเส้นในช่วงคลื่นที่มองเห็นได้
Credit : NASA’s Goddard Space Flight Center/Scott Weissinger
ที่น่าสงสัยคือ การเรียงตัวของเส้นแม่เหล็กเหล่านั้นน่าจะส่งผลให้เกิดความแตกต่างระหว่างดวงอาทิตย์ที่เงียบสงบภายในและการปะทุของแสงอาทิตย์ในชั้นถัดมาได้ แต่มันส่งผลอย่างไร?
ทว่า การอ่านสนามแม่เหล็กในชั้นโคโรนานั้นยากที่จะแม่นยำ เนื่องจากพลาสมาที่เกิดขึ้นนั้นเบาบางเกินไป เพื่อให้วัดค่าได้อย่างแม่นยำขึ้น นักวิทยาศาสตร์จึงใช้วิธีวัดชั้นโฟโตสเฟียร์ (Photosphere) ที่หนาแน่นกว่าบริเวณพื้นผิวดวงอาทิตย์ที่อยู่ต่ำลงไปสองชั้น จากนั้นจึงใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ ปลดปล่อยค่านั้นขึ้นไปในโคโรนา วิธีนี้ช่วยให้ไม่ต้องวัดชั้นโครโมสเฟียร์ซึ่งอยู่ระหว่างพื้นผิวและโคโรนา แต่วัดจากการจำลองพฤติกรรมของมันแทน
แต่ทุกอย่างไม่เป็นอย่างที่คาด เมื่อค่าที่ได้ในชั้นโครโมสเฟียร์จำลองผันผวนมาก และกลายเป็นบริเวณที่สนามแม่เหล็กจัดเรียงในแนวทางที่ยากจะคาดเดา นักวิทยาศาสตร์จึงต้องหาปัจจัยเพื่อมาเติมเต็มช่องว่างที่ซับซ้อนนี้
น่าเสียดายที่โครโมสเฟียร์กลายเป็นสัญลักษณ์แทนซึ่งเส้นสนามแม่เหล็กจัดเรียงใหม่ในแบบที่ยากจะคาดเดาได้ แบบจำลองต้องดิ้นรนเพื่อจับความซับซ้อนนี้
ลอเรน รัชเมอร์เลอร์ (Laurel Rachmeler) อดีตนักวิทยาศาสตร์ในโครงการ CLASP2 และผู้ประสานงานที่องค์การบริหารมหาสมุทรและบรรยากาศแห่งชาติหรือ NOAA ในปัจจบันกล่าวว่า “โครโมสเฟียร์เป็นสิ่งที่ร้อนระอุอย่างมาก เราสร้างสมมติฐานที่เรียบง่ายในโฟโตสเฟียร์และแยกสมมติฐานในโคโรนา แต่ในโครโมสเฟียร์สมมติฐานเหล่านั้นส่วนใหญ่พังทลาย ใช้การไม่ได้”
สถาบันต่าง ๆในสหรัฐอเมริกา ญี่ปุ่น สเปน และฝรั่งเศสได้ทำงานร่วมกัน เพื่อพัฒนาแนวทางใหม่ในการวัดสนามแม่เหล็กของโครโมสเฟียร์ หลังการปรับปรุงอุปกรณ์ที่ใช้บินในปี 2015 พวกเขาก็ติดตั้งหอสังเกตการณ์ดวงอาทิตย์เข้ากับจรวดที่เรียกว่า ‘Sounding rocket’ ที่ตั้งชื่อตามคำศัพท์เทคนิคที่เกียวกับการเดินเรือมีความหมายว่าการวัด
Credit : NASA
(อ่านต่อหน้า 2 คลิกด้านล่างเลย)
จรวดนี้จะเดินทางขึ้นสู่อวกาศเพื่อสังเกตการณ์เป็นระยะเวลาสั้น ๆ ไม่กี่นาที ก่อนจะตกลงสู่พื้นโลก อาจดูเหมือนเป็นการลงทุนที่สิ้นเปลืองแต่จริง ๆ แล้ว ประหยัดงบและใช้เวลาสร้างรวดเร็วกว่าภารกิจดาวเทียมขนาดใหญ่มาก นอกจากนี้ มันยังเป็นเหมาะสำหรับการทดลองไอเดียและเทคนิคใหม่ ๆ ด้วย
จรวดทะยานจากฐาน White Sands Missile Range ในนิวเม็กซิโก ไปที่ระดับความสูง 170 ไมล์ (274 กิโลเมตร) เพื่อสังเกตการณ์ดวงอาทิตย์ในจุดที่เหนือชั้นบรรยากาศของโลก ทำให้ตรวจจับคลื่นแสงดวงอาทิตย์ได้มากกว่า พวกเขาตั้งเป้าไว้ที่ Plage ซึ่งเป็นบริเวณขอบของ “พื้นที่ที่มีกิจกรรม” บนดวงอาทิตย์ ซึ่งมีความแรงของสนามแม่เหล็กสูง
ในขณะที่ CLASP2 มุ่งมองไปยังดวงอาทิตย์ในช่วงเวลาสั้น ๆ ดาวเทียมสเปกโตรกราฟการถ่ายภาพภูมิภาคอินเทอร์เฟซหรือ IRIS ของนาซา และดาวเทียม JAXA / NASA Hinode ก็จะร่วมสังเกตการณ์ดวงอาทิตย์จากวงโคจรโลกด้วย โดยปรับกล้องโทรทรรศน์ให้มองไปยังตำแหน่งเดียวกันของดวงอาทิตย์ แต่ตรวจจับความลึกที่แตกต่างกัน
ดาวเทียม Hinode จะโฟกัสไปที่ชั้นโฟโตสเฟียร์ ค้นหาเส้นสเปกตรัมที่ก่อตัวขึ้นจากเหล็กที่มีค่าเป็นกลาง ขณะที่ CLASP2 เล็งไปที่เป้าหมายที่มีความสูงต่างกันสามระดับ มุ่งหาเส้นสเปกตรัมจากที่เกิดจากแมกนีเซียมและแมงกานีสที่แตกตัวเป็นไอออน ส่วน IRIS นั้นวัดเส้นแมกนีเซียมด้วยความละเอียดที่สูงขึ้นเพื่อปรับเทียบข้อมูล CLASP2 เกิดเป็นภารกิจร่วมกันที่ช่วยตรวจสอบสี่ชั้นที่แตกต่างกัน ทั้งภายในและโดยรอบโครโมสเฟียร์ และผลที่ได้คือ แผนที่สนามแม่เหล็กของชั้นโครโมสเฟียร์หลายระดับที่มีความละเอียดสูง
“เมื่อเรียวโกะแสดงผลลัพธ์เหล่านี้เป็นครั้งแรก ผมถึงกับนั่งไม่ติดเก้าอี้เลยครับ” เดวิด แมคเคนซี (David McKenzie) ผู้สังเกตการณ์หลักของภารกิจ CLASP2 กล่าวอย่างตื่นเต้น
“ผมรู้ว่ามันฟังดูเว่อร์ไปหน่อย แต่นั่นคือสนามแม่เหล็กที่ความสูงสี่ระดับในเวลาเดียวกัน ไม่มีเคยมีใครทำมาก่อน!”
Credit: NASA’s Goddard Space Flight Center
ไม่ใช่แค่เพราะเป็นครั้งแรกที่ให้ข้อมูลได้ละเอียดเท่านั้น ความโดดเด่นที่สุดของเรื่องนี้ คือความแตกต่างของชั้นโครโมสเฟียร์ที่ปรากฏออกมา ทั้งตามส่วนของดวงอาทิตย์ที่พวกเขาศึกษา และที่ระดับความสูงที่ต่างกันภายในนั้นสนามแม่เหล็กมีความแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ
“ที่พื้นผิวดวงอาทิตย์ เราเห็นการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กในระยะทางสั้น ๆ ยิ่งสูงขึ้น รูปแบบเหล่านั้นก็ยิ่งเละเทะมากขึ้น ในบางบริเวณ สนามแม่เหล็กไปไม่ถึงจุดสูงสุดที่เราวัดได้ ในขณะที่ในบริเวณอื่น ๆ สนามแม่เหล็กยังคงมีความแรงเต็มที่”
ทีมงานหวังว่าจะใช้เทคนิคนี้ สำหรับการวัดสนามแม่เหล็กหลายความสูงเพื่อทำแผนที่สนามแม่เหล็กของชั้นโครโมสเฟียร์ทั้งหมด สิ่งนี้ไม่เพียงช่วยทำนายสภาพอากาศในอวกาศเท่านั้น แต่มันยังบอกข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับบรรยากาศรอบโลกของเราด้วย
รัชเมอร์เลอร์อธิบายว่า การยกระดับความสามารถในการวัดของเรา จะช่วยให้เราเข้าใจมากขึ้น ช่วยให้เราคาดการณ์ได้มากขึ้น นี่คือก้าวที่ยิ่งใหญ่ในฟิสิกส์สุริยะ (Solar physics) เลยทีเดียว
นักวิทยาศาสตร์กลุ่มนี้กำลังจะก้าวไปสู่ความก้าวหน้าถัดไปเร็ว ๆ นี้ เนื่องจากนาซาเพิ่งไฟเขียวให้ส่งจรวดเที่ยวบินต่อไป แม้จะยังไม่กำหนดวันชัดเจน แต่ด้วยอุปกรณ์แบบเดียวกันนี้และเทคนิคใหม่ที่ทำให้วัดค่ากว้างกว่าเดิม ก็น่าจะทำให้ได้ข้อมูลใหม่ที่ชวนตะลึงยิ่งกว่าเดิม
“แทนที่จะวัดเพียงแค่สนามแม่เหล็ก คราวนี้เราจะสแกนมันและสร้างแผนที่สองมิติขึ้นมาด้วย” แมคเคนซีกล่าวทิ้งท้าย
อ้างอิง
พิสูจน์อักษร : สุชยา เกษจำรัส