เครื่องมือใหม่สามอย่างจะปฏิวัติความเข้าใจของเราเกี่ยวกับดวงอาทิตย์ได้อย่างไร

ยานอวกาศสองลำและกล้องดูดาวถูกตั้งค่าให้เริ่มต้นยุคใหม่ของดาราศาสตร์สุริยะ

ดวงอาทิตย์อาจเป็นดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้ที่สุดของเรา แต่ก็สามารถเก็บความลับอันยิ่งใหญ่ซ่อนไว้ได้ ขณะนี้กล้องโทรทรรศน์สุริยะสามดวงกำลังเริ่มต้นยุคใหม่ของดาราศาสตร์สุริยะซึ่งทำให้นักวิทยาศาสตร์รู้สึกตื่นเต้นกับการค้นพบที่สำคัญที่อาจเกิดขึ้น Parker Solar Probe ของ NASA กำลังเดินทางไป “สัมผัส” ดวงอาทิตย์ ยานอวกาศจะทำวงโคจรที่ใกล้ที่สุดรอบดาวฤกษ์ที่ใกล้ที่สุดของโลก โดยบินผ่านชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ในปี 2025 Solar Orbiter ยานอวกาศที่เปิดตัวโดยเป็นส่วนหนึ่งของภารกิจร่วม ระหว่าง European Space Agency (ESA) และ NASA จะกลายเป็นภารกิจแรกในการศึกษาขั้วสุริยะ ย้อนกลับไปบนโลก กล้องโทรทรรศน์ Daniel K. Inouye ของมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ (NSF’s) จะทำการสังเกตการณ์ดวงอาทิตย์บนพื้นดินที่มีรายละเอียดมากที่สุด โดยให้บริบทที่กว้างขึ้นสำหรับดาวเทียมคู่

“[ภารกิจเหล่านี้] จะปฏิวัติฟิสิกส์สุริยะในช่วงทศวรรษนี้” ยานนิส ซูกาเนลิส รองนักวิทยาศาสตร์โครงการสำหรับภารกิจ Solar Orbiter เขียนในอีเมล

นักวิทยาศาสตร์หวังว่าจะได้เรียนรู้สิ่งใหม่ๆ มากมาย แต่ประเด็นใหญ่สองประเด็นที่รบกวนจิตใจพวกเขามานานหลายทศวรรษ หัวหน้ากลุ่มคนเหล่านั้นคือความลึกลับของความร้อนจากโคโรนา ตัวอย่างเช่น ในกองไฟบนโลก อุณหภูมิจะสูงสุดที่แหล่งกำเนิดและลดลงห่างจากเปลวไฟมากขึ้น ไม่เช่นนั้นกับดวงอาทิตย์ แม้ว่าพื้นผิวสุริยะจะมีอุณหภูมิสูงถึง 5,500 องศาเซลเซียส (9,940 องศาฟาเรนไฮต์) แต่ชั้นที่อยู่เหนือโคโรนานั้นก็ยังร้อนกว่าที่หนึ่งล้านองศา นักวิทยาศาสตร์หวังว่าจะทราบสาเหตุของการกลับตัวของอุณหภูมิที่แปลกประหลาดโดยการตรวจสอบชั้นบรรยากาศ

ปริศนาขนาดใหญ่อื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับลมสุริยะ คลื่นของอนุภาคที่มีประจุที่ปล่อยออกมาจากดวงอาทิตย์และพัดออกไปในทุกทิศทาง เมื่อวัสดุนี้จากดวงอาทิตย์ตกกระทบพื้นโลก มันสามารถทำให้เกิดแสงออโรร่าที่น่าทึ่ง สร้างความเสียหายให้กับดาวเทียม และกริดพลังงานสูงเกินไป นักบินอวกาศในอวกาศอาจโดนรังสีอย่างหนักเป็นพิเศษ นักวิทยาศาสตร์หวังว่าจะรวบรวมสิ่งที่เร่งความเร็วลมสุริยะและอนุภาคที่มีประจุที่ปลิวออกจากดวงอาทิตย์

ต่อไปนี้เป็นข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการทำงานของเครื่องมือสำคัญทั้งสามนี้:

Parker Solar Probe

แม้ว่า Parker Solar Probe จะเปิดตัวในปี 2018 แต่ก็ยังไม่ถึงวงโคจรสุดท้ายในชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ ซึ่งจะทำการวัดโคโรนาในเชิงลึกที่สุด แต่การเข้าใกล้นั้นต้องใช้เวลา และความช่วยเหลือเล็กน้อยจากแรงโน้มถ่วงของดาวศุกร์ เป็นเวลากว่าเจ็ดปีที่เริ่มในปี 2018 ยานอวกาศจะทำการบินผ่านเจ็ดครั้ง โดยแต่ละลำจะผลักให้เข้าใกล้ดวงอาทิตย์มากขึ้นเล็กน้อย ในที่สุด Parker จะโคจรรอบดาวฤกษ์ภายใน 3.8 ล้านไมล์ใกล้กว่าภารกิจใด ๆ ที่เคยมีมา ในที่สุดยานอวกาศจะลอยอยู่ในชั้นบรรยากาศสุริยะทำให้เป็นแห่งแรกในแหล่งกำเนิดการวัดโคโรนา การตรวจสอบสนามแม่เหล็กไฟฟ้า การเร่งอนุภาค กิจกรรมของคลื่น และการกระจายพลังงาน มันจะอยู่ใกล้พอที่จะสร้างภาพลมสุริยะในขณะที่มันเร่งความเร็วเหนือเสียง

เพื่อสำรวจสภาวะสุดขั้วเหล่านี้อย่างปลอดภัย แผ่นป้องกันคาร์บอนคอมโพสิตหนา 4.5 นิ้ว (11.43 ซม.) จะปกป้อง Parker Solar Probe และอุปกรณ์จากความร้อนที่แผดเผา Arik Posner นักวิทยาศาสตร์ของ NASA สมาชิกทีม Parker Solar Probe กล่าวว่า “ข้อได้เปรียบของ Parker คือเทคโนโลยีที่ก้าวล้ำซึ่งเกี่ยวข้องกับความร้อนจัดที่ดวงอาทิตย์สร้างขึ้นจากด้านที่หันเข้าหาดวงอาทิตย์ของยานอวกาศ “ถ้าปราศจากมัน เราก็ไม่สามารถก้าวหน้าได้มากเกินกว่าจะไปถึงระยะทางของดาวพุธ”

ยานอวกาศมีเครื่องมือสี่ตัวที่จะศึกษาสภาพแวดล้อมรอบโพรบ WISPR ซึ่งเป็นโปรแกรมสร้างภาพเพียงรายเดียวบนเรือจะรวบรวมภาพระยะใกล้ของโครงสร้าง เช่น การพุ่งออกของมวลโคโรนาในชั้นบรรยากาศสุริยะก่อนที่ยานอวกาศจะบินผ่าน จะช่วยเชื่อมโยงการวัดทางกายภาพโดยละเอียดกับโครงสร้างที่ใหญ่ขึ้นของดวงอาทิตย์ FIELDS จะจับภาพขนาดและรูปร่างของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กในชั้นบรรยากาศ SWEAP จะนับอนุภาคที่มีมากที่สุดในลมสุริยะและวัดคุณสมบัติต่างๆ เช่น ความเร็วลม ความหนาแน่น และอุณหภูมิของลม ISʘIS ซึ่งรวมสัญลักษณ์ของดวงอาทิตย์ไว้ในตัวย่อจะวัดอนุภาคเพื่อทำความเข้าใจที่มาที่ไป เร่งความเร็วอย่างไร และออกจากดวงอาทิตย์อย่างไร

แม้ว่ายานอวกาศจะยังคงเคลื่อนที่เข้าใกล้มันที่สุด แต่ก็ได้รวบรวมข้อสังเกตที่สำคัญไว้แล้ว ผลลัพธ์จากการบินผ่านสุริยะสองครั้งแรกที่เผยแพร่ในเดือนธันวาคม 2019 เปิดเผยว่าลมสุริยะถูกปล่อยออกจากดวงอาทิตย์ไกลกว่าที่เคยคิดไว้ และลมสุริยะเดินทางในแนวราบไปตามดวงอาทิตย์ได้เร็วกว่าที่เคยคิดไว้สิบเท่า Posner เขียนว่า “ปัญหาที่เราได้พิจารณาแก้ไขมานานกว่า 50 ปีแล้ว” การรู้ความเร็วของลมสุริยะจะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจการหมุนของดวงอาทิตย์

การสังเกตการณ์ครั้งแรกของ Parker Solar Probe ยังเผยให้เห็นการพลิกกลับของสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์ที่เรียกว่า ‘การสลับขั้ว’ ในบริเวณดังกล่าว สนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์จะพับกลับเข้าหาตัวมันเองเพื่อสร้างพื้นที่ที่มีความปั่นป่วนเพิ่มขึ้น ตาม Posner การสลับกลับและการหมุนของดวงอาทิตย์อาจ “เชื่อมโยงอย่างใกล้ชิด” ซึ่งกันและกัน

Posner มั่นใจว่าการค้นพบครั้งใหญ่ทั้งสองครั้งนี้เป็นเพียงเบาะแสแรกจากหลายๆ ประการที่ยานอวกาศจะค้นพบ “มีการค้นพบที่สำคัญหลายอย่างที่ทำโดย Parker Solar Probe แล้ว แต่ยังมีอีกหลายสิ่งที่จะตามมา” Posner เขียน

Solar Orbiter

Solar Orbiter ของ ESA เปิดตัวเมื่อวันที่ 10 กุมภาพันธ์ 2020 มีกล้องโทรทรรศน์ระยะไกล 6 ตัวที่สามารถถ่ายภาพดวงอาทิตย์และเครื่องมือสี่ตัวที่จะวัดสภาพแวดล้อมรอบ ๆ ยานอวกาศ ยานนี้อยู่บนเส้นทางที่จะช่วยให้สามารถถ่ายภาพพื้นผิวสุริยะที่อยู่ใกล้ที่สุดได้เท่าที่เคยถ่ายมา การเปรียบเทียบข้อมูลที่รวบรวมจากเครื่องมือทั้งสองชุดจะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ได้รับข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับลมสุริยะ

โดยการถ่ายภาพจากที่ไกลออกไป ยานอวกาศจะช่วยวางข้อสังเกตของ Parker Solar Probe ในบริบท “ถ้า [Parker Solar Probe] เป็นภารกิจที่ ‘สัมผัส’ ดวงอาทิตย์ Solar Orbiter คือภารกิจที่มองเห็น!” Zouganelis เขียนผ่านอีเมล

แทนที่จะโคจรรอบดาวฤกษ์ตามสุริยุปราคาหรือระนาบขนานกับเส้นศูนย์สูตร Solar Orbiter จะมีวงโคจรที่มีความลาดเอียงสูงซึ่งจะทำให้เราเหลือบเห็นครั้งแรกของขั้วสุริยะ ในปี 1990 ยานอวกาศ Ulysses ของ ESA กลายเป็นภารกิจแรกที่หลบหนีสุริยุปราคา แต่ขาดอุปกรณ์ที่จะจับภาพดวงอาทิตย์ จากข้อมูลของ Zouganelis เสาก็ถ่ายภาพได้ไม่ดีจากโลกเช่นกัน Zouganelis เขียนว่า “การได้เห็นบริเวณขั้วโลกเป็นกุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจว่าสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์ถูกสร้างขึ้น กระจายตัว และแปรผันอย่างไร”

Solar Orbiter จะตรวจสอบโซลาร์ไดนาโมซึ่งเป็นกระบวนการทางกายภาพที่ขับเคลื่อนสนามแม่เหล็ก วงแหวนแม่เหล็กจะลอยขึ้นสู่พื้นผิวของดวงอาทิตย์ โดยจะยืดออกและตัดเฉือนโดยการหมุนรอบดวงอาทิตย์ ซึ่งจะแตกต่างกันไปตามภูมิภาคต่างๆ การปะทุที่เป็นผลทำให้เกิดการสะสมของอนุภาคที่มีประจุหนาแน่นขึ้นสู่อวกาศ ซึ่งอาจชนกับโลกและดาวเคราะห์ดวงอื่น ส่งผลกระทบต่ออวกาศและระบบภาคพื้นดิน “การทำความเข้าใจกระบวนการทางกายภาพที่ซับซ้อนในที่ทำงานในระบบนี้เป็นเป้าหมายหลักของ heliophysics” Zouganelis เขียน การรู้ว่าพวกมันทำงานร่วมกันได้อย่างไรจะช่วยให้นักวิจัยคาดการณ์ได้ว่าเมื่อใดที่อนุภาคประจุไฟฟ้าพุ่งเป้าไปที่โลกหรือโลกอื่นที่มนุษย์สำรวจ ทำให้พวกเขามีเวลามากขึ้นในการเตรียมพร้อมสำหรับอันตรายที่อาจเกิดขึ้น

แม้ว่ายานอวกาศจะเริ่มต้นช่วงวิทยาศาสตร์ในเดือนมิถุนายน โดยมีเป้าหมายหลักในการตรวจสอบสุขภาพของเครื่องมือ แต่กล้องโทรทรรศน์ของยานอวกาศได้ค้นพบ “แคมป์ไฟ” ที่ไม่เคยเห็นมาก่อน ซึ่งเป็นแสงแฟลร์ขนาดเล็กที่เทียบได้กับแสงนาโนที่คาดการณ์ไว้ก่อนหน้านี้ ภาพรังสีอัลตราไวโอเลตภาพแรกของภารกิจเผยให้เห็นวงวูบวาบเล็กๆ จำนวนมาก จุดสว่างปะทุ และพลาสมาที่เคลื่อนที่ด้วยความมืด Zouganelis เขียนว่า ถึงแม้ว่าก่อนหน้านี้จะเคยพบเห็นในช่วงความยาวคลื่นต่างๆ กัน แต่ “คราวนี้เราเห็นพวกมันทุกหนทุกแห่งทั่วแผ่นสุริยะ

กล้องโทรทรรศน์พลังงานแสงอาทิตย์ Inouye

ในขณะที่ Parker Solar Probe และ Solar Orbiter ต่างเฝ้าติดตามดวงอาทิตย์จากอวกาศ กล้องโทรทรรศน์แสงอาทิตย์ Daniel K. Inouye ศึกษาดาวจากบนยอดเขา Haleakala ใน Hawai’i เดิมทีวางแผนไว้ว่าจะเริ่มต้นวิทยาศาสตร์ในฤดูร้อนปี 2020 กล้องโทรทรรศน์สุริยะขนาดยักษ์ได้รับความทุกข์ทรมานจากความล่าช้าที่เกิดจากการระบาดใหญ่ของโควิด-19 และตอนนี้คาดว่าจะทำการสังเกตการณ์ครั้งแรกในฤดูใบไม้ผลิปี 2021

Inouye ภูมิใจนำเสนอกระจกเงาที่ใหญ่ที่สุดในโลกของกล้องโทรทรรศน์สุริยะขนาดยักษ์ 13 ฟุตที่ช่วยให้เก็บแสงได้มากกว่ากล้องโทรทรรศน์อื่นๆ “Inouye สามารถเห็นรายละเอียดเล็กๆ น้อยๆ ได้มากกว่าที่เราเคยเห็นมาก่อน” Thomas Rimmele ผู้อำนวยการหอดูดาวเขียนผ่านอีเมล

แสงเดินทางจากกระจกไปยังชุดเครื่องมือที่อยู่ใต้กล้องโทรทรรศน์ เครื่องมือสี่ในห้าจะตรวจสอบว่าแสงมีโพลาไรซ์อย่างไรในช่วงความยาวคลื่นต่างๆ ซึ่งช่วยให้สามารถระบุสภาวะของสนามแม่เหล็กทั่วทั้งโคโรนาของดวงอาทิตย์ได้ “ต่างจากกล้องโทรทรรศน์ที่มีอยู่ส่วนใหญ่ซึ่งสามารถวิเคราะห์สนามแม่เหล็กที่พื้นผิวของดวงอาทิตย์ด้วยกล้องโทรทรรศน์ Inouye Solar เราสามารถรับคุณสมบัติของสนามแม่เหล็กเหนือพื้นผิวและเข้าไปในโคโรนาได้เป็นครั้งแรก” Rimmele เขียน

แม้ว่า Inouye จะไม่ได้เริ่มการสังเกตการณ์เต็มเวลา แต่กล้องโทรทรรศน์ก็เห็นแสงแรกในเดือนมกราคม 2020 ด้วยการยิงครั้งแรก Inouye ได้เปิดเผยรายละเอียดที่ไม่เคยเห็นมาก่อนด้วยตาชั่งขนาดเล็กเช่นนี้ ภาพมีรายละเอียดมากจน Rimmele เขียนคุณลักษณะที่ไม่ได้รับการอธิบายอย่างดีจากแบบจำลองทางทฤษฎีที่มีอยู่ “เราจำเป็นต้องปรับความคิดของเราให้ตรงกับสิ่งที่เราเห็นในข้อมูลมากขึ้น” Rimmele เขียน “สิ่งนี้ช่วยพัฒนาความเข้าใจของเราเกี่ยวกับฟิสิกส์ในระบบที่ซับซ้อนเช่นดวงอาทิตย์”

Inouye หวังว่าจะจัดการกับความลึกลับที่ร้อนแรง นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าความลึกลับนี้เชื่อมโยงกับสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์ และ Inouye ได้รับการออกแบบมาเพื่อสำรวจสนามแม่เหล็กด้วยความละเอียดสูงกว่าที่เคยทำมาก่อน จากการศึกษาจุดดับบอดบนดวงอาทิตย์ Inouye จะจัดให้มีการวัดคุณสมบัติของสนามแม่เหล็กของโคโรนาอย่างต่อเนื่องเป็นครั้งแรก ซึ่งจะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถเจาะลึกคำถามเกี่ยวกับลมสุริยะได้ “ทุกองค์ประกอบของกล้องโทรทรรศน์นี้มีความล้ำสมัย และชุมชนวิทยาศาสตร์ได้ทบทวนสมมติฐานของพวกเขาแล้ว” Rimmele เขียน

ด้วยกันตอนนี้

แม้ว่าหอดูดาวแต่ละแห่งจะทำการค้นพบที่สำคัญด้วยตัวเอง แต่ก็อาจจะดีที่สุดเมื่อทำงานร่วมกัน ในขณะที่ Parker Solar Probe ถูกอาบอยู่ภายในดวงอาทิตย์ จะไม่สามารถทำการสังเกตการณ์ในบริบทกับสิ่งที่เกิดขึ้นในส่วนอื่นๆ ของดาวได้ ทั้ง Solar Orbiter และ Inouye Telescope จะให้มุมมองในวงกว้างที่บริเวณที่ Parker Solar Probe ฝังอยู่ ด้วยการสังเกตส่วนเดียวกันของดวงอาทิตย์จากมุมมองที่ต่างกัน เครื่องมือทั้งสามจะสามารถเชื่อมโยงการสังเกตโดยละเอียดกับการกำกับดูแลในวงกว้างได้ ได้มาจากที่ไกล

“กล้องโทรทรรศน์พลังงานแสงอาทิตย์ Inouye ของ NSF จำนวนสามตัว Solar Orbiter ของ ESA / NASA และ Parker Solar Probe ของ NASA รวมกันเป็นยุคใหม่ของดาราศาสตร์สุริยะ” Rimmele เขียน

หน้าแรก