“ดวงจันทร์” สว่างกว่า “ดวงอาทิตย์” จริงหรือ?

          ดวงอาทิตย์เปรียบได้กับแหล่งพลังงานหลักของแสงและความร้อนในเวลากลางวัน และดวงจันทร์ที่ไม่สามารถส่องสว่างได้ในตัวเองเปรียบได้กับแสงนวลละมุนในยามค่ำคืน หากแต่ผลการศึกษาทางด้านฟิสิกส์ดาราศาสตร์กลับพบว่า วัตถุที่ไม่สามารถสร้างแหล่งพลังงานแสงได้ด้วยตัวเอง อย่างเช่น “ดวงจันทร์” สว่างกว่า “ดวงอาทิตย์” ในช่วงคลื่นรังสีแกมมาที่พลังงานมากกว่า 31 MeV (MeV คือปริมาณที่บ่งบอกพลังงานรูปแบบหนึ่ง) 


          คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic wave) เกิดจากการเร่งอนุภาคที่มีประจุส่งผลให้เกิดการรบกวนสนามแม่เหล็ก (Magnetic field) และสนามไฟฟ้า (Electric field) แล้วสั่นในทิศทางที่ตั้งฉากกันและเคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณ 3x108 เมตรต่อวินาที (คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนที่ได้ระยะทาง 300 ล้านเมตรภายใน 1 วินาที) คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่คนทั่วไปคุ้นเคย ได้แก่ แสงที่ตามองเห็น (Light) คลื่นไมโครเวฟ (Microwave) รังสี UV (Ultraviolet) หรือแม้แต่คลื่นวิทยุ (Radio) นอกจากนี้ยังมีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดอื่น ๆ อีกด้วย เช่น รังสีอินฟราเรด (Infrared) รังสีเอ็กซ์ (X rays) และรังสีแกมมา (Gamma rays) ดังแสดงในรูป

            “รังสีแกมมา" เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูงและพลังงานสูง (อำนาจทะลุทะลวงสูง) หากแต่มีความหลากหลายของช่วงพลังงานตั้งแต่ระดับ 100 keV เป็นต้นไป รังสีชนิดนี้ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่าแต่สามารถตรวจวัดได้จากเครื่องตรวจวัดต่าง ๆ ทั้งที่ติดตั้งอยู่บนพื้นดิน เช่น VERITAS, MAGIC, IACTs และโคจรอยู่ในอวกาศ ได้แก่ OSO-3, SAS-2, CGRO, EGRET, Fermi เป็นต้น สำหรับบทความนี้ นำเสนอผลการวิเคราะห์ข้อมูลรังสีแกมมาที่ระดับพลังงานมากกว่า 31 MeV จากเครื่องตรวจวัด Large Area Telescope (LAT) ที่ถูกติดตั้งบนกล้องโทรทรรศน์อวกาศเฟอร์มี (Fermi Gamma-ray Space Telescope หรือเรียกสั้น ๆ ว่า Fermi) โดยที่ Fermi มีภารกิจในการตรวจวัดรังสีแกมมาในช่วงพลังงาน 8 keV - 300 GeV (โดยที่ 1 keV = 1,000 eV, 1 MeV = 1,000,000 eV และ 1 GeV = 1,000,000 eV) จากปรากฏการณ์ต่าง ๆ ในอวกาศ Fermi ถือว่าได้เป็นกล้องโทรทรรศน์ที่ตรวจวัดรังสีแกมมาดวงล่าสุดของ NASA (National Aeronautics and Space Administration) ที่ถูกส่งไปโคจรในอวกาศที่ระดับความสูงจากพื้นโลกประมาณ 530 - 560 กิโลเมตร (Low-Earth orbit) เมื่อวันที่ 11 มิถุนายน 2008 จนถึงปัจจุบันนี้ Fermi ได้โคจรรอบโลกเป็นปีที่ 11

 

          นักฟิสิกส์ชาวอิตาลี Mario Nicola Mazziotta และ Francesco Loparco ได้ศึกษาข้อมูลรังสีแกมมาในช่วงพลังงานที่มากกว่า 31 MeV ที่บันทึกได้จากเครื่องตรวจวัด LAT ขณะที่ Fermi หันหน้ากล้องเข้าหาตำแหน่งของดวงจันทร์เป็นเวลายาวนานถึง 128 เดือน จำนวนของรังสีแกมมาถูกนำมาพล็อตลงในพิกัดฉากโดยที่ตำแหน่งเริ่มต้น (0,0) ตรงกับศูนย์กลางของดวงจันทร์ในช่วงเวลาที่แตกต่างกัน จากการศึกษาพบว่าความสว่างมีลักษณะคล้ายวงกลม โดยที่ความละเอียดของรังสีแกมมาไม่สูงพอที่จะระบุขนาดและบอกลักษณะพื้นผิวของดวงจันทร์ได้ แต่สิ่งที่สังเกตได้จากการศึกษาในครั้งนี้พบว่าระยะเวลาที่หน้ากล้องหันเข้าหาตำแหน่งดวงจันทร์นานขึ้น ความสว่างของรังสีแกมมาจะสูงขึ้น (ความสว่างสามรถสังเกตได้จากสีที่แสดงในรูป เช่น สีเหลืองจะสว่างมาก ขณะที่สีแดงจะสว่างน้อยลง) นอกจากนี้นักฟิสิกส์ชาวอิตาลียังพบอีกว่าความสว่างของรังสีแกมมาจากดวงจันทร์ไม่มีรูปแบบวัฏจักร (Cycle) เหมือนกับปรากฏการณ์บนดวงอาทิตย์ ที่สังเกตได้จากจำนวนจุดมืดบนดวงอาทิตย์ที่มีรูปแบบเป็นวัฏจักรทุก ๆ 11 ปี


            จากคุณสมบัติเบื้องต้นของดวงจันทร์และกราฟข้อมูลที่ได้จากการศึกษาในครั้งนี้ ทำให้นักวิจัยทั้งสองวิเคราะห์ว่า รังสีแกมมาที่สร้างจากดวงจันทร์นั้นเกิดจากอันตรกิริยาของรังสีคอสมิกที่ชนกับสสารที่เป็นพื้นผิวของดวงจันทร์ (Regolith มีที่มาจากการรวมกันของคำว่า rhegos หมายถึง ผ้าห่ม และ lithos หมายถึง หิน) โดยที่ “รังสีคอสมิก” (Cosmic rays) คืออนุภาคพลังงานสูงที่ถูกเร่งจากปรากฏการณ์ต่าง ๆ ในจักรวาล มีองค์ประกอบส่วนใหญ่ คือ ประจุโปรตอน (p+) 90% อนุภาคแอลฟาหรือนิวเคลียสของฮีเลียม (He2+) 8% และ อนุภาคอื่น ๆ รวมทั้งรังสีแกมมาอีก 2% แหล่งกำเนิดของรังสีคอสมิก ได้แก่ การระเบิดของดาว (Supermova) ดาวนิวตรอน (Neutron star) หรือ ลำอนุภาคที่เกิดขึ้นจากสสารตกเข้าไปสู่หลุมดำ เป็นต้น ความเข้มของสนามแม่เหล็กบนดวงจันทร์ค่อนข้างอ่อน จึงทำให้รังสีคอสมิกทั้งพลังงานต่ำและพลังงานสูงสามารถเข้าชนกับผิวของดวงจันทร์ได้ อันตรกิริยาจากการชนกันนี้ทำให้การแตกตัวของอนุภาคอื่น ๆ ขึ้น เช่น นิวตรอน (Neutron), มิวออน (Muon), ไพออน (Pion) เป็นต้น นอกจากนี้ยังเกิดรังสีแกมมาในช่วงพลังงานต่ำได้อีกด้วย หากตาของมนุษย์สามารถมองเห็นในช่วงรังสีแกมมาได้ เราคงจะสังเกตเห็นดวงจันทร์ส่องสว่างได้นั่นเอง


          ดวงอาทิตย์ไม่เพียงแค่แผ่แสงที่ตามองเห็น รังสี UV และรังสีอินฟราเรด (รังสีความร้อน) เท่านั้น แต่รังสีแกมมายังถูกสร้างจากปฏิกิริยาฟิชชันภายในชั้นแก่นของดวงอาทิตย์อีกด้วย หากแต่รังสีแกมมาเหล่านี้ถูกดูดกลืนพลังงานโดยพลาสมา (สถานะหนึ่งของสสาร นอกเหนือจากของแข็ง ของเหลว และก๊าซ) ที่ผิวของดวงอาทิตย์ (Solar plasma) รังสีแกมมาเหล่านี้สามารถเคลื่อนที่ออกจากบริเวณเหล่านั้นได้ แต่ในช่วงความถี่และพลังงานที่ลดลง เป็นเพียงคลื่นรังสีความร้อน คลื่นที่ตามองเห็น และรังสี UV หากพิจารณาอันตรกิริยาของรังสีคอสมิกที่ชนกับก๊าซที่ผิวบนดวงอาทิตย์ พบว่า รังสีคอสมิกพลังงานต่ำไม่สามารถเข้าถึงชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ได้เพราะถูกกีดกันด้วยอำนาจสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์ แต่รังสีคอสมิกที่มีพลังงานสูงจะเคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็ก (อนุภาคที่มีประจุจะเคลื่อนที่แบบเกลียวไปตามเส้นสนามแม่เหล็ก) แล้วชนกับชั้นบรรยากาศที่มีความหนาแน่นของดวงอาทิตย์และแตกตัวให้รังสีแกมมาที่มีพลังงานสูงสะท้อนออกมาจากดวงอาทิตย์ได้ นอกจากนี้ดวงอาทิตย์จะแผ่รังสีแกมมาที่มีพลังงานสูงในช่วงของการเกิดปรากฏการณ์การลุกจ้าของดวงอาทิตย์  (Solar flare) อีกด้วย 


          แม้ว่าปรากฏการณ์ของรังสีแกมมาที่มาจากดวงจันทร์และดวงอาทิตย์ยังเป็นหัวข้อศึกษาที่ซับซ้อน แต่ผลจากการศึกษาในครั้งนี้ทำให้ทราบว่า ดวงจันทร์ในช่วงรังสีแกมมาพลังงาน 31 MeV มีความสว่างกว่าดวงอาทิตย์หลายเท่า เนื่องด้วยผลของอันตรกิริยาของรังสีคอสมิกกับชั้นบรรยากาศของทั้งดวงจันทร์และดวงอาทิตย์นั่นเอง หากพิจารณารังสีแกมมาที่มีพลังงานสูง (>GeV) ก็คงไม่อาจจะขัดแย้งได้ว่าดวงอาทิตย์มีความสว่างกว่าดวงจันทร์ ด้วยผลการศึกษานี้ยังทำให้นักวิทยาศาสตร์ต้องตระหนักในเรื่องผลกระทบของรังสีแกมมามากยิ่งขึ้นหากต้องการส่งนักบินอวกาศไปยังดวงจันทร์อีกครั้ง

 

อ้างอิง

• [1] Francis Reddy, Moon Glows Brighter Than Sun in Images From NASA's Fermi, https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/moon-glows-brighter-than-sun-in-images-from-nasas-fermi, สืบค้นเมื่อ 12 กันยายน 2562
• [2] Evan Gough, When it Comes to Gamma Radiation, the Moon is Actually Brighter Than the Sun, https://www.universetoday.com/143183/when-it-comes-to-gamma-radiation-the-moon-is-actually-brighter-than-the-sun/, สืบค้นเมื่อ 12 กันยายน 2562
• [3] Ryan F. Mandelbaum, The Moon Shines Brighter Than the Sun... in Gamma Rays, https://gizmodo.com/the-moon-shines-brighter-than-the-sun-in-gamma-rays-1837378683, สืบค้นเมื่อ 12 กันยายน 2562