กล้อง NuSTAR พบ X-ray พลังงานสูงที่สุดเท่าที่เคยพบมาบนดาวพฤหัส

มนุษย์เราได้สำรวจดาวพฤหัสอย่างใกล้ชิดมาตั้งแต่เมื่อ 50 ปีก่อนแล้ว ด้วยการส่งยาน Pioneer 10 ซึ่งเป็นยานลำแรกที่ได้บินผ่านดาวพฤหัสในปี 1973 ตามมาด้วย Voyager 1 และ 2 ในปี 1979 ถึงกระนั้นก็ตาม ดาวพฤหัสยังเต็มไปด้วยปริศนาที่ยังไม่ได้ถูกแก้อยู่เต็มไปหมด หนึ่งในนั้นก็คือการปลดปล่อยแสงในช่วงคลื่น X-ray บริเวณขั้วเหนือและใต้ของดาวพฤหัส

Mori et al. (2022) ในเปเปอร์ Observation and origin of non-thermal hard X-rays from Jupiter ระบุการค้นพบแสงช่วงคลื่น X-ray พลังงานสูงจากปลดปล่อยออกมาจากดาวพฤหัสด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) ซึ่งถือเป็นการค้นพบแสงช่วงคลื่น X-ray ที่มีพลังงานสูงที่สุดเท่าที่เคยพบ

ภาพจำลองของยาน NuSTAR – ที่มา NASA

อย่างไรก็ตาม ภารกิจก่อนหน้านี้ที่เคยถูกส่งมาสำรวจดาวพฤหัสอย่างยาน Ulysses ที่บินผ่านดาวพฤหัสในปี 1992 กลับไม่พบแสง X-ray เช่นนี้

ภาพจำลองของยาน Ulysses – ที่มา NASA/ESA

ก่อนอื่นต้องเข้าใจว่า X-ray นั้น คือ แสง แต่เป็นแสงที่มีพลังงานสูงและมีช่วงคลื่นสั้นกว่าที่ตาของมนุษย์เราจะสามารถมองเห็นได้ เราจึงต้องมีกล้องโทรทรรศน์ X-ray ไว้สำหรับถ่ายภาพในช่วงคลื่น X-ray โดยเฉพาะ เช่น กล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทรา (Chandra X-ray Observatory) หรือ XMM-Newton ของ ESA ซึ่งทั้งคู่ก็ถูกใช้ในการสำรวจแสง X-ray พลังงานต่ำในรูปแบบของ Aurora จากชั้นบรรยากาศบริเวณขั้วใต้และขั้วเหนือดาวพฤหัสเช่นกัน

จากข้อมูลของยาน Juno ซึ่งสำรวจดาวพฤหัสมาตั้งแต่ปี 2016 การปล่อยแสง X-ray นี้เกิดจากการปลดปล่อย Ion จากภูเขาไฟบนดวงจันทร์ของดาวพฤหัส Io โดยอนุภาคเหล่านี้จะถูกเร่งโดยสนามแม่เหล็กของดาวพฤหัสเข้าสู่ขั้วเหนือและขั้วใต้ของมัน จากนั้นจึงชนเข้ากับชั้นบรรยากาศและปลดปล่อยพลังงานในรูปแบบของแสง X-ray

ภาพของ Aurora บนดาวพฤหัสจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Hubble (Composite Image) – ที่มา NASA/ESA/Hubble

หากสมมุติฐานนี้เป็นจริง อนุภาคเหล่านี้จะต้องมีพลังงานสูงกว่าที่กล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทราและ XMM-Newton ได้ ซึ่ง NuSTAR เป็นภารกิจแรกที่ยืนยันสมมติฐานนี้ด้วยการตรวจพบคลื่น X-ray พลังงานสูงที่สูงที่สุดเท่าที่เคยพบมาจากดาวพฤหัส อย่างไรก็ตาม NuSTAR ไม่สามารถระบุแหล่งที่มาที่ชัดเจนได้ รู้แต่เพียงตำแหน่งคร่าว ๆ บริเวณ Aurora สีม่วง

ภาพของการปล่อยแสงช่วงคลื่น X-ray จากดาวพฤหัส ตรวจจับจาก NuSTAR – ที่มา

เนื่องจาก NuSTAR นั้นอยู่ในวงโคจรของโลก หมายความว่าการที่มันตรวจจับการปลดปล่อยแสงช่วงคลื่น X-ray จากดาวพฤหัสได้ พลังงานของแสง X-ray นั้น ๆ จะต้องสูงมาก ๆ ซึ่งเป็นไปได้ด้วยสนามแม่เหล็กของดาวพฤหัสที่ทำหน้าที่เหมือนตัวเร่งอนุภาคขนาดยักษ์

อย่างไรก็ตาม นักวิจัยระบุว่าการตรวจจับแสง X-ray พวกนี้ด้วย NuSTAR นั้นยากพอสมควร เนื่องจากการปลดปล่อยแสง X-ray พลังงานสูงนั้นมีลักษณะจางกว่าการปลดปล่อยในช่วงพลังงานที่ต่ำกว่า เป็นเหตุผลว่าทำไมยาน Ulyssess ที่บินผ่านดาวพฤหัสนั้นไม่สามารถตรวจจับแสง X-ray พลังงานสูงได้ทั้งที่มันมีความสามารถในการตรวจจับแสง X-ray พลังงานสูงมากกว่า NuSTAR เสียอีก

เหตุผลที่เป็นเช่นนั้นเพราะ “Bremsstrahlung Emission” ซึ่งเป็นปรากฏการณ์เมื่ออนุภาคที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงถูกลดความเร่งอย่างรวดเร็วแล้วเสียพลังงานในรูปของแสง X-ray พลังงานสูง ในกรณีก็คือการที่อนุภาคถูกสนามแม่เหล็กของดาวพฤหัสดึงดูด และชนเข้ากับชั้นบรรยากาศของดาวพฤหัส “Bremsstrahlung Emission” คือ การแผ่รังสีระหว่างการลดความเร่ง (Decelerate) โดยที่ “Bremsstrahlung” นั้นแปลว่า “Brake” ในภาษาเยอรมัน

Diagram แสดงปรากฏการณ์ Breamsstrahlung – ที่มา WikiMedia

แสง X-ray พลังงานสูงที่เกิดจาก Bremsstrahlung Emission นั้นมีลักษณะจางกว่าแสง X-ray พลังงานต่ำที่เกิดจากกระบวนการที่เรียกว่า “Atomic Line Emission” มาก จางกว่าที่ Ulysses ในระยะที่มันบินผ่าน Extrapolation ของข้อมูลจาก NuSTAR หากไม่รวม Bremsstrahlung Emission นั้นอาจจะระบุว่า Ulyssess น่าจะต้องตรวจจับ X-ray พลังงานสูงนี้ได้ แต่เมื่อรวม Bremsstrahlung Emission เข้าไป ถึงจะมีพลังงานสูงมาก แต่มันก็จางเกินกว่าที่ Ulyssess จะตรวจจับได้ แต่มากพอที่ NuSTAR ที่มีความไวกว่าจะตรวจจับได้นั่นเอง

ผลการสำรวจนี้สอดคล้องกับการสำรวจบนโลกซึ่งนักวิทยาศาสตร์ตรวจพบคลื่น X-ray ที่มีพลังงานสูงมากกว่าที่ตรวจจับได้จากดาวพฤหัสด้วย NuSTAR เสียอีก แต่คลื่น X-ray พลังงานสูงบนโลกเหล่านี้กลับจางมากและสามารถตรวจจับได้ด้วยดาวเทียมขนาดเล็กและ High-altitude balloon เท่านั้น (ไม่ใช่เอาไปส่งข้าวกะเพราไข่ดาว) โดยส่งขึ้นไปให้สูงและใกล้กับชันบรรยากาศที่เป็นแหล่งกำเนิดของ X-ray พลังงานสูงเหล่านี้มากพอ แต่ไม่ไกลเกินจนคลื่น X-ray นั้นจางเกินไป

เช่นเดียวกับบนดาวพฤหัส หมายความว่าที่ยาน Ulysses ตรวจไม่พบ X-ray พลังงานสูงนั้นถูกแล้ว เพราะมันจางเกินกว่าจะตรวจจับได้ด้วยเทคโนโลยีในปี 1990 นั่นเอง

การค้นพบนี้เป็นหนึ่งในส่วนประกอบสำคัญของการศึกษาว่าคลื่น X-ray เหล่านี้มีกลไกในการเกิดอย่างไรและแผ่อย่างไรนั่นเอง

อ้างอิง

Mori, K., Hailey, C., Bridges, G. et al. Observation and origin of non-thermal hard X-rays from Jupiter. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-021-01594-8

NASA Telescope Spots Highest-Energy Light Ever Detected From Jupiter

เรียบเรียงโดย ทีมงาน SPACETH.CO