เราอาจจะเคยได้ยินคำว่า Shockwave หรือคลื่นกระแทก และเมื่อพูดถึง Shockwave เราก็จะนึกถึงอะไรอย่างเครื่องบินรบ หรือจรวดที่วิ่งด้วยความเร็วสูงมากแหวกผ่านอากาศจนเกิดการอัดแน่นของมวลอากาศ ณ บริเวณจุดที่ปะทะกับอากาศ (ด้วยเหตุนี้การออกแบบอากาศยานจึงต้องอาศัยหลัก Fluid Dynamic Engineering เพื่อให้มันแหวกอากาศโดยสร้างความปั่นป่วนของอากาศน้อยที่สุด ทั้งเพื่อลดแรงต้าน และไม่ทำให้อากาศปั่นป่วนอันจะทำให้การเคลื่อนที่นั้นสั่นไปมาไม่นิ่มนวล หรืออธิบายก็คือ Turbulence นั่นแหละ)

ทีนี้ตอน ม.4 ผู้เขียนนั่งเรียน Fluid Dynamic ในวิชาฟิสิกส์ คุณครูถามขึ้นมาว่า “เป็ดทำให้เกิด Shockwave ได้ไหม” ตอนแรกคือขำมาก ขำสัส ๆ เพราะภาพที่เรานึกถึงคือเป็ด Supersonic ที่บินด้วยความเร็วเท่าเครื่องบินรบ แล้วก็ตอบไปอย่างมั่นใจว่าไม่ได้หรอก แต่ภาพที่ปรากฎบน Projector หลังจากนั้นทำให้ขำไม่ออก เพราะว่า “เออว่ะ กูมันใจแคบ” เพราะเป็ดบนจอเป็นเป็ดน้อยธรรมดา ๆ และไม่ได้ดูเร่งรีบอะไร แต่มันทำให้เกิด Shockwave ได้จริง ๆ

เป็ดที่มีพฤติกรรมเหมือนเครื่องบินไอพ่นในชีวิตประจำวัน ที่มา – tookapic/pixel

เพียงแต่ว่า Shockwave ที่เกิดจากเป็ดนั้นไม่ได้เกิดในอากาศ แต่เกิดในน้ำต่างหาก เมื่อเป็ดเคลื่อนที่ด้วยอัตราการแหวกน้ำ ณ จุดหนึ่ง เราสังเกตตรงหน้าอกของเป็ด ตรงนั้นคือบริเวณที่มีความหนาแน่นสูงมาก ทีนี้ลองมองกลับกันในอีก Reference Point ในภาพเป็ดกำลังเคลื่อนที่ผ่านน้ำที่นิ่ง แต่ถ้าคิดกลับกัน ถ้าเป็ดอยู่นิ่งแล้วอยู่ในกระแสน้ำแทนหล่ะ ให้ลองนึกภาพของตอหม้อสะพาน

เวลาที่น้ำไหลผ่านตอหม้อของสะพานมันจะเกิดเป็นกระแสวกกลับเข้ามาเกิดเป็นความปั่นป่วน ซึ่งก็คือ Turbulence จากเดิมที่น้ำไหลมาอย่างสม่ำเสมอเป็นสายเดียวกันแยกกันไม่ออก (เราเรียกตรงนี้ว่า Laminar Flow) ภาพด้านล่างเป็นภาพในอุโมงค์ลมที่ใช้ในการทดสอบลักษณะรูปร่างของวัตถุว่าจะเกิด Turbulence ณ อัตราการไหลผ่านเท่าไหร่ หลักการนี้ใช้ในการออกแบบอากาศยาน ตึกสูงหรือจริง ๆ ก็แทบจะทุกอย่าง

ทีนี้คำถามของเราก็คือ ในเมื่อ Fluid Dynamic ใช้ในการอธิบายการเคลื่อนที่ของของไหล คือของเหลวและแก๊ส แต่ในอวกาศนั้นควรจะเป็นสุญญากาศไม่ใช่เหรอ ทำไมเราถึงเห็นปรากฎการณ์ที่คล้าย ๆ กันนี้เกิดขึ้นได้ในอวกาศเช่นกัน

อันที่จริงต้องบอกก่อนว่าในอวกาศนั้นไม่ได้สะอาดไร้ซึ่งกลุ่มแก๊สหรืออะไรอย่างที่เรานึกภาพไว้ ยกตัวอย่างใกล้ ๆ ก่อน โลกของเราอยู่ในชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ที่เรียกว่า Heliosphere ซึ่งในชั้นนี้เราจะได้รับอิทธิพลจาก Solar Weather หรือ Space Weather ซึ่งถ้าให้แปลง่าย ๆ ก็อาจจะแปลได้ว่า อากาศอวกาศ เพียงแต่อากาศนั้นไม่ใช่ออกซิเจนหรือไนโตรเจนแบบในชั้นบรรยากาศของโลก แต่มันคืออนุภาคต่าง ๆ ที่ปล่อยออกมาจากดวงอาทิตย์ต่างหาก

Space Weather และ Magnetohydrodynamics

ในช่วงปี 1900 นักฟิสิกส์ชื่อ Kristian Birkeland เป็นหนึ่งในคนแรก ๆ ที่พยายามอธิบายและทำนายปรากฎการณ์ แสงเหนือแสงใต้ เขาได้สร้างเครื่องจำลองการเกิดแสงเหนือแสงใต้ขึ้น โดยใช้ลูกบอลแม่เหล็กแทนที่โลก และปล่อยรังสีแคโทด (ลำของอนุภาคอิเล็กตรอน) ผ่านเข้าไปในกล่องสุญญากาศ ซึ่งก็ได้เกิดปรากฎการณ์เรืองแสงขึ้นคล้าย ๆ Aurora ที่เกิดขึ้นบนโลก แล้วในอวกาศมันง่ายแบบนี้ด้วยหรือเปล่า ?

Birkeland กับ Artificial Aurora หรือ Terrella ที่มา – Catastrophism archive

คำถามต่อมาก็คือถ้าเรามองลำรังสีแคโทด หรือลำอิเล็กตรอนเป็นเหมือนกับน้ำที่ไหลผ่านตอหม้อสะพานซึ่งก็คือโลก เราสามารถคิดแบบนี้ได้ไหม และเราสามารถอธิบายหลักการของ Space Weather ได้ด้วย Fluid Dynamic แบบที่เราเข้าใจไหม ว่าจะต้องมี Turbulence มี Shock เกิดขึ้น ?

หลังจากที่ได้ลองหาข้อมูลผู้เขียนก็ได้เจอกับคำยาว ๆ ว่า Magnetohydrodynamics หรือ Magneto-fluid dynamics ซึ่งเป็นการมองพฤติกรรมของอนุภาคในสนามแม่เหล็กในเชิงกลศาสตร์ของไหล รวมถึงสสารจำพวก Plasma อะไรพวกนี้ด้วย

ก่อนอื่นมาทำความเข้าใจก่อนว่า Solar Wind มันเกิดขึ้นได้อย่างไร Solar Wind เกิดจากการที่ดวงอาทิตย์ปล่อยอนุภาคมีปะจุออกมา ซึ่งการเคลื่อนที่ของมันนอกจากจะมาจากแรงส่งแล้วมันยังวิ่งตามเส้นแรงแม่เหล็กซึ่งเกิดจากสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์ที่ปล่อยออกมาด้วย เราเรียกตรงนี้ว่า IMF หรือ Interplantary Magnetic Field ซึ่งมันก็ไม่ได้วิ่งมาหาเราตรง ๆ แต่จะวิ่งเป็นแนวโค้งเรียกว่า Parker Spiral คุ้น ๆ ไหมชื่อนี้ มันคือชื่อยานอวกาศ Parker Solar Probe ที่ตั้งชื่อตาม Eugene Parker นัก Heliophysics ผู้อธิบายปรากฎการณ์ Parker Spiral

ทีนี้พอเรารู้แล้วว่า Fluid Dynamic กับ Magnetohydrodynamics อะไรนี่มันมีความคล้ายกันบ้างไม่คล้ายกันบ้าง แล้วเราจะอธิบายยังไงดี ผู้เขียนลองสรุปเป็นประเด็นออกมาดังนี้

  • กลศาสตร์การไหลของอนุภาคนั้นมีความคล้ายกับ Fluid Dynamic เดิม ๆ และเราสามารถมองมันเป็นของไหลได้
  • แต่ต้องอย่าลืมว่าปัจจัยของมันมีมากกว่านั้น เช่นพฤติกรรมเชิงแม่เหล็กของมันทำให้เราไม่สามารถอธิบายมันได้ง่าย ๆ เหมือนกับเป็ดว่ายน้ำหรือน้ำไหลผ่านตอหม้อสะพาน นึกภาพว่าสนามแม่เหล็กของโลกก็ทำให้การ Flow ของ Solar Wind เปลี่ยนไป

ก่อนหน้านี้เราเคยนำเสนอบทความที่ชื่อว่า แสงเหนือแสงใต้ เกิดขึ้นแบบสมมาตรกันหรือไม่ เพราะอะไร ซึ่งพูดถึงการเกิด Tail Reconnection เมื่อสนามแม่เหล็กของโลกมาเจอกับสนาม IMF ทำให้เกิดเป็นความวุ่นวายปั่นป่วน (ตรงนี้จะแอบมองว่าเป็น Laminar Flow กับ Turbulence ก็ได้นะ) ซึ่งการเกิดความปั่นป่วนนี้มันไม่ได้ขึ้นกับแค่รูปทรงของโลกที่เป็นทรงกลม แต่ขึ้นอยู่กับสนามแม่เหล็กที่เกิดจากที่โลกเป็นเหมือนแม่เหล็กขนาดยักษ์

ไม่ใช้แค่โลกแต่กับดาวแต่ละดวงก็จะมีคุณลักษณะและพฤติกรรมการเกิด Turbulence ที่แตกต่างกัน และที่สำคัญกระแสของ Solar Wind ที่ไหลมาจากดวงอาทิตย์ก็ไม่ได้เป็น Laminar Flow ด้วย เพราะแต่ละจุดนั้นแผ่ wind ออกมาไม่ได้ในอัตราที่สม่ำเสมอ

ภาพจำลองการเกิด plasma turbulence ที่มา – Jean Perez.

ทีนี้ตอบคำถามได้แล้วว่า Solar Wind เป็น Laminar flow ไหม คำตอบก็คือไม่ใช่ มันมีความปั่นป่วนในเส้นทางของมันเอง แต่ถ้าเรามองด้วยสเกลที่เล็กลงมา มันอาจจะไม่ทำให้วิธีการมองแบบ Magnetohydrodynamics นั้นผิดเพี้ยนไปมากนัก เพราะสุดท้ายเราก็ยังเห็น Solar Wind ไหลผ่านโลกไม่แตกต่างจากน้ำไหลผ่านสะพานมากนัก

จุดสิ้นสุดของดินแดนอาทิตยธารา

แล้ว Solar Wind ไปจบสิ้นตรงไหน เรื่องนี้ก็น่าสนใจและสามารถเข้ากับ Fluid Dynamic ได้เหมือนกัน ถ้าจำกันได้เมื่อปลายปี 2018 ที่ผ่านมา มีข่าวว่ายาน Voyager 2 เดินทางออกนอกระบบสุริยะ ในวันเดียวกับที่ยาน Parker Solar Probe สัมผัสดวงอาทิตย์ แล้วนิยามของคำว่า นอกระบบสุริยะมันอยู่ตรงไหน

มันอยู่ตรงที่สิ่งที่เรียกว่า Termination Shock ซึ่งอธิบายแบบไม่เห็นภาพมันคือจุดที่ Solar Wind ไม่สามารถมีแรงพัดออกไปได้ไกลว่านี้อีกแล้วและจะค่อย ๆ ช้าลงจนถึงจุดที่เรียกว่า Heliopause ซึ่งมันจะสู้กับแรงอีกแรงที่มาจากฝั่งในของทางช้างเผือกที่เรียกว่า Galactic cosmic rays และ Interstellar wind เกิดเป็นจุดที่แรงข้างในกับข้างนอกสู้กันเรียกว่า Bow shock

ภาพอธิบายขอบเขตของระบบสุริยะ หรือชั้น Heliosphere ที่มา – NASA/Lunar and Planetary Institute

ดูไกลตัวมากแล้วก็น่าจะนึกภาพกันไม่ออก แต่มีวิธีอธิบายอีกวิธีนึงที่ดีกว่า นึงภาพเราไปนอนโรงแรมที่มีอ่างอาบน้ำ (หรือบ้านใครหรูมีอ่างอาบน้ำก็แล้วแต่) จุดที่น้ำไหลลงมาถึงพื้นอ่างตรงนั้นจะเป็นเหมือน Laminar Flow แต่พอไหลมาจนถึงจุดจุดนึง น้ำมันก็จะไหลอัดกลับเข้ามา น้ำที่ไหลอัดกลับเข้ามานั้นในภาพบนก็คือ Interstellar Wind หรือลมที่พัดอัดเข้ามาจากภายนอกระบบสุริยะ เมื่อ Interstellar Wind สู้กับ Solar Wind ก็จะเกิดเป็นจุดที่กระแสเริ่มปั่นป่วน (ดูในภาพล่าง) และบริเวณที่ยังคงสภาพเหมือน Laminar ได้อยู่ตรงนั้นคือ Heliosphere ขอบเขตตรงนั้นคือ Termination Shock และ ขอบเขตด้านนอกที่แรง Solar Wind ยอมแพ้เรียกว่า Heliopause

ภาพอธิบาย Termination Shock ด้วยการไหลของน้ำในอ่าง ที่มา – Yanpas

แล้ว Interstellar Wind มันพัดมาจากไหนล่ะ คือเรารู้ว่า Solar Wind มันพัดมาจากดวงอาทิตย์แล้ว แต่อะไรคือต้นกำเนิดของ Interstellar Wind ที่มาพัดสู้กันจนเกิด Termination Shock วิธีคิดก็คือ มันไม่ได้พัดมา เรากำลังแหวกมันไป ระบบสุริยะของเราโคจรรอบศูนย์กลางของทางช้างเผือกด้วยอัตราเร็ว 230 กิโลเมตรต่อวินาทีเมื่ออ้างอิงจากศูนย์กลางของทางช้างเผือก ทีนี้ย้อนไปดูภาพเป็ดด้านบนสุด แล้วเราจะเห็นความเหมือนกันของภาพ Heliopause กับเป็ดที่กำลังแหวกน้ำ

แม้ในบริเวณช่องว่างระหว่างดาวที่เรียกว่า Interstellar Medium หรือช่องวางระหว่างดาว คำว่า Medium นั้นแปลว่าตัวกลาง บริเวณนี้ไม่ได้สะอาดเป็นสุญญากาศสนิท แต่มันมีกลุ่มแก๊สและธาตุต่าง ๆ อยู่ด้วย ซึ่งการเกิดของกลุ่มแก๊สพวกนี้ก็มาจากหลายปัจจัย ในปี 2013 ได้มีการ นำข้อมูลมากกว่า 40 ปีจากยานอวกาศต่าง ๆ ที่ศึกษา Interstellar Wind มาดู พบว่า ตลอด 40 ปีที่ผ่านมาองศาการปะทะของ Interstellar Wind นั้นมาจากหลายทิศทางแตกต่างกันออกไป ในรายงานมีการใช้คำว่า turbulence แสดงถึงความปั่นป่วนของกระแสต่าง ๆ อยู่ด้วย บ่งบอกว่าแม้กระทั่งในชั้น Interstellar Medium นั้นก็ยังมี “Weather” ของมันเอง

จากเป็ดน้อยสู่มหานวดารา

ทีนี้เมื่อเรารู้แล้วว่าอวกาศนั้นไม่ได้ว่างเปล่าแบบที่เราคิด แต่ประกอบไปด้วยความวุ่นวายและปั่นป่วนมากมาย ทำให้เราสามารถถ่ายภาพปรากฎการณ์ Bow Shock ที่เกิดขึ้นในเอกภพได้อย่างชัดเจน เช่น การเกิด LL Orionis bow shock ในเนบิวลาโอไรออน ที่เกิดจาก Solar Wind ของดาวเดินทางเข้าไปในกลุ่มก้อนของแก๊สจากเนบิวลาโอไรออน คล้ายกับการเกิด Bow shock ของระบบสุริยะเรา เพียงแต่ว่าระบบที่เรากำลังเห็นนั้นอยู่ใจกลางบริเวณที่มีมวลสารระหว่างดาวหนาแน่น

ภาพถ่ายของ LL Orionis bow shock โดยกล้อง Hubble ที่มา – NASA

อีกภาพที่อยากยกมาให้ดูก็คือ Bow Shock ที่เกิดขึ้นกับระบบดาว R Hydrae ซึ่งกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Splitzer ที่ถ่ายภาพ ในย่านคลื่นอินฟาเรดถ่ายมาได้ ทำให้เราสามารถทำภาพ Render จำลองความโค้งของ Bow Shock นี้ได้

Bow Shock ของ R Hydrae ที่ถ่ายในย่านคลื่นอินฟาเรดของยานอวกาศ Splitzer ที่มา – NASA/JPL

ได้มีโครงการชื่อว่า The Milky Way Project ที่พยายามทำแผนที่การไหลวนของกลุ่มแก๊สในห้วงอวกาศด้วยข้อมูลจากยาน Spitzer Space Telescope และ  Wide-field Infrared Survey Explorer มาดูทิศทางการพัดของ Interstellar Wind เพื่อศึกษาความปั่นป่วนในระบบนี้ เหมือนกับที่เราใช้ยานพวก IBEX และยานสาย Heliophysics ทำแผนที่ความปั่นป่วนของ Solar Wind ในระบบสุริยะของเรา

จากเป็ดที่แหวกว่ายในน้ำที่นิ่งสงบกลับสามารถใช้อธิบายปรากฎการณ์ใหญ่ ๆ ของระบบดาวที่มีมวลมหาศาลได้ สมัยก่อนมนุษย์เคยคิดว่ากฎของธรรมชาตินั้นแยกกันระหว่างบนโลกกับบนท้องฟ้า ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยกฎชุดเดียวกัน แต่จากการค้นพบที่ผ่านมาตั้งแต่การค้นพบแรงโน้มถ่วง กฎทางฟิสิกส์ต่าง ๆ นั้นไม่ได้แบ่งแยกให้กับคนบนโลกหรือวัตถุบนท้องฟ้าแต่อย่างใด พวกมันกลับเป็นเรื่องเดียวกัน และต่างสะท้อนถึงระบบที่ใหญ่กว่า โลกเป็นแค่ดาวดวงเล็ก ๆ ในเอกภพ ความรู้ที่เรามีนั้นเทียบไม่ได้เลยกับเอกภพอันกว้างใหญ่

อีกหนึ่งสิ่งที่ผู้เขียนอยากให้ทุกได้รับรู้ก็คือ การเคลื่อนที่ของสิ่งรอบตัวนั้นล้วนแล้วแต่เป็นไปตามกฎของธรรมชาติ กฎทางฟิสิกส์ ซึ่งถ้าเราเข้าใจมัน ไม่ใช่แค่เราจะอธิบายการทำงานพื้นฐานของมันได้ แต่จะทำให้เราตั้งคำถามและหาความเชื่อมโยงกับสิ่งที่อาจจะใหญ่กว่า หรือเล็กกว่า เหมือนกับคำถามเรื่องเป็ดในน้ำ แต่เรากลับขยายความมันขึ้นมาได้ถึงมวลสารระหว่างดาว

อ้างอิง

The Solar Wind as a Turbulence Laboratory

Anisotropy and Intermittency in Solar Wind Turbulence

Eleven Spacecraft Show Interstellar Wind Changed Direction Over 40 Years

BZ Camelopardalis during its 1999/2000 optical low state



บทความที่เกี่ยวข้อง





เข้าสู่ระบบ