การสังเกตการมืดคล้ำที่ขอบ (limb darkening) ของดวงอาทิตย์

          ตอนเด็กๆระดับประถมศึกษาจำได้ว่าเคยไปแข่งขันตอบปัญหาสารานุกรม และอาจารย์จะให้คนที่ไปแข่งขันสามารถนำสารานุกรมไทยสำหรับเยาวชนจากห้องสมุดไปอ่านที่บ้านได้ ทั้งที่ปรกติแล้วเป็นหนังสืออ้างอิงไม่สามารถนำออกจากหอสมุดได้ ได้อ่านบ่อยๆจนจำได้แม่นยำแม้กระทั่งปัจจุบันว่าในเล่มที่หนึ่งบทที่หนึ่งคือเรื่องดวงอาทิตย์ บทที่สองคือเรื่องอุปราคา ปัจจุบันพบว่าสามารถเข้าไปอ่านได้ฟรีๆออนไลน์ที่ https://www.saranukromthai.or.th/ นับว่าเป็นประโยชน์มาก


          ซึ่งในสารานุกรมไทยสำหรับเยาวชนในเล่มที่หนึ่งบทที่หนึ่ง ได้พูดถึงเรื่องเกิดการมืดคล้ำที่ขอบดวง (limb darkening) ไว้ด้วยโดย ภาษาอังกฤษคำว่า limb มาจากภาษาละตินคือคำว่า limbus แปลว่าขอบ การมืดคล้ำที่ขอบดวงหมายถึงถ้าเราลองสังเกตรูปดวงอาทิตย์ดีๆจะพบว่าเมื่อพิจารณาจากศูนย์กลางดวงในรูปมายังขอบดวง ดวงอาทิตย์จะสว่างที่กลางดวงและความสว่างนั้นจะลดลงเมื่อใกล้ขอบ ซึ่งสามารถอธิบายได้ว่าเกิดจากสาเหตุเพราะที่บริเวณพื้นผิวของดวงอาทิตย์จะมีอุณหภูมิน้อยกว่าภายในของดวงอาทิตย์ แก๊สในชั้นโฟโตสเฟียร์ของดวงอาทิตย์จะมีอุณหภูมิสูงขึ้นในระดับที่ลึกลงไปของดวงอาทิตย์ เมื่อเราดูที่ตรงกลางของดวงอาทิตย์ ลำแสงจากดวงอาทิตย์ผ่านโฟโตสเฟียร์ขึ้น มาในแนวตั้งฉาก แสงสว่างที่กลางดวงจึงออกมาจากระดับที่ลึกกว่าและร้อนกว่า ขณะที่เมื่อเราดูที่ขอบของดวงอาทิตย์ลำแสงจะต้องเดินเฉียงผ่านชั้นของดวงอาทิตย์ทำให้เดินทางไปชั้นไม่ลึกเท่าจากมองดูตรงกลางของดวงอาทิตย์ ดังนั้นจึงมีอุณหภูมิน้อยกว่าชั้นที่ลึกกว่า เพราะฉะนั้นจึงสว่างน้อยกว่า (ดูภาพที่ 1 ประกอบจะเข้าใจได้ง่ายขึ้น) 
 
 

          S.S.R. Inbanathan, K. Moorthy และ Ashok Kumar S ได้ตีพิมพ์บทความเรื่อง “Observing Solar Limb Darkening in the Classroom” ลงในวารสาร The Physics Teacher เมื่อวันที่ 31 มีนาคม ค.ศ. 2021 เพื่อสังเกตการมืดคล้ำที่ขอบของดวงอาทิตย์ พบว่าน่าสนใจและไม่ยากเกินไปนักที่จะฝึกทดลองทำดู
 
 

          การทดลองสามารถทำได้โดยใช้โต๊ะแสง (optical bench) ความยาว 2 เมตร โดยวางกระจกสะท้อน เลนส์นูนสองด้านความยาวโฟกัส 800 mm เลนส์ใกล้ตาความยาวโฟกัส 80 mm เรียงต่อกันเป็นแนวตรงดังรูปที่ 3 (บน) โดยเลนส์นูนสองด้านทำหน้าที่เป็นเลนส์ใกล้วัตถุและเลนส์ใกล้ตาใช้เพื่อให้ได้ภาพดวงอาทิตย์ปรากฏบนฉากรับ แสงจากดวงอาทิตย์ถูกสะท้อนจากกระจกสะท้อนมายังเลนส์ใกล้วัตถุ โดยด้านหน้าของเลนส์ใกล้วัตถุมีกระดาษแข็งเจาะรูที่ขนาดใหญ่กว่าขนาดของเลนส์ใกล้วัตถุเล็กน้อยเพื่อกันแสงหักเหจากแหล่งอื่นๆที่เราไม่ต้องการ และเมื่อวางตำแหน่งของเลนส์ใกล้ตาถูกต้องเราจะได้ภาพชัดเจนของดวงอาทิตย์ปรากฏบนฉากรับอย่างชัดเจนเป็นรูปวงกลม โดยที่ฉากรับมีตัวต้านทานที่ขึ้นกับแสงหรือภาษาอังกฤษคือ light dependent resistor (LDR) เชื่อมต่อกับไมโครคอนโทรลเลอร์ Arduino โดย LDR นั้นถูกตรึงให้คงที่ เนื่องมาจากการหมุนของโลกจะทำให้ภาพดวงอาทิตย์เคลื่อนที่จากขอบด้านหนึ่งผ่านจุดศูนย์กลางไปยังขอบอีกด้านหนึ่ง ค่าศักย์(ไฟฟ้า) จะถูกวัดทุกๆ 250 ms และใช้เวลาทั้งหมดในการวัด 160 s จากขอบด้านหนึ่งผ่านจุดศูนย์กลางไปยังขอบอีกด้านหนึ่ง โดยภาพดวงอาทิตย์ปรากฏบนฉากรับมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 cm จากนั้นใช้โปรแกรมใน Arduino เพื่อบันทึกผลการทดลอง เมื่อนำข้อมูลมาพลอตเป็นกราฟระหว่างความเข้มของแสงและเวลาโดยแสดงตั้งแต่ขอบด้านหนึ่งผ่านจุดศูนย์กลางไปยังขอบอีกด้านหนึ่งของภาพดวงอาทิตย์ปรากฏบนฉาก เราจะพบว่าที่ตรงกลางของกราฟมีค่าเข้มของแสงมากที่สุด และที่บริเวณขอบทั้งสองข้างมีค่าความเข้มของแสงน้อยที่สุด โดยความเข้มของแสงจะค่อยๆลดลงจากจุดศูนย์กลางของภาพดวงอาทิตย์ไปยังบริเวณขอบ ซึ่งเป็นการการสังเกตการมืดคล้ำที่ขอบของดวงอาทิตย์นั่นเอง
 
 

          ข้อคำนึงถึงการทดลองนี้คือในการทำการทดลองบางครั้งอาจจะต้องมองดวงอาทิตย์ด้วยตาโดยตรงซึ่งเป็นอันตรายต่อดวงตา ถ้าต้องการจะสังเกตดวงอาทิตย์โดยตรงให้ใช้แผ่นฟิลเตอร์กรองแสงที่เหมาะสมก่อนทุกครั้ง และควรทำการทดลองด้วยความระมัดระวัง เพื่อถนอมดวงตาของเราไว้อ่านตำราฟิสิกส์และงานวิจัยต่อไป

 

อ้างอิง

• Inbanathan, S. S. R., & Moorthy, K. (2021). Observing Solar Limb Darkening in the Classroom. The Physics Teacher, 59(4), 292-293.
• https://www.saranukromthai.or.th/sub/book/book.php?book=1&chap=1&page=chap1.htm
• https://www.britannica.com/science/limb-darkening