ทำไมดาวบนฟ้าถึง กะพริบ ระยิบระยับ? ขณะที่ดาวเคราะห์ไม่..
อะไรมาก่อนบิ๊กแบง - วิธีการทำงานของจักรวาล บทที่ 2
อะไรมาก่อนบิ๊กแบง – วิธีการทำงานของจักรวาล บทที่ 2
มีนาคม 5, 2019
ด้านมืดของดวงจันทร์ มีอะไร?
ด้านไกล (มืด) ของดวงจันทร์
มีนาคม 18, 2019
ทำไมดาวบนฟ้าถึง กระพริบ ระยิบระยับ? ขณะที่ดาวเคราะห์ไม่..

© NASA, ESA and H.E. Bond (STScI)

ท้องฟ้ากับดวงดาวนั้นอยู่คู่กับมนุษย์มานาน ในสมัยเด็กทุกๆครั้งที่เรามองดูฟ้า หลายคนอาจได้รับรู้มาว่า ดาวที่กะพริบนั้นคือฤกษ์ ในขณะที่ดาวไม่กะพริบคือดาวเคราะห์ แต่เหตุผลว่าทำไมดาวถึงกะพริบนั้น ก็ยังคงเป็นที่สงสัยกันเรื่อยมา อย่างไรก็ตามในหลักทางวิทยาศาสตร์แล้ว มันก็มีคำอธิบายให้สำหรับปรากฏการณ์นี้อยู่เช่นกัน

ก่อนจะเข้าเนื้อหา เรามาดูข้อสังเกตของรายละเอียดเล็กๆน้อยๆ เพื่อเปรียบเทียบให้เห็นถึงความแตกต่างกันเสียก่อน นักดาราศาสตร์พบว่าหากเราส่องดูดาวในอวกาศ แสงดาวจากทุกๆดวงจะค่อนข้างเสถียร (นี้จึงเป็นอีกหนึ่งเหตุผลว่าทำไม นักวิทยาศาสตร์จึงจำเป็นต้องส่ง กล้องโทรทรรศน์อวกาศขึ้นสู่วงโคจร นั่นคือเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาการรบกวนของชั้นบรรยากาศโลก) แต่ถึงกระนั้น พวกเราส่วนใหญ่คงไม่ได้มีโอกาศได้ไปส่องดูดาวในอวกาศอยู่แล้ว ดังนั้นการดูดาวจากบนพื้นโลกจึงเป็นเรื่องที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ และจะพบว่าแสงจากดาวฤกษ์จำนวนมากนั้นมีการกะพริบ! ขณะที่แสงจากดาวเคราะห์กลับไม่เป็นเช่นนั้น

รูปที่ 1) ดาวกะพริบส่วนใหญ่จะเป็นดาวฤกษ์ ส่วนดาวเคราะห์ภายในระบบสุริยะนั้นแสงจะค่อนข้างสงบนิ่งเหมือนเทียบกัน โดยดาวศุกร์จะสว่างที่สุด (ใกล้ตรงกลาง) ส่วนดาวพฤหัสบดีจะอยู่ทางตะวันตกเฉียงเหนือของดาวศุกร์
(© Brocken Inaglory/Wikimedia)

สาเหตุที่ดาวกะพริบ

การที่เราเห็นดาวฤกษ์บนท้องฟ้ากะพริบนั้นอันเนื่องมาจาก เพราะว่ามันอยู่ห่างไกลจากโลกมาก (ตั้งแต่ปีแสง ไปจนถึงหลายร้อยปีแสง) แม้เราจะส่องดูด้วยกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ แล้วก็ตาม แสงจากดวงดาวอันห่างไกลเหล่านี้ เมื่อเดินทางมาถึงโลกมันก็จะปรากฏเป็นจุดลำแสงขนาดเล็ก ซึ่งเป็นเรื่องง่ายมากที่มันจะถูกรบกวนโดยชั้นบรรยากาศโลก (มีความแปรปรวนตลอดเวลา) เมื่อลำแสงจากดาวแต่ละดวงได้ถูกหักเหไปมา อันเนื่องมาจากความหนาแน่นและอุณหภูมิของชั้นบรรยากาศต่างๆที่มีไม่เท่ากัน ก็ได้ไปส่งผลต่อการเลี้ยวเบนของแสง และทำให้มันเดินทางผ่านอากาศในลักษณะของ ‘ซิกแซ็ก’ ก่อนจะมาถึงตาของเรา แต่ขณะที่ประสบการณ์ของเราจะเปลี่ยนไปอย่างมาก หากเราได้ไปยืนชมดาวบนดวงจันทร์ (ตรงฝั่งกลางคืน) ซึ่งเป็นดวงจันทร์นั้นเป็นสถานที่ๆแทบจะไม่มีชั้นบรรยากาศเลย ดังนั้นแสงจากดาวฤกษ์ก็จะสามารถผ่านลงมาเป็นเส้นตรงได้ และปรากฏให้เห็นถึงแสงดาวที่สงบนิ่งกว่าบนโลก!

รูปที่ 2) ชั้นบรรยากาศของโลกมีความแปรปรวนของอุณหภูมิ ซึ่งจะส่งผลต่อความหนาแน่นของอนุภาคในอากาศ

สาเหตุที่แสงจากดาวเคราะห์ดูต่อเนื่องกว่า

อันดับแรกเลย ดาวเคราะห์ภายในระบบสุริยะของเรานั้น อยู่ใกล้กับแหล่งกำเนิดแสงอย่างดวงอาทิตย์มากกว่า จนแสงไม่อาจปรากฏให้เห็นเป็นแบบจุดแคบๆได้ แต่จะปรากฏให้เห็นในลักษณะลำดิสก์แสงเล็กๆแทน ซึ่งเราสามารถมองเห็นดิสก์แสงเหล่านี้ได้ ด้วยการมองผ่านกล้องโทรทรรศน์ (กลับกันเราจะเห็นเป็นจุดหัวเข็มหมุดหากส่องไปยังดาวฤกษ์) อย่างไรก็ดี ลำดิสก์แสงเหล่านี้ ก็ยังคงสามารถถูกหักเหด้วยชั้นบรรยากาศของโลกได้อยู่ นั่นคือ แสงจากขอบดิสก์ของดาวเคราะห์ในด้านหนึ่ง จะถูกสลับไปอีกทาง และเช่นเดียวกัน ขอบดิสก์อีกฝั่ง ก็จะถูกสลับไปในทิศทางตรงกันข้าม ดังนั้น กว่าดิสก์แสงที่ซิกแซ็กเหล่านี้ จะเดินทางมาถึงตาเรา มันก็ได้ถูกหักล้างซึ่งกันและกันไปหมดแล้ว และปรากฏให้เห็นเป็นแสงดาวเคราะห์ที่ดูเหมือนราวกับสงบนิ่งนั่นเอง

รูปที่ 3) จะเห็นว่าแสงจากดาวฤกษ์จะเป็นจุดที่แคบมาก ขณะที่แสงจากดาวเคราะห์ซึ่งอยู่ใกล้โลกมากกว่าจะปรากฏให้เห็นลำแสงที่กว้าง (disks)
(© Tom Callen of the Cosmonova theater in Sweden)

แต่ทั้งหมดที่กล่าวมานี้ ก็ไม่ได้หมายความว่า หากมองแสงดาวเคราะห์บนพื้นโลกแล้ว เราจะพลาดเห็นการกะพริบไปเสียหมดซะทีเดียว เพราะมันยังมีโอกาสกะพริบได้อยู่เช่นกัน หากเรามองแสงดาวเคราะห์เหล่านี้จากจุดฟ้าต่ำ เพราะจุดๆนั้นคือแนวเส้นขอบฟ้าของบรรยากาศ ซึ่งก็จะไม่ต่างอะไรกับการที่เรา ได้มองเห็นแสงดาวเหล่านี้ผ่านอากาศที่แปรปรวน และอัดแน่นกันอยู่ตรงนั้น

รูปที่ 4) ยิ่งมองผ่านชั้นอากาศที่มีความหนามากเท่าไหร่ ภาพปรากฏการกะพริบของดาวฤกษ์ (อาจรวมถึงดาวเคราะห์ในบางมุมมอง) ก็จะมากขึ้นเท่านั้น
(© AstroBob, via The Random Science blog)

อย่างไรก็ตามจากมุมมองในอวกาศ ทั้งจากแสงดาวฤกษ์และดาวเคราะห์ มันจะดูสงบนิ่งเอามากๆ เพราะไม่มีชั้นบรรยากาศมาคอยรบกวนการเดินทางของแสงเหล่านี้


ความสวยงาม อันน่ารำคาญ

แม้ว่าการกะพริบระยิบระยับของดาวฤกษ์เมื่อมองจากพื้นโลก จะดูงดงามในสายตาเรา แต่สำหรับการส่องดูดาวเพื่อการศึกษาของนักดาราศาสตร์กลับเป็นสิ่งที่น่ารำคาญยิ่ง เพราะภาพที่เห็นมันจะเบลอเป็นอย่างมากสำหรับภาพของกาแล็กซี่ที่อยู่ห่างไกล นี่จึงเป็นเหตุผลว่าทำไม ในสมัยก่อนเราจึงคิดแต่เพียงว่าจักรวาลของเราจึงมีแต่ทางช้างเผือก (แม้แต่ในยุคของไอนสไตน์) ก่อนที่เอ็ดวิน ฮับเบิล จะค้นพบว่า แสงเบลอที่ดูคล้ายกับดาวฤกษ์ หรือ เนบิวลานั้น อันแท้จริงแล้วมันคือ 1 กาแล็กซี่!

แล้วเราจะทำอย่างไรกับสิ่งรบกวนเหล่านี้?

ในอวกาศคือสถานที่ๆเยี่ยมยอดที่สุดสำหรับนักดาราศาสตร์ เพราะมันจะปราศจากการหักเหของแสงอันนำมาซึ่งการกะพริบของดาว อย่างไรก็ตาม การจะแบกกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่และหนักขึ้นไปสู่อวกาศนั้น คงจะเป็นเรื่องที่ยากมาก แต่จะง่ายกว่าหากสร้างมันขึ้นมาบนพื้นโลก แล้วใช้ลำแสงเลเซอร์ยิงส่งตรงไปยังปริเวณพื้นที่ๆต้องการสำรวจ เพื่อกำจัดค่าความเบลอของบรรยากาศโลกลง โดยกระบวนการทั้งหมดนี้เราจะเรียกว่า ระบบเลนส์ปรับตัว หรือ ‘อะแดปทิฟ ออปติคส์’ (Adaptive Optics)

รูปที่ 5) กล้อง E-ELT (Extremely Large Telescope) ขณะกำลังยิงเลเซอร์ขึ้นสู่ฟ้า แสงเหล่านี้ถูกใช้เป็นส่วนหนึ่งของระบบเลนส์ปรับตัว (Adaptive Optics) เพื่อกำจัดเอฟเฟกต์เบลอของบรรยากาศโลก
(© ESO/L. Calçada/N. Risinger (skysurvey.org) – http://www.eso.org/public/images/ann14012a/)

Adaptive Optics คืออะไร ?

แนวคิดในการแก้ปัญหาความเบลอของแสงดาว หรือ Adaptive Optics นั้นถูกนำเสนอขึ้นเป็นครั้งแรกโดย โฮเรซ ดับเบิลยู. แบบค็อก (Horace W. Babcock) ในปี ค.ศ. 1953 ก่อนจะได้รับการกล่าวถึงอีกครั้งในนิยายวิทยาศาสตร์ของ พอล แอนเดอร์สัน (Poul Anderson) ในชื่อเรื่อง Tau Zero เมื่อปี ค.ศ. 1970 อย่างไรก็ดี กว่าแนวคิด Adaptive Optics จะพร้อมใช้งาน นักวิทยาศาสตร์ก็ต้องรอไปอีกจนถึงปี ค.ศ. 1990 เมื่อเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ในยุคนั้น ได้ถูกพัฒนามาขึ้นมาอย่างถึงขีดสุด

(ในช่วงแรกของการพัฒนา Adaptive Optics เทคโนโลยีบางส่วนได้ถูกนำไปปรับใช้ให้กับกองทัพอเมริกา ในช่วงระหว่างสงครามเย็นมาแล้ว เพื่อใช้ในการสอดส่องและติดตามดาวเทียมอวกาศของโซเวียต!มาแล้ว)

Adaptive optics จะใช้เทคโนโลยีที่เรียกว่า ระบบเครื่องกลไฟฟ้าจุลภาค หรือ ‘ไมโครอิเล็กทรอนิกซ์แมคแคนิคอล ซิสเต็มส์’ Microelectromechanical systems (เรียกย่อๆว่า MEMS) มาจัดการพื้นหน้าของกระจก รวมไปถึงแนวคิดของการนำแม่เหล็กมาใช้ก็ด้วย ซึ่งปัจจุบันได้รับความนิยมกันอย่างกว้างขวาง ในการนำเทคโนโลยีเหล่านี้มาคอยปรับจูนรูปร่างของหน้าคลื่น (wavefront shaping) ให้ได้อย่างมความแม่นยำ

รูปที่ 6) เมื่อแสงจากดาวฤกษ์ผ่านชั้นบรรยากาศของโลก คลื่นแสงก็จะถูกรบกวน (© 2pem/Wikimedia)

หลักการทำงานก็คือ เมื่อนักดาราศาสตร์ต้องการภาพที่ชัดเจน ของดาวฤกษ์หรือกาแล็กซี่ที่อยู่ห่างไกลมากๆ พวกเขาจะทำการยิงเลเซอร์กำลังสูงขึ้นไปสู่ฟ้า และครั้งเมื่อบีมแสงได้เดินทางไปถึงขอบชั้นบรรยากาศ ความถี่ของเลเซอร์ก็จะไปกระตุ้นให้อะตอมของโซเดียมได้เกิดการเรืองแสงขึ้นมา เป็นจุดๆ โดยแต่ละจุดเล็กๆจำนวนมากเหล่านี้ นักวิทยาศาสตร์จะเรียกมันว่า ดาวปลอม (Artificial Stars) ซึ่งมันจะถูกนำมาใช้ในการอ้างอิงเพื่อคำนวณค่าการบิดเบือน (distortion) ที่เกิดขึ้น เช่นเมื่อครั้งที่คลื่นแสงจากดาวปลอมพวกนี้ สะท้อนกลับเข้ามายังกล้องโทรทรรศน์ คอมพิวเตอร์ก็จะทำการคำนวณหาค่าการบิดเบือน (distortion) ของบรรยากาศ และสร้างชุดของคลื่นแสงบิดเบือนตรงข้ามขึ้นมาจากกระจกเปลี่ยนรูป หรือ ‘ดีฟอร์มเมเบิล มีร์เรอร์’ (Deformable mirror) โดยกระจกเปลี่ยนรูปนี้จะประกอบไปด้วยชั้นของแผ่นโลหะยืดหยุ่นที่บางมาก ที่ยึดติดกันอยู่กับแท่งแม่เหล็กนับร้อย (แล้วแต่ทางเทคนิคจะเลือกใช้ เพราะมีหลายวิธีในการจัดการผิวหน้าของกระจก) ซึ่งเบื้องหลังของแม่เหล็กเหล่านี้ จะสามารถเคลื่อนตัวขึ้นลงได้เป็นอิสระจากกัน และมีส่วนสำคัญอย่างมากต่อการเปลี่ยนรูปของหน้ากระจก โดยหน้ากระจกนี้ๆเองที่จะเปลี่ยนรูปไปตามตามหน้าคลื่นตรงกันข้ามของแสงดาวปลอม จากนั้นวิศวกรก็ใช้คอมพิวเตอร์ในการปรับจูนค่าแสงทั้งสองจนสงบนิ่ง อันนำมาซึ่งภาพของท้องฟ้าที่จัดเจน ไม่เบลออีกต่อไป

รูปที่ 7) ภาพสลับขาวดำของแสงดาวเมื่อมองผ่านกล้องกล้องโทรทรรศน์, ภาพซ้ายแสดงให้เห็นถึงการเคลื่อนไหวอย่างช้าๆของจุดแสงเมื่อระบบ adaptive optics หยุดทำงาน, ภาพขวาแสดงให้เห็นจุดแสงที่ชัดเจนยิ่งขึ้นเมื่อระบบ adaptive optics เปิดทำงาน (© Rnt20/Wikimedia)

แสงดาวฤกษ์ ไม่ได้สงบนิ่งอย่างแท้จริงในอวกาศ

ถึงแม้ว่าดาวฤกษ์จำนวนมาก จะอยู่ห่างจากโลกเสียซะจน ทำให้การสังเกตเห็น เป็นเพียงได้แค่จุดสว่างเล็กๆ แถมยังกะพริบอีกต่างหาก ครั้งที่แสงเหล่านี้ได้เคลื่อนผ่านลงมายังชั้นบรรยากาศโลก แต่หากเราได้ขึ้นไปอยู่ในที่สูงมากๆซึ่งมีชั้นบรรยากาศเบาบาง หรือถ้าจะให้ดีก็ขึ้นไปในอวกาศเลย ดาวฤกษ์ส่วนใหญ่ที่ปรากฏ มันแทบจะไม่กะพริบแสง และดูราวกับว่า ดาวฤกษ์เหล่านั้นมีความสว่างคงที่ แต่หากเราใช้เวลาเพ่งมองเป็นเวลานานพอ ก็จะเห็นได้ว่า ดาวฤกษ์บางดวงจะมีความสว่างที่เปลี่ยนแปลงไป และที่สำคัญการเปลี่ยนแปลงความสว่างนี้ จะไม่เกี่ยวกับผลจากบรรยากาศโลกของโลก! ซึ่งดาวบางดวงอาจมีการเปลี่ยนค่าความสว่างได้อย่างรวดเร็ว และบางดวง ก็อาจมีการเปลี่ยนค่าความสว่างที่ช้ามาก ดังเช่นดวงอาทิตย์ของเรา เป็นตัวอย่างที่ดีของดาวฤกษ์ที่มีการเปลี่ยนแปลงความสว่างช้า หรือก็คือประมาณ 0.1% ในทุกๆ 11 ปี โดยดาวฤกษ์ที่มีการเปลี่ยนค่าความสว่างเองได้เหล่านี้ (เปลี่ยนแปลงเร็ว) นักดาราศาสตร์จะเรียกว่ามันว่า ดาวแปรแสง (Variable Stars)

รูปที่ 8) ภาพเปรียบเทียบให้เห็นถึงกำลังขยายของความสว่าง จากดาวยักษ์แดง V838 Monocerotis
(ภาพโดย: NASA, ESA, H.E. Bond (STScI) and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA) – HubbleSite News Release: STScI-2004-10: Space Phenomenon Imitates Art in Universe’s Version of van Gogh Painting )

ดาวแปรแสงมีทั้งที่แบบ เปลี่ยนค่าความสว่างเองได้ ทั้งจาก ปัจจัยภายใน (Intrinsic variables) และ ปัจจัยภายนอก (Extrinsic variables) ตัวอย่างดาวฤกษ์ดวงที่เห็นได้ชัดเจนสุดเลยก็คือ “ดาวบีเทลจุส” ในกลุ่มดาวนายพราน

การแปรแสงจากปัจจัยภายใน (Intrinsic variables): โดยดาวแปรแสงประเภทจะนี้เกิดจากการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกายภาพของตัวเอง เช่น คือดาวฤกษ์ที่มีการขยายขนาดตัวเองใหญ่ขึ้นอันเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการวิวัฒนาการตามอายุของดาว (Pulsating variables), หรือ ดาวฤกษ์ที่เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันที่พื้นผิวของดาว เช่น การเกิด flare หรือการพวยพุ่งของมวลดาว (Eruptive variables) และ ดาวฤกษ์ระเบิดที่สามารถตัวเองได้ อย่างที่รู้จักกันในชื่อ ‘ซูเปอร์โนวา’

การแปรแสงจากปัจจัยภายนอก (Extrinsic Variables): คือดาวฤกษ์ที่มีการแปรแสงอันเกิดจากคุณสมบัติภายนอกของดาว เช่น การหมุนรอบกันและกันของระบบดาวฤกษ์คู่ ซึ่งจะเกิดการบังกันขึ้นครั้งที่ดาวทั้งคู่ได้เคลื่อนผ่านตัดหน้ากัน รวมไปถึงดาวฤกษ์มีจุดมืดขนาดใหญ่ เพราะเมื่อมันหมุนรอบตัวเอง ก็จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของความสว่างได้ ครั้งเมื่อเราสังเกตมัน


สรุป

การกะพริบของดาว ถือเป็นหนึ่งในเกร็ดความรู้เล็กๆน้อยๆ ที่จะช่วยเสริมสร้างประสบการณ์ในการชมดาวของเราได้ อย่างน้อย นอกเหนือไปจากความสวยงามของแสงระยิบระยับบนฟ้าแล้ว เรายังสามารถใช้ประโยชน์ของแสงกะพริบเหล่านี้ ในการแบ่งแยกประเภทของดาวฤกษ์และดาวเคราะห์บนพื้นโลกได้อีกด้วย (เพียงบางดวง เช่นดาวศุกร์, ดาวอังคาร และดาวพฤหัสบดี)

ส่วนสาเหตุที่แสงดาวฤกษ์กะพริบหากมองจากบนพื้นโลกนั้น ก็อันเนื่องมาจากอุณหภูมิที่มีความสัมพันธ์กับความหนาแน่นของอากาศ เพราะเมื่ออุณหภูมิต่ำ โมเลกุลของอากาศจะอยู่ใกล้ชิดกัน ซึ่งนั่นจำทำให้ความหนาแน่นของชั้นอากาศสูง และมีส่วนทำให้แสง ได้เกิดการหักเหมากกว่าปกติ และในทางกลับกันหากชั้นบรรยากาศมีความหนาแน่นต่ำอันเนื่องมาจากอุณหภูมิที่สูง โมเลกุลของอากาศก็จะอยู่ห่างกันและทำให้เกิดการหักเหได้น้อย

ดังนั้นตัวแปรสำคัญของการกะพริบว่าจะมากหรือน้อย ส่วนใหญ่เลยก็คือมาจากความหนาแน่นและอุณหภูมิของชั้นบรรยากาศโลกนั่นเอง

SCIWAYS
SCIWAYS
นักเดินทางข้ามกาลเวลา: ผมสนใจเรื่องราววิธีการทำงานของธรรมชาติเป็นอย่างยิ่ง อยากรู้ว่าจักรวาลกำเนิดขึ้นมาได้อย่างไร แล้วทำไมเราถึงมาอยู่ที่นี่
5 2 โหวต
คะแนนบทความ
guest
0 Comments
การตอบกลับแบบอินไลน์
ดูความคิดเห็นทั้งหมด
Facebook
กลับสู่บนสุด