อนุภาคพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์

(Solar energetic particles : SEPs)

อนุภาคพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์ (SEP) คืออนุภาคพลังงานสูงเช่น ไอออน (ion) อิเล็กตรอน (electron)  จากดวงอาทิตย์ซึ่งเดินทางออกมาจากดวงอาทิตย์ด้วยกลไกต่างๆ กัน เช่น  plasma heating ,  acceleration  เป็นต้น 

SEP มักเกี่ยวข้องกับการลุกจ้า (solar flare) SEP ที่มีพลังงานต่ำกว่า 10 GeV ถือว่าเป็น SEP พลังงานต่ำ  ส่วน SEP ที่มีพลังงานสูงกว่า 100 MeV เป็น SEP พลังงานสูง  แต่เมื่อเทียบกับรังสีคอสมิก (พลังงานมากกว่า 100 MeV ถึง 3 x 10^20 eV) ที่มีแหล่งกำเนิดนอกระบบสุริยะถือว่า SEP ยังมีพลังงานต่ำกว่ามาก  

ไอออนหรืออนุภาคจากดวงอาทิตย์มักมีพลังงานต่ำกว่า 1 GeV (ส่วนใหญ่พลังงานต่ำกว่า 10 MeV) น้อยครั้งนักที่จะสูงกว่า 10 GeV  นี่ทำให้หลายครั้งที่อุปกรณ์ตรวจวัดรังสีคอสมิกที่ตั้งอยู่ใกล้ศูนย์สูตรของโลกไม่สามารถตรวจพบอนุภาคพลังงานต่ำๆ จากดวงอาทิตย์ได้เพราะถูกสนามแม่เหล็กโลกพาไปยังบริเวณขั้วแม่เหล็กใกล้ขั้วโลก ที่ซึ่งพวกมันเข้าสู่บรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์ (ionosphere) ชั่วระยะเวลาหนึ่งและก่อกวนการสื่อสารด้วยคลื่นวิทยุ

SEP เป็นอนุภาคที่มีความเกี่ยวข้องการเกิดการลุกจ้าของดวงอาทิตย์ (solar flare) บ่อยครั้งที่การลุกจ้าจะปลดปล่อยอนุภาคพลังงานสูงเหล่านี้ออกสู่อวกาศ โดยธาตุแต่ละชนิดที่ตรวจพบจากการลุกจ้าแต่ละครั้งจะแตกต่างกันไป 

SEP ถูกค้นพบเมื่อ ค.ศ. 1942 (พ.ศ.2475) ด้วยไกเกอร์เคาท์เตอร์(Geiger counters) หรืออุปกรณ์ตรวจวัดชนิดอื่นที่สร้างขึ้นเพื่อตรวจวัดรังสีคอสมิก (cosmic ray)  แต่กลับพบการเพิ่มขึ้นของความเข้มรังสีชั่วขณะหนึ่ง  ซึ่งต่อมาได้รับการยืนยันว่ามีความเกี่ยวข้องการลุกจ้าบนผิวดวงอาทิตย์ในช่วงเวลาไล่เลี่ยกัน   ความเข้มของรังสีคอสมิกที่วัดได้ค่อยๆ ลดระดับลงมาในระดับปกติภายในเวลาไม่กี่นาทีหรือไม่กี่ชั่วโมง  ขณะที่กระบวนการเร่งความเร็วจบลงและไอออนที่ถูกเร่งความเร็วกระจัดกระจายออกสู่อวกาศระหว่างดาวเคราะห์ (interplanetary)

นักบินอวกาศที่ปฏิบัติงานในอวกาศอาจต้องเผชิญกับอันตรายจากอนุภาคพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์(solar energetic particle)  

จากการประทุที่เรียกว่าการลุกจ้า(Flare)  และการปลดปล่อยมวลโคโรนา(Coronal Mass Ejection)   

Image credit: SAO and SOHO (ESA/NASA)

การปลดปล่อย SEP แบ่งออกเป็นสองชนิด ดังตาราง

 การเร่งอนุภาคแบบ Impulsive event พบได้จากการลุกจ้า(flare)  การเร่งอนุภาคแบบนี้อนุภาคจะเดินทางตามเส้นสนามแม่เหล็กมาสู่โลก 

ส่วนการเร่งอนุภาคแบบ gradual event อนุภาคถูกเร่งบริเวณหน้าคลื่นกระแทก(shock front)

ของกลุ่มมวลสารที่ถูกปลดปล่อยออกมาจากดวงอาทิตย์หรือ Coronal Mass Ejection

Image credit: http://sprg.ssl.berkeley.edu/impact/multimedia_images/INSITU_SCIENCE.gif

อิเล็กตรอน(electron)  เป็นอนุภาคที่ถูกเร่งความเร็วด้วยปรากฎการณ์บนดวงอาทิตย์  ด้วยมวลที่เบากว่าไอออนประจุบวกอื่นค่อนข้างมาก  ทำให้มักถูกสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์ดักเอาไว้  และสามารถสูญเสียพลังงานไปในรูปคลื่นวิทยุ(radio wave) รังสีเอกซ์(X-ray) และรังสีแกมมา (gamma ray)  จนแทบไม่สามารถหลบหนีออกจากดวงอาทิตย์ได้บ่อยนัก   แต่การมีอยู่ของอิเล็กตรอนสามารถตรวจวัดสิ่งที่พวกมันแผ่รังสีออกมาข้างต้น

ไอออน (ion)  เป็นอะตอมของธาตุที่สูญเสียอิเล็กตรอนออกไปจนมีสภาพเป็นประจุบวก  มีมวลมากกว่าอิเล็กตรอนมาก  เช่น  He-3, He-4 , Fe, O เป็นต้น  คาดกันว่าแหล่งกำเนิดของไอออนพลังงานสูงเหล่านี้มาจาก

ไอออนจากภายในชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ที่ถูกเร่งออกมาด้วยการลุกจ้า (flare) แล้วเดินทางมายังโลกตามเส้นสนามแม่เหล็กระหว่างดาวเคราะห์ (Interplanetary magnetic field)

ไอออนภายในอวกาศระหว่างดาวเคราะห์ (จากนอกระบบสุริยะหรือที่อยู่ในลมสุริยะ (solar wind))ที่ถูกเร่งความเร็วบริเวณหน้าคลื่นกระแทกของ CME แล้วเดินทางมายังโลกตามเส้นสนามแม่เหล็กระหว่างดาวเคราะห์(Interplanetary magnetic field)

เครือข่าย Spaceship Earth ของสถานีตรวจวัดนิวตรอนทั่วโลก

Image credit: http://neutronm.bartol.udel.edu/catch/sse1.html

อนุภาคแต่ละชนิดและแต่ละระดับพลังงาน จะถูกตรวจวัดด้วยอุปกรณ์ตรวจวัดทั้งภาคพื้นดิน  เช่น เครื่องตรวจวัดนิวตรอน(neutron monitor)  เครื่องตรวจวัดมิวออน (muon monitor)   หรือโดยดาวเทียมในอวกาศ เช่น ACE , GOES  Ulysses เป็นต้น    ซึ่งจะตรวจวัดปริมาณทางกายภาพที่แปรเปลี่ยนไปตามเวลาเช่น จำนวนอนุภาค ความเข้มรวมทั้งทิศทางของสนามแม่เหล็กภายในอวกาศระหว่างดาวเคราะห์ ความหนาแน่น อุณหภูมิ ความเร็ว เป็นต้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับงานวิจัยในประเทศไทย ได้ทำการจำลองจำนวนอนุภาคต่อเวลาที่ตรวจวัดได้จากเครื่องตรวจวัดต่างๆ ทั้งจากยานอวกาศและจากเครื่องวัดที่อยู่บนภาคพื้นดิน เพื่อศึกษาอนุภาคเดินทางมาถึงเครื่องวัดได้ มีกลไกหรือกระบวนการทางกายภาพอย่างไร นอกจากนี้ยังศึกษากระบวนการเร่งอนุภาครังสีคอสมิกที่เกิดขึ้นที่คลื่นกระแทกจากเหตุการณ์การเกิดการปลดปล่อยมวลจากโคโรนา ว่าอนุภาครังสีคอสมิกมีกลไกการเร่งอย่างไร   ที่สำคัญในการจำลองจำนวนอนุภาคต่อเวลายังสามารถใช้เป็นข้อมูลเบื้องต้นสำหรับการแจ้งเตือนหรือคาดการณ์ปรากฏการณ์ที่อาจเกิดตามมา ของการแปรเปลี่ยนสภาพอวกาศ (space weather) ล่วงหน้า  อันจะมีประโยชน์ต่อการป้องกันผลกระทบทางสภาพอวกาศ (space weather effects) ที่มีต่ออุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์  อุปกรณ์สื่อสาร นักบินอวกาศที่กำลังปฏิบัติงานภายในอวกาศ หรือแม้แต่ระบบโทรคมนาคม ระบบสายส่งพลังงานบนโลก อันจะนำไปสู่ความเสียหายทางชีวิต เศรษฐกิจ ของมนุษยชาติ

สถานีตรวจวัดนิวตรอนสิริธร (Princess Sirindhorn Neutron Monitor บนยอดดอยอินทนนท์ จังหวัดเชียงใหม่  ประเทศไทย

ปัจจุบัน ประเทศไทยกำลังจะมีสถานีตรวจวัดนิวตรอน (neutron monitor)  แห่งแรก บนจุดสูงสุดของประเทศ ณ ยอดดอยอินทนนท์ อำเภอจอมทอง จังหวัดเชียงใหม่ เพื่อตรวจวัดอนุภาคพลังงานสูง อันจะเป็นประโยชน์ต่องานวิจัยภายในประเทศและนานาชาติ เนื่องจากยังไม่มีสถานีตรวจวัดนิวตรอนในบริเวณที่รังสีคอสมิกจะมีค่า cut off rigidity สูงที่สุดที่บริเวณใกล้เส้นศูนย์สูตรของสนามแม่เหล็กโลกมาก่อน   

อ้างอิง

-    http://helios.gsfc.nasa.gov/sep.html

-    http://www-spof.gsfc.nasa.gov/Education/wsolpart.html