แหล่งพลังงานของดวงอาทิตย์

(The Sun's Energy Source)

แหล่งพลังงาน: ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน (nuclear fusion)

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันเกือบทั้งหมดเกิดขึ้นที่แกนกลางของดวงอาทิตย์ ในตอนเริ่มต้นที่แกนกลางนี้มีองค์ประกอบเหมือนส่วนอื่น ๆ ของดวงอาทิตย์ คือ ไฮโดรเจน 72% ฮีเลียม 26% และธาตุหนักอื่น ๆ (คาร์บอน,ไนโตรเจน,ออกซิเจน, ...) รวม 2% ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันนี้ก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงขององค์ประกอบของดวงอาทิตย์อย่างช้าๆ ซึ่งในปัจจุบันองค์ประกอบที่แกนกลางของดวงอาทิตย์กลายเป็น ไฮโดรเจน 35%, ฮีเลียม 63%, และธาตุอื่น ๆ (คาร์บอน,ไนโตรเจน,ออกซิเจน, ...) 2% โดยมวล

รูปแสดงการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันภายในดวงอาทิตย์ สามารถเกิดขึ้นได้เพราะที่แกนกลางดวงอาทิตย์นั้นมีอุณหภูมิสูงและมีความหนาแน่นมาก ปกติแล้วนิวเคลียส 2 นิวเคลียสจะผลักกันตามแรงคูลอมบ์ (Coulomb’s force) เนื่องจากมีประจุบวกเหมือนกัน แต่ที่แกนกลางของดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิสูงมากพอและมีความหนาแน่นมากจนกระทั่งนิวเคลียสทั้งสองอยู่ใกล้กันมากจนกระทั่งสามารถเอาชนะแรงคูลอมบ์และเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันได้ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันในดวงอาทิตย์ที่เกิดขึ้นมากที่สุดคือ ปฏิกิริยาโปรตอน-โปรตอน (p-p reaction) กระบวนการนี้เกิดจากนิวเคลียสของไฮโดรเจนซึ่งก็คือโปรตอน 2 นิวเคลียสรวมกัน ปฏิกิริยานี้ยังให้นิวตริโนออกมาอีกด้วย

รูปแสดงการเกิดปฏิกิริยา p-p reaction ภายในแกนของดวงอาทิตย์

Image credit: http://fusedweb.pppl.gov/CPEP/Chart_Pages/Images/2.P-PChain.gif

ซึ่งในแต่ละวินาทีจะมีการเปลี่ยนโปรตอนประมาณ 3.6 x 1038 ตัวเป็นฮีเลียม และมีการปลดปล่อยพลังงานออกมาประมาณ 4.3 ล้านตันต่อวินาที หรือ 3.9 x 1026 จูลต่อวินาที โฟตอนพลังงานสูง (high energy photons) หรือรังสีแกมมา (gamma rays) และรังสีเอ็กซ์ (X-rays) ที่ถูกปลดปล่อยจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันนี้ใช้เวลานานมากกว่าจะเดินทางมาถึงผิวของดวงอาทิตย์ เนื่องจากแต่ละครั้งที่โฟตอนถูกชนจะเปลี่ยนทิศทางไปเรื่อย ๆ และพลังงานลดลง ทำให้โฟตอนที่ออกจากผิวดวงอาทิตย์จะอยู่ในช่วงแสงที่มนุษย์เราสามารถมองเห็นได้ รังสีแกมมาแต่ละความยาวคลื่นในแกนของดวงอาทิตย์จะเปลี่ยนเป็นโฟตอนของแสงที่ตามนุษย์มองเห็น (visible light) หลายล้านตัว โฟตอนเหล่านี้ผ่านการถ่ายเทหลายชั้นจนถึงชั้น โฟโตสเฟียร์ และในที่สุดก็จะออกมาเป็นแสง

แกน (Core) : บริเวณที่ผลิตพลังงาน

แกนกลางของดวงอาทิตย์ เป็นบริเวณตั้งแต่ใจกลางของดวงอาทิตย์จนกระทั่งถึงหนึ่งในสี่ของระยะทางสู่ผิวของดวงอาทิตย์ แกนกลางมีปริมาตรประมาณ 2% ของดวงอาทิตย์ แต่มีมวลถึงประมาณครึ่งหนึ่งของดวงอาทิตย์ อุณหภูมิที่สูงที่สุดมีค่าประมาณ 15 ล้านเคลวิน มีความหนาแน่นประมาณ 150 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร หรือประมาณเกือบ 15 เท่าของความหนาแน่นของตะกั่ว

สาเหตุที่แกนกลางของดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิสูงมาก และมีความหนาแน่นสูงมากเป็นเพราะว่าแกนกลางนี้มีความดันสูงมาก ๆ สูงในระดับที่มากกว่าความดันของบรรยากาศโลกประมาณสองแสนล้านเท่าของบรรยากาศของโลกที่ระดับน้ำทะเล ความดันที่สูงมากของแกนกลางนี้เองทำให้แก๊สไม่สามารถยุบตัวและดวงอาทิตย์สามารถคงรูปอยู่ได้

รูปแสดงโครงสร้างภายในของดวงอาทิตย์ จากด้านในไปด้านนอก: แกน (core) เขตแผ่รังสี (radiative zone) และเขตการพา (convection zone)

Image credit: http://solarscience.msfc.nasa.gov/images/cutaway.jpg

อ้างอิง

-    http://fusedweb.pppl.gov/CPEP/Chart_Pages/5.Plasmas/SunLayers.html

-    http://www.nasa.gov/worldbook/sun_worldbook.html

-    http://solarscience.msfc.nasa.gov/interior.shtml