รังสีคอสมิก (Cosmic Rays) คือ อนุภาคพลังงานสูงที่มีแหล่งกำเนิดมาจากนอกโลก อันได้แก่ ดวงอาทิตย์ การระเบิดของชูเปอร์โนวา และหลุมดำ แล้วแพร่เข้ากระทบภายในบรรยากาศของโลก
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)
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 π๐ 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)
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.