การเพิ่มขึ้นอย่างมโหฬารของจำนวนอนุภาคโปรตอนพลังงานระดับสัมพัทธภาพจากดวงอาทิตย์เมื่อวันที่ 20 มกราคม ค.ศ. 2005: การสังเกตโดย ยานอวกาศโลก

19 กันยายน 2556

 

        ประมาณ 15 ครั้งต่อวัฏจักร 11 ปี ดวงอาทิตย์จะปล่อยอนุภาครังสีคอสมิกที่มีพลังงานและความเข้มสูงพอที่จะเพิ่มระดับกัมมันตรังสีที่ผิวโลกขึ้นเหนือระดับพื้นหลังที่มีที่มาจากรังสีคอสมิกจากกาแล็กซี เหตุการณ์เหล่านี้เรียกว่า การเพิ่มที่ระดับพื้นดิน (ground level enhancements หรือ GLEs) ซึ่งทำให้สามารถศึกษาการเร่งอนุภาคที่ดวงอาทิตย์ได้อย่างชัดเจนเป็นพิเศษ เนื่องจาก 1) อนุภาคใน GLEs เคลื่อนที่ใกล้ความเร็วแสง ซึ่งทำให้มีการเชื่อมต่ออย่างชัดเจนระหว่างอนุภาคและเหตุการณ์ที่ดวงอาทิตย์ และ 2) อนุภาคเหล่านี้มีระยะอิสระเฉลี่ยในอวกาศที่ยาว และฟลักซ์ต่อเวลาไม่ค่อยเปลี่ยนแปลงเนื่องจากกระบวนการการขนส่งในตัวกลางระหว่างดาวเคราะห์ ข้อมูลที่ได้จากการสังเกตและวิเคราะห์ GLEs เกี่ยวข้องอย่างชัดเจนกับสาขาวิชาสุริยฟิสิกส์ และยังน่าสนใจสำหรับดาราศาสตร์ฟิสิกส์ดั้งเดิมเนื่องจากเหตุการณ์นี้ท้าทายแบบจำลองสำหรับการเร่งอนุภาค (เช่น Roussev et al. 2004).

        นอกจากนี้ GLEs ยังน่าสนใจในแง่ของการพยากรณ์และอธิบายผลกระทบทาง “สภาพอวกาศ” ของพายุสุริยะที่มีต่อกิจกรรมของมนุษย์ รังสีคอสมิกจากดวงอาทิตย์สามารถทำลายอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บนยานอวกาศ และเป็นอันตรายอย่างยิ่งต่อนักบินอวกาศ (Hu et al. 2009) การที่อนุภาค GLE เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมากใกล้ความเร็วแสง ทำให้เป็นตัวบ่งชี้ตัวแรกสำหรับพายุรังสีที่กำลังจะมาในบางครั้ง (Kuwabara et al. 2006) ในแง่ของผลกระทบต่อกัมมันตภาพรังสีที่ลูกเรือและอิเล็กทรอนิกส์บนเครื่องบินจะได้รับ เหตุการณ์ GLE เป็นเหตุการณ์ที่มีดวงอาทิตย์เป็นต้นเหตุประเภทเดียวที่สำคัญ เพราะว่าอนุภาคพลังงานต่ำ ซึ่งส่งผลอย่างสำคัญต่อยานอวกาศ แต่ไม่สามารถทะลุบรรยากาศสู่ระดับการบินของเครื่องบินได้ (Wilson et al. 2003; Lantos 2006) เส้นทางการบินข้ามบริเวณใกล้ขั้วโลกเหนือได้เพิ่มขึ้นอย่างมากในระยะหลัง เพราะว่าเป็นเส้นทางที่ประหยัดค่าใช้จ่ายมากที่สุดเมื่อบินจากอเมริกาเหนือสู่เอเชียตะวันออก (Hanson & Jensen 2002) แต่เส้นทางเหล่านี้รับอันตรายจากกัมมันตภาพรังสีจากอวกาศมากที่สุด เพราะสนามแม่เหล็กโลกไม่สามารถป้องกันได้ในบริเวณใกล้ขั้วโลก เป็นสิ่งที่ดีที่มีสถานีตรวจวัดนิวตรอนหลายสถานีที่ตั้งอยู่ที่แคนาดา รัสเซีย และกรีนแลนด์ ซึ่งเป็นตำแหน่งที่เหมาะสำหรับการเตือนภัยและติดตามความเสี่ยงตามเส้นทางบินข้ามบริเวณขั้วโลก

        งานวิจัยชิ้นนี้ (Bieber et al. 2013) รายงานถึงการสังเกตด้วยเครื่องตรวจวัดนิวตรอนสำหรับ GLE ขนาดยักษ์ใหญ่เมื่อวันที่ 20 มกราคม ค.ศ. 2005 ซึ่งเป็นเหตุการณ์ที่รุนแรงที่สุดที่สังเกตุในรอบครึ่งศตวรรษ และใหญ่เป็นอันดับสองนับตั้งแต่เริ่มมีการสังเกตอย่างเป็นระบบในทศวรรษของปี ค.ศ.1930 เราวิเคราะห์ข้อมูลจากสถานีตรวจวัดนิวตรอน 11 สถานีในเครือ ยานอวกาศโลก (Spaceship Earth; Bieber & Evenson 1995) เสริมด้วยอีกสองสถานี บทความถัดไป (A. Sáiz et al. 2013, กำลังดำเนินการ) จะรายงานถึงแบบจำลองทางทฤษฎีสำหรับเหตุการณ์นี้ การหาระดับการกระเจิงระหว่างดาวเคราะห์ และการหาอัตราการปล่อยอนุภาคต่อเวลาจากพายุสุริยะสู่เส้นสนามแม่เหล็กที่เชื่อมระหว่างดวงอาทิตย์และโลก

 

ภาพที่ 1 การเพิ่ม(ร้อยละ)ของไอออนที่มีพลังงานระดับสัมพัทธภาพจากดวงอาทิตย์ เหนือระดับรังสีคอสมิกพื้นหลังจากกาแล็กซี สำหรับ GLE ขนาดยักษ์เมื่อวันที่ 20 มกราคม ค.ศ. 2005 ณ สถานีตรวจวัดนิวตรอน 6 แห่งใกล้ขั้วโลกและใกล้ระดับทะเล นิวตรอนที่วัดคือรังสีคอสมิกทุติยภูมิจากการ

 

ภาพที่ 2 ตำแน่งที่ตั้งและทิศทางการ “มอง” ของสถานีตรวจวัดนิวตรอน 13 สถานีที่พิจารณาในงานนี้ ณ 06.53 น. เวลาสากล (universal time; UT) ซึ่งเป็นเวลาที่มีอัตรานับรังสีสูงสุดใน GLE ขนาดยักษ์เมื่อวันที่ 20 มกราคม ค.ศ. 2005 ใน (a) พิกัดเชิงภูมิศาสตร์ของโลก (geographic coordinates) และ (b) พิกัด GSE (geocentric solar ecliptic coordinates) ที่บ่งบอกทิศทางในอวกาศ

 

ภาพที่ 3 (a) ข้อมูลระดับ 1 นาทีจากขั้วโลกใต้ ทั้งจากเครื่องตรวจวัดนิวตรอนปกติ และเครื่องวัดนิวตรอน “เปลือย” ที่ไม่ห่อหุ้มด้วยตะกั่ว (b) สัดส่วนระหว่างการเพิ่มในเครื่องวัดสองชนิดนี้ สำหรับแต่ละนาที บ่งบอกดัชนีสเปกตรัม γ โดย ฟลักซ์ต่อโมเมนตัมขึ้นกับ p- γ ต่อเมื่ออนุภาคเพิ่มเริ่มมาจากดวงอาทิตย์ γ มีค่าที่ต่ำเนื่องจากอนุภาคที่มีพลังงานสูงกว่าจะมาถึงก่อน ต่อจากนั้นค่า γ จะเพิ่มสู่ค่าคงตัว เราพบว่า γ มีค่าที่ต่ำอีกครั้งหนึ่งตอน 06.55 น. UT ซึ่งตีความว่ามาจากการปล่อยอนุภาคจากดวงอาทิตย์เป็นครั้งที่สอง

 

References
Bieber, J. W., Clem, J., Evenson, P., Pyle, R., Sáiz, A., & Ruffolo, D. 2013, Astrophys. J., 771, 92
Bieber, J. W., & Evenson, P. 1995, in Proc. 24th ICRC (Rome), 4, 1316
Hanson, E. R., Jr.,&Jensen,D. 2002,Avionics Today, http://www.aviationtoday.com/av/issue/feature/Over-the-Top-Flying-the-Polar-Routes_12647.html
Hu, S., Kim, M.-H. Y., McClellan, G. E., & Cucinotta, F. A. 2009, Health Physics, 96, 465
Kuwabara, T., Bieber, J. W., Clem, J., Evenson, P., & Pyle, R. 2006, Space Weather, 4, S10001
Lantos, P. 2006, Radiat. Prot. Dosim., 118, 363
Roussev, I. I., Sokolov, I. V., Forbes, T. G., Gombosi, T. I., Lee, M. A., & Sakai, J. I. 2004, Astrophys. J. Lett., 605, L73