Stardust Memory

ความเดิมตอนที่แล้ว  คลิกไปอ่านได้เลยที่ ตอนที่ 1

ตอนนี้เราพามารู้จัก สนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์กันก่อน  อย่างที่ทราบกันดีว่าสสารในเอกภพ "เท่าที่เรามีความรู้ แบ่งออกเป็น 4 ชนิด" ได้แก่    ของแข็ง(solid)  ของเหลว(liquid) ก๊าซ(gas) และพลาสมา(plasma)

credit : www-fusion-magnetique.cea.fr

โดยปกติอะตอมหรือโมเลกุลของแข็งนั้นจับตัวกันอย่างเป็นระเบียบ ส่วนของเหลวจะเริ่มยึดโยงกันไม่ค่อยได้ึจึงไหลไปไหลมา อีกเนื่องจากพลังงานความร้อนจากภายนอกที่ให้เข้าไป   และเมื่อให้พลังงานกับของเหลวมากเสียจนแต่ละอะตอมหรือโมเลกุมีพลังงานมากพอที่จะแยกออกจากกันและกัน เรียกว่าเป็นก๊าซ      เมื่ออะตอมหรือโมเลกุลก๊าซได้รับพลังงานมากขึ้นไปอีก  อิเลคตรอนก็จะหลุดจากนิวเคลียส ทำให้นิวเคลียสกลายเป็นไอออน วิ่งไปวิ่งมาปะปนกับไปอิเลคตรอน  จึงเรียกสถานะนี้ว่า พลาสมา 

Image courtesy of NASA.

ดวงอาทิตย์ประกอบด้วยก๊าซและพลาสมาโดยมีแกนกลางเป็นบริเวณที่เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันหลอมนิวเคลียสธาตุเบาให้กลายเป็นธาตุหนัก โดยธาตุหนักจะจมเข้าไปในแกนกลางเพื่อไปหลอมรวมในปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันแบบอื่นๆ ทีต้องใช้ธาตุหนักเป็นวัตถุดิบ  ส่วนด้านนอกของแกนก็เป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบง่ายๆ ที่ใช้ ไฮโดรเจนเป็นวัตถุดิบ   ถัดออกไปเป็นชั้นพาพลังงานด้วยการแผ่รังสี(Radiative zone) และนอกสุดคือชั้นพาพลังงานด้วยการพา(Convective Zone) ซึ่งคาดว่า "พลาสมาและก๊าซมีประุจุภายในชั้น convection zone นี่เองที่เป็นต้นกำเนิดของสนามแม่เหล็กดวงอาทิตย์ ตลอดจนสนามแม่เหล็กของดาวฤกษ์คล้ายดวงอาทิตย์อื่นๆ(sun-like star)

การเคลื่อนที่ของพลาสมา(อันประกอบด้วยประจุบวกและลบ)ในชั้น convection ก็เหมือนกับกระแสไฟฟ้าที่วิ่งเป็นบ่วง จนเกิดสนามแม่เหล็กขั้วเหนือใต้ออกมาจากดวงอาิทิตย์  โดยทั่วไปหากไม่มีอะไรซับซ้อนสนามแม่เหล็กก็จะออกจากขั้วเหนือพุ่งเข้าขั้วใต้ตามปกติเหมือนแท่งแม่เหล็ก หรือสนามแม่เหล็กโลกดังภาพด้านล่าง   แต่สำหรับดวงอาทิตย์หาได้รวบรัดง่ายดายไม่....... 

Credit: Peter Reid 2007

ความจริงไม่ได้รวบรัดง่ายดาย สาเหตุที่สนามแม่เหล็กมีความซับซ้อนยิ่งกว่าแม่เหล็กธรรมชาติอื่นๆ เป็นเพราะความพลุ่งพลานของดวงอาทิตย์นั่นเอง

1. Differential Rotation  เนื่องจากผิวดวงอาทิตย์ไม่ใช่ของแข็ง หากแต่เป็นก๊าซและพลาสมา ที่แต่ละละติจูด สามารถหมุนรอบดวงอาทิตย์ด้วยอัตราเร็วต่างกัน โดยเฉพาะเส้นศูนย์สูตรจะหมุนเร็วที่สุด

credit: Addison Wesley

 Edit เพิ่มเติม สาเหตุที่ทำให้เกิด  differential rotation ซึ่งมีสมมติฐานต่างๆ ดังนี้(ยังไม่มีข้อสรุปแน่ชัด)

• ในขั้นตอนที่มวลสารก่อนกำเนิดดวงอาทิตย์ยังเป็นแผ่นวงแหวนอยู่ มีโมเมนตัมเชิงมุมที่ัยังถูกอนุรักษ์ไว้  ส่วนที่หมุนช้า(ซี่งอยู่รอบใน) กลายเป็นส่วนละติจูดใกล้ๆ ขั้วดวงอาทิตย์ ส่วนที่หมุนเร็วกว่า(รอบนอกถัดออกไป) กลายเป็นผิวบริเวณศูนย์สูตร ซึ่งมีโมเมนตัมเชิงมุมมากที่สุดจึงหมุนเร็วกว่าเพื่อน

• การพา(convection)ความร้อนในชั้น convection ของดวงอาทิตย์  ซึ่งเป็นกลุ่มมวลที่พาพลังงานความร้อนจาก Radiation zone ของดวงอาทิตย์แล้ว  ยังได้พา"โมเมนตัมเชิงมุม" บางส่วนจากภายในแกนกลางออกมายังผิวนอกอีกด้วย โดยบริเวณศูนย์สูตรได้รับโมเมนตัมเชิงมุมที่มากที่สุดมาก(จึงหมุนได้เร็วที่สุด)

• เกิดจากความแตกต่างของอุณหภูมิของผิว photosphere ในบริเวณใกล้เคียงกันเอง 

ซึ่งผลของการเคลื่่อนที่ของพลาสมาบนผิวก็จะเหมือนกระแสไฟฟ้าไหล บริเวณเส้นศูนย์สูตรดวงอาทิตย์พลาสมาหมุนรอบดวงอาทิตย์เร็วที่สุดจึงเสมือนว่ามีกระแสไฟฟ้าไหลแรงที่สุด  เส้นสนามบริเวณศูนย์สูตรจึงถูกฉุดให้ไปตามทิศทางการหมุนรอบัวเองของดวงอาทิตย์ ดังภาพกลาง   

credit:www.konkoly.hu/

 เมื่อเส้นสนามที่ผิวดวงอาทิตย์ถูกฉุดลากมากเข้า หลายๆรอบ เส้นสนามก็จะทักทอหรือบิดเป็นเกลียว  กลายเป็นบ่วงสนามแม่เหล็ก(magnetic loop)  โดยดูเหมือนมีปลายสองข้างอยู่ที่ชั้น  photosphere โดยปลายสองข้างนั้ก็คือ จุดมืด(sunspot) ที่มีอุณหภูมิประมาณ 4000 K ในขณะที่ผิว photosphere ของดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิ 5500 ถึง 6000 K (ซึ่งตามทฤษฎีการเปล่งรังสีของวัตถุดำ อุณหภูมินี้จะทำให้ดาวฤกษ์เปล่งสีเหลืองเข้มข้นกว่าสีอื่นๆ เราจึงมองเห็นดวงอาทิตย์เป็นสีเหลือง)   

credit:

Windows to the Universe original artwork by Randy Russell using an image from NASA.

 จุดมืดมักอยู่กันเป็นคู่ๆ กันใกล้ๆ จุดหนึ่งเป็นขั้วเหนือ(N) สนามแม่เหล็กมีทิศพุ่งออก อีกจุดเป็นขั้วใต้(S)สนามแม่เหล็กพุ่งเข้า  

2. ลมสุริยะ(solar wind)    ลมสุริยะคือกระแสของอนุภาคมีประจุ  อย่างเช่นโปรตอน และอิเลคตรอน พลังงานประมาณ 1,000 eV  ซึ่งมากพอที่จะใช้หนีพ่อตา เอ๊ย!!!  หนีออกมาจากชั้นบรรยากาศส่วนบนของดวงอาทิตย์   ลมสุริยะมีอัตราเร็วเปลี่ยนแปลง แต่โดยเฉลี่ยแล้วอยู่ที่ 400 km/s  ลมสุริยะเป็นกระแสอนุภาคมีประจุที่ออกมาจากดวงอาทิตย์ตลอดเวลา จึงทำหน้าที่เสมือนกระแสไฟฟ้าไปในตัว  ลมสุริยะจึงลากเอาเส้นสนามของดวงอาทิตย์ออกมาเป็นเกลียวเรียกว่า Archimedean Spiral 

credit:lessons.astrology.com

นี่คือเส้นสนามแม่เหล็กแบบเกลียวที่ถูกลมสุริยะหรือกระแสอนุภาคมีประจุลากออกมา ในภาพมีทั้งแบบเส้นสนามพุ่งเข้าและออก

ผมจะไม่ลงลึกในรายละเอียดของจุดมืดหรือกิจกรรมทางแม่เหล็กอื่นๆ ของดวงอาทิตย์นะครับ เพราะไม่ใช่ประเด็นที่ต้องการนำเสนอ   เนื่องจากห้องแลบผมสนใจปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นภายหลังจากเกิด "พายุสุริยะ(solar storm) ซึ่งรุนแรงกว่า ลมสุริยะ   โดย  จุดมืด(spot) กับ เส้นสนามแบบเกลียวนี้ เป็นองค์ประกอบสำคัญที่ทำให้กระแสอนุภาคพลังงานสูงของพายุสุริยะเดินทางมาถึงโลกได้

 พายุสุริยะ ซึ่งเกิดใกล้ผิวดวงอาทิตย์ และเร่งพลังงานจลน์ของ อนุภาคให้สูงขึ้นได้นั้น ได้แก่  การลุกจ้า(Flare)  การปล่อยมวลโคโรนา(Coronal Mass Ejections:CME)  

สายงานหนึ่งที่ทำในแลบคือการศึกษาการเคลื่อนที่ของอนุภาคพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์(Solar Energetic Particles)  ( 10 KeV ถึง 1 GeV)  ซึ่งอาจมีที่มากจาก การลุกจ้า  CME หรือการเร่งที่หน้าคลื่นกระแทกแบบต่างๆ 

credit:www.swri.org

ในภาพสมมติว่าเกิดการลุกจ้าที่ผิวดวงอาทิตย์ อนุภาคหลายชนิดจะถูกเร่งให้มีพลังงานสูงขึ้น สำหรับอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้าอย่าง นิวตรอน ก็จะเดินทางออกมาจากดวงอาทิตย์ได้เลยโดยไม่ต้องให้ใครพามา(โดดเดี่ยวแต่ไม่เดียวดาย)  ส่วนอนุภาคมีประจุที่ถูกเร่งจนพลังงานสูง  จะเดินทางแบบวิ่งเป็นเกลียว(สีแดง) ตามเส้นแรงแม่เหล็ก(สีเหลือง)  ออกมา ราวกับรถไฟหัวกระุสุนที่วิ่งมาตามราง   

Note ก่อนงง

credit:http://www.jupiterradio.com/jove-emission.php

ภาพซ้ายมือแสดงประจุไฟฟ้าลบ ที่มีความเร็วตั้งฉากกับเส้นสนามแม่เหล็ก แรงลอเรนซ์จะทำให้มันวิ่งวนเป็นวงกลม  เหมือนในฟิสิกส์ ม.ปลาย บานเรา   แต่ในภาพขวาประจุไฟฟ้าลบมีความเร็วไม่ตั้งฉากกัีบเส้นสนาม  มันจะเคลื่อนที่ตามเส้นสนามพร้อมๆ เกลียวไปรอบๆ เส้นสนาม

และถ้าหากโลกตัดผ่านเข้าไปในเส้นแรงแม่เหล็กแบบเกลียวของดวงอาทิตย์ที่พาอนุภาคพลังงานสูงมาล่ะก็    โลกก็ต้องเผชิญกับอันตรายจากอนุภาคพลังงานสูงเหล่านี้ เช่น ความเสียหายของดาวเทียมสื่อสาร ดาวเทียมสำรวจทรัพยากร  ดาวเทียม GPS  มนุษย์อวกาศ(ที่ปฎิบัติภารกิจนอกยานอวกาศ)  โรงไฟฟ้า ระบบสายส่งไฟฟ้า  การส่งสัญญาณผ่านคลื่นวิทยุ เป็นต้น

 แต่ก่อนที่จะมันจะมาถึงหรือมาถึงแล้ว โลกนักวิทยาศาสตร์ได้สร้างเครื่องมือเฝ้าสังเกตกิจกรรมของดวงอาทิตย์ ไว้ทั้งในอวกาศ อย่างเช่น กล้อง SOHO,STEREO, ACE เป็นต้น หรือแม้แต่บนโลกอย่าง  Neutron Monitor , Muon Monitor เป็นต้น 

ที่แลบของผม เราใช้ข้อมูลจาก Neutron Monitor ที่กระจายอยู่ทั่วโลก  นำมาศึกษารูปแบบการปลดปล่อยอนุภาคจากดวงอาทิตย์  รูปแบบสนามแม่เหล็ก   โดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วยเปรียบเทียบข้อมูลกับแบบจำลองทางทฤษฎี     เพื่อทำความเข้าใจพฤติกรรมของอนุภาคเหล่านี้ระหว่างที่มันเดินทางตามเส้นสนามแม่เหล็ก มาที่โลกอย่างไร  ความรู้ที่ได้จะช่วยปรับปรุง ทฤษฎีและการคาดคำนวณว่า หลังจากเกิดพายุสุริยะที่ผิวดวงอาทิตย์(ดาวเทียมจะจับภาพหรือรับข้อมูลได้ก่อน)  จะมีเวลาอีกเท่าไหร่ที่มันจะมาถึงโลก  และส่งคำแจ้งเตือนการเกิดพายุสุริยะไปยังผู้เกี่ยวข้อง เช่น ผู้ควบคุมดาวเทียม(ให้เปลี่ยนสถานะดาวเทียมเป็น sleep)  มนุษย์อวกาศ(หยุดปฏิบัติการณ์)  เครื่องบินโดยสารที่บินสูง(เปลี่ยนระดับความสูง)  โรงไฟฟ้า(ลดทอนกำลังการผลิต หรือหยุดการทำงานชั่วคราว)  เพื่อป้องกันความเสียหายที่ร้ายแรงยิ่งกว่า  

คณาจารย์จาก ม.มหิดล จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย,ม.อุบลราชธานี  และ University of Delaware

วันหลังจะมาเล่าเรื่องของ นิวตรอนมอนิเตอร์ ที่นอกจากจะใช้ตรวจวัดอนุภาคพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์แล้ว ยังสามารถตรวจวัดอนุภาคพลังงานสูงจากนอกระบบสุริยะได้ด้วย  โดยเฉพาะประเทศไทย ที่พึ่งติดตั้ง สถานีตรวจวัดนิวตรอนแห่งแรกของประเทศ บนยอดดอยอินทนนท์ ภายในสถานีเรดาร์กองทัพอากาศไทย  ในนาม "สถานีตรวจวัดนิวตรอนสิรินธร" ซึ่งเปิดเครื่องทำงานเก็บข้อมูลมาตั้งแต่สิงหาคม 2550)  แต่ได้เปิดอย่างเป็นทางการไปเมื่อ 20 มกราคม 2551      

โครงการนี้เป็นความร่วมมือของ มหาวิทยาลัยมหิดล จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย และมหาวิทยาลัยอุบลราชธานี   นิวตรอนมอนิเตอร์ได้รับบริจาคจากมหาวิทยาลัยชินชู ประเทศญี่ปุ่น  รวมทั้งความช่วยเหลือทางด้านเทคนิคจาก  สถาบันวิจัยบาร์ทอล  ภาควิชาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ มหาวิทาลัยแห่งเดลาแวร์

edit @ 31 Aug 2008 17:15:34 by Eddalion