ข่าวด้านอวกาศ และดาราศาสตร์

 เดือนเมษายน 2548  

สมาชิกเก่าตีพิมพ์ในวารสาร  Nature

            Thai graduate of our group publishes in Nature    

 April 29, 2005

เมื่อวันที่ 17 ก.พ. 2548  วารสาร  Nature  ซึ่งเป็นวารสารชื่อดังที่สุดของโลกที่ตีพิมพ์บทความวิจัยทางวิทยาศาสตร์ทุกสาขาได้ตีพิมพ์เรื่องทางฟิสิกส์อวกาศ Morphological differences between Saturn’s ultraviolet aurorae and those of Earth and Jupiter เป็นเรื่องแสงเหนือใต้ (aurorae) ของดาวเสาร์โดยมี  น.ส. สุวิชา วรรณวิเชียร ร่วมเป็นผู้เขียน น.ส. สุวิชา เป็นศิษย์เก่าที่ทำวิทยานิพนธ์ปริญญาโทที่กลุ่มเรา ปัจจุบันเป็นนักศึกษาปริญญาเอกที่  Boston University สหรัฐอเมริกาซึ่งมีส่วนร่วมในการวิเคราะห์ข้อมูลจากยานอวกาศ คาสสินี ที่เพิ่งเดินทางถึงดาวเสาร์ (ดูบทความข่าวในภาษาไทย บทที่ 1 ,บทที่ 2 )

     "สุดขอบฟ้ายามค่ำคืน แสงสีเขียว ฟ้า เรืองรองข้ามขอบฟ้าจากทิศเหนือ  ก่อเกิดผ้าม่านแห่งแสง เคลื่อนไหวและหมุนเวียนเบื้องบน เมื่อแสงจางความมืดกลับมาเยือนอีกครั้ง " ( Mish Denlinger )

ออโรร่า เกิดขึ้นได้อย่างไร

     ออโรร่า (Aurora)  เกิดขึ้นเมื่อ อนุภาคประจุ (อิเลคตรอน, อะตอม หรือ โมเลกุล ที่สูญเสียอิเลคตรอน) พลังงานสูง ชนกับอนุภาคต่างๆ ในชั้นบรรยากาศที่อยู่สูงขึ้นไป อนุภาคเหล่านั้นได้รับพลังงานและกลายเป็นอนุภาคที่ไม่เสถียร (excited) เพื่อกลับมาสู่ภาวะสมดุล อนุภาคจึงปลดปล่อยพลังงานออกมาในลักษณะของแสง ซึ่งจะเป็นสีอะไรนั้นขึ้นอยู่กลับชนิดและโครงสร้างของอนุภาค รูปที่ 1 หรือที่เราเรียกว่าแถบสีสเปกตรัม (spectrum) เช่น สีเหลืองจากโซเดียม (Na เราพบในเกลือ) สีส้มจากนีออน (Neon ก็าซที่อยู่ในหลอดไฟนีออน) ไฮโดรเจนและฮีเลียม ให้สีฟ้าและม่วง  ก็าซต่างๆ เหล่านี้อยู่ที่ความสูงในชั้นบรรยากาศต่างกัน สีที่เรามองเห็นสามารถบอกได้ถึงแหล่งกำเนิดของออโรร่าอีกด้วย เช่นสีแดงจากออกซิเจนบอกได้ถึงแหล่งกำเนิดที่ ความสูงประมาณ 300 กม. ณ ชั้นบรรยากาศที่เรียกว่า ไอไอโนสเฟียร์ (ionosphere), โมเลกุลออกซิเจนที่หนักขึ้น ให้แสงสีเหลืองเขียว ที่ 100-300 กม.

รูปที่ 1

ออโรร่าเกื่ยวอะไรกับสภาวะอวกาศ (space weather)

      เรารู้แล้วว่าออโรร่าเกิดจากการชนกันของอนุภาคพลังงานสูงกับอนุภาคในบรรยากาศ  อนุภาคพลังงานสูงขนาดนั้นไม่สามารถกำเนิดได้ในโลก แหล่งพลังงานที่ใกล้ที่สุดคือ ดวงอาทิตย์

     อนุภาคพลังงานสูงได้เดินทางจากดวงอาทิตย์ในภาวะที่เราเรียกว่า ลมสุริยะ (solar wind) ผิวชั้นนอกของดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิที่สูง (100000 เซลเซียส ) และประกอบด้วยก็าซที่มีความหนาแน่นสูง เป็นแหล่งกำเนิดที่สมบูรณ์ของอนุภาคพลังงานสูง 

     ทำไมออโรร่าถึงเกิดในบริเวณที่ใกล้กับขั้วโลก ? คำตอบก็คือสนามแม่เหล็กของโลก รูปที่ 2 สนามแม่เหล็กของโลกมีบทบาทสำคัญในการป้องกันเราจากอนุภาคพลังงานสูงปริมาณมาก อย่างไรก็ตามอนุภาคส่วนหนึ่งยังคงสามารถเดินทางเข้ามาในโลก ด้วยคุณสมบัติของสนามแม่เหล็ก อนุภาคที่ถูกขังในสนามแม่แหล็กชั้นนอก หรือเรียกว่า แมกเนโตสเฟียร์ (magnetosphere) สามารถผ่านเข้ามาในบริเวณของขั้วโลก จะมีปริมาณมากน้อยขนาดไหน ขึ้นอยู่กับสภาวะของลมสุริยะ (พลังงานและความหนาแน่น)

รูปที่ 2

ออโรร่าที่โลกกับดาวเสาร์ต่างกันอย่างไร 

     ถึงแม้เราจะมีสนามแม่เหล็กโลกป้องกันการชนโดยตรงจากลมสุริยะ อย่างไรก็ตามสนามแม่เหล็กโลกมิได้แข็งแรงมากพอที่จะป้องกันทุกๆ อนุภาค ขั้วโลกจึงเหมือนเป็นประตูทางเข้าที่อนุภาคพลังงานสูงสามารถ แทรกผ่านเข้ามาได้ ด้วยเหตุนี้เมื่อสภาวะของลมสุริยะต่างๆกัน พลังงานของออโรร่า (ซึ่งแปรผันตามความสว่าง) ก็จะเปลี่ยนตามสภาวะของลมสุริยะ

   ตรงกันข้ามกับดาวพฤหัส ซึ่งเป็นดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ บรรจุด้วยก็าซความหนาแน่นสูง และร้อนมาก ก็าซบางส่วนจึงสูญเสียอิเลคตรอนโดยง่ายกลายเป็นอนุภาคไอออน สภาวะผสมระหว่างไอออนและอิเล็คตรอน อาจเรียกได้ว่าเป็นสภาวะที่สี่ของอนุภาคหรือเรียกว่าพลาสมา (plasma)  สนามแม่เหล็กที่เกิดจากการหมุนของดาวเคราะห์ก็าซขนาดใหญ่จึงมีปริมาณสูงมาก และออโรร่าสามารถเกิดได้ด้วยอนุภาคพลังงานสูงจากพลาสมาในชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์เอง พลังงานของออโรร่ามีปริมาณสูงมากจะเทียบได้กับออโรร่าที่เกิดจากลมสุริยะ สนามแม่เหล็กที่แข็งแรงก็เปรียบเสมือนกำแพงที่แข็งแกร่งจากอนุภาคภายนอก

   ดาวพฤหัสที่มีขนาดใหญ่กว่าดาวเสาร์ มีออโรร่าที่ค่อนข้างเสถียร ไม่ค่อยจะเปลี่ยนมากนักเมื่อสภาวะของลมสุริยะเปลี่ยนไป นักวิทยาศาสตร์จึงได้ทำนายว่าออโรร่าของดาวเสาร์ควรจะมีสถานะที่เสถียรน้อยกว่าออโรร่าที่ดาวพฤหัส แต่ควรจะเสถียร์มากกว่าออโรร่าที่เกิดบนโลกของเรา

   กลุ่มวิจัยซึ่งนำโดยศาสตราจารย์ จอห์น คลาร์ก (Prof. John Clarke) ณ มหาวิทยาลัย บอสตัน (Boston University) ได้มีโอกาสพิสูจน์ข้อสมมุติฐานนี้ในเดือนมกราคม พ.ศ. 2547 ด้วยการให้ยานอวกาศฮับเบิล (Hubble Space Telescope) ถ่ายภาพออโรร่าของดาวเสาร์ (ขั้วใต้) ในช่วงความถี่อัลตราไวโอเลต (EUV)  รูปที่ 3 จากการคำนวณเราได้พบว่าออโรร่าของดาวเสาร์มีลักษณะที่เปลี่ยนไปตามสภาวะของลมสุริยะ (ดูได้จากรูป j และ k ซึ่งเราได้รับข้อมูลจากยานอวกาศ Casini ว่าลมสุริยะมีพลังงานสูงในช่วงนั้น) แต่ออโรร่าของดาวเสาร์มีลักษณะเสถียรมากขึ้นเมือลมสุริยะมิได้มีพลังงานสูงนัก (รูป b และ c ) ข้อสมมุติฐานที่ตั้งไว้จึงได้รับการพิสูจน์ว่าค่อนข้างเป็นไปได้

รูปที่ 3

   ยังมีความรู้เกี่ยวกับออโรร่าอีกมากมายที่รอการพิสูจน์ เราได้แต่เพียงหวังว่าจะเข้าใจคุณสมบัติของแสงอันสวยงามนี้มากขึ้นในอนาคต

สุวิชา  วรรณวิเชียร

reference:

1. http://www.exploratorium.edu/learning_studio/auroras/auroraslook.html

2. Clarke, J. T., et. al., Nature, 433, 717-719 (2005)

[home] [about us] [staff members] [alumni] [news] [articles & presentations] [research papers] [Princess Sirindhorn neutron monitor] [FAQs] [glossary] [links] [contact us] [academic activities]