แผนที่เขตอิทธิพลสนามแม่เหล็กดวงอาทิตย์ในแบบสามมิติ

 

ภาพจากศิลปินแสดงฟองแม่เหล็กรอบระบบสุริยะของเราที่เรียกว่า เฮลิโอสเฟียร์(heliosphere) เป็นสีน้ำตาล พร้อมทั้งองค์ประกอบหลักๆ เฮลิโอสเฟียร์ถากไปในตัวกลางในห้วงอวกาศ(interstellar medium; ISM สีฟ้า) ขณะนี้ นักดาราศาสตร์ได้ทำแผนที่รูปร่างเฮลิโอสเฟียร์ในแบบสามมิติ

     เป็นครั้งแรกที่เรามีแผนที่ขอบเขตจุดสิ้นสุดอิทธิพลสนามแม่เหล็กดวงอาทิตย์แบบสามมิติ ซึ่งจะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ได้เข้าใจสภาพแวดล้อมของระบบสุริยะ และบอกได้ว่าลมสุริยะและลมในห้วงอวกาศมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไร

     Dan Reisenfeld นักวิทยาศาสตร์ที่ห้องทดลองแห่งชาติ ลอส อลามอส และผู้เขียนนำรายงานซึ่งเผยแพร่ใน Astrophysical Journal กล่าวว่า แบบจำลองฟิสิกส์ได้ตั้งทฤษฎีสำหรับขอบเขตนี้มาหลายปี แต่นี่เป็นครั้งแรกที่เราสามารถตรวจสอบมันได้อย่างแท้จริง และทำแผนที่สามมิติได้

     เฮลิโอสเฟียร์(heliosphere) เป็นฟองที่สร้างขึ้นจากลมสุริยะ(solar wind) ซึ่งเป็นกระแสของอนุภาคที่เป็นโปรตอน, อิเลคตรอน และอนุภาคอัลฟา แผ่ออกจากดวงอาทิตย์ออกสู่ห้วงอวกาศระหว่างดวงดาว และปกป้องโลกจากรังสีในห้วงอวกาศที่เป็นอันตราย Reisenfeld และทีมใช้ข้อมูลจากดาวเทียม IBEX(Interstellar Boundary Explorer) ซึ่งโคจรรอบโลก ตรวจจับอนุภาคที่มาจากเฮลิโอชีธ(heliosheath) ชั้นรอยต่อระหว่างระบบสุริยะกับห้วงอวกาศ ทีมสามารถทำแผนที่ขอบของชั้นนี้ ซึ่งเป็นพื้นที่ที่เรียกว่า เฮลิโอพอส(heliopause) ที่นี่ ลมสุริยะซึ่งผลักออกสู่ห้วงอวกาศ จะชนกับลมในห้วงอวกาศเอง

     จริงๆ แล้วเราเคยเฉียดกับเฮลิโอพอสมาแล้ว ยานวอยยาจเจอร์(Voyager) ทั้งสองลำซึ่งส่งออกสู่อวกาศเมื่อ 40 กว่าปีก่อน ได้ผ่านมันไปและเข้าสู่ห้วงอวกาศระหว่างดวงดาว ห้วงอวกาศระหว่างดวงดาวไม่ได้มีสสารอยู่มากนัก แต่ก็มีมากพอที่จะอะตอมที่กระจายด้วยความหนาแน่นต่ำ และลมที่พัดผ่านระหว่างดวงดาว เป็นที่ถกเถียงกันว่าเฮลิโอพอสจะมีรูปร่างอย่างไร มันจะเป็นฟองกลม? หรือเป็นโครงสร้างคล้ายดาวหาง โดยมีหางซึ่งเป็นกระแสอนุภาคอยู่เบื้องหลังระบบสุริยะเมื่อระบบสุริยะเคลื่อนที่ไปรอบๆ ทางช้างเผือก หรือแปลกประหลาดคล้ายกับครัวซองค์?

     เพื่อทำการตรวจสอบนี้ พวกเขาใช้เทคนิคที่คล้ายกับที่ค้างคาวใช้คลื่นโซนาร์(sounding) Reisenfeld กล่าวว่า ก็เหมือนกับค้างคาวที่ใช้โซนาร์ในทุกทิศทางและใช้สัญญาณที่สะท้อนกลับมาเพื่อสร้างแผนที่สภาพแวดล้อมของมันในหัว เราใช้ลมสุริยะซึ่งวิ่งออกทุกทิศทาง เพื่อสร้างแผนที่เฮลิโอสเฟียร์ โดยการใช้การตรวจสอบอะตอมเป็นกลางพลังงานสูง(energetic neutral atoms; ENAs) ด้วย IBEX ซึ่งเป็นผลจากการชนระหว่างอนุภาคในลมสุริยะกับอนุภาคจากลมในห้วงอวกาศที่ชีธ เมื่ออนุภาคขโมยอิเลคตรอนและกลายเป็นอะตอมที่เป็นกลางที่มีพลังงานสูง การขโมยนี้ทำให้ ENA ใหม่หลุดออกจากเส้นทางของมัน ในบางกรณี ก็ย้อนกลับมาให้ IBEX

แผนที่เฮลิโอสเฟียร์แบบสามมิติ เฮลิโอสเฟียร์แสดงเป็นสีฟ้า, เขตเริ่มปะทะ(termination shock) สีเขียว และดวงอาทิตย์เป็นจุดสีเหลือง แกนต่างๆ มีขนาดเป็นหน่วยดาราศาสตร์(astronomical unit; AU) โดยมีจุดเริ่มจากดวงอาทิตย์

     ความเข้มของสัญญาณนั้นขึ้นอยู่กับความเข้มของลมสุริยะที่ชนเฮลิโอชีธในช่วงเวลานั้น เนื่องจากสัญญาณลมสุริยะที่ส่งออกจากดวงอาทิตย์นั้นมีความแปรผันในความแรง ก่อตัวเป็นรูปแบบที่เป็นอัตลักษณ์ Reisenfeld อธิบาย IBEX จะมองหารูปแบบเดิมในสัญญาณ ENA ที่ส่งกลับมา ในอีก 2 ถึง 6 ปีต่อมาขึ้นอยู่กับพลังงานของ ENA กับทิศทางที่ IBEX กำลังมองผ่านเฮลิโอสเฟียร์ ความแตกต่างของเวลาก็คือวิธีที่เราใช้ตรวจสอบระยะทางสู่แหล่งของ ENA ในทิศทางที่จำเพาะ จากนั้นพวกเขาก็ปรับใช้วิธีนี้เพื่อสร้างแผนที่สามมิติขึ้นมา โดยใช้ข้อมูลที่รวบรวมตลอด 1 วัฏจักรสุริยะเต็มๆ ตั้งแต่ปี 2009 จนถึง 2019

     เมื่อทำแบบนั้น เราก็สามารถเห็นรอยต่อของเฮลิโอสเฟียร์ในวิธีเดียวกับที่ค้างคาวใช้โซนาร์เพื่อ “เห็น” กำแพงของถ้ำได้ เขากล่าว เหตุผลที่ต้องใช้เวลานานมากกว่าที่สัญญาณจะกลับมาถึง IBEX ก็เพราะระยะทางที่ห่างไกล ระยะทางในระบบสุริยะวัดเป็นหน่วยดาราศาสตร์(astronomical unit; AU) ซึ่ง 1 AU เป็นระยะทางเฉลี่ยจากโลกถึงดวงอาทิตย์ แผนที่ของ Reisenfeld ซึ่งยืนยันรูปร่างเฮลิโอสเฟียร์ดูคล้ายดาวหาง ได้แสดงระยะทางสั้นที่สุดจากดวงอาทิตย์ถึงเฮลิโอพอสที่ประมาณ 120 AU ในทิศทางที่ระบบกำลังเดินทางไป(nose) สอดคล้องกับข้อมูลจากการข้ามเฮลิโอพอสจากยานวอยยาจเจอร์ และในทิศตรงกันข้ามมันจะแผ่ออกไปอย่างน้อย 350 AU ซึ่งเป็นขีดจำกัดระยะทางของเทคนิคการส่งสัญญาณนี้แล้ว ในละติจูดสูง เฮลิโอพอสแผ่ออกไปถึง 150 ถึง 175 AU นี่แสดงว่ารูปร่างของมันดูเหมือนลูกกระสุน แต่ไม่สอดคล้องกับแบบจำลองครัวซองค์แต่อย่างใดเลย  

     ปฏิบัติการ IBEX ยังคงดำเนินไป จนกระทั่งอย่างน้อยปี 2025 ในขณะที่มีกำหนดส่งยาน IMAP(Interstellar Mapping and Acceleration Probe) ในปี 2024 ซึ่งจะสืบสานงานของ IBEX ต่อในการสำรวจที่ระดับพลังงานสูงกว่า IBEX และตรวจสอบได้ไกลกว่า ทีมหวังว่าทั้งสองปฏิบัติการจะให้ข้อมูลมากขึ้นเพื่อช่วยปรับแต่งรูปร่างเฮลิโอพอสได้ งานวิจัยเผยแพร่ใน Astrophysical Journal Supplement Series เดือนมิถุนายน

แหล่งข่าว sciencedaily.com : boundary of heliophere mapped  
               sciencealert.com : we have the first-ever 3D map of our solar system’s heliosphere, and it’s amazing
                skyandtelescope.com : astronomers map the solar system’s edge in 3D
                iflscience.com : boundary between the heliosphere and interstellar space has been mapped for the first time