รังสีคอสมิก: รังสีปริศนาจากนอกระบบสุริยะ

รังสีคอสมิก: รังสีปริศนาจากนอกระบบสุริยะ

ในช่วงต้นปี 1900 สุดยอดนักฟิสิกส์อย่างมาดามมารี คูรี (Marie Curie) และ เฮนรี เบคเคอเรล (Henri Becquerel) ค้นพบว่าธาตุบางอย่างสามารถสลายตัวแล้วปลดปล่อยรังสีออกมาได้  ธาตุเหล่านี้เรียกว่าธาตุกัมมันตรังสี (Radioactive Elements) ซึ่งมีอยู่ในโลกของเราในสัดส่วนที่น้อยมากเมื่อเทียบกับธาตุอื่นๆ

        การค้นพบนี้ทำให้ วิกเตอร์ เฮส (Victor Hess )นักฟิสิกส์ออสเตรเลียนในวัย 29 ปีเกิดความสนใจซึ่งความสนใจของเขาทำให้เกิดการค้นพบสิ่งสำคัญสุดอย่างหนึ่งในฟิสิกส์ดาราศาสตร์

        อากาศที่อยู่รอบๆตัวเราเกิดการแตกตัว(ionization of the air) จนมีสภาพทางไฟฟ้าซึ่งนักฟิสิกส์สามารถทำการทดลองตรวจจับได้ นักฟิสิกส์ในยุคนั้นเชื่อว่าธาตุกัมมันตรังสีบนโลกเราปลดปล่อยรังสีไปทำให้อากาศแตกตัว

        หากแนวคิดนี้เป็นจริง การแตกตัวของอากาศควรจะลดลงที่ระดับความสูงมากๆเพราะรังสีจากผิวโลกย่อมอ่อนกำลังลง

        การคำนวณพบว่า ค่าการแผ่รังสีที่ระดับความสูง 10 เมตรจะลดลง 83% จากที่พื้นดิน และที่ระดับความสูงราว 1 กิโลเมตร ค่าการแผ่รังสีจะเหลือเพียง 0.1% เท่านั้น  แต่ในปี ค.ศ. 1910  ทีโอดอร์ วูล์ฟ (Theodor Wulf) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันนีได้ทำการทดลองพบว่าอากาศที่ยอดหอไอเฟลซึ่งมีความสูงราว 300 เมตร มีการแตกตัวน้อยกว่าบนพื้นดิน แต่อัตราการแตกตัวที่เขาวัดได้มากกว่าที่ควรจะเป็น กล่าวคือ  อัตราการแตกตัวบนพื้นโลกคือ 6 ไอออนต่อลูกบาศก์เซนติเมตร แต่เมื่อไปอยู่บนยอดหอไอเฟลการแตกตัวลงเหลือ 3.5 ไอออนต่อลูกบาศก์เซนติเมตร 

        ผลการทดลองนี้นับว่าขัดแย้งกับการคำนวณและคำอธิบายที่เชื่อถือกันอยู่ในขณะนั้น เพราะถ้าการแตกตัวเกิดจากกัมมันตรังสีที่อยู่บนผิวโลกเพียงอย่างเดียว อัตราการแตกตัวจะลดลง 50% ที่ระดับความสูง 100 เมตร แต่นี่ขึ้นไปสูงถึง 300 เมตรแล้วอัตราการแตกตัวยังลดลงไม่ถึงครึ่ง

        วิกเตอร์ เฮส จึงทำการทดลองเพื่อตรวจสอบเรื่องนี้อย่างละเอียดด้วยการนำอุปกรณ์ตรวจจับการแตกตัวของอากาศขึ้นไปบนบอลลูนอากาศร้อนหลายครั้ง ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1911 เป็นระยะเวลากว่าสามปี ผลปรากฏว่าค่าการแตกตัวของอากาศลดลงเรื่อยๆในช่วง 1 กิโลเมตรแรกที่บอลลูนเริ่มลอยสูงขึ้น แต่หลังจากนั้นค่าการแตกตัวเริ่มเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ที่น่าแปลกคือที่ระดับความสูงราว 5กิโลเมตรค่าการแตกตัวเพิ่มเป็นสองเท่าของที่ระดับน้ำทะเล!

        เขาเขียนการค้นพบนี้ในวารสารวิชาการด้วยชื่อเรื่องว่า “รังสีอำนาจทะลุทะลวงสูงจากนอกโลกที่พุ่งเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของโลกเรา” (“ a radiation of very high penetrating power enters our atmosphere from above” ) แต่เขายังไม่หยุดการทดลองไว้แค่นั้น วิกเตอร์ เฮส นำบอลลูนขึ้นเพื่อทำการทดลองในตอนกลางคืนซึ่งเป็นการทดลองที่ค่อนข้างอันตราย เขาทำเช่นนั้นเพื่อไม่ให้แสงดวงอาทิตย์ส่งผลต่อการทดลอง ผลลัพธ์ที่ได้ยังเหมือนเดิม นั่นแปลว่าสาเหตุของการแตกตัวของอากาศไม่ได้เกิดจากจากดวงอาทิตย์และไม่ใช่การแผ่รังสีจากกัมมันตรังสีบนโลก แต่มาจากห้วงอวกาศที่ห่างไกลออกไป

        วิกเตอร์ เฮส ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 1936 จากผลงานการค้นพบรังสีคอสมิก(Cosmic rays)ที่เปิดประตูสู่ฟิสิกส์ใหม่ๆเกี่ยวกับอนุภาคและดาราศาสตร์ แม้จะได้รับรางวัลโนเบลแล้วเขาก็ยังทำการทดลองที่สร้างองค์ความรู้ใหม่ๆในด้านนี้จนกระทั่งเขาเสียชีวิตในปี ค.ศ. 1964

ธรรมชาติของรังสีคอสมิก

        โรเบิร์ต มิลลิแกน (Robert A. Millikan) นักฟิสิกส์ผู้ได้รับรางวัลโนเบลการวัดค่าประจุของอิเล็กตรอนได้สำเร็จ เสนอว่ารังสีคอสมิกคือ รังสีแกมมาซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า  แต่ไม่นานนัก นักฟิสิกส์คนอื่นๆสามารถพิสูจน์ได้ว่าแนวคิดของเขาผิด

        ในปี ค.ศ. 1927 นักฟิสิกส์ทำการทดลองจนพบว่าอัตราการแตกตัวของอากาศซึ่งเกิดจากรังสีคอสมิกมีการเปลี่ยนแปลงตามตำแหน่งละติจูดบนโลก หากรังสีคอสมิกเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มันควรจะทำให้อากาศเกิดการแตกตัวอย่างสม่ำเสมอกันในทุกๆตำแหน่งบนโลก

         คำอธิบายที่สมเหตุสมผลกว่าคือ รังสีคอสมิกเป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า มันจึงได้รับอิทธิพลจากสนามแม่เหล็กโลกเพราะสนามแม่เหล็กโลกที่ละติจูดต่างๆมีค่าไม่เท่ากันนั่นเอง

        ในปี ค.ศ. 1930 นักฟิสิกส์พบว่ารังสีคอสมิกที่พุ่งเข้าสู่ชั้นบรรยากาศโลกเราทางทิศตะวันออกและในทิศตะวันตกมีค่าไม่เท่ากัน โดยรังสีที่พุ่งมาจากทิศตะวันตกมีค่ามากกว่า ความแตกต่างนี้เรียกว่า "east-west effect" ซึ่งผลการวิเคราะห์พบว่าความแตกต่างนี้เกิดจากการที่รังสีคอสมิกมีประจุไฟฟ้าบวก ซึ่ง 99% เป็นนิวเคลียสของธาตุ อีก 1% เป็นอิเล็กตรอน

        หลังสงครามโลกครั้งที่สองจบสิ้น นักฟิสิกส์ทำการศึกษาเพิ่มเติมจนพบว่า ส่วนที่เป็นนิวเคลียสของรังสีคอสมิกนั้นมีองค์ประกอบหลักๆเป็นโปรตอนราว 90%  อีก 9% เป็นอนุภาคแอลฟา(ซึ่งประกอบด้วยโปรตอนสองตัวและนิวตรอนสองตัว) ที่เหลือราว 1%เป็นนิวเคลียสของธาตุอื่นๆที่หนักยิ่งกว่านั้น

        ปัจจุบันนักดาราศาสตร์แบ่งรังสีคอสมิกออกเป็นสองส่วน 

        1.รังสีคอสมิกปฐมภูมิ (Primary cosmic rays) เป็นอนุภาคที่เข้ามาสู่ชั้นบรรยากาศในระดับสูงก่อนจะชนเข้ากับแก๊สในชั้นบรรยากาศ ซึ่งประกอบไปด้วยนิวเคลียสของธาตุในสัดส่วนที่กล่าวมาแล้วข้างต้น

        ปัจจุบันผลการศึกษาจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศเฟอร์มีที่ตรวจจับรังสีแกมมา (Fermi Gamma-ray Space Telescope)  พบว่าองค์ประกอบหลักๆรังสีคอสมิกนั้นมาจากซูเปอร์โนวา  เนื่องจากโปรตอนจากซูเปอร์โนวาชนเข้ากับสสารระหว่างดาวฤกษ์ (interstellar material) แล้วกลายเป็นรังสีแกมมาซึ่งกล้องโทรทรรศน์สามารถตรวจจับเพื่อนำมาวิเคราะห์ได้

        นักดาราศาสตร์เชื่อว่าแหล่งกำเนิดรังสีคอสมิกอื่นๆมาจากหลุมดำมวลยิ่งยวดใจกลางกาแล็กซีที่มีการปลดปล่อยพลังงานออกมา รวมทั้งการปะทุของรังสีแกมมา (Gamma-ray bursts)

       2.รังสีคอสมิกทุติยภูมิ (Secondary cosmic rays) เมื่อรังสีคอสมิกปฐมภูมิชมเข้ากับอะตอมและโมเลกุลของแก๊สในชั้นบรรยากาศโลก (ซึ่งส่วนมากเป็นแก๊สไนโตรเจน รองลงมาคือ ออกซิเจน) การชนทำให้เกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่า Air shower  ซึ่งเป็นอนุภาคอื่นๆที่กระจายออกมาเหมือนสายฝน ได้แก่ พายออน ,มิวออน,เคออน, อิเล็กตรอน, โพสิตรอน ,โปรตอน และนิวตรอน ฯลฯ ด้วย

อนุภาคชนิดหนึ่งที่ทะลุลงมาถึงพื้นดินได้คือ มิวออน ซึ่งนักฟิสิกส์สามารถตรวจจับได้ด้วยเครื่องมือที่เรียกว่า Cloud chamber