ยานอวกาศ "สัมผัส" ดวงอาทิตย์

 

Parker Solar Probe

เป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์ที่มียานอวกาศได้สัมผัสกับดวงอาทิตย์ เมื่อขณะนี้ยานพาร์กเกอร์ของนาซา ได้บินผ่านชั้นบรรยากาศส่วนบน หรือโคโรนา ของดวงอาทิตย์ และตรวจสอบอนุภาคและสนามแม่เหล็กที่นั่น

วันที่ 28 เมษายน 2021 เวลา 0933 นาฬิกาตามเวลาสากล ยานพาร์กเกอร์(Parker Solar Probe) ไปถึงโคโรนา(corona) และใช้เวลา 5 ชั่วโมงที่นั่น หลักชัยใหม่นี้เป็นก้าวย่างครั้งใหญ่ที่สำคัญสำหรับยาน พาร์กเกอร์ และเป็นก้าวย่างใหญ่สำหรับวิทยาศาสตร์สุริยะ เช่นเดียวกับการร่อนลงจอดบนพื้นผิวดวงจันทร์ซึ่งได้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ได้เข้าใจว่าดวงจันทร์ก่อตัวอย่างไร การได้สัมผัสกับสสารองค์ประกอบของดวงอาทิตย์จะช่วยนักวิทยาศาสตร์ได้พบข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้เรามากที่สุด รวมทั้งอิทธิพลของมันที่มีต่อระบบสุริยะ

พาร์กเกอร์ซึ่งส่งออกสู่อวกาศในปี 2018 ในปฏิบัติการที่วางแผนไว้ 7 ปีเพื่อศึกษาปริศนาของดวงอาทิตย์โดยการเดินทางเข้าใกล้ดวงอาทิตย์ 26 ครั้งในระยะใกล้มากกว่าที่ยานลำใดเคยทำมา ด้วยการใช้แรงโน้มถ่วงจากดาวศุกร์รวม 7 ครั้งเพื่อช่วยนำยานเข้าใกล้มากขึ้น การผ่านเข้าใกล้ในเดือนเมษายนเป็นครั้งที่ 8 ในที่สุด พาร์กเกอร์ก็ไปถึงโคโรนา

Parker Solar Probe milestones

การบินผ่านโคโรนาครั้งแรกและครั้งต่อๆ ไปที่จะตามมา จะยังคงให้ข้อมูลเกี่ยวกับปรากฏการณ์ประหลาดที่เป็นไปไม่ได้เลยที่จะศึกษาจากที่ห่างไกล Nour Raouafi นักวิทยาศาสตร์โครงการพาร์กเกอร์ ที่ห้องทดลองฟิสิกส์ประยุกต์ มหาวิทยาลัยจอห์น ฮอบกินส์(JHU/APL) ในลอเรล มารีแลนด์ กล่าวว่า เมื่อบินผ่านดวงอาทิตย์ในระยะใกล้มากๆ ขณะนี้พาร์กเกอร์ก็รู้สึกถึงสภาวะในชั้นที่เต็มไปด้วยอิทธิพลแม่เหล็กของชั้นบรรยากาศดวงอาทิตย์ หรือโคโรนา อย่างที่เราไม่เคยทำได้มาก่อน เราได้เห็นหลักฐานการเข้าถึงโคโรนาในข้อมูลสนามแม่เหล็ก, ข้อมูลลมสุริยะ และเห็นได้ในภาพต่างๆ เราได้เห็นยานบินผ่านโครงสร้างโคโรนาจริงซึ่งสามารถสำรวจในระหว่างเกิดสุริยุปราคาเต็มดวง

ดวงอาทิตย์ไม่เหมือนกับโลกที่มีพื้นผิวแข็ง แต่มันเป็นชั้นบรรยากาศที่ร้อนยิ่งยวด ประกอบขึ้นจากวัสดุสารดวงอาทิตย์ที่ยึดเกาะกับดวงอาทิตย์โดยแรงโน้มถ่วงและแรงแม่เหล็ก เมื่อความร้อนและความดันที่เพิ่มขึ้นได้ผลักวัสดุสารนั้นออกจากดวงอาทิตย์ มันก็มาถึงจุดที่แรงโน้มถ่วงและสนามแม่เหล็กอ่อนแอเกินกว่าจะรักษาวัสดุสารไว้ได้ จุดดังกล่าวเรียกว่า พื้นผิววิกฤติอัลเฟียน(Alfven critical surface) กลายเป็นจุดสิ้นสุดชั้นบรรยากาศดวงอาทิตย์ และเริ่มต้นลมสุริยะ วัสดุสารดวงอาทิตย์ที่มีพลังงานช่วยให้มันข้ามรอยต่อและกลายเป็นลมสุริยะในขณะที่ก็ลากสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์ออกมากับมัน เมื่อมันวิ่งข้ามระบบสุริยะมาถึงโลก และเลยจากนั้นไป

โครงสร้างหลักของดวงอาทิตย์

จนกระทั่งบัดนี้ นักวิจัยก็ยังไม่แน่ใจว่าพื้นผิววิกฤติอัลเฟียนอยู่ที่ไหน อ้างอิงจากภาพโคโรนาจากระยะไกล ประเมินไว้ที่ระหว่าง 10 ถึง 20 เท่ารัศมีดวงอาทิตย์จากพื้นผิวดวงอาทิตย์ หรือ 6.9 ถึง 13.8 ล้านกิโลเมตร Justin Kasper ผู้เขียนนำรายงานใหม่เกี่ยวกับหลักชัยนี้เผยแพร่ใน Physical Review Letters กล่าวว่า เราคาดหวังอย่างเต็มเปี่ยมว่า ไม่ช้าก็เร็ว เราน่าจะเข้าใกล้โคโรนาอย่างน้อยก็เป็นช่วงเวลาสั้นๆ แต่มันน่าตื่นเต้นมากๆ ที่เราไปถึงมันแล้ว

ในความเป็นจริง ยานเข้าออกพื้นผิวอัลเฟียนนี้ 3 ครั้งในการบินผ่านรอบที่แปด Kasper เป็นผู้นำกลุ่มเครื่องมือตรวจจับอนุภาค SWEAP, ศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยมิชิกัน และผู้ช่วยหัวหน้าเจ้าหน้าที่เทคโนโลจีที่ BWX Technologies กล่าว พื้นผิวอัลเฟียนมันย่นๆ แต่ไม่ได้ปุกปุย มันมีขอบเขตที่ชัดเจนเมื่อยานผ่านเข้าไป ก็เห็นการเปลี่ยนแปลงที่ราบรื่นในขณะข้าม มีแค่เพียงรอยต่อเท่านั้นที่เคลื่อนไปมา เขากล่าว

ในจุดหนึ่ง พาร์กเกอร์ได้พุ่งไปที่ระดับต่ำกว่า 15 เท่ารัศมีดวงอาทิตย์(ราว 10.4 ล้านกิโลเมตร) จากพื้นผิวดวงอาทิตย์ มันได้ผ่านรายละเอียดชนิดหนึ่งในโคโรนาที่เรียกว่า peudostreamer เป็นโครงสร้างขนาดใหญ่ที่พุ่งขึ้นเหนือพื้นผิวดวงอาทิตย์และสามารถเห็นได้จากโลกในระหว่างเกิดสุริยุปราคา การบินทะลุผ่าน pseudostreamer ก็เหมือนกับการบินเข้าสู่ตาของพายุ ภายใน pseudostreamer สภาวะสงบเงียบ, อนุภาควิ่งช้ากว่า สนามแม่เหล็กที่เป็นระเบียบมากขึ้นและจำนวนของสวิทซ์แบคก็ลดลง เป็นการเปลี่ยนแปลงอย่างรุนแรงจากกองทัพอนุภาคที่วุ่นวายที่ยานมักจะได้พบเจอในชั้นบรรยากาศดวงอาทิตย์

ฟุตเทจจาก WISPR บนยานพาร์กเกอร์ถ่ายในระหว่างการบินผ่านครั้งที่ 9 เดือนสิงหาคมนี้ เมื่อยานวิ่งผ่านลมสุริยะ พื้นที่สว่างกว่ามีความหนาแน่นลมสูงกว่า ภาพชุดแสดงพาร์กเกอร์บินผ่าน coronal streamers วิ่งอยู่ด้านบน(แถวบน) และ coronal streamer วิ่งอยู่ด้านล่าง(แถวล่าง) โดยปกติจะเห็น streamer ได้จากโลกเฉพาะเมื่อเกิดสุริยุปราคาเต็มดวงเท่านั้น ภาพลักษณะนี้จะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อยานบินอยู่เหนือและใต้สตรีมเมอร์เท่านั้น 

เป็นครั้งแรก ที่ยานได้พบว่าตัวมันเองอยู่ในพื้นที่แห่งหนึ่งที่สนามแม่เหล็กรุนแรงมากพอที่จะกำกับการเคลื่อนที่ของอนุภาคในพื้นที่ดังกล่าว สภาวะเหล่านี้เป็นข้อพิสูจน์อย่างแน่ชัดว่ายานได้ผ่านพื้นผิววิกฤติอัลเฟียน และเข้าสู่โคโรนาที่ซึ่งสนามแม่เหล็กควบคุมการเคลื่อนที่ของทุกสิ่งในพื้นที่ ข้อมูลจากยานบอกว่าโครงสร้างสตรีมเมอร์เหล่านี้เป็นต้นเหตุที่ทำให้พื้นผิววิกฤติอัลเฟียนมีรูปร่างบิดเบี้ยว แม้ว่าจะยังไม่ทราบว่าเป็นเพราะเหตุใด

การผ่านทะลุโคโรนาครั้งแรก ซึ่งเกิดขึ้นเพียงไม่กี่ชั่วโมง เป็นหนึ่งในหลายๆ ครั้งที่ได้วางแผนไว้ในปฏิบัติการนี้ พาร์กเกอร์จะยังคงหมุนวนรอบดวงอาทิตย์ในวงโคจรที่กระชับมากขึ้น ซึ่งสุดท้ายจะนำมันเข้าไปใกล้ถึง 8.86 เท่ารัศมีดวงอาทิตย์(6.13 ล้านกิโลเมตร) จากพื้นผิว การบินผ่านที่จะเกิดขึ้นต่อไปซึ่งน่าจะเกิดในเดือนมกราคม 2022 น่าจะนำพาร์กเกอร์ทะลุผ่านโคโรนาอีกครั้ง

ภาพจากศิลปินแสดงพื้นผิววิกฤติอัลเฟียน(Alfven critical surface) ซึ่งเป็นรอยต่อระหว่างโคโรนาซึ่งมีอิทธิพลสนามแม่เหล็กดวงอาทิตย์กำกับการเคลื่อนที่ทุกๆ สิ่ง เมื่อผ่านพื้นผิวนี้ อนุภาคที่หลุดออกมาจะกลายเป็นลมสุริยะ(solar wind) การตรวจสอบของยานพาร์กเกอร์บอกว่า พื้นผิวอัลเฟียนมีความย่นยับ ไม่ได้ราบเรียบ ดังแสดงในภาพนี้ 

ขนาดของโคโรนายังขับเคลื่อนโดยกิจกรรมสุริยะด้วย เมื่อวัฏจักรสุริยะที่กินเวลาราว 11 ปีทำให้กิจกรรมเพิ่มสูงด้วย ขอบส่วนนอกของโคโรนาก็จะขยายออกไป ช่วยให้พาร์กเกอร์มีโอกาสที่ดีขึ้นที่จะอยู่ภายในโคโรนาได้นานขึ้น นี่เป็นพื้นที่ที่สำคัญจริงๆ ที่ได้เข้าถึงเนื่องจากเราคิดว่าฟิสิกส์ทั้งหมดได้เริ่มขึ้นที่นี่ Kasper กล่าว และขณะนี้เรากำลังเข้าสู่พื้นที่นี่และหวังเป็นอย่างยิ่งที่จะได้เริ่มเห็นฟิสิกส์และพฤติกรรมเหล่านี้บางส่วน

ที่มาของสวิตช์แบค

ในช่วงกลางทศวรรษ 1990 ปฏิบัติการยูลิสิส(Ulysses) ของนาซาและอีซา ได้บินผ่านขั้วดวงอาทิตย์ และพบร่องรอยประหลาดรูปตัว S จำนวนหนึ่งในเส้นแรงสนามแม่เหล็กของลมสุริยะ ซึ่งเป็นอนุภาคมีประจุที่วิ่งย้อนในเส้นทางยักไปมาเมื่อพวกมันหนีออกจากดวงอาทิตย์ และอีกหลายทศวรรษต่อมาที่นักวิทยาศาสตร์คิดว่าสวิตช์แบคที่เกิดขึ้นเป็นครั้งคราว เกิดขึ้นจำกัดเฉพาะพื้นที่ขั้วดวงอาทิตย์เท่านั้น

ในปี 2019 จากระยะทาง 34 เท่ารัศมีดวงอาทิตย์ พาร์กเกอร์ได้พบสวิตช์แบคได้ไม่ยากแทบจะทั่วไปในลมสุริยะ ซึ่งนี่สร้างความน่าสนใจให้กับรายละเอียดเหล่านี้และสร้างคำถามขึ้นมา พวกมันมาจากไหน พวกมันถูกสร้างที่พื้นผิวดวงอาทิตย์หรือถูกตกแต่งขึ้นจากกระบวนการบางอย่างที่ส่งผลให้สนามแม่เหล็กในชั้นบรรยากาศดวงอาทิตย์ผิดแปลกไป

การค้นพบใหม่ซึ่งรายงานใน Astrophysical Journal สุดท้ายได้ยืนยันจุดกำเนิดจุดหนึ่งว่า เกิดขึ้นใกล้กับพื้นผิวดวงอาทิตย์ เงื่อนงำมาจากเมื่อพาร์กเกอร์โคจรใกล้ดวงอาทิตย์มากขึ้นในการบินผ่านรอบที่หก ด้วยระยะทางไม่ถึง 25 เท่ารัศมีดวงอาทิตย์ ข้อมูลได้แสดงว่าสวิตช์แบคเกิดขึ้นเป็นปื้นและมีฮีเลียมไอออนในสัดส่วนที่สูงขึ้นมากกว่าธาตุอื่น(ซึ่งเป็นที่ทราบกันดีว่ามาจากโฟโตสเฟียร์) กำเนิดของสวิตช์แบคยังสามารถระบุให้แคบลงเมื่อนักวิทยาศาสตร์พบอนุภาคเรียงตัวตามปล่องแม่เหล็ก(magnetic funnel) ที่ผุดขึ้นจากโฟโตสเฟียร์ ระหว่างโครงสร้างเซลส์พาความร้อน(convection cell) ขนาดยักษ์ที่เรียกว่า ซุปเปอร์กรานูล(supergranules)

ในขณะที่การค้นพบใหม่ได้ระบุพื้นที่ที่สร้างสวิตช์แบคขึ้นมา แต่นักวิทยาศาสตร์ก็ยังไม่ยืนยันว่าพวกมันก่อตัวขึ้นได้อย่างไร ทฤษฎีหนึ่งบอกว่าพวกมันถูกสร้างขึ้นจากคลื่นพลาสมาที่ม้วนผ่านพื้นที่นี้เหมือนกับล่องในมหาสมุทร อีกทฤษฎีบอกว่าพวกมันเกิดขึ้นจากกระบวนการระเบิดแบบหนึ่งที่เรียกว่า แม่เหล็กเชื่อมต่อใหม่(magnetic reconnection) ซึ่งคิดกันว่าเกิดขึ้นที่รอยต่อเมื่อปล่องแม่เหล็กอยู่ใกล้กัน

ขณะนี้เมื่อนักวิจัยทราบว่าจะมองหาอะไร ยานพาร์กเกอร์ที่บินเข้าใกล้มากขึ้นก็อาจจะเผยเงื่อนงำมากขึ้นเกี่ยวกับสวิตช์แบคและปรากฏการณ์ประหลาดของดวงอาทิตย์อื่นๆ ข้อมูลที่จะมาจะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์มีแง่มุมสู่พื้นที่แห่งหนึ่งที่มีความสำคัญอย่างยิ่งยวดในการทำให้โคโรน่าร้อนจัด และผลักลมสุริยะออกมาด้วยความเร็วเหนือเสียง การตรวจสอบจากโคโรนาเหล่านั้นจะเป็นสิ่งจำเป็นยิ่งยวดในการเข้าใจและทำนายสภาวะอวกาศ(space weather) แบบสุดขั้วที่สามารถรบกวนการสื่อสารโทรคมนาคม และสร้างความเสียหายให้กับดาวเทียมรอบโลกได้

Joseph Smith ผู้บริหารโครงการพาร์กเกอร์ที่สำนักงานใหญ่นาซา กล่าวว่า นี่มันน่าตื่นเต้นมากๆ ที่ได้เห็นความก้าวหน้าทางเทคโนโลจีที่นำยานพาร์กเกอร์เข้าใกล้ดวงอาทิตย์ได้มากกว่าที่เราเคยทำมา และก็สามารถส่งข้อมูลวิทยาศาสตร์ที่น่าทึ่งกลับมาได้ เราเฝ้าคอยที่จะได้เห็นว่าปฏิบัติการจะค้นพบอะไรอีกเมื่อมันเข้าใกล้ดวงอาทิตย์มากขึ้นเรื่อยๆ ในอนาคต