ในวันที่ 3 พฤษภาคม 2026 จรวด Falcon 9 ของ SpaceX พาดาวเทียมกลุ่มหนึ่งขึ้นจากฐานปล่อย Vandenberg Space Force Base ในแคลิฟอร์เนีย ในภารกิจ Rideshare ที่มีดาวเทียมหลักคือ CAS500-2 ซึ่งภาพแบบนี้ในยุคปัจจุบันอาจไม่ได้ทำให้คนในวงการอวกาศตื่นเต้นเหมือนเมื่อสิบปีก่อนอีกแล้ว เพราะการฝากดาวเทียมขนาดเล็กขึ้นไปกับ Rideshare กลายเป็นวิธีคิดแบบใหม่ของการทำงานอวกาศไปแล้ว บางดวงไปถ่ายภาพโลก บางดวงไปทดสอบระบบสื่อสาร บางดวงไปวัดบรรยากาศ บางดวงเป็นเพียงการพิสูจน์ว่าเทคโนโลยีชิ้นหนึ่งรอดในวงโคจรได้จริงหรือไม่ ภารกิจนี้เองก็มี CubeSat จำนวนมากถูกส่งขึ้นสู่วงโคจรแบบ Sun-Synchronous Orbit หรือ SSO แต่หนึ่งในนั้นมี CubeSat ขนาดเล็กดวงหนึ่งที่พยายามตั้งคำถามใหญ่กว่าขนาดตัวมันมาก นั่นคือ เราจะศึกษาการตรวจจับอนุภาค Neutrino ในอวกาศได้อย่างไร
ดาวเทียมดวงนั้นชื่อว่า SNAPPY หรือ Solar Neutrino And Astro-Particle PhYsics CubeSat เป็น CubeSat ขนาด 3U ที่พัฒนาโดยทีมจาก Wichita State University เพื่อบรรทุก Detector ต้นแบบสำหรับงาน Solar Neutrino ขึ้นไปทดสอบใน Low Earth Orbit โดยตัว CubeSat นั้นถูกสร้างโดย NanoAvionics และปล่อยผ่าน Platform ของ Exolaunch เป้าหมายของ SNAPPY คือการพิสูจน์ว่า Detector ต้นแบบสามารถทำงานในอวกาศได้จริง
หากเราพูดถึง Neutrino คนส่วนใหญ่มักนึกถึงเครื่องมือวิทยาศาสตร์ขนาดมหึมาอย่าง IceCube ที่ฝังอยู่ในน้ำแข็งแอนตาร์กติกา หรือ Super-Kamiokande ที่ใช้ถังน้ำบริสุทธิ์ขนาดยักษ์อยู่ใต้ภูเขาในญี่ปุ่น เพราะ Neutrino เป็นอนุภาคที่แทบไม่ยอมชนกับสสาร การตรวจจับมันจึงต้องใช้ Detector ขนาดใหญ่ ใช้มวลมหาศาล และต้องหลบสัญญาณรบกวน (Noise) จาก Cosmic Rays ให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ งาน Neutrino จึงดูเหมือนเป็นวิทยาศาสตร์ของสิ่งปลูกสร้างใต้ดิน ใต้น้ำ หรือใต้น้ำแข็ง มากกว่าจะเป็นของที่เราเอาขึ้นไปใส่ใน CubeSat ไปทำในอวกาศได้ แนวคิดนี้ถ้าอ่านแค่หัวข้อ เราอาจจะรู้สึกว่า “อะไรวะ” แต่จริง ๆ แล้วมันมีอะไรลึกกว่านั้น
SNAPPY กำลังชวนให้เราถามกลับว่า ถ้า Neutrino จากดวงอาทิตย์เป็นข้อมูลที่เดินทางออกมาจากแกนกลางของดวงอาทิตย์โดยแทบไม่ถูกรบกวน เราควรศึกษามันจากโลกอย่างเดียวจริงหรือเปล่า ซึ่งประเด็นก็คือดวงอาทิตย์ที่เรามองเห็นทุกวันนั้นเป็นเพียงชั้นนอกของระบบฟิสิกส์ที่ลึกกว่ามาก แสงที่ออกมาถึงตาเราผ่านกระบวนการกระเจิง ซึมผ่าน และเปลี่ยนรูปพลังงานภายในดวงอาทิตย์มาอย่างยาวนาน แต่ Neutrino ที่เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันในแกนกลางสามารถหลุดออกมาได้แทบจะทันที ในเชิงเปรียบเทียบ แสงคือข่าวที่ผ่านระบบราชการของดวงอาทิตย์มาหลายชั้นแล้ว ส่วน Neutrino คือบันทึกจากห้องที่แทบไม่มีใครแตะต้องระหว่างทาง
ตรงนี้เองที่ทำให้แนวคิดในการสร้างหอตรวจจับ Neutrino ในอวกาศที่ชื่อ νSOL หรือ Neutrino Solar Orbiting Laboratory น่าสนใจขึ้นมา เพราะโจทย์ก็คือถ้าเราไม่สามารถสร้าง Detector ขนาดยักษ์ในอวกาศได้ง่าย ๆ เราจะใช้วิธีพา Detector เข้าไปใกล้แหล่งกำเนิดซึ่งก็คือดวงอาทิตย์มากขึ้นแทนได้หรือไม่ และโจทย์นี้กำลังเป็นที่พูดถูดถึงพอสมควร ตาม Measuring the Sun’s Core with Neutrino Measurements: A Solar Orbiter Concept ได้มีการเสนอไอเดียของการทำยานอวกาศ หน้าตาคล้าย ๆ Parker Solar Probe แต่มีวัตถุประสงค์หลักเพื่อศึกษาใจกลางของดวงอาทิตย์ ไม่ใช่แค่อนุภาคลมสุริยะแบบยานตระกูล Heliophysics ที่เรามี
ดังนั้น SNAPPY ไม่ได้ขึ้นไปเพื่อบอกว่า CubeSat สามารถแทนที่ IceCube ได้แต่ SNAPPY ขึ้นไปเพื่อทำสิ่งที่วิทยาศาสตร์จริงจังต้องทำก่อนเสมอ นั่นคือการไปวัดข้อจำกัดของสนามจริง ดูว่า Detector ที่ออกแบบมาสำหรับแนวคิด Solar Neutrino เมื่อต้องอยู่ในวงโคจรโลกจะเจอ Background แบบไหน Charged Particles จากดวงอาทิตย์และสภาพแวดล้อมอวกาศจะสร้างสัญญาณหลอกอย่างไร
ทำไม Neutrino ถึงเป็นอนุภาคที่จับยากจนต้องสร้างเครื่องมือขนาดใหญ่
ก่อนจะเข้าใจว่า SNAPPY เจ๋งตรงไหน เราต้องถอยกลับมาดูปัญหาพื้นฐานก่อนว่า ทำไมการตรวจจับ Neutrino ถึงเป็นเรื่องยากขนาดนั้น จริง ๆ แล้ว Neutrino เป็นอนุภาคที่มีนิสัยแทบจะตรงข้ามกับสิ่งที่ Detector ต้องการ มันเกิดขึ้นเยอะมาก เดินทางได้ไกลมาก ทะลุผ่านสสารได้แทบทุกอย่าง แต่ปัญหาคือมันแทบไม่ทิ้งร่องรอยไว้เลย
Neutrino เกิดจากกระบวนการพลังงานสูงหลายแบบ ตั้งแต่ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันในแกนกลางดวงอาทิตย์ การระเบิดของดาวฤกษ์ ไปจนถึงปรากฏการณ์รุนแรงในจักรวาล แต่สำหรับเรื่องของ SNAPPY และ νSOL สิ่งที่เราสนใจเป็นพิเศษคือ Solar Neutrino หรือ Neutrino ที่เกิดจากกระบวนการฟิวชันในดวงอาทิตย์ เพราะมันเป็นหนึ่งในไม่กี่สิ่งที่พา “ข่าวสารจากแกนกลางดวงอาทิตย์” ออกมาได้โดยแทบไม่ถูกเปลี่ยนแปลงระหว่างทาง แสงที่เรามองเห็นจากดวงอาทิตย์ต้องผ่านการเดินทางภายในโครงสร้างของดาวฤกษ์มาอย่างยาวนาน พลังงานถูกดูดกลืน กระเจิง และปล่อยออกซ้ำไปซ้ำมาหลายครั้งกว่าจะออกมาถึงพื้นผิว แต่ Neutrino แทบจะหลุดออกมาจากแกนกลางได้ทันทีหลังเกิดขึ้น
ปัญหาคือความสามารถในการทะลุทะลวงนี้เองที่ทำให้มันเป็นทั้งของขวัญและคำสาปของฟิสิกส์ ถ้ามองในฐานะ Messenger Particle มันยอดเยี่ยมมาก เพราะมันพาข้อมูลจากบริเวณที่แสงเข้าไม่ถึงออกมาให้เราได้ แต่ถ้ามองในฐานะสิ่งที่ต้องตรวจจับ มันคือฝันร้ายของวิศวกรเครื่องมือวิทยาศาสตร์ เพราะว่า Detector นั้นไม่ได้จับ Neutrino โดยตรงแบบกล้องจับ Photon หรือ Proton แต่ต้องรอให้ Neutrino บางตัวบังเอิญเกิดปฏิสัมพันธ์กับอะตอมใน Detector แล้วสร้างสัญญาณรองออกมา เช่นเทคนิค Cherenkov Radiaton หรือ Scintillation หรือสัญญาณจากอนุภาคที่เกิดตามมา พูดง่าย ๆ คือเราไม่ได้ถ่ายรูป Neutrino แต่เราดู “รอย” ที่มันทิ้งไว้ในวัตถุอื่น ซึ่งเกิดขึ้นน้อยมาก
นี่คือเหตุผลที่ Neutrino Detector บนโลกมักมีขนาดใหญ่จนดูเหมือนสิ่งปลูกสร้างมากกว่าเครื่องมือทดลองในห้องแล็บ Super-Kamiokande ในญี่ปุ่นใช้ถังน้ำบริสุทธิ์ขนาดมหึมาใต้ภูเขา ส่วน IceCube ใช้น้ำแข็งแอนตาร์กติกาเป็น หลักคิดของเครื่องมือเหล่านี้ตรงไปตรงมาแต่โหดมาก คือถ้า Neutrino ไม่ค่อยชนอะไร เราก็ต้องเพิ่ม “อะไร” ให้มันชนเยอะที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ นั่นคือเพิ่มมวลและปริมาตรของตัวกลางให้มหาศาล แล้วรอให้เหตุการณ์หายากเกิดขึ้นภายในนั้น
อีกเหตุผลที่ Detector เหล่านี้ต้องอยู่ใต้ดิน ใต้น้ำแข็ง หรือในสภาพแวดล้อมที่มี shielding ตามธรรมชาติ ก็เพราะสัญญาณของ Neutrino ต้องแข่งกับเสียงรบกวนจากอนุภาคชนิดอื่น โดยเฉพาะ Cosmic Rays และอนุภาคมีประจุที่เข้ามาจากอวกาศตลอดเวลา ถ้าตั้ง Detector ไว้บนพื้นโลกหรือในอวกาศโดยตรง Detector จะถูกอนุภาคมีประจุถล่มจนเต็มไปด้วยสัญญาณรบกวนที่ไม่ใช่ Neutrino ดังนั้นโลกทั้งใบจึงทำหน้าที่เป็นตัวกรองธรรมชาติให้เรา
พอมาถึงตรงนี้ เราจะเริ่มเห็นปัญหาทันทีว่า การเอา Neutrino Detector ขึ้นไปอวกาศเป็นไอเดียที่ดูเหมือนขัดกับหลักปฏิบัติแทบทุกข้อของงาน Neutrino เพราะมันไม่มีอะไรเลย โล่ง ๆ ถ้าจะเปรียบเทียบแบบง่าย ๆ การทำ Neutrino Detector บนโลกเหมือนเราสร้างห้องอัดเสียงไว้ใต้ภูเขาเพื่อฟังเสียงกระซิบที่เบามาก ส่วนการทำ Neutrino Detector ในอวกาศเหมือนเอาไมโครโฟนเล็ก ๆ ไปถือกลางถนนที่มีรถบรรทุก เครื่องบิน และพายุสุริยะวิ่งผ่าน แล้วหวังว่าจะได้ยินเสียงกระซิบนั้นอยู่ดี นี่คือเหตุผลว่าทำไมเราจึงไม่ค่อยเห็นภารกิจ Neutrino ในอวกาศแบบที่เห็น X-ray Telescope, Gamma-ray Telescope หรือ Solar Wind Detector
แต่จุดที่น่าสนใจคือ นักฟิสิกส์ไม่ได้มองปัญหานี้แล้วหยุดอยู่แค่ว่า “ทำไม่ได้” เพราะถ้า Detector ใหญ่ไม่ได้ และ Shielding หนาไม่ได้ คำถามถัดไปคือเราจะเปลี่ยนตัวแปรอื่นได้หรือไม่ สำหรับ Solar Neutrino ตัวแปรสำคัญคือระยะทางจากดวงอาทิตย์ เพราะ Flux ของอนุภาคจากแหล่งกำเนิดจะเพิ่มขึ้นเมื่อเราเข้าใกล้แหล่งกำเนิดมากขึ้น นี่คือไอเดียสำคัญของ νSOL ที่ต่างจากการเอา Detector บนโลกไปย่อขนาดเฉย ๆ
และก่อนจะไปถึงจุดนั้น เราต้องตอบคำถามที่พื้นฐานกว่ามากเสียก่อนว่า Detector แบบนี้เมื่ออยู่ในอวกาศจริง ๆ จะทำงานอย่างไร นี่เองคือที่มาของ SNAPPY ในฐานะภารกิจต้นแบบ CubeSat นี้ถูกออกแบบให้บรรทุก Detector ต้นแบบสำหรับศึกษาพื้นหลังของ Solar Neutrino Detector ในอนาคต โดยใช้วงโคจรแบบ Polar Earth Orbit และเปิด Detector เป็นช่วง ๆ ตอนอยู่เหนือบริเวณขั้วโลก
แล้ว SNAPPY กำลังจะทดสอบอะไร
หัวใจของ Detector ใน SNAPPY มีสองส่วนหลัก คือ GAGG และ Veto ทั้งคู่เป็นวัสดุประเภท Scintillator หรือวัสดุที่เมื่อมีอนุภาคพลังงานสูงวิ่งผ่านแล้วฝากพลังงานไว้ มันจะปล่อยแสงออกมาเป็นแสงเล็ก ๆ ระดับที่ต้องใช้ตัวอ่านสัญญาณเฉพาะทางจับ แล้วแปลงกลับไปเป็นข้อมูลว่าอนุภาคนั้นฝากพลังงานไว้เท่าไร
ส่วนแรกคือ GAGG ย่อมาจาก Gadolinium Aluminum Gallium Garnet เป็น Scintillator หลักที่อยู่ด้านใน Dector ออกแบบมาเพื่อวัด Interaction ที่เกี่ยวข้องกับ Gallium-71 โดยสิ่งที่มันสนใจคือสัญญาณแบบ Double Pulse ซึ่งเป็นลักษณะที่ทีม νSOL สนใจสำหรับการตรวจจับ Solar Neutrino ในอนาคต
ส่วนที่สองคือ Veto ทำจาก Polyvinyltoluene เป็น Scintillator อีกชนิดหนึ่งที่ล้อม GAGG เอาไว้ด้านนอก หน้าที่ของ Veto ไม่ใช่การจับ Neutrino โดยตรง แต่เป็นการจับสิ่งที่ “ไม่น่าใช่ Neutrino” โดยเฉพาะพวกอนุภาคมีประจุอื่น ๆ เพราะ Neutrino แทบไม่มี Interaction กับสสาร ดังนั้นถ้าเป็น Neutrino จริง มันมีโอกาสผ่าน Veto เข้าไปแล้วเกิด Interaction ใน GAGG โดยไม่ทิ้งสัญญาณใน Veto แต่ถ้าเป็น Proton, Electron หรือพวก Ion อื่น ๆ ที่มีประจุ มันมักจะฝากพลังงานใน Veto ก่อน แล้วค่อยเข้าไปถึง GAGG
ง่าย ๆ คือ GAGG คือห้องด้านในที่เรารอฟังเสียง Neutrino ส่วน Veto คือโถงทางเดินรอบห้อง ถ้ามีสัญญาณในห้องด้านใน แต่โถงทางเดินก็ดังพร้อมกัน เราต้องสงสัยก่อนว่านั่นอาจเป็นอนุภาคมีประจุที่วิ่งผ่าน ไม่ใช่ Neutrino แต่ถ้าห้องด้านในมี Signature ที่ถูกต้อง โดยโถงรอบนอกเงียบ นั่นจึงเป็น Event ที่น่าสนใจมากขึ้น
นอกจากสองส่วนนี้ ใน Detector ยังมีชิ้นส่วนอ่านสัญญาณ (ที่ออกมา) ได้แก่ PMT สำหรับ Veto และ SiPMs สำหรับ GAGG อย่างที่บอกไปว่าหลักการของ Detector แบบนี้คือ มันไม่ได้เห็นอนุภาคตรง ๆ แต่เห็น “พลังงานที่อนุภาคทิ้งไว้” ตอนอนุภาควิ่งผ่านวัสดุ Scintillator ถ้าอนุภาคมีประจุวิ่งผ่าน Veto หรือ GAGG มันจะฝากพลังงานไว้ในวัสดุ ทำให้เกิดแสง Scintillation จากนั้น PMT หรือ SiPM จะอ่านแสงนั้น แล้วแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้า สัญญาณที่ได้สัมพันธ์กับพลังงานที่อนุภาคฝากไว้ในแต่ละชั้นหรือ Shielding และที่เจ๋งก็คืออนุภาคต่างชนิดกันมีวิธีเสียพลังงานในวัสดุต่างกันสร้าง Pattern คนละแบบ นี่แหละที่พาเราไปสู่เทคนิค ∆E-E
ทีมวิจัยได้ลองใช้ GEANT4 ในการจำลองการตรวจจับอนุภาค และได้เผยผลออกมาในเปเปอร์ Simulation of Solar Wind Charged Particle Energy Deposited and Particle Identification by ΔE-E Discrimination in the SNAPPY Cubesat Detector โดยอาศัยเทคนิค ∆E-E หรือการที่ให้อนุภาคเสียพลังงานและดู Pattern ของมัน โดยอาศัยการศึกษาผ่านโปรแกรมอย่าง GEANT4 ซึ่งจำลองการตรวจจับอนุภาค โดยทีมทดสอบยิงอนุภาคใน Pattern ต่าง ๆ แล้วดูว่า Geometry หรือการออกแบบของ GAGG และ Veto รวมถึง ชิ้นส่วนอ่านสัญญาณอื่น ๆ มันจะเป็นยังไง ก่อนที่จะทดสอบส่ง SNAPPY ขึ้นไปทดลองวัดจริง ๆ
ผลจากการทดสอบด้วย GEANT4 นั้น SNAPPY สามารถแยกEelectron, Proton และ Alpha ได้ค่อนข้างดี แต่สำหรับ อนุภาค Ions หนัก ๆ เช่น Carbon Ion, Nitrogen Ion, Oxygen Ion และ Neon Ion จะเริ่มแยกยาก เพราะสัญญาณไปกองทับกันในบริเวณเดียวกัน ส่วน Helium-3, Magnesium Ion มีข้อจำกัดว่าอาจเสียพลังงานใน Shielding จนไม่สามารถไปโดนจับโดย Veto และ GAGG
หมายความว่า SNAPPY ไม่ได้เป็น Detector ที่แยกทุกอย่างได้เทพหมด แต่มันแสดงให้เห็นว่า Geometry แปลก ๆ แบบ GAGG อยู่ใน Veto ยังพอใช้ทำ ∆E-E ได้ โดยเฉพาะกับ Electron, Proton และ Alpha Particle ซึ่งเป็นกลุ่มสำคัญของอนุภาคพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์หรือลมสุริยะ ที่น่าจะเป็นตัวขัดขวางสำคัญในการจับ Neutrino นั่นเอง
แล้วสรุปมันไม่เห็นจะจับ Neutrino เลย
ก็ตามนั้น คำตอบก็คือใช่ เพราะจริง ๆ SNAPPY ไม่ได้ออกแบบมาเพื่อจับ Neutrino แต่เป็นครั้งแรกที่เราพยายามจัดวาง Geometry ของ Detector ด้วยเทคนิคใหม่ ๆ เพื่อทำงานฟิสิกส์อนุภาคโดยหนีออกจากวิธีคิดแบบบนโลก ถ้าเป้าหมายสุดท้ายของ νSOL คือการตรวจ Solar Neutrino ใกล้ดวงอาทิตย์ เราต้องเข้าใจก่อนว่า Detector จะถูกอนุภาคอื่นหลอกได้อย่างไร อนุภาคพวกนี้อาจเข้ามาทิ้งสัญญาณใน Detector และบาง Event อาจดูคล้าย Candidate ที่เราสนใจ ดังนั้นการเข้าใจพฤติกรรมของ Detector คือพื้นฐานของการจับ Neutrino ดังนั้น อธิบายง่าย ๆ SNAPPY จึงทำสองหน้าที่พร้อมกัน หนึ่งคือทดสอบ Hardware และ Geometry ของ Detector สำหรับอนาคตของ νSOL สองคือใช้ Detector เดียวกันศึกษาสภาพแวดล้อมของอนุภาคมีประจุในอวกาศ ซึ่งเป็นสิ่งที่เราทำกันอยู่แล้วนั่นเอง
ในการจะไปถึง νSOL ได้นั้น จะต้องเอาข้อมูล SNAPPY ไปศึกษาหลายอย่างพร้อมกัน ตั้งแต่ Detector, Shielding, Signal, Data Processing เพราะถ้าภารกิจใหญ่ต้องไปใกล้ดวงอาทิตย์ ปัญหาจะหนักกว่า Low Earth Orbit มาก ทั้งความร้อน Radiation Environment อัตราอนุภาคมีประจุ และข้อจำกัดด้านมวลกับพลังงาน
ถ้าเป้าหมายของ vSOL คือการออกแบบ Detector ที่ใหญ่และเหมาะกับการเข้าไปอยู่ใกล้ดวงอาทิตย์มากขึ้น SNAPPY ก็เหมือนกับการเป็น Pathfinder ที่สำคัญให้กับ vSOL นั่นเอง
ซึ่งเราจะเห็นการเปลี่ยนแปลงของ Solar Neutrino Flux ตามระยะทางอย่างชัดเจน โดยถ้าตัวยานเข้าใกล้และถอยห่างจากดวงอาทิตย์ในวงโคจรรีสูง (แบบ) เราควรเห็น Flux เปลี่ยนตามโมเดลที่คำนวณไว้ ซึ่งแน่นอนว่ามันไม่เคยมีใครทำมาก่อน เพราะยานอวกาศแม้จะเป็นยานสำรวจดวงอาทิตย์อย่าง Parker Solar Probe มันก็ไม่ได้ศึกษา Solar Neutrino ซึ่งหากเราเจอ Deviation จากพฤติกรรมนี้ อาจเป็นหน้าต่างไปสู่ฟิสิกส์อื่น เช่น Galactic Neutrinos หรือ Dark Matter Candidates ใหม่ ๆ ได้ด้วย และถ้า SNAPPY ประสบความสำเร็จเราน่าจะได้เห็น vSOL เป็นรูปเป็นร่างขึ้นในอนาคต
กรณีของ SNAPPY ทำให้เราเห็นอีกครั้งว่า CubeSat ขนาด 3U ไม่ได้เล็กเกินไปสำหรับคำถามใหญ่ ถ้า Mission Design ถูกวางมาดีพอ เพราะข้อจำกัดด้านปริมาตร มวล พลังงาน และการสื่อสาร บังคับให้ทีมออกแบบต้องเลือกให้ชัดว่าอะไรคือคำถามหลัก อะไรคือสิ่งที่ต้องวัดจริง และอะไรคือข้อมูลที่คุ้มค่าพอจะแลกกับทุกกรัม ทุกวัตต์ และทุกบิตที่ส่งกลับนี่คือเสน่ห์ของโลก Small Satellite ที่ดี ไม่ใช่การทำของใหญ่ให้เล็กแบบฝืน ๆ แต่คือการออกแบบภารกิจให้เฉียบพอจนกล่องขนาดไม่กี่ U สามารถตอบคำถามที่ยานอวกาศใหญ่กว่ายังอาจไม่จำเป็นต้องตอบในขั้นแรก
เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co
