เจาะลึกยานอวกาศ Parker Solar Probe กับภารกิจสัมผัสดวงอาทิตย์
องค์การบริหารการบินและอวกาศแห่งชาติสหรัฐ หรือ NASA ได้ปล่อยยานอวกาศออกไปสำรวจดวงอาทิตย์ ชื่อ Parker Solar Probe สู่อวกาศเพื่อทำภารกิจสัมผัสดวงอาทิตย์เป็นที่เรียบร้อย แน่นอนว่าหลายคนอาจจะมีคำถามสงสัยอยู่ในใจว่ายานสำรวจอวกาศลำนี้จะพาเราไปถึงจุดหมายที่เรียกว่าดวงอาทิตย์ได้จริงหรือ แล้วทำไมยานลำนี้ถึงทนความร้อนของดวงอาทิตย์ได้ล่ะ บทความนี้จะพาทุกคนไปเรียนรู้ และทำความเข้าใจกับเจ้ายานสำรวจอวกาศลำนี้ให้มากขึ้น
Parker Solar Probe คืออะไร?
NASA ประกาศแผนดำเนินโครงการนี้ตั้งแต่ปี ค.ศ.2009 โดยใช้งบประมาณ 1.5 พันล้านดอลลาร์สหรัฐหรือเกือบ 5 หมื่นล้านบาทสำหรับการสำรวจของ Parker Solar Probe
ซึ่งเจ้า Parker Solar Probe นี้เป็นยานสำรวจอวกาศที่มีขนาดเทียบเท่ากับรถยนต์คันเล็กๆ คันหนึ่งเท่านั้น และมีน้ำหนักประมาณ 685 กิโลกรัม โดยมีภารกิจในการเข้าไปสำรวจชั้นบรรยากาศรอบนอกของดวงอาทิตย์ ในระยะ 6 ล้านกิโลเมตร ผ่านชั้นบรรยากาศบางส่วนของดวงอาทิตย์แล้วเข้าใกล้พื้นผิวมากที่สุด โดยจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงสุดถึง 700,000 กม./ชั่วโมง และมีกำหนดการโคจรรอบดวงอาทิตย์นานถึง 7 ปี เพื่อศึกษาที่มาและพัฒนาการของลมสุริยะและกิจกรรมต่างๆ ของดวงอาทิตย์
ภาพจำลองลมสุริยะ
ภารกิจของ Parker Solar Probe ทำไมเราถึงต้องศึกษาดวงอาทิตย์
หลายคนอาจะสงสัยว่าเราจะสำรวจดวงอาทิตย์ไปทำไม เราไม่ได้อาศัยอยู่บนดวงอาทิตย์สักหน่อย แต่จริงๆ แล้วการสำรวจดวงอาทิตย์และลมสุริยะนั้น เป็นประโยชน์อย่างมากสำหรับการศึกษาปรากฎการณ์ธรรมชาติต่างๆ ที่เกิดขึ้นบนโลกของเรา เพราะดวงอาทิตย์ถือเป็นดาวฤกษ์ที่ดวงเดียวที่อยู่ใกล้โลกและเป็นแหล่งพลังงานและความร้อนที่สำคัญ ยิ่งเรารู้เรื่องนี้มากเท่าใดก็จะยิ่งสามารถนำความรู้ตรงนี้มาใช้พัฒนาในชีวิตและรับมือกับปรากฏการณ์ต่างๆ ในอนาคตได้ ในขณะที่ลมสุริยะซึ่งเกิดจากการไหลของก๊าซไอออนจากดวงอาทิตย์ผ่านมาที่โลกด้วยความเร็ว 500 กม./วินาที หรือประมาณล้านไมล์/ชั่วโมง จะเข้าไปรบกวนสนามแม่เหล็กโลกและสูบพลังงานเข้าไปในเข็มขัดรังสี (Van Allen Radiation Belt) ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการเปลี่ยนแปลงสภาพอากาศในอวกาศใกล้โลกที่เรียกว่า “Space Weather”
สรุปสั้นๆ Parker Solar Polar Probe จะไขปริศนา 3 เรื่องหลัก
ในระหว่างที่โคจรอยู่รอบดวงอาทิตย์ อุปกรณ์ที่อยู่ในภาย Parker Solar Probe จะเก็บข้อมูลและทำงานเพื่อศึกษาปัญหาหลักๆ 3 เรื่อง คือ
- ทำไมชั้นบรรยากาศที่อยู่ไกลพื้นผิวของดวงอาทิตย์ถึงร้อนกว่าชั้นบรรยากาศที่อยู่ใกล้
- ลมสุริยะ (solar wind) เกิดขึ้นได้อย่างไร
- อะไรที่ทำให้เกิดการปลดปล่อยก้อนมวล Coronal Mass Ejections (CME) ของดวงอาทิตย์
ภาพจำลอง Van Allen Belts
คลิปจำลอง Van Allen Radiation Belt
สภาพอากาศในอวกาศยังส่งผลต่อวงโคจรของดาวเทียม รบกวน และลดอายุการใช้งานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บนอวกาศอีกด้วย เพราะฉะนั้นถ้าเราเรียนรู้เกี่ยวกับลมสุริยะมากเท่าไหร่ เราก็จะสามารถปกป้องดาวเทียมของเราได้มากขึ้นเท่านั้น
ดวงอาทิตย์อยู่ใกล้เรามากกว่าที่คิด ยิ่งเรียนรู้ ยิ่งเข้าใจ และนำมาใช้ในชีวิตได้
ภาพจำลองวงโคจรของ Parker Solar Probe
อุปกรณ์ที่ Parker Solar Probe นำติดไปด้วย
แน่นอนว่าเจ้ายาน Parker Solar Probe จะต้องพกอุปกรณ์ตรวจวัดอนุภาค สนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็ก จากอุปกรณ์หลักทั้ง 4 ชิ้น ได้แก่
อุปกรณ์หลักทั้ง 4 และอุปกรณ์อื่นๆ ที่ Parker Solar Probe ติดตัวไปด้วย (ภาพจาก: Research Gate)
1. FIELDs
อุปกรณ์ตัวแรกที่เจ้ายานลำนี้ใช้เป็นเครื่องตรวจวัดแรงที่มองไม่เห็น (Invisible force) โดยจะทำการรวบรวมขนาด รูปร่างของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กในชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ รวมไปถึงวัดคลื่นและความแปรปรวนในชั้น heliosphere ที่มีความละเอียดสูงเพื่อทำความเข้าใจคลื่น แรงกระแทก และการเชื่อมต่อด้วยคลื่นแม่เหล็ก ซึ่งกระบวนการเหล่านี้จะทำให้เกิดการขยับตัวของสนามแม่เหล็ก
FIELDs จะวัดสนามไฟฟ้ารอบๆยานอวกาศด้วยเสาอากาศทั้ง 5 ซึ่งติดตั้งอยู่เหนือโล่ความร้อนของยานอวกาศและอยู่ภายใต้แสงอาทิตย์ที่อุณหภูมิ 2,500 F โดยเสาอากาศนั้นมีความยาวถึง 2 เมตร ทำมาจากอัลลอยไนโอเบียมสามารถทนต่ออุณหภูมิสูงได้ FIELDs จะวัดสนามไฟฟ้าในช่วงความถี่กว้างทั้งโดยตรง ในพื้นที่ รวมไปถึงในระยะไกลโดยวัดจากการไหลเวียนของอนุภาคพลังงานที่ออกมาจากดวงอาทิตย์อย่างต่อเนื่อง โดยมี Magnetometer หรือเครื่องมือวัดค่าความเข้มของสนามแม่เหล็กทั้ง 3 ที่ช่วยประเมินสนามแม่เหล็กโดย Magnetometer แบ่งได้เป็น 2 ประเภทดังนี้
- Search Coil Magnetometer หรือ SCM จะวัดการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กเมื่อเวลาผ่านไป เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กทำให้แรงดันไฟฟ้าในขดลวดสามารถติดตามการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กได้โดยการวัดแรงดันไฟฟ้า และจำเป็นต้องใกล้เคียงกับดวงอาทิตย์มากที่สุดเพราะสนามนี้จะมีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วโดยสามารถตรวจจับสนามแม่เหล็กในอัตรา 2ล้านครั้ง/วินาที
- Fluxgate Magnetometers มีทั้งหมด 2 เครื่องก็คือ MAGi และ MAGO โดยจะวัดสนามแม่เหล็กที่มีขนาดใหญ่ โดยวัดสนามแม่เหล็กต่อจากดวงอาทิตย์ในอัตราที่ช้าลง
คลิปแสดงการทำงานของ FIELDs
2. WISPR
อุปกรณ์ตัวถัดมาเป็นอุปกรณ์สำหรับจับภาพขนาดกว้าง โดย WISPR จะทำหน้าที่จับภาพโครงสร้างของโคโรน่าและลมสุริยะก่อนที่ยานอวกาศจะบินผ่านเข้าไป
WISPR จะใช้ภาพจากระยะไกลที่เกิดจากการระเบิดของมวลโคโรนาหรือ CMEs เครื่องบินไอพ่น รวมไปถึงวัตถุระเบิดอื่นๆจากดวงอาทิตย์ โครงสร้างทั้งหลายเหล่านี้จะเดินทางออกจากดวงอาทิตย์และแซงยานอวกาศ โดย WISPR จะทำการเชื่อมโยงสิ่งต่างๆในโครงสร้างเพื่อวัดคุณสมบัติทางกายภาพอย่างละเอียดโดยตรง และมีแผ่นป้องกันความร้อนที่ถูกออกแบบมาเป็นพิเศษเพื่อดูดซับและสะท้อนความร้อนสำหรับป้องกันอุปกรณ์
WISPR ใช้กล้องสองตัวพร้อมเซนเซอร์ตรวจจับภาพแบบ CMOS ที่ได้ผ่านการฉายรังสี แทนการใช้เซนเซอร์แบบ CCD ที่มีน้ำหนักมากกว่าและใช้พลังงานสูงกว่า แต่อุปกรณ์เหล่านี้ก็ยังอาจได้รับผลกระทบจากรังสีคอสมิกและอนุภาคอื่นๆที่เคลื่อนเข้าสู่ดวงอาทิตย์ เลนส์ของกล้องจึงถูกออกแบบจาก BK7 ซึ่งเป็นแก้วที่ใช้สำหรับกล้องโทรทรรศน์ทั่วไปและมีความแข็งแรงเพียงพอต่อการกระทบของอนุภาคในอวกาศ
คลิปแสดงการทำงานของ WISPR
3. SWEAP
The Solar Wind Electrons Alphas and Protons investigation หรือ SWEAP เป็นอุปกรณ์ที่ประกอบไปด้วย 2 ส่วน คือ Solar Probe Cup หรือ SPC และ Solar Probe Analyzers หรือ SPAN ใช้สำหรับการนับอนุภาคในลมสุริยะ (ซึ่งประกอบไปด้วย อิเล็กตรอน โปรตรอน และฮีเลียมไอออน) และวัดคุณสมบัติต่างๆ เช่น ความเร็ว ความหนาแน่น และอุณหภูมิเพื่อเข้าใจลมสุริยะมากขึ้น
ในส่วนของ SPC หรือก็คือถ้วยฟาราเดย์ที่เรารู้จักกันนั่นเอง ซึ่งใช้ตรวจวัดเก็บข้อมูลประจุไฟฟ้าและกระแสอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ โดยในถ้วยจะประกอบไปด้วยชุดของกริดที่มีความโปร่งใสสูง ซึ่งในชุดกริดนั้นจะใช้แรงดันไฟฟ้าสูงเพื่อเรียงลำดับอนุภาคเหนือแผ่นเก็บซึ่งจะวัดคุณสมบัติต่างๆของอนุภาค และช่วยแยกแยะเสียงรบกวนจากรังสีคอสมิกออกไปได้
กริดที่อยู่ใกล้กับอุปกรณ์สามารถทนอุณหภูมิได้ถึง 3,000 F และเรืองสีแดงขณะที่กำลังวัดค่าโดยใช้ผลึกแซฟไฟร์ในการแยกส่วนประกอบต่างๆภายในถ้วย
และเมื่อผ่านไปใกล้ดวงอาทิตย์ SPC จะใช้เวลาในการตรวจวัดถึง 146 ครั้ง/วินาทีเพื่อหาอัตราเร็ว ความหนาแน่นและอุณหภูมิของพลาสมาของดวงอาทิตย์ได้อย่างถูกต้อง
และในส่วนของ SPAN จะประกอบไปด้วย SPAN-A และ SPAN-B ซึ่งจะมีมุมมองในการวัดที่กว้าง สามารถมองเห็นพื้นที่ในส่วนที่ SPC ไม่สามารถวัดได้ โดยอนุภาคที่ตรวจพบจะเข้าสู่วงกตผ่านแรงดันไฟฟ้าเพื่อเรียงลำดับอนุภาคโดยขึ้นอยู่กับมวลและประจุ ในขณะที่ SPAN-A จะวัดอิเล็กตรอนและไอออน SPAN-B จะวัดเฉพาะอิเล็กตรอนเท่านั้น
คลิปแสดงการทำงานของ SWEAP
4. ISʘIS
มาถึงอุปกรณ์ตัวสุดท้ายที่ใช้สำหรับวัดอิเล็กตรอน โปรตรอน และไอออนเช่นเดียวกับอุปกรณ์ก่อนหน้านี้ แต่ ISʘIS จะทำให้เราเข้าใจวัฏจักรของอนุภาค ว่าเกิดขึ้นมาได้อย่างไร ทำไมความเร็วถึงเปลี่ยนแปลง และอนุภาคเคลื่อนที่ออกมาจากดวงอาทิตย์สู่อวกาศได้อย่างไร โดย ISʘIS ยังมีอุปกรณ์ข้างในอีกสองอย่างคือ EPI-Lo และ EPI-Hi (EPI ย่อมาจาก Energetic Particle Instrument)
EPI-Lo จะวัดสเปกตรัมของอิเล็กตรอนและไอออนรวมไปถึงการระบุคาร์บอน ออกซิเจน นีออน แมกนีเซียม ซิลิกอน เหล็กและไอโซโทปของฮีเลียม (He-3 และ He-4) การแยกแยะระหว่างฮีเลียมไอโซโทปจะช่วยในการพิจารณาว่ากลไกใดทำให้เกิดการเร่งอนุภาค
EPI-Lo ถูกออกแบบมาให้มีรูปร่างแบบ octagonal รองรับช่องมองภาพกว่า 80 ช่องเพื่อสังเกตอนุภาคพลังงานต่ำ ไอออนจะเข้าสู่ EPI-Lo ผ่านช่องมองภาพ ผ่านฟอยล์ carbon-polyimide-aluminium ทั้ง 2 ก่อนจะเข้าสู่เครื่องตรวจจับของแข็ง อิเล็กตรอนจะถูกวัดค่าโดยพลังงานที่เหลือจากการกระทบของไอออน โดยเวลาที่ผ่านเซนเซอร์จะเป็นตัวบอกถึงชนิดของอนุภาค
ส่วน EPI-Hi จะใช้เซนเซอร์ในเครื่องตรวจจับซ้อนกันเป็นชั้นๆ เพื่อวัดอนุภาคที่มีพลังงานสูงกว่า EPI-Lo โดยชั้นหน้าจะประกอบไปด้วยเครื่องตรวจจับซิลิกอนบางเฉียบช่วยในการกำหนดทิศทางอนุภาคและลดเสียงรบกวน และเมื่อใกล้กับดวงอาทิตย์ EPI-Hi จะสามารถตรวจจับได้ถึง 100,000 อนุภาค/วินาที
ด้วยการใช้เครื่องมือทั้งสองร่วมกัน ISʘIS จะตรวจสอบพลังงานทั้งหมดของอนุภาคพลังงานแสงอาทิตย์รวมถึงอนุภาคพลังงานลม พลังงานแสงอาทิตย์ที่มีพลังงานสูงซึ่งไม่สามารถตรวจพบได้โดย SWEAP
คลิปแสดงการทำงานของ ISʘIS
ดวงอาทิตย์ร้อนขนาดนั้น แล้วยานลำนี้เข้าไปสำรวจได้อย่างไร?
แน่นอนว่าเจ้ายาน Parker Solar Probe จะต้องพบเจอสภาวะที่เลวร้ายในขณะที่ทำภารกิจ ยานจะต้องปลอดภัยจากอุณภูมิที่สูงมากของดวงอาทิตย์ โดยดร. Elisabeth Abel หัวหน้าทีมวิจัยเกราะกันความร้อนแห่งห้องทดลองฟิสิกส์ประยุกต์ มหาวิทยาลัย Johns Hopkins ได้แสดงให้เราเห็นว่า เกราะกันความร้อนของยานอวกาศนี้ สามารถทนความร้อนได้สูงถึง 1,371 องศาเซลเซียสที่ผิวด้านนอก และทำให้ผิวด้านในมีอุณหภูมิเหลือเพียง 316 องศาเซลเซียส
เกราะสามารถกันความร้อนได้ขนาดนี้ เนื่องจากการใช้แผ่นโฟมคาร์บอนที่ประกอบด้วยรูจำนวนมากหนา 11.4 เซลติเมตรเป็นวัสดุแกนกลาง ทำให้ความร้อนผ่านไปอีกด้านได้ยาก และประกบด้วยวัสดุคาร์บอนทั้ง 2 อีกทีเป็นเหมือนแซนวิช และมันมีน้ำหนักเบา
ภาพแสดงเกราะกันความร้อนของ Parker Solar Probe
คลิปดร. Elisabeth Abel ให้ผู้ทดสอบลองสัมผัสอีกด้านของเกราะกันความร้อน ขณะเธอกำลังพ่นไฟใส่ตัวเกราะ
ชื่อ Parker Solar Probe เพื่อเป็นเกียรติแก่ศ.ยูจีน ปาร์กเกอร์
เดิมทียานสำรวจดวงอาทิตย์ลำนี้ชื่อ “Solar Probe Plus” และได้เปลี่ยนมาเป็น “Parker Solar Probe” เพื่อเป็นเกียรติแก่ ศ.ยูจีน ปาร์กเกอร์ นักวิทยาศาสตร์ผู้บุกเบิกงานวิจัยด้านลมสุริยะ และเป็นครั้งแรกที่ NASA ตั้งชื่อยานอวกาศตามชื่อของบุคคลที่ยังมีชีวิตอยู่
จากนี้เราคงต้องคอยติดตามกันว่ายาน Parker Solar Probe จะพาพวกเราไปเจอกับอะไรบ้าง
การสำรวจครั้งนี้อาจจะเป็นการค้นพบครั้งยิ่งใหญ่ครั้งหนึ่งในอนาคตก็เป็นได้
อ้างอิง: NASA, Space.com, Spaceflightnow.com, Earthsky.org
