ดวงอาทิตย์ ดาวฤกษ์แหล่งพลังงานอันมหาศาลในระบบสุริยะ !!!

ดวงอาทิตย์ แหล่งกำเนิดพลังงานแสงและความร้อน ที่มนุษย์เพิ่งพากันมา

ตั้งแต่อดีต จน ปัจจุบัน

เฮนรี่จะพาไปดูกันว่า ในดวงอาทิตย์นั้นประกอบไปด้วยอะไรบ้าง

ยิ่งอ่านก็ยิ่งทึ่งกับความมหัศจรรย์ของ ดวงอาทิตย์ครับ.....

ปรากฏการณ์สุริยุปราคาเต็มดวงปี 2009 ที่ผ่านมา เป็นปรากฏการณ์ที่เราสังเกตชั้นโคโรนาของดวงอาทิตย์ได้ด้วยตาเปล่า (AFP)

ในโลกมีพลังงานหลากหลายรูปแบบ ทั้งจากน้ำ ลม ซากฟอสซิล และแสงแดด แต่พลังงานส่วนใหญ่บนโลกนั้นมาจากดวงไฟที่อยู่ไกลจากเราออกไปเกือบ 150 ล้านกิโลเมตร ดวงไฟนั้นคือ ดวงอาทิตย์ ที่โลกเราประทับอยู่ในตำแหน่งที่เหมาะเจาะพอ จนได้รับประโยชน์จากศูนย์กลางของระบบสุริยะดวงนี้

       ดวงอาทิตย์เป็นดาวฤกษ์ที่ให้ทั้งแสงสว่าง ความร้อนและพลังงานแก่โลก องค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นก๊าซและเป็นก๊าซที่ไวต่ออำนาจแม่เหล็ก ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ให้ชื่อก๊าซที่มีลักษณะพิเศษนี้ว่า พลาสมา (Plasma) เมื่อเทียบกับโลกแล้วมีรัศมีเป็น109 เท่าของรัศมีโลก คือประมาณ 695,500 กิโลเมตร อุณหภูมิเฉลี่ยของผิวอยู่ที่ 5,500 องศาเซลเซียส แต่อุณหภูมิที่ใจกลางสูงถึง 15 ล้านองศาเซลเซียส

       โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ด้วยระยะห่าง 149,600,000 กิโลเมตร ทว่าไม่ใช่เพียงแค่โลกและดาวเคราะห์อีก 7 ดวง ที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ แต่ยังมีดวงจันทร์ทั้งหลายของดาวเคราะห์ต่างๆ ดาวเคราะห์น้อยอีกนับหมื่นดวง และดาวหางอีกกว่าแสนล้านดวงที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ ซึ่งทั้งหมดอยู่ในระบบสุริยะ

       มวลของระบบสุริยะรวมอยู่ที่ดวงอาทิตย์ถึง 99.8% คือ 2 พันล้านล้านล้านล้านตัน แต่ความหนาแน่นของดวงอาทิตย์น้อยกว่า 1 ใน 3 ของความหนาแน่นเฉลี่ยของโลก โดยมีความหนาแน่นประมาณ 1.4 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร หรือคิดเป็น 1.4เท่าความหนาแน่นของน้ำ

       องค์ประกอบของดวงอาทิตย์ก็ไม่ต่างจากดาวดวงอื่นมากนัก โดย มีธาตุ ไฮโดรเจน เป็นองค์ประกอบหลักในส่วน94% ส่วนธาตุรองลงไปคือ ฮีเลียม และยังมีธาตุอื่นๆ อีกในปริมาณเล็กน้อยในส่วน 0.1% ได้แก่ ออกซิเจน คาร์บอน นีออน ไนโตรเจนแมกนีเซียม เหล็กและซิลิกอน แต่เนื่องจากไฮโดรเจนเป็นธาตุเบาที่สุด เมื่อคิดเป็นมวลแล้วจึงมีส่วนเพียง72% ส่วนฮีเลียมมีส่วนมวลอยู่ที่ 26%

       กะเทาะเปลือกดวงอาทิตย์

ภาพชั้นต่างๆ ของดวงอาทิตย์ (NASA)

       ดวงอาทิตย์มีองค์ประกอบอยู่หลายชั้นจากในสุดออกมาถึงชั้นนอกสุด ดังนี้
       - แกนหรือใจกลางดวงอาทิตย์ (Core) มีรัศมีเป็น 1 ใน 4 ของระยะทางจากศูนย์กลางถึงพื้นผิว และแม้มีปริมาตรเพียง 2%ของปริมาตรทั้งหมด แต่มีมวลเกือบครึ่งของดวงดาว โดยมีความหนาแน่นถึง 150 ต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ซึ่งหนาแน่นมากกว่าตะกั่วถึง 15 เท่า มีอุณหภูมิสูงสุดกว่า 15 ล้านองศาเซลเซียส

       - เขตแผ่รังสี (Radioactive zone) อยู่รอบๆ แกนกลางดวงอาทิตย์ ห่างวัดจากจุดศูนย์กลางดวงอาทิตย์ถึงขอบนอกสุดของชั้นจะเป็น 70% ของระยะทางถึงผิวดวงอาทิตย์ คิดเป็น 32% ของปริมาตรดวงอาทิตย์ทั้งหมด และคิดเป็นมวล 48% ของดวงอาทิตย์ สำหรับเขตนี้ เป็นบริเวณที่มีโฟตอนเคลื่อนผ่านจากใจกลางดวงอาทิตย์ แต่ด้วยความหนาแน่นของอนุภาคก๊าซในชั้นบรรยากาศนี้ ทำให้โฟตอนต้องใช้เวลานานถึง 1 ล้านปีกว่าจะผ่านออกมาได้

       - เขตพาความร้อน (Convection zone) เป็นชั้นที่มีปริมาตรถึง 66% ของปริมาตรดวงอาทิตย์ทั้งหมด แต่มีมวลเพียง 2% โดยชั้นบนสุดมีความหนาแน่นเกือบเป็นศูนย์ มีอุณหภูมิประมาณ 5,800 องศาเซลเซียส ในชั้นนี้มี เซลล์พาความร้อน (Convection cell) ซึ่งมีอุณหภูมิสูงมาก

       ส่วนชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ประกอบด้วย ชั้นโฟโตสเฟียร์ (Photosphere) ชั้นโครโมสเฟียร์ (Chromosphere) และชั้นโคโรนา (Corona) ซึ่งเป็นชั้นบรรยากาศนอกสุด และลมสุริยะเกิดขึ้นในชั้นโคโรนานี้ ทำให้มีสายธารของก๊าซพวยพุ่งออกด้านนอก

       ทั้งนี้นักดาราศาสตร์ไม่สามารถมองเข้าไปในดวงอาทิตย์ได้โดยตรง จึงต้องอาศัยการศึกษาภายในของดวงอาทิตย์ด้วยวิธีทางอ้อม ซึ่งความรู้บางอย่างเกี่ยวกับดวงอาทิตย์เกิดขึ้นจากการสังเกตคุณสมบัติในภาพรวม และบางความรู้เกิดขึ้นจากการคำนวณปรากฏการณ์ ที่สร้างขึ้นในบริเวณที่สามารถสังเกตได้

ปฏิกิริยานิวเคลียร์สร้างพลังงานให้ดวงไฟสุริยะ

ภาพลูปหลังการลุกจ้าบนดวงอาทิตย์ (NASA)

       พลังงานที่เกิดขึ้นบนดวงอาทิตย์นั้นมาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน ซึ่งเกิดขึ้นลึกลงไปในใจกลางของดวงอาทิตย์ เนื่องจากที่ใจกลางดวงอาทิตย์นั้นร้อนและหนาแน่นมาก โดยปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันเป็นปฏิกิริยาที่นิวเคลียสของ 2อะตอมมารวมกัน แล้วเกิดเป็นนิวเคลียสใหม่ แต่เนื่องจากนิวเคลียสนั้นมีประจุเป็นบวก นิวเคลียสจึงมีแนวโน้มที่จะผลักกัน หากแต่อุณหภูมิและความหนาแน่นที่สูงมาก ทำให้นิวเคลียสสามารถหลอมรวมกันได้

       กระบวนการนิวเคลียร์ฟิวชันส่วนใหญ่ที่เกิดขึ้นบนดวงอาทิตย์นั้น เริ่มขึ้นจากนิวเคลียสไฮโดรเจนซึ่งมีโปรตอนเพียง 1 ตัว ถูกรวมเข้ากับนิวเคลียสของไฮโดรเจนอีกตัว ซึ่งนิวเคลียสจากอนุภาค 2 ตัวจะรวมกัน แล้วเกิดปฏิกิริยาที่เกิดนิวเคลียสจากอนุภาค 3 ตัวรวมกัน และ 4 ตัวรวมกันในที่สุด ซึ่งในกระบวนการที่เกิดขึ้น ยังได้อนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้าที่เรียกว่า นิวทริโน (Neutrino) ดังนั้นสุดท้ายแล้วจะได้นิวเคลียสของธาตุที่มีโปรตอน 2 ตัวและนิวตรอน 2 ตัว ซึ่งเป็นนิวเคลียสของธาตุฮีเลียม

       หากแต่มวลของนิวเคลียสที่เกิดขึ้นนั้นน้อยกว่ามวลของนิวเคลียส 4 ตัวซึ่งตัวตั้งต้น โดยมวลที่หายไปนั้นถูกเปลี่ยนไปเป็นพลังงาน ซึ่งพลังงานทั้งหมดที่เกิดขึ้นนั้นสามารถคำนวณได้จากสมการอันโด่งดังของ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ นั่นคือ E=mc² โดยE เป็นสัญลักษณ์ของพลังงาน, m เป็นสัญลักษณ์ของมวลที่หายไปแล้วถูกเปลี่ยนเป็นพลังงาน และ c เป็นสัญลักษณ์ของความเร็วแสง

       ส่งพลังงานสู่โลกด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

เปรียบโลกกับดวงอาทิตย์ ในภาพโลกมีขนาดเป็นจุดเล็กๆ ด้านล่างซ้ายของดวงอาทิตย์ (NASA)

       พลังงานส่วนใหญ่ที่ถูกส่งออกมาจากดวงอาทิตย์นั้นเป็นพลังงานในรูปของแสงที่มองเห็นได้และรังสีอินฟราเรดที่ทำให้เรารู้สึกร้อน ซึ่งทั้งแสงที่เรามองเห็นได้และรังสีอินฟราเรดต่างเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ทั้งนี้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีระดับพลังงานทั้งหมด 6 แถบซึ่งมีแถบพลังงานที่แตกต่างกัน ไล่จากระดับพลังงานต่ำสุดไปถึงระดับพลังงานสูงสุด ได้แก่ คลื่นวิทยุ รังสีอินฟราเรด แสงที่ตามองเห็น รังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอ็กซ์ และรังสีแกมมา และยังมีคลื่นไมโครเวฟซึ่งเป็นวิทยุพลังงานสูงด้วย

       ทั้งนี้ดวงอาทิตย์ปลดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในทุกย่านพลังงานออกมา ซึ่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเหล่านั้นต่างเคลื่อนที่ในอวกาศด้วยความเร็วเดียวกันซึ่งรู้จักกันทั่วไปว่า ความเร็วแสง คือประมาณ 3 แสนกิโลเมตรต่อวินาที และด้วยความเร็วระดับนี้ทำให้โฟตอนหรืออนุภาคแสงเดินทางจากดวงอาทิตย์มายังโลกด้วยเวลาเพียง 8 นาที และคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เดินทางมาถึงชั้นบรรยากาศนอกสุดของโลกนั้นมีกำลังไฟฟ้าประมาณ 1,370 วัตต์ต่อตารางเมตร

       หากแต่มีพลังงานเพียง 40% เท่านั้นที่ลงมาถึงพื้นผิวโลก ซึ่งส่วนใหญ่เป็นพลังงานจากคลื่นวิทยุ ส่วนแสงที่ตามองเห็นและรังสีอินฟราเรดบางส่วน รังสีอัลตราไวโอเลตเกือบทั้งหมดและรังสีเอ็กซ์ทั้งหมดถูกชั้นบรรยากาศของโลกกันไว้

       นอกจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแล้ว ดวงอาทิตย์ยังส่งอนุภาคโปรตอนและอิเล็กตรอนออกมาด้วย แต่อนุภาคเหล่านี้เมื่อเคลื่อนเข้ามาใกล้โลก จะถูกสนามแม่เหล็กของโลกป้องกันไว้ ไม่ให้อนุภาคเหล่านี้ลงมาถึงพื้นโลกได้

       แต่ถ้ามีความเข้มของอนุภาคมากอย่าง การลุกจ้า (Flare) จากชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ก็อาจทำให้อนุภาคเหล่านั้นลงมาถึงพื้นผิวโลกได้ เรียกอนุภาคเหล่านั้นว่า รังสีคอสมิก ซึ่งส่วนใหญ่จะเป็นอนุภาคโปรตอน แต่บางครั้งก็มีอิเล็กตรอนด้วย ซึ่งความเข้มของอนุภาคเหล่านี้มีพลังงานสูงมากพอที่จะทำอันตรายนักบินอวกาศหรือดาวเทียมที่อยู่ในวงโคจรได้

       การลุกจ้านั้นเป็นการปะทุที่รุนแรงที่สุดในระบบสุริยะ ส่วนการปลดปล่อยมวลจากชั้นโคโรนาซึ่งเป็นชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์นั้นมีความรุนแรงน้อยกว่า โดยการปลดปล่อยมวลเพียงครั้งเดียวทำให้มีสสารพวยพุ่งสู่อวกาศถึง 1.8 หมื่นล้านตัน

       สนามแม่เหล็กบนดวงอาทิตย์เกิดจากการเคลื่อนที่ของเซลล์นำพาความร้อน ซึ่งวัตถุที่มีประจุใดๆ ก็ตามสามารถสร้างสนามแม่เหล็กขึ้นได้จากการเคลื่อนที่ และเซลล์นำพาความร้อนที่ประกอบด้วยไอออนบวกและอิเล็กตรอน ได้เคลื่อนที่อย่างอิสระแล้วทำให้เกิดสนามแม่เหล็กขึ้นบนดวงอาทิตย์ แต่บางพื้นที่ของดวงอาทิตย์ก็มีสนามแม่เหล็กเข้มกว่าสนามแม่เหล็กอื่นๆ ได้หลายพันเท่า ซึ่งพื้นที่เหล่านั้นทำให้เกิดเส้นสนามแม่เหล็กที่เคลื่อนที่เป็นวงบนพื้นผิวดวงอาทิตย์ ทำให้เกิดขั้วแม่เหล็กเหนือ-ใต้
       ที่ปลายเส้นสนามแม่เหล็กแต่ละจุดคือ จุดมืด (Sunspot) ซึ่งจำนวนของจุดมืดนี้ขึ้นอยู่กับความบิดเบี้ยวของสนามแม่เหล็ก การเปลี่ยนแปลงของจำนวนจุดมืดจากน้อยสุดไปมากสุด แล้วกลับมาน้อยนั้นเรียกว่า วัฏจักรจุดมืด (Sunspot cycle) ซึ่งมีช่วงเวลาเฉลี่ยประมาณ 11 ปี

       ดวงอาทิตย์ของเรานั้นเกิดมาแล้ว 4.6 พันล้านปี และมีเชื้อเพลิงนิวเคลียร์เพียงพอที่จะใช้ต่อไปอีก 5 พันล้านปี ตอนนี้ดวงอาทิตย์ของเราก็เดินทางมาเกือบถึงครึ่งหนึ่งของชีวิตแล้ว หลังจากหมดเชื้อเพลิงสำหรับปฏิกิริยานิวเคลียร์แล้ว ดาวฤกษ์ของเราจะขยายตัวกลายเป็น ดาวยักษ์แดง (Red giant) ซึ่งจะขยายใหญ่ จนดูดกลืนดาวเคราะห์ที่อยู่ใกล้ๆ รวมถึงโลกเราด้วย

       จากนั้นเปลือกนอกของดวงอาทิตย์จะหลุดออกไป เหลือเพียงใจกลางที่จะยุบตัวลงเป็นวัตถุที่เรียกว่า ดาวแคระขาว (White dwarf) ที่ร้อนจัดและมีแสงจ้า แล้วค่อยๆ จางลงในที่สุด ซึ่งบางครั้งอาจเป็น ดาวแคระดำ (Black dwarf) ก้อนมวลสาร น่าเสียดายที่โลกของเราอาจจะไม่ได้เป็นประจักษ์พยานในวันเวลาที่ดวงอาทิตย์ดับ