วงปีต้นไม้บอกถึงกิจกรรมสุริยะในช่วงหนึ่งพันปี

 

     นักดาราศาสตร์กำลังใช้วงปีต้นไม้เป็นบันทึกประวัติศาสตร์แสดงกิจกรรมสุริยะ และพวกเขาพบว่าดวงอาทิตย์ในอดีตเคยเปี่ยมด้วยกิจกรรมมากกว่านี้

     ดวงอาทิตย์ของเราไม่ได้เป็นแหล่งแสงที่ซื่อตรงคงที่อย่างที่มันแสดงให้เห็น กิจกรรมสุริยะแปรเปลี่ยนด้วยวัฏจักรสุริยะซึ่งเกิดขึ้นในประมาณ 11 ปี ซึ่งสังเกตได้ง่ายที่สุดจากจำนวนจุดดับดวงอาทิตย์(sunspots) ที่เพิ่มขึ้นและลดลงอย่างเป็นคาบเวลาแน่นอน ยิ่งมีจุดดับมากเท่าใด ก็มีความปั่นป่วนภายในดวงอาทิตย์มากขึ้นตามไปด้วย

     แม้ว่านักดาราศาสตร์ชาวเจอรมัน Samuel Heinrich Schwabe ได้ค้นพบวัฏจักรสุริยะในศตวรรษที่ 19 แต่การสำรวจจุดดับดวงอาทิตย์ก็มีมาตั้งแต่เมื่อประมาณ 400 ปีก่อนโดย กาลิเอโอ กาลิเลอิ และสามารถตามรอยวัฏจักรสุริยะย้อนกลับไปได้จนถึงการสำรวจในช่วงแรก

จุดดับดวงอาทิตย์ในช่วงที่ดวงอาทิตย์มีกิจกรรมต่ำสุด(minima) เทียบกับช่วงที่มีกิจกรรมสูงสุด(maxima) ในภาพช่วงตาเห็นจากหอสังเกตการณ์ Solar Dynamics Observatory ของนาซา เน้นความแตกต่างจำนวนจุดดับ

     ขณะนี้ ทีมนักวิทยาศาสตร์ซึ่งมีฐานที่สวิตเซอร์แลนด์ประสบความสำเร็จในการสร้างบันทึกวัฏจักรชวาเบที่นาน 11 ปีขึ้นได้ใหม่ย้อนกลับไปได้ถึงปี คศ 969 โดยใช้ร่องรอยดวงอาทิตย์ที่บันทึกไว้ในต้นไม้โบราณบนโลก แม้วัฏจักรชวาเบ 11 ปีจะเป็นส่วนหนึ่งในวัฏจักรที่ยาวนานกว่านั้น รายงานของทีมที่นำโดย Hans-Arno Synal และ Lukas Wacker จากห้องทดลองฟิสิกส์ลำแสงไอออน สถาบันเทคโนโลจีกลางแห่งสมาพันธรัฐสวิสที่ซือริค(ETH Zürich) รวมทั้งนักวิจัยจากสถาบันมักซ์พลังค์เพื่อการวิจัยระบบสุริยะในเกิตทิงเงน และมหาวิทยาลัยลุนด์ในสวีเดน ปรากฏใน Nature Geoscience

     วงปีต้นไม้ได้ให้บันทึกสภาพแวดล้อมในอดีตที่ผ่านมาของโลก ต้นไม้สร้างวงใหม่ทุกๆ ปี ความหนาของวงขึ้นอยู่กับปริมาณน้ำและสภาพภูมิอากาศโดยรวม ด้วยการระบุวงปีเข้ากับปีที่จำเพาะ นักวิทยาศาสตร์ก็สามารถศึกษาว่าภูมิอากาศของโลกมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไร Nocolas Brehm จาก ETH Zürich และเพื่อนร่วมงานได้ใช้ตัวอย่างต้นไม้ที่ตัด บางส่วนก็พบเป็นวัสดุก่อสร้างในตึกเก่าแก่ในอังกฤษและสวิตเซอร์แลนด์ เพื่อสร้างผลกระทบที่แปรเปลี่ยนจากดวงอาทิตย์ที่มีต่อดาวเคราะห์ของเรา โดยการตรวจสอบองค์ประกอบคาร์บอน-14 ซึ่งเป็นธาตุกัมมันตรังสี

     บนโลกมีต้นไม้ที่อายุยืนมากๆ หนึ่งในนั้นก็คือต้นสนบริสเติลโคน(bristlecone pinetree) ในคาลิฟอร์เนียต้นหนึ่งที่มีชื่อว่า เมธูเซลาห์(Methuselah) ซึ่งคิดกันว่ามีอายุถึง 5000 ปี แต่สำหรับการศึกษานี้ ไม่จำเป็นต้องไปโค่นต้นไม้โบราณที่ยังมีชีวิตเหล่านั้น แต่นักวิจัยตรวจสอบแผ่นไม้โบราณที่ใช้ในอาคารอย่างโบสถ์แอบบี้แห่งเซนต์อัลบาน(Abbey Church of St Alban) เฮิร์ตฟอร์ดไชร์ สหราชอาณาจักร ซึ่งมีอายุย้อนกลับไปได้ถึงศตวรรษที่ 11 ทีมได้ใช้แผ่นไม้ที่แตกต่างกัน 13 แผ่นจากอาคาร 11 แห่งในสหราชอาณาจักรและสวิตเซอร์แลนด์

วงปีต้นไม้สามารถบอกถึงสภาพภูมิอากาศในสมัยโบราณได้ นอกจากนี้การวิเคราะห์องค์ประกอบที่เป็นคาร์บอนกัมมันตรังสี หรือคาร์บอน-14 ในตัวอย่างเนื้อไม้ยังบอกถึงกิจกรรมสุริยะในช่วงเวลาต่างๆ ได้

     คาร์บอน-14 หรือคาร์บอนกัมมันตรังสี มีนิวตรอน 14 ตัวเป็นอะตอมคาร์บอนที่พบได้ยาก จากอะตอมคาร์บอนปกติที่มีนิวตรอน 12 ตัว เนื่องจากนิวตรอนที่เพิ่มขึ้นมา นิวเคลียสที่หาได้ยากกว่าจึงสลายตัวกลายเป็นไนโตรเจนด้วยครึ่งชีวิต(half-life) 5730 ปี คาร์บอนกัมมันตรังสีมีอยู่บนโลกก็เพราะอนุภาคทรงพลังจากดวงอาทิตย์กำลังชนกับอะตอมไนโตรเจนในชั้นบรรยากาศส่วนบนของโลกอย่างคงที่ เปลี่ยนไนโตรเจนเป็นคาร์บอนกัมมันตรังสี คาร์บอน-14 ที่เพิ่งถูกสร้างขึ้นใหม่จะถูกดึงมาสร้างคาร์บอนไดออกไซด์และสุดท้ายก็ถูกดูดซับโดยพืชหรือสัตว์ที่ยังมีชีวิตอยู่ ตราบเท่าที่สิ่งมีชีวิตยังมีชีวิตอยู่ อัตราส่วนคาร์บอนกัมมันตรังสีต่อคาร์บอนปกติ ก็จะคงที่ที่ประมาณ 1 ส่วนต่อหนึ่งพันล้านส่วน แต่เมื่อตายลง คาร์บอนกัมมันตรังสีจะเริ่มสลายตัว ดังนั้น นักวิทยาศาสตร์จึงสามารถตรวจสอบปริมาณของมันเพื่อหาอายุสสารอินทรีย์เหล่านี้ได้

     Brehm และเพื่อนร่วมงานใช้วิธีนี้จนถึงแก่น ตอนแรก พวกเขาตรวจสอบอายุของตัวอย่างแต่ละอัน, ทีละวงแหวน โดยใช้บันทึกวงปีต้นปีที่มีอยู่ จากนั้น เมื่อทราบอายุที่แน่นอนของวงปีแต่ละปีในตัวอย่าง ก็ระบุให้ได้ว่ามีคาร์บอน-14 ในชั้นบรรยากาศที่วงปีแต่ละวงโตขึ้นมากแค่ไหน และปริมาณของคาร์บอน-14 เปลี่ยนแปลงในแต่ละปีอย่างไร

     วงปีต้นไม้ควรจะมีปริมาณคาร์บอน-14 ที่แตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับกิจกรรมของดวงอาทิตย์(โดยอ้อม) กล่าวคือ ในช่วงเวลาที่ดวงอาทิตย์มีกิจกรรมสูง สนามแม่เหล็กดวงอาทิตย์และลมสุริยะ(solar wind) ก็จะรุนแรงมากขึ้น ซึ่งจะปกป้องโลกจากรังสีคอสมิคจากกาแลคซีซึ่งจะสร้างธาตุกัมมันตรังสีได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น เมื่อกิจกรรมสุริยะลดต่ำ ก็เช่นกันกับเกราะป้องกัน และจะมีอนุภาครังสีคอสมิคมาถึงโลกได้มากขึ้น กิจกรรมสุริยะที่สูงขึ้น(ตามที่ตรวจสอบจากจำนวนจุดดับดวงอาทิตย์) ก็น่าจะส่งผลให้สร้างคาร์บอน-14 ในปริมาณที่ลดลง

โดยปกติ สนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์และลมอนุภาคจะช่วยปกป้องโลกจากรังสีคอสมิคซึ่งเป็นอนุภาคมีประจุพลังงานสูงกว่าที่เดินทางจากนอกระบบสุริยะ ด้วยเหตุนี้ การสร้างคาร์บอน-14 ในชั้นบรรยากาศจะลดลงในช่วงที่ดวงอาทิตย์มีกิจกรรมสูง

     อย่างไรก็ตาม ผลของดวงอาทิตย์ต่อการสร้างคาร์บอน-14 นั้นเล็กน้อยมากๆ และระดับสัญญาณกวนที่เกิดจากอากาศก็อยู่ในระดับเดียวกับสัญญาณการสร้างคาร์บอน-14 จากดวงอาทิตย์ด้วย ความพยายามก่อนหน้านี้โดยทีมอื่นจึงได้ผลที่สรุปไม่ได้ ยิ่งกว่านั้น คาร์บอน-14 ในความเข้มข้นต่ำมากๆ ก็ต้องการตัวอย่างแก่นไม้จำนวนมาก และปริมาณที่มากก็ต้องใช้เวลาเพื่อตรวจสอบมากตามไปด้วย เพื่อให้ครอบคลุมช่วงเวลาสหัสวรรษ(จาก คศ 969 จนถึง 1933) ก็น่าจะต้องใช้เวลามากเกินไปถ้าทำการวิเคราะห์ในแนวทางเดิมๆ

     ดังนั้น ทีมจึงมองหาทางออกใหม่โดยแทนที่จะตรวจสอบระดับกัมมันตภาพรังสีที่คาร์บอน-14 สลายตัว พวกเขานับอะตอมโดยตรงด้วยสเปคโตรมิเตอร์มวลเครื่องเร่งอนุภาค(accelerator mass spectrometer) ซึ่งจะระเหยตัวอย่างเพื่อให้อะตอมแตกตัวเป็นไอออน จากนั้นก็ใช้สนามแม่เหล็กเพื่อเร่งความเร็วอนุภาคไอออนและแยกมันออกตามมวล คาร์บอนทั้งสองไอโซโทปมีมวลแตกต่างกันจึงหักเหด้วยองศาที่แตกต่างกัน และจึงสามารถแยกแยะและนับได้ นักวิทยาศาสตร์ก็สามารถใช้ตัวอย่างกลุ่มเล็กกว่า(จากรูที่เจาะหนาเพียงระดับมิลลิเมตร), เร่งกระบวนการวิเคราะห์ และเข้าถึงระดับความแม่นยำที่ต้องการที่ 0.1% ผลสรุปวิเคราะห์ตัวอย่างมากเป็นสองเท่าของที่เคยทำการวิเคราะห์คาร์บอน-14 ในแต่ละปีมาทั้งหมด ด้วยการจับอัตราการสร้างคาร์บอน-14 กับกิจกรรมสุริยะตลอดช่วง 400 ปีที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ก็สามารถขยายบันทึกกิจกรรมสุริยะไปถึงช่วงเวลาก่อนการคิดค้นกล้องโทรทรรศน์ได้

      ในช่วงเวลาที่มีกิจกรรมสุริยะลดลงอย่างยาวนาน อัตราการสร้างคาร์บอน-14 ก็สูงขึ้นตามคาดไว้ กล่าวคือ ช่วงเวลาที่ไม่ค่อยพบจุดดับดวงอาทิตย์โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงกิจกรรมต่ำสุด(minima) ที่ Spörer, Maunder และ Dalton ได้สำรวจ ก็ปรากฏชัดเจนในบันทึกวงปีต้นไม้ด้วย

กราฟแถวแรกแสดงข้อมูลคาร์บอน-14 ในแต่ละปี โดยลูกศรแดงระบุเหตุการณ์ที่เป็นไปได้ว่าจะสร้างคาร์บอน-14 สูงขึ้น แถวสองข้อมูลยังดูปกติ แถวสามแสดงกิจกรรมสุริยะโดยเส้นสีดำระบุจำนวนจุดดับที่บันทึกไว้ แถวสุดท้ายแสดงข้อมูลที่กรองแล้ว โดยเหตุการณ์บางส่วนมีความเกี่ยวข้องกับลูกศร(ยุคน้ำแข็งเล็กเป็นช่วงเวลาที่มีสภาพอากาศเย็นในบางส่วนบนโลก แต่ยังไม่อาจสรุปความเกี่ยวข้องกับกิจกรรมสุริยะได้)

     นักวิทยาศาสตร์ยังได้จำแนกพบการสร้างคาร์บอนกัมมันตรังสีที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว 3 ช่วง ซึ่งพวกเขาเชื่อมโยงกับกิจกรรมการปะทุของดวงอาทิตย์ที่พิเศษในปี 993, 1052 และ 1279 ครั้งแรกนั้นถูกพบและเผยแพร่ในปี 2013 จากการวิเคราะห์วงปีต้นไม้งานอื่น เหตุการณ์เหล่านี้เกิดขึ้นเมื่อโปรตอนที่ดวงอาทิตย์เปล่งออกมาถูกเร่งความเร็วจนสามารถทะลุผ่านสนามแม่เหล็กของโลก และเป็นสาเหตุให้ก๊าซในชั้นบรรยากาศโลกแตกตัวเป็นไอออน เป็นครั้งแรกที่ได้พบเหตุการณ์ลักษณะนี้ และอาจจะบ่งชี้ว่าสิ่งนี้เกิดขึ้นได้ถี่กว่าที่คิดไว้ ขณะนี้ ด้วยเหตุการณ์ที่พบในการศึกษานี้ ก็ดูเหมือนจะมีความเป็นไปไม่ได้ในทางสถิติที่จะมีต้นเหตุเป็นสิ่งอื่นนอกเหนือจากดวงอาทิตย์

     อย่างไรก็ตาม ทั้งสามเหตุการณ์ดูจะมีกำเนิดจากการปะทุของดวงอาทิตย์ซึ่งรุนแรงกว่าอย่างมาก หรืออย่างน้อยก็แตกต่างจากการปะทุครั้งใหญ่ๆ จากดวงอาทิตย์ที่สำรวจในยุคใหม่นี้ ซึ่งรวมถึงครั้งที่มีชื่อเสีย(ง) คือ เหตุการณ์คาร์ริงตัน(Carrington event) ในปี 1859 ซึ่งการปะทุในปี 1859 กลับไม่ทิ้งร่องรอยใดๆ ในบันทึกคาร์บอน-14

การผลักมวลในชั้นโคโรนา(coronal mass ejection) เป็นการปะทุจากดวงอาทิตย์ได้พ่นอนุภาคมีประจุทรงพลังออกมา ถ้าการปะทุนี้รุนแรงมากพอและมีทิศทางมุ่งหน้ามาที่โลก อนุภาคเหล่านี้จะเป็นสาเหตุให้เกิดการสร้างคาร์บอน-14 ที่พุ่งสูงขึ้นมาก

     แทบจะดูราวกับว่าดวงอาทิตย์ของเรามีสองบุคลิกภาพ โดยใช้เวลาเกือบทั้งหมดเป็นแบบพี่ชายใจดี ที่ปกป้องเราจากอนุภาคทรงพลังที่วิ่งไปทั่วกาแลคซี แต่บางครั้งก็เปลี่ยนเป็นไอ้ตัวร้าย ที่ฟาดอนุภาคของมันใส่เราในตอนที่เราเผลอ งานวิจัยนี้จึงช่วยขยายบันทึกกิจกรรมของดวงอาทิทตย์กินเวลานานกว่าที่เคยเข้าถึงได้ มันยังให้การประเมินที่ดีขึ้นเกี่ยวกับความเป็นไปได้ที่ดวงอาทิตย์จะมีการปะทุที่อันตราย สมาชิกทีม Lukas Wacker จาก ETH Zurich บอกว่าทีมกำลังขยายขอบข่ายการวิเคราะห์ออกไปอีก ข้อมูลวงปีต้นไม้ที่ตรวจอายุได้แล้วมีไปถึงช่วง 12000 ปี และก็ควรจะมีหลักฐานที่สนับสนุนการปะทุจากดวงอาทิตย์ในประวัติศาสตร์อื่นๆ ด้วย นักวิจัยหวังว่าจะใช้วิธีการนี้เพื่อตรวจสอบความเข้มข้นของคาร์บอน-14 ในไม้อายุหมื่นปีที่กลายเป็นฟอสซิลนั้น ซึ่งจะช่วยพวกเขาให้สร้างประวัติกิจกรรมสุริยะย้อนกลับไปถึงยุคน้ำแข็งครั้งล่าสุด(last ice age) ได้

แหล่งข่าว skyandtelescope.com : tree rings help reconstruct a millennium of the Sun’s activity
                sciencealert.com : clues on 1000 years of the Sun’s turbulent activity are hidden in Earth’s trees
                 sciencedaily.com : solar activity reconstructed over a millennium