ทำความรู้จัก ยานอวกาศลำแรกที่สัมผัสชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์

Parker Solar Probe ยานอวกาศลำแรกที่สร้างประวัติศาสตร์สัมผัสชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์

วันที่ 20 ธันวาคม 2564 ผู้สื่อข่าวรายงานว่า วานนี้ (19 ธ.ค.) NARIT สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ เผยว่า Parker Solar Probe ยานอวกาศลำแรกที่สร้างประวัติศาสตร์สัมผัสชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์

เมื่อวันที่ 28 เมษายน 2564 เครื่องตรวจวัดสนามแม่เหล็กบนยานอวกาศ Parker Solar Probe ขณะที่อยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ 13 ล้านกิโลเมตร ได้ตรวจพบว่ามันได้ข้ามผ่านบริเวณรอยต่อระหว่างชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์กับอวกาศภายนอก ที่เรียกว่า Alfvén critical surface หมายความว่ายานสำรวจอวกาศ Parker Solar Probe ได้กลายเป็นยานอวกาศลำแรกในประวัติศาสตร์ที่ได้สัมผัสกับชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์

ขอบเขตของดวงอาทิตย์

ดวงอาทิตย์นั้นต่างจากดาวเคราะห์หินแข็ง เช่น โลก ที่ไม่ได้มีพื้นผิวแข็งชัดเจน ดวงอาทิตย์ประกอบขึ้นด้วยแก๊สที่ร้อนจนกลายเป็นพลาสมา และไม่ได้มีขอบเขตที่ชัดเจน ส่วนที่เรามองว่าเป็น “พื้นผิว” ของดวงอาทิตย์นั้นแท้จริงแล้วเป็นเพียงบริเวณปรากฏของแหล่งกำเนิดแสงส่วนมากที่มาจากดวงอาทิตย์เพียงเท่านั้น

เราเรียกพื้นผิวนี้ว่า “โฟโตสเฟียร์” (photosphere) หรือ “ทรงกลมแห่งแสง” ที่ซึ่งดูเหมือนจะเป็นบริเวณกำเนิดแสงของดาวฤกษ์ แต่แท้จริงแล้วเป็นเพียงพื้นผิวสุดท้ายที่แสงสามารถทะลุผ่านออกมาจากภายในดวงอาทิตย์ได้ก่อนที่พลาสมาภายในดวงอาทิตย์จะทึบแสงโดยสมบูรณ์

ส่วนภายนอกของขอบเขตของโฟโตสเฟียร์ ยังสามารถพบแก๊สร้อนจากดวงอาทิตย์ที่พวยพุ่งขึ้นมาและกลับลงไปได้อยู่ตลอด เลยออกไปจากโฟโตสเฟียร์นั้นเป็นส่วนของ “โคโรนา” ที่สามารถสังเกตเห็นได้ด้วยตาเปล่าในช่วงสุริยุปราคาเต็มดวง

ชั้นโคโรนาของดวงอาทิตย์นั้นมีอุณหภูมิสูงมาก อาจจะสูงได้ถึงหลายสิบล้านเคลวิน หรือร้อนกว่าอุณหภูมิพื้นผิวของดวงอาทิตย์เป็นอย่างมาก ต้นเหตุที่แท้จริงของอุณหภูมิอันมหาศาลของดวงอาทิตย์นี้ยังไม่เป็นที่แน่ชัด และยังคงปริศนาสำคัญอย่างหนึ่งเกี่ยวกับดวงอาทิตย์ ที่ยานสำรวจเช่นเดียวกับ Parker Solar Probe นี้อาจจะช่วยไขปริศนาได้

อนุภาคในชั้นโคโรนานั้นยังเป็นส่วนหนึ่งของชั้นบรรยากาศรอบดวงอาทิตย์อยู่ และแรงโน้มถ่วง บวกกับสนามแม่เหล็กจากดวงอาทิตย์นั้นยังสามารถดึงประจุในชั้นโคโรนานี้ให้กลับลงไปยังดวงอาทิตย์ได้ อย่างไรก็ตาม เมื่อถึงจุดหนึ่ง สนามแรงโน้มถ่วงและสนามแม่เหล็กจากดวงอาทิตย์จะอ่อนแรงลงจนไม่สามารถดึงดูดอนุภาคในชั้นโคโรนาเอาไว้ได้ เมื่อพ้นขอบเขตนี้ไป อนุภาคจากดวงอาทิตย์จึงกลายเป็นลมสุริยะ ที่ถูกปัดเป่าออกไปและจะไม่กลับมาดวงอาทิตย์อีก เราเรียกขอบเขตนี้ว่า Alfvén critical surface

ก่อนหน้านี้ ยังไม่เป็นที่แน่ชัดต่อนักวิทยาศาสตร์เท่าใดนักว่า Alfvén critical surface นี้เกิดขึ้นที่บริเวณใดของดวงอาทิตย์ นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าน่าจะเกิดขึ้นที่บริเวณห่างออกจากจากพื้นผิวดวงอาทิตย์กว่า 10-20 เท่าของรัศมีดวงอาทิตย์

จนกระทั่งวันที่ 28 เมษายน 2564 ยานสำรวจอวกาศ Parker Solar Probe ได้ตรวจพบสภาวะสนามแม่เหล็กและอนุภาคที่สอดคล้องกับ Alfvén critical surface ที่ระยะห่าง 18.8 เท่าของรัศมีดวงอาทิตย์ จึงนับเป็นวัตถุแรกที่มนุษย์สร้างที่ได้เข้าไปอยู่ในชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ และได้ “สัมผัส” กับส่วนหนึ่งของดวงอาทิตย์อย่างแท้จริง

การเดินทางไปยังดวงอาทิตย์

แม้ว่าดวงอาทิตย์จะเป็นวัตถุที่มนุษย์ทุกคนบนโลกคุ้นเคยกันเป็นอย่างดี แต่เรายังไม่เคยส่งยานไปสำรวจดวงอาทิตย์มาก่อนเลย แน่นอนว่าอุปสรรคที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งก็คือความร้อนอันมหาศาลที่มาจากดวงอาทิตย์ และนอกจากนี้ก็ยังมีสภาวะอันสุดขั้ว รังสี และอนุภาคจากดวงอาทิตย์ ที่พร้อมจะรบกวนการสื่อสารกับภาคพื้นดินจากโลก

อีกปัจจัยหนึ่งที่ทำให้การเดินทางนั้นยากไม่แพ้กัน ก็คือ แม้ว่าดวงอาทิตย์นั้นจะเป็นศูนย์กลางของระบบสุริยะ แต่กลับไม่ใช่วัตถุที่จะสามารถส่งยานอวกาศไปเยือนได้โดยง่าย ยานอวกาศที่โคจรอยู่รอบโลกนั้นเราสามารถปล่อยให้ “ลง” ไปหาศูนย์กลางแรงโน้มถ่วงได้โดยง่าย จากนั้นก็ชะลอความเร็วลงโดยการกางร่ม หรือปล่อยให้กระแทกเข้ากับมหาสมุทรหรือพื้น

แต่ในอวกาศที่ไร้ซึ่งแรงเสียดทานนั้น เราจะต้องทำการลดอัตราเร็วโคจรรอบดวงอาทิตย์เสียก่อน เพื่อที่จะให้วงโคจรเปลี่ยนแปลงไป ก่อนที่จะค่อย ๆ ลดความเร็วที่เกิดขึ้นจากการตกลงภายใต้สนามแรงโน้มถ่วงอันมหาศาลของดวงอาทิตย์ให้เพียงพอที่จะเฉี่ยวหรือโคจรรอบ ๆ ดวงอาทิตย์ได้

ด้วยเหตุนี้ ยานสำรวจอวกาศ Parker Solar Probe จึงต้องทำการ “โฉบ” หรือ flyby หลาย ๆ ครั้งเพื่อค่อย ๆ กำจัดความเร็วทิ้งไป ในการ flyby ครั้งที่ 8 ซึ่งกินเวลาเพียงไม่กี่ชั่วโมงนี้ ยานสำรวจอวกาศจึงได้เข้าไปอยู่ภายในชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ และยังมี flyby ที่จะเกิดขึ้นในอนาคตอีกหลายต่อหลายครั้ง ซึ่งคาดว่าสามารถนำยานสำรวจโฉบเข้าไปใกล้ดวงอาทิตย์ได้ถึง 8.86 เท่าของรัศมีดวงอาทิตย์ (6 ล้านกิโลเมตร) ในเดือนมกราคมปี 2022 ที่จะถึงนี้

การค้นพบ

ระหว่างที่ยานสำรวจอวกาศทำการโฉบผ่านดวงอาทิตย์นี้ Parker Solar Probe ได้ข้ามเส้นแบ่งชั้นโคโรนาหลายครั้ง เป็นการยืนยันสมมุติฐานว่าขอบเขตชั้นนอกของชั้นบรรยากาศดวงอาทิตย์นั้นไม่ได้ราบเรียบคล้ายลูกบอลรอบ ๆ ดวงอาทิตย์ แต่เต็มไปด้วยรอยหยัก หุบเหว และรอยย่น การทำความเข้าใจโครงสร้างเหล่านี้จะเป็นกุญแจสำคัญอย่างหนึ่งที่ทำให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจดวงอาทิตย์ได้ดีขึ้น

เนื่องจากยาน Parker Solar Probe นี้นับเป็นครั้งแรกที่เราได้สามารถเข้าไปอยู่ “ภายใน” ชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ จึงเต็มไปด้วยการค้นพบที่น่าจับตาอีกเป็นจำนวนมาก ตั้งแต่การเข้าไปภายใน “pseudostreamer” ที่คล้ายกับตาของพายุ ที่ความปั่นป่วนของสนามแม่เหล็กและอนุภาคจากดวงอาทิตย์แลดูจะสงบนิ่งลงชั่วคราว

การค้นพบต้นกำเนิดของรอยซิกแซ็กในลมสุริยะ ที่เรียกว่า “switchbacks” ว่ามีต้นกำเนิดมาจากพื้นผิวของชั้นโฟโตสเฟียร์ ยิ่งยานสำรวจอวกาศได้ดำดิ่งเข้าไปภายใต้ชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์มากยิ่งขึ้น ก็อาจจะช่วยให้เราเข้าใจที่มาและต้นกำเนิดของปรากฏการณ์ปริศนาเหล่านี้ได้ดีขึ้น รวมไปถึงปริศนาใหม่ที่ยังรอคอยการค้นพบอยู่

ก็ต้องรอดูกันว่ายานสำรวจอวกาศ Parker Solar Probe จะมีการค้นพบอะไรใหม่ ๆ ให้เราติดตามกันได้อีก