ผลการค้นพบใหม่ในภารกิจสำรวจดวงอาทิตย์ของอินเดีย ช่วยไขปริศนาที่ค้างคามานาน

หนึ่งในปริศนาที่มีมาอย่างยาวนานและทำให้นักวิทยาศาสตร์งุนงงมาโดยตลอด คือ เหตุใดชั้นบรรยากาศชั้นนอกของดวงอาทิตย์ หรือที่เรียกว่าโคโรนา (corona) จึงมีอุณหภูมิสูงกว่าพื้นผิวของดวงอาทิตย์หลายล้านองศา และเหตุใดโคโรนาจึงยังคงร้อนจัดเช่นนั้นได้ แม้มักเกิดการปะทุที่ทำให้สูญเสียพลังงานมหาศาลอยู่เป็นประจำ

ปัจจุบัน นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ในอินเดียกล่าวว่าผลการค้นพบล่าสุดจากอาทิตยา-แอลวัน (Aditya-L1) ซึ่งสังเกตการณ์ดวงอาทิตย์จากอวกาศเป็นภารกิจแรกของประเทศ ได้มอบเบาะแสสำคัญบางประการสำหรับการไขปริศนาเหล่านี้ โดยผลการศึกษาถูกเผยแพร่ในบทความวิชาการล่าสุดที่ตีพิมพ์ในวารสารแอสโตรฟิสิคัล จอร์นัล เลตเทอร์ส (Astrophysical Journal Letters) อันทรงเกียรติ

ศ.อาร์ ราเมช นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ด้านดวงอาทิตย์ชั้นนำของอินเดียจากสถาบันดาราศาสตร์ฟิสิกส์อินเดีย หรือไอไอเอ (Indian Institute of Astrophysics - IIA) ผู้เป็นหัวหน้าคณะวิจัย กล่าวว่า ความแปรผันของอุณหภูมิในบริเวณต่าง ๆ ของดวงอาทิตย์ขัดต่อกฎฟิสิกส์

หากผ่าดูชั้นต่าง ๆ ของดวงอาทิตย์ ลึกลงไปภายในคือแกนกลาง ซึ่งมีอุณหภูมิ 15 ล้านองศาเซลเซียส เมื่อเคลื่อนออกมาสู่พื้นผิวหรือโฟโตสเฟียร์ (photosphere) ซึ่งเป็นส่วนที่เรามองเห็นจากโลก อุณหภูมิจะอยู่ที่ประมาณ 5,500 องศาเซลเซียส ส่วนโคโรนาซึ่งเป็นชั้นบรรยากาศนอกสุดของดวงอาทิตย์และอยู่ห่างจากแกนกลางมาก มีอุณหภูมิประมาณ 2 ล้านองศาเซลเซียส และบางครั้งอาจสูงถึง 40 ล้านองศาเซลเซียส

ศ.ราเมชบอกว่าโคโรนาเป็นบริเวณที่เกิดปรากฏการณ์สภาพอากาศรุนแรง เช่น เปลวสุริยะ (solar flares) และการพ่นมวลสารจากโคโรนา (coronal mass ejections - CMEs) ซึ่งเป็นช่วงที่ดวงอาทิตย์ปลดปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาลออกสู่อวกาศ การพ่นมวลสารจากโคโรนาทำให้เกิดแสงออโรราที่งดงาม และยังอาจส่งผลกระทบต่อชีวิตบนโลกด้วยการก่อให้เกิดพายุแม่เหล็กโลก ซึ่งสามารถทำให้โครงข่ายไฟฟ้าขัดข้อง และรบกวนดาวเทียมตรวจอากาศ รวมถึงดาวเทียมสื่อสารได้

ในช่วงเวลาปกติหรือช่วงที่กิจกรรมบนดวงอาทิตย์อยู่ในระดับต่ำ ดวงอาทิตย์จะปล่อยการพ่นมวลสารจากโคโรนาวันละ 2 - 3 ครั้ง ส่วนในช่วงสูงสุดของวัฏจักรกิจกรรมสุริยะที่เกิดขึ้นทุก 11 ปี อาจเกิดเหตุการณ์ดังกล่าว 10 ครั้งหรือมากกว่านั้นภายในวันเดียว

"หากดวงอาทิตย์สูญเสียพลังงานมหาศาลเช่นนี้ไปกับการพ่นมวลสารจากโคโรนาแต่ละครั้ง และไม่มีการเติมพลังงานกลับคืนมา ดาวฤกษ์ที่เป็นศูนย์กลางของระบบสุริยะของเราก็จะสูญเสียพลังงานทั้งหมด และโลกจะเข้าสู่ภาวะเยือกแข็งรุนแรงอย่างไม่อาจย้อนกลับได้" ศ.ราเมช กล่าว

ทว่า กลับไม่มีสิ่งเหล่านั้นเกิดขึ้น เขาจึงบอกว่านั่นหมายความว่าจะต้องมีกลไกบางอย่างที่ทำให้โคโรนาสามารถรักษาอุณหภูมิที่สูงมากไว้ได้อย่างน่าพิศวง แม้จะยังไม่สามารถอธิบายได้อย่างชัดเจนก็ตามว่าทำได้อย่างไร

นักวิทยาศาสตร์อธิบายปรากฏการณ์นี้ด้วย 2 ปัจจัย ได้แก่ ประการแรก การเคลื่อนไหวในลักษณะเดือดพล่านบนพื้นผิวดวงอาทิตย์ที่เกิดขึ้นตลอดเวลา สร้างคลื่นที่พาพลังงานโคโรนาออกไปด้านนอกด้วยเมื่อคลื่นเคลื่อนตัวออกไป คล้ายกับที่คลื่นทะเลพาฟองและฟองคลื่นเข้าหาฝั่ง

ประการที่สองคือ "เส้นสนามแม่เหล็กที่พันกันยุ่งเหยิง" ในชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ ซึ่งแตกออกและเชื่อมต่อกันใหม่อยู่ตลอดเวลา โดย ศ.ราเมชกล่าวว่า การพ่นมวลสารจากโคโรนาเกิดขึ้นเมื่อเส้นสนามแม่เหล็กที่บิดเป็นเกลียวและเป็นห่วงคล้ายเปียผมเหล่านี้ขาดออกจากกัน ส่งผลให้กลุ่มพลาสมาและก๊าซที่มีสนามแม่เหล็กขนาดมหึมาถูกพ่นออกไปในอวกาศ โดยเหตุการณ์เหล่านี้มักมีต้นกำเนิดใกล้จุดมืดบนดวงอาทิตย์ ซึ่งเป็นบริเวณที่มีสีเข้มกว่าและเย็นกว่าบนพื้นผิวดวงอาทิตย์ รวมทั้งเป็นจุดที่สนามแม่เหล็กมีความเข้มข้นสูงเป็นพิเศษ

"แต่หลังจากนั้น เส้นสนามแม่เหล็กเหล่านี้จะเชื่อมต่อกันใหม่ และดวงอาทิตย์จะเติมพลังงานที่สูญเสียไปกลับคืนภายในเวลาไม่กี่ชั่วโมง" เขากล่าวเสริม

ในบทความวิชาการของพวกเขา ศ.ราเมชระบุว่าคณะวิจัยสามารถคำนวณปริมาณพลังงานที่แต่ละกลไกส่งไปยังโคโรนาได้ ซึ่งช่วยอธิบายทั้งสาเหตุที่ทำให้โคโรนามีอุณหภูมิสูงกว่าส่วนอื่น ๆ หลายเท่าตั้งแต่แรก รวมถึงวิธีที่มันใช้เพื่อรักษาอุณหภูมิ แม้จะสูญเสียพลังงานอย่างต่อเนื่องก็ตาม

เขากล่าวว่า ผลการศึกษาชี้ให้เห็นอย่างชัดเจนว่ากลไกที่สองเป็นแหล่งพลังงานหลัก

"แม้ว่าคลื่นที่เกิดจากการเคลื่อนไหวในลักษณะเดือดพล่านบนพื้นผิวดวงอาทิตย์จะสามารถสร้างและขนส่งพลังงานได้ แต่มีส่วนช่วยเพียงเล็กน้อยเท่านั้น โดยคิดเป็นเพียง 7% ของพลังงานที่ต้องการ

"ส่วนที่เหลืออีก 93% มาจากการที่ดวงอาทิตย์ปรับโครงสร้างของตัวเองใหม่ และเติมพลังงานที่สูญเสียไปกลับคืนมา"

เพื่อให้ได้มาซึ่งการคำนวณดังกล่าว ศ.ราเมชบอกว่าพวกเขาศึกษาการพุ่งออกมาของมวลสารจากชั้นโคโรนา (CME) ที่มี "พลังงานสูงมาก" ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อวันที่ 5 ส.ค. 2024 โดยบันทึกการแผ่รังสีด้วยโคโรนากราฟของอาทิตยา-แอลวัน ที่มีชื่อว่าวิซิเบิล อีมิชชัน ไลน์ โคโรนากราฟ หรือ เวลค์ (Visible Emission Line Coronagraph - Velc) หรือกล้องโทรทรรศน์สุริยะชนิดคอโรนากราฟที่ใช้ตรวจวัดเส้นการแผ่รังสีในช่วงแสงที่มองเห็นได้

"เราเห็นว่า หลังจากเกิด CME ไปแล้ว 10 ชั่วโมง เส้นสนามแม่เหล็กที่พันกันยุ่งเหยิงสามารถกลับไปยังตำแหน่งเดิมได้ พวกมันเชื่อมต่อกันอีกครั้ง และพลังงานของชั้นโคโรนาก็ได้รับการจัดระเบียบใหม่" เขากล่าว

"เรายอมรับว่าพลังงานที่เกิดจากการเคลื่อนที่แบบปั่นป่วนมีบทบาทสำคัญในเรื่องนี้ แต่เรามีหลักฐานว่าพลังงานดังกล่าวเพียงอย่างเดียว มันยังไม่เพียงพอ การศึกษาของเราแสดงให้เห็นว่าการที่เส้นสนามแม่เหล็กขาดออกและเชื่อมต่อกันใหม่ทั่วทั้งดวงอาทิตย์ เป็นแหล่งหลักที่ป้อนพลังงานส่วนใหญ่"

ศ.ราเมชกล่าวว่าข้อมูลเหล่านี้ "เป็นเกณฑ์อ้างอิงสำคัญ" สำหรับการศึกษาในอนาคตเกี่ยวกับกลไกที่อาจเป็นแหล่งกำเนิดพลังงานในชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์

"ผมคิดว่าข้อมูลเหล่านี้จะช่วยตอบคำถามพื้นฐานทางฟิสิกส์ที่ขัดต่อเหตุผล" เขากล่าว