รังสีคอสมิก (Cosmic Rays) แหล่งกำเนิด และอันตรายจากรังสีคอสมิก

1992

รังสีคอสมิก (Cosmic Rays) คือ อนุภาคพลังงานสูงที่มีแหล่งกำเนิดมาจากนอกโลก อันได้แก่ ดวงอาทิตย์ การระเบิดของชูเปอร์โนวา และหลุมดำ แล้วแพร่เข้ากระทบภายในบรรยากาศของโลก

advertisement

รังสีคอสมิกที่เข้ามากระทบกับบรรยากาศโลก คือ รังสีคอสมิกปฐมภูมิ (primary cosmic rays) ประกอบด้วย
1. ประจุโปรตอน (protons) ประมาณร้อยละ 90
2. นิวเคลียสของฮีเลียม (helium nuclei) หรืออนุภาคแอลฟา (alpha particles) ประมาณร้อยละ 9
3. อิเล็กตรอน ประมาณร้อยละ 1
4. อนุภาคอื่นๆ

พลังงานของรังสีคอสมิกจะมีค่าแตกต่างกันในแต่ละแหล่งกำเนิด เช่น โปรตอนจากดวงอาทิตย์จะมีพลังงานอยู่ในช่วง 0.5-200 MeV ส่วนพลังงานรังสีคอสมิกที่มาจากแหล่งอื่นๆซึ่งยังไม่ทราบแน่ชัดในเอกภพอาจมีพลังงานมากกว่า 1020 MeV

รังสีคอสมิก นอกจากจะมีพลังงานสูงตามแหล่งกำเนิดแล้ว พลังงาน และทิศทางของการเคลื่อนที่ยังสามารถเปลี่ยนแปลงได้เมื่อเข้าปะทะกับสนามแม่เหล็ก (megnetic fields) ของสสารระหว่างดาวขณะเคลื่อนที่ผ่าน และรังสีคอสมิกบางส่วนอาจมีพลังงานมากกว่า 1020 MeV ซึ่งมีค่าสูงกว่าพลังงานอนุภาคที่เกิดจากเครื่องเร่งอนุภาค (accelerators) ที่มนุษย์สามารถสร้างขึ้นได้

ประวัติการค้นพบรังสีคอสมิก
เมื่อ เฮนรี่ เบคเคอเรล (Henry Becquerel) นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส ค้นพบกัมมันตรังสี (radioactivity) เมื่อปี ค.ศ. 1896 ทำให้หลังจากนั้นมีความเชื่อว่า ไฟฟ้าในบรรยากาศหรือการแตกตัวกลายเป็นไอออนในบรรยากาศเกิดจากการแผ่รังสีของธาตุกัมมันตรังสีที่มีอยู่ในพื้นดิน หิน หรือวัสดุที่มีอยู่บนโลก ยกตัวอย่างเช่น ธาตุกัมมันตรังสีเรดอน (radon)

ต่อมา ในปี ค.ศ. 1912 วิกเตอร์ เอฟ เฮส (Victor F. Hess) ได้ใช้มาตรศักย์ไฟฟ้าสถิตแบบวูล์ฟ (Wulf electrometer) ที่ติดตั้งบนบอลลูนที่ลอยสูง 5,300 เมตร เพื่อวัดอัตราการเกิดไอออน ซึ่งพบว่าอัตราการเกิดไอออนมีค่าเพิ่มขึ้นตามความสูงที่เพิ่มขึ้น และที่ระดับความสูงสูงสุดขณะวัดจะมีอัตราการเกิดไอออนประมาณ 4 เท่า ของอัตราการเกิดบนพื้นดิน วิกเตอร์ เอฟ เฮส จึงสรุปว่า อัตราการเกิดไอออนที่ความสูงเหนือพื้นโลกน่าจะมาจากการแผ่รังสีพลังงานสูงที่มาจากนอกโลก ซึ่งมีความสามารถทะลุทะลวงเข้ามาถึงชั้นบรรยากาศได้

ต่อมา ในปี ค.ศ. แวร์เนอร์ คอลอสเตอร์ (Werner Kolhoerster) ได้ทดลองวัดปริมาณไอออนจากระดับพื้นจนถึงระดับความสูงที่วิกเตอร์ เอฟ เฮส เคยวัด คือที่ 9 กิโลเมตร เหนือพื้นโลก พบว่า อัตราการแตกตัวของไอออนมีค่าเพิ่มขึ้นเพื่อความสูงเพิ่มขึ้น สอดคล้องกับวิกเตอร์ เอฟ เฮส ที่เคยสรุปไว้ จนในปี ค.ศ. 1936 วิกเตอร์ เอฟ เฮส ได้รับรางวัลโนเบล สาขาฟิสิกส์ จากการที่เขาได้ค้นพบการแผ่รังสีที่มาจากอวกาศนอกโลก

ต่อมา ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1920 มิลลิแกน (R.A. Milikan) และเพื่อนร่วมงานจากสถาบันเทคโนโลยีคาลิฟอร์เนีย ได้สนใจ และเริ่มทดลองเกี่ยวกับรังสีชนิดหนึ่งที่เรียกว่า รังสีคอสมิก โดยทดลองวัดเริ่มวัดจากพื้นโลกจนถึงระดับความสูง 16 กิโลกเมตร เหนือพื้นโลก ซึ่งได้ผลสรุปสอดคล้องกับนักวิทยาศาสตร์ทั้งสองที่กล่าวมา และพบว่า รังสีคอสมิก เป็นรังสีที่มีพลังงานสูงมาก บางส่วนสามารถทะลุทะลวงชั้นบรรยากาศจนถึงทะเลสาบที่ระดับความลึกต่างๆได้ หลังจากนั้นเป็นต้นมา ได้มีการศึกษาเกี่ยวกับอนุภาคมากขึ้นเรื่อยๆจนเป็นองค์ความรู้ที่ถ่ายทอดมาจนถึงปัจจุบัน

ต่อมา ฮิเดะกิ ยุกะวะ (Hideki Yukawa) นักฟิสิกส์ชาวญี่ปุ่นได้อธิบายแรงนิวเคลียร์ว่า อนุภาคโปรตอน และนิวตรอนสามารถอยู่ในนิวเคลียสเดียวกันได้ เพราะมีแรงนิวเคลียร์ที่เกิดมาจากการแลกเปลี่ยนอนุภาคสนามภายในตัว ซึ่งไม่สามารถสังเกตเห็นอนุภาคนี้ได้ หรือเรียกอนุภาคดังกล่าวว่า มีซอน ซึ่งถูกค้นพบในเวลาต่อมาที่ได้จากการทดลองสลายนิวเคลียสนั่นเอง ทำให้ฮิเดะกิ ยุกะวะ ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 1949

แหล่งกำเนิดรังสีคอสมิก
จากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์หลายคน พบว่า แหล่งกำเนิดรังสีคอสมิกนอกเหนือจากดวงอาทิตย์แล้ว ยังพบมาจากแหล่งอื่นจากวิวัฒนาการของดาวฤกษ์ ได้แก่ ขบวนการดับของดาวฤกษ์ขณะเกิดซูเปอร์โนวา ดาวแคระขาว ดาวนิวตรอน (neutron star) และหลุมดำ (black holes) รวมถึงแหล่งกำเนิดอื่นๆที่ยังไม่ทราบแน่ชัดจากภายนอกดาราจักรอื่น หรือ กาแล็กซีอื่น ทั้งนี้ รังสีคอสมิกสามารถส่งมาจากดาราจักรอื่น นอกเหนือจากดาราจักรของโลก (ดาราจักรทางช้างเผือก)

ซูเปอร์โนวา

นอกจากนี้ ยังพบว่า รังสีคอสมิกที่มีพลังงานมากกว่า 1014 eV สามารถรวมเป็นกลุ่มกันได้จากการเร่งของคลื่นกระแทก (shock wave acceleration) ของซูเปอร์โนวา และจากการใช้เครื่องมือวัดอนุภาครังสีวางไว้ในกินพื้นที่บริเวณกว้าง ณ หอสังเกตรังสีคอสมิกปีแอร์โอแกร์ ที่ตั้งอยู่เมนโดชา (Mendoza) ของประเทศอาเจนติน่า และอ่านผลการวัดในเดือนธันวาคม ค.ศ. 2007 ตรวจพบได้ว่ามีนิวเคลียสถูกส่งมาจากดาวพลังงานสูง และยังพบว่า รังสีคอสมิกที่มีพลังงานมากกว่า 10 GeV (G = 109) มีการทะลุทะลวงเข้ามาสู่บรรยากาศโลกในทุกทิศทาง จึงเป็นเรื่องยากที่จะหาแหล่งกำเนิดของรังสีคอสมิกพลังงานสูงนี้อย่างชัดเจนได้ ส่วนรังสีคอสมิกที่มีพลังงานต่ำกว่า 10 GeV จะมีทิศทางจากการทะลุทะลวงที่ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของประจุ และสนามแม่เหล็กโลก

รังสีคอสมิกทุติยภูมิ (secondary cosmic rays)
รังสีคอสมิกทุติยภูมิ เป็นรังสีคอสมิกที่เกิดจาการแตกตัวของรังสีคอสมิกปฐมภูมิ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นประจุบวก และนิวเคลียสของสสารหนักกลายเป็นอนุภาคต่างๆขณะทะลุทะลวงผ่านเข้ามาในชั้นบรรยากาศโลก และอนุภาคที่เกิดจากการแตกตัวบางชนิดจะมีพลังงานสูง ซึ่งสามารถเข้าชนกับนิวเคลียสหรืออนุภาคอื่นจนเกิดเป็นอนุภาคต่างๆเกิดขึ้นอีกตามมา โดยแบ่งอนุภาคที่เกิดจากการแตกตัวของรังสีคอสมิกปฐมภูมิได้ 3 ชนิด ได้แก่
1. นิวคลีออน (nucleons)
นิวคลีออน เป็นอนุภาคโปรตอน และนิวตรอน ซึ่งบางอนุภาคมีพลังงานสูงมาก สามารถทำให้นิวเคลียสของธาตุในบรรยากาศแตกสลายกลายเป็นอนุภาคอื่นได้ และบางอนุภาคยังสามารถทำให้ธาตุเปลี่ยนสภาพเป็นธาตุกัมมันตรังสีได้ เช่น นิวตรอนของนิวคลีออนที่ชนกับธาตุไนโตรเจน-14 (14N) เกิดเป็นคาร์บอน-14 (14C) ซึ่งเป็นธาตุกัมมันตรังสีชนิดหนึ่ง

2. มีซอน (mesons)
อนุภาคมีซอน เป็นอนุภาคไพออน (pions) ที่เกิดขึ้นหลังการแตกสลายของนิวเคลียส โดยอนุภาคมีซอน เป็นอนุภาคที่ไม่เสถียร โดย π และ π1 มีอายุเฉลี่ยประมาณ 2.6×108 วินาที แล้วจะสลายเป็นมิวออน (muons) ที่มีอายุเฉลี่ยลดลงเป็น 2.2×106 วินาที พร้อมกับนิวตริโน (neutrinos) ออกมาด้วย ส่วน π<sup>๐</sup> มีอายุเฉลี่ยประมาณ 8.4×1017 วินาที

3. อนุภาคที่มีพลังงานต่ำ
อนุภาคในกลุ่มนี้จะเป็นอิเล็กตรอน (electrons) ที่เกิดจากการสลายตัวของมิวออน และโฟตอน (photon) โดยโฟตอน มาจากการสลายตัวของ π ที่ได้คู่อิเล็กตรอนออกมาพร้อมกันด้วย นอกจากนี้ โฟตอนอาจเกิดได้จากอิเล็กตรอนที่ถูกหน่วงขณะเคลื่อนที่เข้าใกล้นิวเคลียสของธาตุต่างๆในบรรยากาศ

ทั้งนี้ ฟลักซ์ (flux) หรือ จำนวนอนุภาคของรังสีคอสมิกที่ทะลุทะลวงเข้ามาสู่บรรยากาศโลกจะมีค่าไม่แน่นอน ขึ้นอยู่กับตำแหน่ง และช่วงเวลาที่ทำการวัด แต่จะมีค่าแปรผันมากตามปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นบนดวงอาทิตย์ เพราะเป็นแหล่งรังสีคอสมิกที่อยู่ใกล้โลกมากที่สุด เช่น การเกิดแฟลร์บนดวงอาทิตย์ เป็นต้น และรังสีที่ทะลุทะลวงมาจนถึงพื้นโลกจะมีจำนวนน้อยเมื่อเปรียบเทียบในอาวกาศ เพราะถูกดูดกลืนไว้ในบรรยากาศ

อันตรายจากรังสีคอสมิก
มนุษย์ได้รับรังสีคอสมิกตามธรรมชาติมาตั้งแต่กำเนิดมนุษย์แล้ว โดยพบว่า คนออสเตรเลียจะได้รับรังสีคอสมิกประมาณ 0.3 mSv (มิลลิซิเวอร์ท) และคนในสหรัฐอเมริกาจะได้รับรังสีคอสมิกในแต่ละปีประมาณ 3 mSv ทั้งนี้ ปริมาณรังสีที่ได้รับจะแตกต่างกันตามพื้นที่เป็นสำคัญ ส่วนมนุษย์อวกาศที่อยู่บนชั้นบรรยากาศสูงเหนือพื้นโลกจะได้รับปริมาณรังสีคอสมิกที่สูงหลายเท่าเมื่อเปรียบเทียบกับคนบนพื้นโลก เพราะรังสียังถูกดูดซับไว้น้อย และได้รับในปริมาณใกล้เคียงกับปริมาณที่มีในอวกาศ คือประมาณ 400-900 mSv จนเป็นสาเหตุทำให้เกิดมะเร็ง และโรคอื่นๆตามมาได้เช่นกัน ถึงแม้จะใส่ชุดอวกาศแล้วก็ตาม เพราะรังสีมีความสามารถทะลุทะลวงสูง นอกจากนี้ แล้วรังสีคอสมิกยังสาเหตุหนึ่งที่รบกวนการสื่อสารทางดาวเทียม

ผลกระทบรังสีคอสมิกกับโลก
1. การเกิดวงแถบรังสีแวนอัลเลน (Van Allen belts) และแสงเหนือ แสงใต้
แถบรังสีแวนอัลเลน เป็นปรากฏการณ์ที่เกดเป็นวงรังสี เมื่อรังสีคอสมิกมีถูกกักเก็บ และสะสมบริเวณขั้วสนามแม่เหล็กโลก ซึ่งเกิดขึ้นที่ความสูงประมาณ 1,000 กิโลเมตร และจะเกิดเฉพาะบริเวณใกล้กับขั้วโลกเหนือ และขั้วโลกใต้ มีลักษณะเป็นวงกลมของแถบรังสีคล้ายโดนัทลอยเหนือขั้วโลก

ผลที่เกิดขึ้นต่อเนื่องจากแถบรังสีแวนอัลเลน คือ มีการปล่อยอนุภาคบางส่วนเข้ามาสู่ชั้นบรรยากาศที่ระดับความสูงประมาณ 100 กิโลเมตร ทำให้เกิดแสงสีต่างๆบริเวณขั้วโลก หรือเรียกว่า แสงเหนือ หรือ แสงใต้ (Aurora)

แสงเหนือ-แสงใต้

2. การเกิดฟ้าแลบ (Lightning)
นักวิทยาศาสตร์บางคนเสนอที่มาจองปรากฏการณ์ฟ้าแลบว่า จากการที่รังสีคอสมิกปฐมภูมิแตกตัวเป็นอนุภาคต่างๆในชั้นบรรยากาศ เมื่อมีการแตกตัว และสะสมจำนวนมากอาจเกิดการจุดประกายเกิดเป็นฟ้าแลบเกิดขึ้นได้

3. การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ (Climate Chang)
นักวิทยาศาสตร์ได้กล่าวเสนอว่า รังสีคอสมิกมีผลกระทบต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศโลกได้ เพราะมีการทดลองนำรังสีคอสมิกผ่านเข้าไปใน cloud chamber แล้วทำให้รังสีคอสมิกแตกตัว ซึ่งพบว่า เกิดหยดน้ำขึ้นตามแนวของไอออน ซึ่งทำนายได้ว่า การแตกตัวของรังสีคอสมิกมีผลต่อรูปแบบของเมฆ และสภาพภูมิอากาศได้ แต่ข้อเสนอนี้ยังไม่เป็นที่ยอมรับ เพราะมีปัจจัยหลายประการต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ และยังไม่มีผลการทดลองที่ยืนยันแน่ชัด

ขอบคุณภาพจาก NASA

ที่มา : สุพัฒน์ ราชณรงค์, รังสีคอสมิก (Cosmic Rays), วารสารรามคำแหง ปีที่ 25 ฉบับที่ 2.

advertisement