เผยภาพใกล้สุดขีด "ดวงอาทิตย์" ไขปริศนาลมสุริยะ สนามแม่เหล็ก ภัยอันตราย

ภาพจากกล้องโทรทรรศน์ที่ทันสมัยที่สุดในโลก และเบาะแสจากยานสำรวจที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ได้ใกล้ที่สุด คือสิ่งที่อยู่เบื้องหลังความเข้าใจใหม่เกี่ยวกับปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นบนดาวดวงต่าง ๆ และความแม่นยำในการคาดการณ์สภาพอวกาศที่เป็นภัยต่อโลก

แม้ ดวงอาทิตย์ ศูนย์กลางระบบสุริยะของเราจะส่องสว่างอยู่บนท้องฟ้าเฉกเช่นทุกวัน แต่ก็ไม่ได้หมายความว่าจะไม่เกิดการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ขึ้นกับดาวฤกษ์หนึ่งเดียวในระบบสุริยะที่เรามองเห็น

ดวงอาทิตย์คือดาวฤกษ์ขนาดยักษ์ที่เต็มไปด้วยพลาสมาอุณหภูมิสูงซึ่งเคลื่อนที่เป็นเกลียวตามทิศทางของแนวเส้นเส้นแรงแม่เหล็ก ในอีกไม่กี่ปีต่อจากนี้ ดาวดวงนี้จะเข้าสู่ช่วงเวลาที่เกิดปรากฏการณ์ต่าง ๆ ขึ้นมากที่สุด เนื่องจากดวงอาทิตย์จะเข้าสู่ช่วงที่มีบริเวณที่สนามแม่เหล็กมีความปั่นป่วนสูง หรือจุดดับเกิดขึ้นมากที่สุดในรอบ 11 ปี

อย่างไรก็ดี กล้องโทรทรรศน์สุริยะ DKIST หรือกล้องโทรทรรศน์สุริยะแดเนียล เค อิโนอุเอะ (Daniel K. Inouye Solar Telescope) บนเกาะฮาวายซึ่งเป็นกล้องที่สามารถบันทึกภาพบริเวณผิวหน้าของดวงอาทิตย์ได้ในความละเอียดคมชัดที่สุดเท่าที่เคยมีมาได้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษาสนามแม่เหล็กที่หมุนเป็นเกลียวบนดวงอาทิตย์ได้อย่างที่ไม่เคยทำได้มาก่อน

ดวงอาทิตย์พองและเป็นฟองในภาพถ่ายพื้นผิวนี้ ซึ่งถ่ายโดยกล้องโทรทรรศน์ Daniel K. Inouye Solar Telescope ในฮาวาย จุดมืดบนดวงอาทิตย์เป็นบริเวณของวัสดุที่เย็นกว่าชั่วขณะ ซึ่งเกิดจากสนามแม่เหล็กที่รุนแรง ซึ่งสามารถทำให้เกิดเปลวสุริยะและการปลดปล่อยมวลสารจากดวงอาทิตย์ เซลล์การพาความร้อนก่อให้เกิดรูปแบบคล้ายเกล็ด **PHOTOGRAPH BY NSO/AURA/NSF**

ยิ่งไปกว่านั้น ยานสำรวจถึงสองลำที่กำลังโคจรเข้าใกล้ดวงอาทิตย์ได้ใกล้ที่สุดในประวัติศาสตร์ยังให้ข้อมูลและรายละเอียดสำคัญของดาวดวงนี้ให้บรรดานักวิทยาศาสตร์นำไปศึกษาต่อ นอกจากภาพที่เครื่องมือทั้งสองชนิดบันทึกไว้ได้จะช่วยให้เราเข้าใจปรากฏการณ์ต่าง ๆ เช่น การระเบิดของเปลวสุริยะ และกัมมันตภาพสุริยะ (Solar activity) นานาชนิดแล้ว ยังสามารถใช้เป็นเครื่องมือในการคาดการณ์ว่าปรากฏการณ์เหล่านั้นจะเป็นอันตรายต่อโลกหรือไม่อีกด้วย

ยานพาร์กเกอร์ โซลาร์ โพรบ (Parker Solar Probe) ของนาซา และยานโซลาร์ ออร์บิเตอร์ (Solar Orbiter) ที่พัฒนาขึ้นจากการร่วมมือของนาซาและองค์การอวกาศยุโรปมีหน้าที่หลักในการสำรวจดวงอาทิตย์ ยานทั้งสองลำนี้ช่วยคลายข้อสงสัยเกี่ยวกับสนามแม่เหล็กบนดวงอาทิตย์ และมีส่วนช่วยให้เราค้นพบว่าเปลวสุริยะขนาดเล็กที่เกิดจากการระเบิดมีความสำคัญต่อการเกิดปรากฏการณ์ต่าง ๆ บนดวงอาทิตย์อย่างไร

จากแบบจำลองที่สร้างขึ้นจากข้อมูลที่ได้รับมา นักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่าการที่สนามแม่เหล็กบิดเป็นเกลียว ยืดขยายออกหลายสิบฟุต แล้วระเบิดภายในเวลาไม่กี่นั้นเป็นปรากฏการณ์เล็ก ๆ ที่ทำให้ดวงอาทิตย์สามารถปลดปล่อยพลาสมาจำนวนมหาศาลออกสู่อวกาศได้

นอกจากการได้เห็นดวงอาทิตย์ในมุมมองใหม่จะทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถวางแผนเพื่อป้องกันนักบินอวกาศ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บนโลกจากผลกระทบของการระเบิดบนผิวดวงอาทิตย์ได้ มันยังทำให้นักวิทยาศาสตร์ได้เรียนรู้ว่าดาวฤกษ์ทั่วทั้งจักรวาลสร้างพลังงานที่ใช้ขึ้นจากปรากฏการณ์ลึกลับบางอย่างที่ไม่สามารถอธิบายได้

ในระหว่างการโคจรรอบดวงอาทิตย์ครั้งที่แปดของยานสำรวจ Parker Solar Probe ยานอวกาศได้บินผ่านโครงสร้างในโคโรนาที่เรียกว่าสตรีมเมอร์ วิดีโอนี้ถ่ายโดยกล้อง Wide-Field Imager (WISPR)

ดวงอาทิตย์จากมุมมองใหม่

ดวงอาทิตย์เป็นดาวฤกษ์เพียงดวงเดียวที่นักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษาได้อย่างละเอียด และสามารถติดตามวิวัฒนาการได้ทันทีที่เกิดความเปลี่ยนแปลงขึ้น ดวงอาทิตย์เป็นกลุ่มก้อนพลาสมาเช่นเดียวกับดาวฤกษ์ดวงอื่น ๆ จึงทำให้อะตอมของก๊าซไม่สามารถจับกับอิเล็กตรอนของได้เนื่องจากมีอุณหภูมิภายในดาวสูง ชั้นของอิเล็กตรอนที่มีประจุลบและอนุภาคที่มีประจุบวก หรือไอออนจะเคลื่อนตัวผ่านโครงสร้างภายในของดวงอาทิตย์ในรูปแบบคล้ายของเหลว การไหลเวียนของพลาสมาที่มีประจุเหล่านี้ทำให้เกิดเกลียวของสนามแม่เหล็กขึ้นตามบริเวณต่าง ๆ ของดวงอาทิตย์

ในขณะที่ดวงอาทิตย์หมุนรอบตัวเอง พลาสมาที่หมุนวนเป็นเกลียวจะเคลื่อนตัวไปตามพื้นผิวของดวงอาทิตย์ โดยจะหมุนในความเร็วที่แตกต่างกันเพื่อนำความร้อนภายในดวงอาทิตย์รวมไปถึงสสารที่อยู่รอบ ๆ ขึ้นมาสู่พื้นผิวโดยกระบวนการพาความร้อน (Convection) เมื่อความร้อนและสสารถูกหมุนขึ้นมาสู่พื้นผิวแล้วอุณหภูมิลดลง สสารก็จะเย็นตัว และตกสู่เบื้องล่างอีกครั้ง เมื่อมองภาพจากกล้องโทรทรรศน์สุริยะจะเห็นได้ว่า กระบวนการพาความร้อนบนพื้นผิวดวงอาทิตย์เกิดขึ้นเป็นโครงสร้างที่มีรูปลักษณ์เป็นเกล็ด หรือที่เรียกว่ากรานูล (Granule) และเนื่องจากการพาความร้อนเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง พื้นผิวของดวงอาทิตย์ในภาพจึงมีลักษณะคล้ายกับของเหลวที่เดือดในกระทะ

หนึ่งในภาพความละเอียดสูงที่สุดเท่าที่เคยถ่ายของขั้วโลกใต้ของดวงอาทิตย์ ภาพโดย Extreme Ultraviolet Imager ของยานสำรวจ Solar Orbiter เพียงสี่วันหลังจากยานอวกาศผ่านจุดที่ใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุดในปี 2022 **IMAGE BY ESA & NASA/SOLAR ORBITER/EUI TEAM**

เส้นแรงแม่เหล็ก (Magnetic field lines) บนดวงอาทิตย์จะผุดขึ้นจากพื้นผิวเป็นวง และบิดพันกันเป็นเกลียว บางครั้งเส้นแรงแม่เหล็กเหล่านี้จะทับ และพันเข้าหากันจนเป็นเกลียวที่ซับซ้อนกว่าเดิม เมื่อเส้นเหล่านี้ขาดออกจากกันจะปลดปล่อยมวลของพลาสมาและรังสีออกออกสู่อวกาศด้วยความเร็วและรุนแรง เยอีมี ริเวรา (Yeimy Rivera) นักดาราศาสตร์ผู้เชี่ยวชาญด้านฟิสิกส์สุริยะประจำศูนย์ฟิสิกส์ดาราศาสตร์ฮาร์วาร์ด-สมิธโซเนียน (Harvard Smithsonian Center for Astrophysics) กล่าวว่า “พลาสมาที่ถูกปล่อยออกมาโดยฉับพลันเกิดจากกระบวนการที่เรียกว่า การเชื่อมต่อใหม่ของสนามแม่เหล็ก (Magnetic reconnection) ซึ่งเกิดขึ้นจากการระเบิด” การระเบิดดังกล่าวอาจมีขนาดของแรงระเบิดเล็กกว่าดวงอาทิตย์ และในบางครั้งอาจปลดปล่อยก้อนมวลขนาดมหึมาที่มีขนาดใหญ่กว่าดาวเคราะห์ออกมาจากชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์

เหนือพื้นผิวที่ปั่นป่วนขึ้นไปจะพบกับโคโรนา (Corona) ชั้นบรรยากาศนอกสุดของดวงอาทิตย์ซึ่งเป็นชั้นก๊าซอุณหภูมิสูง เรื่องที่ทำให้นักวิทยาศาสตร์แปลกใจคือบรรยากาศชั้นโคโรนามีอุณหภูมิสูงกว่าพื้นผิวของดวงอาทิตย์ซึ่งมีอุณหภูมิประมาณ 5,500 องศาเซลเซียส คนส่วนใหญ่คงจะคิดว่ายิ่งอยู่หากจากสิ่งที่มีอุณหภูมิสูงเท่าไร ชั้นบรรยากาศยิ่งจะมีอุณหภูมิต่ำ ทว่านอร์ เราอัวฟี (Nour Raouafi) นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ประจำมหาวิทยาลัยจอนส์ ฮอปคินส์ (Johns Hopkins University) ผู้ดำรงตำแหน่งนักวิทยาศาสตร์ประจำโครงการสำรวจดวงอาทิตย์โดยยานพาร์กเกอร์ โซลาร์ โพรบ ขององค์การนาซากลับกล่าวว่า “แต่ไม่ใช่กับโคโรนา” ตรงกันข้ามกับข้อสันนิษฐานของคนส่วนใหญ่ ชั้นบรรยากาศโคโรนามีอุณหภูมิสูงหลายล้านองศา และนักวิทยาศาสตร์ก็ยังไม่สามารถสรุปได้ว่าเป็นเพราะกระบวนการหรือกลไกใด

นอกจากนี้โคโรนายังเป็นแหล่งกำเนิดของลมสุริยะ (Solar wind) ที่พุ่งจากดวงอาทิตย์ไปยังขอบระบบสุริยะด้วยความเร็วประมาณ 1.6 ล้านกิโลเมตรต่อชั่วโมง ทว่านักวิทยาศาสตร์กลับเพิ่งค้นพบว่ากระบวนการที่ทำให้ลมสุริยะสามารถเร่งความเร็วและร้อนขึ้นได้นั้นอยู่ในข้อมูลที่ได้จากยานพาร์กเกอร์

ภาพโมเสกจากขั้วโลกใต้ของดวงอาทิตย์แสดงให้เห็นสสารเจ็ตขนาดจิ๋ว (tiny jets of material) จำนวนมาก ถ่ายโดยยานสำรวจ Solar Orbiter เหตุการณ์เหล่านี้อาจเป็นกลไกอยู่เบื้องหลังลมสุริยะ ซึ่งเป็นกระแสต่อเนื่องของอนุภาคที่มีประจุซึ่งมาจากดวงอาทิตย์และไหลผ่านระบบสุริยะ ภาพเป็นภาพเนกาทีฟ หมายความว่าแม้ว่าเจ็ตจะแสดงเป็นสีเข้ม แต่ก็เป็นแสงวาบสว่างเมื่อเทียบกับพื้นผิวของดวงอาทิตย์ **MOSAIC BY ESA & NASA/SOLAR ORBITER/EUI TEAM**

ข้อมูลชุดใหม่จากยานสำรวจ

จากการสังเกตการณ์ของยานโซลาร์ ออร์บิเตอร์ ซึ่งโคจรรอบดวงอาทิตย์มาตั้งแต่ปี 2020 พบว่ามีพวยพลาสมาขนาดเล็กพุ่งออกมาจากพื้นผิวของดวงอาทิตย์เป็นจำนวนมาก โดยพลังงานเหล่านี้เกิดจากการที่สนามแม่เหล็กขนาดเล็กบนผิวของดวงอาทิตย์เกี่ยวและพันจนขาดออกจากกัน ลักษมี ปราดีป ฉิตตา (Lakshmi Pradeep Chitta) นักฟิสิกส์สุริยะประจำสถาบันมัคส์พลังค์เพื่อการวิจัยระบบสุริยะ (Max Planck Institute for Solar System Research) ผู้นำในการศึกษาเกี่ยวกับพลาสมาลักษณะดังกล่าวเสริมว่า “พวยพลาสมาขนาดเล็กพวกนี้ถูกส่งตรงไปยังชั้นโคโรนาซึ่งเป็นแหล่งกักเก็บมวลและพลังงานต้นกำเนิดลมสุริยะ”

ยานพาร์กเกอร์ โซลาร์ โพรบ ซึ่งโคจรรอบดวงอาทิตย์ตั้งแต่ปี 2018 ก็พบเปลวสุริยะที่ถูกปล่อยออกจากสนามแม่เหล็กบนพื้นผิวของดวงอาทิตย์เช่นกัน นักวิทยาศาสตร์ประจำโครงการสำรวจนี้เรียกเปลวเพลิงเหล่านั้นว่าพลังงานในรูปของเจ็ตขนาดเล็ก (Jetlet) และพบว่าพวกมันมีส่วนช่วยให้ลมสุริยะมีพลังงานและความร้อนมากขึ้น

โครโมสเฟียร์ ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์เหนือพื้นผิว ถ่ายด้วยกล้องโทรทรรศน์ Daniel K. Inouye Solar Telescope โดยมีโลกซ้อนทับเพื่อให้เห็นขนาดเปรียบเทียบ **COMPOSITE BY NSO/AURA/NSF**

เราอัวฟี ผู้นำในการศึกษาเกี่ยวกับการค้นพบในครั้งนี้กล่าวว่า “สิ่งที่ค้นพบต่างจากภาพจำลองที่เราใช้มาหลายสิบปีโดยสิ้นเชิง” ลมสุริยะไม่ได้เกิดจากการขยายตัวของโคโรนาเพียงอย่างเดียว ปรากฏการณ์นี้ก่อตัวขึ้นจากการระเบิดครั้งเล็กๆ ที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวดวงอาทิตย์หลายต่อหลายครั้งได้เช่นกัน

นอกจากนี้ ยานพาร์กเกอร์สามารถจับภาพการปลดปล่อยมวลของดวงอาทิตย์ครั้งมหึมาจากบรรยากาศชั้นโคโรนา (Coronal Mass Ejection) ซึ่งอนุภาคต่าง ๆ ถูกพ่นออกมาด้วยความเร็วสูงไว้ได้ ยิ่งไปกว่านั้น ยานสำรวจดวงอาทิตย์ลำนี้ยังสามารถบินผ่านการปลดปล่อยมวลและบันทึกเหตุการณ์ทั้งหมดได้สำเร็จ เราอัวฟีกล่าวว่า “เราเห็นความรุนแรงของกระบวนการการปล่อยมวลของดวงอาทิตย์ผ่านภาพ จริง ๆ แล้วการพ่นมวลโคโรนาทำหน้าที่เหมือนกับเครื่องดูดฝุ่น มันกำจัดอนุภาคต่าง ๆ และโมเลกุลของฝุ่นผงออกจากดวงอาทิตย์”

เราอัวฟียังเสริมอีกว่า “ถ้าเราเก็บรวบรวมภาพของเหตุการณ์เช่นนี้ได้มากขึ้นเรื่อย ๆ เราจะรู้ได้ว่าอนุภาคสุริยะพลังงานสูงเคลื่อนที่ด้วยความเร็วจนเกือบเข้าใกล้ความเร็วแสงได้อย่างไร และนั่นจะเป็นการค้นพบครั้งยิ่งใหญ่สำหรับพวกเรา”

สนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์

สาเหตุที่แท้จริงของการระเบิดและการปลดปล่อยมวลบนดวงอาทิตย์คือแรงแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงอยู่ตลอด พอล ชาร์โบนัว (Paul Charbonneau) นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยมอนทรีออล (University of Montreal) ได้กล่าวเสริมว่า “ปรากฏการณ์ต่าง ๆ ที่สามารถส่งผลกระทบต่อโลกได้ต่างก็มีต้นกำเนิดเกิดจากสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์”

หอสังเกตการณ์พลวัตแสงอาทิตย์ของ NASA เฝ้าดูดวงอาทิตย์อย่างต่อเนื่อง และจับภาพเปลวสุริยะนี้ ซึ่งเป็นหนึ่งในเปลวสุริยะที่รุนแรงที่สุดเท่าที่เคยเห็นมา ในวันที่ 9 มกราคม 2023 เปลวสุริยะและการพ่นมวลสารจากดวงอาทิตย์สามารถส่งผลกระทบต่อการสื่อสารวิทยุ สายส่งไฟฟ้า สัญญาณนำทาง และก่อให้เกิดความเสี่ยงต่อยานอวกาศและนักบินอวกาศ **IMAGE BY NASA/GSFC/SDO**

กระแสของอนุภาคประจุไฟฟ้าในดวงอาทิตย์มีความซับซ้อนสูงจนซูเปอร์คอมพิวเตอร์ไม่สามารถสร้างแบบจำลองเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นให้มีรายละเอียดเทียบเท่าภาพการสังเกตการณ์จากยานสำรวจดวงอาทิตย์ได้ แต่สิ่งที่นักวิจัยได้เรียนรู้จากการศึกษารายงานการสังเกตการณ์ทางอวกาศซึ่งถูกบันทึกมาหลายศตวรรษคือ ดวงอาทิตย์มีรอบของการเปลี่ยนแปลงจำนวนจุดดับ (Sunspot) หรือบริเวณที่สนามแม่เหล็กมีความปั่นป่วนสูงที่เรียกว่า วัฏจักรสุริยะ (Solar cycle) วัฏจักรจะเกิดขึ้นทุก ๆ 11 ปีโดยจะครอบคลุมช่วงที่จุดดับเพิ่มจำนวนจนถึงจุดสูงสุดและลดจำนวนลงจนถึงจุดต่ำสุด นอกจากนี้ เมื่อเข้าสู่รอบวัฏจักรสุริยะครั้งใหม่แล้ว สนามแม่เหล็กบนดวงอาทิตย์จะเกิดการการสลับขั้ว ซึ่งทำให้เกิดปรากฏการณ์ต่าง ๆ ที่ส่งผลต่อทั้งสภาพอวกาศและโลก

ช่วงล่าสุดที่พบว่าดวงอาทิตย์มีจุดดับน้อยที่สุดคือปี 2019 และนักวิทยาศาสตร์คาดว่าประมาณปี 2024 หรือ 2025 จะเป็นช่วงที่จำนวนจุดดับเพิ่มขึ้นสูงสุด ชาร์โบนัวอธิบายว่า ในขณะที่ดวงอาทิตย์หมุนรอบตัวเอง เกลียวของสนามแม่เหล็กก็จะหมุนแน่นขึ้นและเริ่มเคลื่อนตัว บรรดานักวิจัยต่างคิดว่าเกลียวสนามแม่เหล็กต่าง ๆ จะไปรวมอยู่ที่ขั้วของดวงอาทิตย์ และเมื่อรอบของวัฏจักรสิ้นสุดลง สนามแม่เหล็กเหล่านั้นจะถูกดูดเข้าไปในดวงอาทิตย์ด้วยแรงปริศนาบางอย่าง อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์เองก็ยังไม่ทราบแน่ชัดว่าปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นได้อย่างไร หรือปรากฏการณ์นี้เคยเกิดขึ้นหรือไม่ เนื่องจากยังไม่มีกล้องโทรทรรศน์ตัวไหนสามารถจับภาพบริเวณขั้วของดวงอาทิตย์ได้

แต่ทุกอย่างกำลังเปลี่ยนไป ฉิตตาเล่าว่า ยานโซลาร์ ออร์บิเตอร์กำลังค่อย ๆ เอียงวงโคจรเพื่อให้สามารถเก็บข้อมูลรวมไปถึงบันทึกภาพขั้วเหนือและขั้วใต้ของดวงอาทิตย์ได้ภายในระยะเวลา 4 ถึง 5 ปีนี้ “จริง ๆ แล้วเราสามารถเชื่อมจุดสำคัญที่หายไปได้ด้วยการติดตามเกลียวสนามแม่เหล็กต่าง ๆ ควบคู่ไปกับแบบแผนการเคลื่อนที่ของมันที่บริเวณขั้วดวงอาทิตย์” ฉิตตาเสริม เมื่อดวงอาทิตย์เข้าสู่ช่วงที่มีจุดดับมากที่สุด นักวิทยาศาสตร์จะเริ่มทำการสังเกตการณ์ปรากฏการณ์นี้ ผลจากการศึกษาที่จะเกิดขึ้นอาจนำมาซึ่งความรู้ใหม่เกี่ยวกับดวงอาทิตย์ที่ไม่มีใครเคยค้นพบมาก่อนก็เป็นได้

เรื่อง ลิซ ครูซี

แปล พรรณทิพา พรหมเกตุ