ปริศนาอาทิตย์

ถึงแม้มนุษย์จะรู้จักดวงอาทิตย์มานานร่วมแสนปี แต่เราก็ยังไม่เข้าใจดวงอาทิตย์ดีเลย ดวงอาทิตย์ที่เคยทรงความลึกลับสำหรับคนอดีต ก็ยังคงดำรงตัวลึกลับสำหรับคนปัจจุบันอยู่ต่อไป 

ตั้งแต่สมัยดึกดำบรรพ์ มนุษย์ได้เฝ้าดูดวงอาทิตย์ขึ้น และตกด้วยความพิศวงและสงสัยในธรรมชาติของมัน ชาวอียิปต์เมื่อ 4,000 ปีก่อนได้เคยเชื่อว่า ในยามดวงอาทิตย์ตกลับฟ้า เทพธิดา Nut จะทรงอ้าพระโอษฐ์ กลืนดวงอาทิตย์ลงพระนาภี 

แล้วทรงคลอดดวงอาทิตย์ดวงใหม่ เมื่อถึงเช้าของวันต่อมา Aristotle นักปราชญ์ที่มีชื่อเสียงที่สุดของกรีกโบราณ ก็ได้เคยพร่ำสอนว่าดวงอาทิตย์ คือลูกไฟดวงใหญ่ที่สว่างไสวบนฟ้า และเจิดอย่างไม่มีวันดับ Anaxagoras ปราชญ์กรีกอีกท่านหนึ่ง ได้เคยประมาณขนาดของดวงอาทิตย์ว่า มีเส้นผ่าศูนย์กลางยาวเพียง 160 กิโลเมตรเท่านั้นเอง

การตระหนักในความสำคัญของดวงอาทิตย์ ต่อสรรพชีวิตบนโลกได้เกิดขึ้นในปี พ.ศ. 2086 เมื่อ Nicolaus Copernicus ได้พบว่าโลกมิได้เป็นศูนย์กลางของจักรวาล และโลกต่างหากที่โคจรไปรอบดวงอาทิตย์ การค้นคว้าหาความรู้เกี่ยวกับดวงอาทิตย์ จึงได้เกิดขึ้นอย่างจริงจังตั้งแต่นั้นมา

ปัจจุบันเรารู้ว่าดวงอาทิตย์อยู่ห่างจากโลก เป็นระยะทางโดยเฉลี่ย 149 598 023 กิโลเมตร และโลกโคจรรอบดวงอาทิตย์หนึ่งรอบ โดยใช้เวลานาน 365.253366 วัน ด้วยความเร็ว 107.220 กิโลเมตรต่อชั่วโมง นักวิทยาศาสตร์ยังรู้อีกว่าขณะนี้ดวงอาทิตย์หนัก 1.9889 x 10²⁷ตัน ซึ่งนับว่าหนักกว่าโลก ราว 332 946 เท่า มีเส้นผ่านศูนย์กลางยาว 1 392 140 กิโลเมตร และมีอุณหภูมิที่จุดศูนย์กลาง สูงถึง 15 430 000 องศาเซลเซียส (วัตถุที่มีขนาดเล็กเท่าหัวเข็มหมุด หากมีอุณหภูมิสูงมากเช่นนี้ สามารถแผ่ความร้อนเผาคนที่ยืนอยู่ห่างออกไป 300 กิโลเมตรให้เกรียมตายได้สบาย ๆ ) ในการเปล่งแสง และปลดปล่อยพลังงานความร้อนมหาศาลเช่นนี้ ดวงอาทิตย์ได้เผาผลาญธาตุไฮโดรเจน ที่มีอยู่ในตัวมันวินาที ละ 4 ล้านตัน การสูญเสียมวลที่มาก และอย่างตลอดเวลา เช่นนี้ได้ทำให้เรารู้ว่าในอีก 5,000 ล้านปีข้างหน้าดวงอาทิตย์ของเราก็จะดับ

นักวิทยาศาสตร์ได้คำนวณเหตุการณ์ที่ดวงอาทิตย์จะดับว่า เมื่อไฮโดรเจนที่มีบนดวงอาทิตย์ถูกหลอมรวม เป็นฮีเลียมโดยปฏิกิริยา fusion ไปเรื่อย ๆ (ปฏิกิริยา fusion คือปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่ธาตุเบารวมตัวกันเป็นธาตุหนักแล้วปลดปล่อยพลังงานออกมา) ดังนั้นบริเวณแกนของดวงอาทิตย์ จะมีฮีเลียมสะสมมากขึ้น ๆ และบริเวณนอกแกนก็จะมีไฮโดรเจนน้อยลง ๆ ในขณะเดียวกันดวงอาทิตย์ ก็จะมีขนาดใหญ่ขึ้น ๆ จากนั้นอุณหภูมิที่ผิวของดวงอาทิตย์ ซึ่งปัจจุบันสูงถึง 6,000 องศาเซลเซียสก็จะลดลง ๆ พอผิวดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิลดถึง 2,500 องศาเซลเซียส ดวงอาทิตย์ก็จะกลายสภาพ เป็นดาวยักษ์แดง (red giant) ที่มีขนาดใหญ่กว่าปัจจุบันถึง 50 เท่า (คนที่มีชีวิตอยู่ขณะนั้น จะเห็นดวงอาทิตย์ใหญ่เท่าสนามบาสเก็ตบอล) และสว่างมากกว่าปัจจุบันถึง 300 เท่า เพราะขณะนั้นอุณหภูมิที่จุดศูนย์กลางของดวงอาทิตย์ จะสูงถึง 100 ล้านองศาเซลเซียสแล้ว แต่ในเวลาเดียวกันมวลของดวงอาทิตย์ ได้ลดหายไปแล้วถึง 30% เมื่อมวลหายไปเช่นนี้ แรงดึงดูดที่ดวงอาทิตย์กระทำต่อโลก ก็ลดตามไปด้วย จึงมีผลทำให้โลก โคจรถอยห่างออกไปอยู่ไกลจากดวงอาทิตย์ประมาณ 40% ดังนั้นถึงแม้ดวงอาทิตย์จะมีขนาดใหญ่มาก จนกลืนดาวพุธและดาวศุกร์ที่มีวงโคจรใกล้มันเข้าไปในตัวแล้วก็ตาม แต่มันก็ไม่สามารถจะกลืนโลกเราได้ และเมื่อถึงเวลานั้นสิ่งมีชีวิตบนโลกทุกชนิด จะไม่มี เพราะโลกจะร้อนเหมือนนรก มหาสมุทรจะแห้งขอด เมฆบนฟ้าจะถูกแสงอาทิตย์แผดเผา จนหายไปในอวกาศ และเมื่อดวงอาทิตย์เผาเชื้อเพลิงไฮโดรเจนในตัวหมด ดวงอาทิตย์ก็จะเริ่มสลัวลง ๆ จนดับไปในที่สุด

เท่าที่กล่าวมานี้ เป็นการคำนวณจากทฤษฎีที่เรามีเกี่ยวกับดวงอาทิตย์ ในปัจจุบัน แต่ถึงแม้ มนุษย์จะรู้จักดวงอาทิตย์ มานานร่วมแสนปี แต่เราก็ยังไม่เข้าใจดวงอาทิตย์เลย

ดวงอาทิตย์ที่เคยทรงความลึกลับสำหรับคนอดีต ก็ยังคงดำรงตัวลึกลับสำหรับคนปัจจุบันอยู่ต่อไป ทั้งนี้เพราะเรายังไม่รู้กลไก ที่ทำให้ดวงอาทิตย์มีสนามแม่เหล็กในตัวของมัน ซึ่งสนามแม่เหล็กความเข้มสูงนี้มีบทบาทมาก ในการทำให้เกิดการระเบิดที่ผิวดาว เรายังไม่เข้าใจว่า เหตุใดจุดดับของดวงอาทิตย์(sunspot) จึงมีสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงกว่า สนามแม่เหล็กโลกราว 1,000 เท่า และเหตุใดจุดดับเหล่านี้ จึงมีการเกิดและการดับไปทุก ๆ 11 ปี เรายังไม่รู้โครงสร้างภายในของดวงอาทิตย์อย่างละเอียด และลมสุริยะ(solarwind) ที่ประกอบด้วย อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าพลังงานสูงนั้น เกิดได้อย่างไร ฯลฯ

ในการที่จะตอบปัญหาเหล่านี้ องค์การ NASA ของสหรัฐฯ และองค์การอวกาศของยุโรป (European Space Agency) ได้ร่วมมือกันปล่อยดาวเทียมที่หนัก 2 ตันดวงหนึ่งชื่อ Solar and Heliopheric Observatory หรือที่เรียกสั้น ๆ ว่า SOHO ขึ้นฟ้า เมื่อวันที่ 2 ธันวาคม พ.ศ. 2538 ดาวเทียมดวงนี้อยู่ห่างจากโลกประมาณ 1.5 ล้านกิโลเมตร และโคจรไปรอบดวงอาทิตย์พร้อมกับโลก จุดเด่นพิเศษของ SOHO คือสามารถตรวจสอบดวงอาทิตย์ได้ตลอดเวลา 24 ชั่วโมง บนดาวเทียม SOHO มีอุปกรณ์วิทยาศาสตร์สำหรับ 12 การทดลอง และอุปกรณ์เหล่านี้สามารถทำงานได้นาน 10 ปี

คำถามหนึ่งที่นักวิทยาศาสตร์ต้องการคำตอบคือ การแปรปรวนของความสว่างที่ดวงอาทิตย์เปล่งออกมามีบทบาทเพียงใดหรือไม่ในการทำให้ดินฟ้าอากาศของโลกเปลี่ยนแปลงเพราะเมื่อประมาณ 15 ปีก่อนนี้ ดาวเทียมที่ถูกส่งขึ้นไปบันทึกความสว่างของดวงอาทิตย์ได้รายงานข้อมูลลงมาว่า ดวงอาทิตย์ได้รายงานข้อมูลลงมาว่า ดวงอาทิตย์เปล่งแสงให้ความสว่างอย่างไม่สม่ำเสมอ คือแปรปรวนประมาณ 0.1 % ทุก ๆ 11 ปี นักอุตุนิยมวิทยาจึงมีความสงสัยว่าความสว่างที่ไม่สม่ำเสมอนี้ผลกระทบเพียงใดกับปรากฏการณ์เรือนกระจกที่ทุกคนกังวล เพราะเหตุว่ากระบวนการวัดความสว่างครั้งนั้นให้ข้อมูลในช่วงเวลาสั้น ๆ เท่านั้นเอง ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงไม่มั่นใจพอที่จะสรุปว่าความสว่างของดวงอาทิตย์ที่กำลังแปรปรวนขณะนี้ทำให้เกิดปรากฏการณ์เรือนกระจกจริง

ในวารสาร Science ฉบับวันที่ 26 กันยายน ที่ผ่านมานี้ R.Willson แห่งมหาวิทยาลัย Columbia ในสหรัฐอเมริกา ได้รายงายว่าข้อมูลที่ได้จาก SOHO และข้อมูลที่ได้จากดาวเทียมดวงอื่น ๆ ทำให้เขาก็รู้ว่าในช่วงปี 2529 – 2539 นั้น ดวงอาทิตย์ของเราได้สว่างขึ้น 0.036% หากความแปรปรวนที่วัดได้นี้มีจริงมันก็จะมีอิทธิพลทำให้บรรยากาศของโลกมีอุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้น 0.4 องศาเซลเซียสในอีก 100 ปีข้างหน้า แต่เมื่อ R.Lee แห่งศูนย์ วิจัยที่ LANGLEY ในสหรัฐอเมริกาได้วิเคราะห์ข้อมูลที่ Willson ใช้เขาได้พบว่าความสว่างที่ Willson อ้างว่าเพิ่มมากนั้นจริง ๆ แล้วเพิ่มเพียง 0.007% เท่านั้นเอง ซึ่งการเพิ่มที่น้อยนิดเช่นนี้หากเราพิจารณาความคลาดเคลื่อนในการวัดก็จะเท่ากับว่าไม่เพิ่มเลย

C. Frohlich แห่ง Physico-Meteorological Observatory Davos and World Radiation Center ที่สวิตเซอร์แลนด์กล่าวตัดสินว่าข้อมูลที่ได้ขณะนี้ยังไม่เพียงพอที่จะสรุป เรายังต้องการเวลาที่จะวัดความสว่างต่ออีกอย่างน้อยก็ 10 ปีจึงจะรู้ชัด

นอกจากประเด็นความสว่างที่กำลังเป็นปริศนาแล้ว นักฟิสิกส์ก็รู้อีกว่า เขายังไม่เข้าใจปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่กำลังเกิดบนดวงอาทิตย์ขณะนี้ดี เพราะเวลาเกิดปฏิกิริยาหลอมรวมธาตุไฮโดรเจน จะมีอนุภาคเล็ก ๆ ชื่อ นิวตริโน (neutrino) เกิดขึ้นด้วย นิวตริโนนี้ไม่ประจุ(แต่อาจจะ) ไม่มีมวลใด ๆ เวลานิวตริโนเดินทางจากดวงอาทิตย์มาถึงโลก จำนวนนับแสนล้านตัวของมันจะพุ่งผ่านตัวเราไปอย่างที่เราไม่รู้สึกอะไรเลย แต่นักฟิสิกส์ที่กำลังศึกษาและสนใจนิวตริโนจะรู้สึกผลการทดลองของนักฟิสิกส์แสดงให้เห็นว่า อนุภาคนิวตริโนที่มาถึงโลกมีจำนวนน้อยกว่าที่ทฤษฎีได้ทำนายไว้ถึง 3 เท่า ความแตกต่างที่มากเช่นนี้ทำให้นักฟิสิกส์หลายคนคิดว่าเรายังไม่เข้าใจดวงอาทิตย์ดี แต่ก็มีนักฟิสิกส์อีกหลายคนที่คิดว่าขณะที่นิวตริโนเดินทางจากดวงอาทิตย์มาสู่โลก นิวตริโนบางตัวได้กลายสภาพเป็นอนุภาคชนิดอื่นไปเรียบร้อยแล้ว มีผลทำให้นิวตริโนที่เราเห็นมีจำนวนน้อยกว่าที่คิด แต่ถ้าหากนิวตริโนสามารถแปลรูปได้จริง นั่นก็หมายความว่านิวตริโนมีมวลและจากการที่นิวตริโนมีจำนวนมากมายในจักรวาล นิวตริโนจะดึงดูดกัน แรงดึงดูดที่มากมหาศาลของนิวตริโนอาจจะยับยั้งจักรวาล (universe) ไม่ให้ขยายตัวอีกต่อไปได้ แต่หากนิวตริโนไม่มีมวลเลย จักรวาลของเราก็จะขยายตัว ๆ ไปสู่สุญญากาศ จนแสงจากดวงดาวทุกดวงดับแล้วจักวาลก็จะตายไปในที่สุด

ปัญหานิวตริโนของดวงอาทิตย์จึงเป็นสิ่งที่นักฟิสิกส์ปัจจุบันกำลังสนใจมากที่สุดปัญหาหนึ่ง

ส่วนปัญหาการสั่นสะเทือนของผิวดวงอาทิตย์ก็เป็นปัญหาที่นักฟิสิกส์กำลังให้ความสนใจมากเช่นกัน ความจริงมีอยู่ว่าผิวดวงอาทิตย์มีสภาพเหมือนผิวซุปที่กำลังเดือด ผิวจะไม่ราบเรียบ โดยมีสภาพเป็นคลื่นที่อาจจะมียอดคลื่นสูงถึง 10 กิโลเมตร และระยะห่างระหว่างยอดยาวถึง 40,000 กิโลเมตร คลื่นที่ผิวนี้จะก่อตัวและสลายตัวตลอดเวลา การศึกษาสภาพความเป็นอยู่และเป็นไปของคลื่นสามารถชี้บอกโครงสร้างและการทำงานของดวงอาทิตย์ ความรู้จากการศึกษาเรื่องนี้จะช่วยให้เราสามารถป้องกันโลกของเราให้รอดพ้นจากพายุแม่เหล็กที่จะระเบิดบนดวงอาทิตย์ในอนาคตได้ครับ

ที่มา : ดร.สุทัศน์ ยกส้าน สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.)