นักดาราศาสตร์สมัครเล่นเผยเบาะแสแสงออโรร่าคู่ลึกลับ

ภาพ ‘แสงเหนือ’ เหล่านี้อาจช่วยอธิบายชนิดของแสงบนท้องฟ้าที่หายากได้

รุ้งคู่เป็นสิ่งหนึ่ง แต่ออโรร่าคู่? พวกเขาสามารถเกิดขึ้นได้แม้ว่าบางชนิดจะหายาก คำสั่งผสมสีแดงและสีเขียวโดยเฉพาะทำให้งงเป็นพิเศษ ตอนนี้ ภาพที่นักดาราศาสตร์สมัครเล่นจับได้อาจช่วยเปิดเผยความลับของมันได้

นักวิทยาศาสตร์พลเมืองที่อาศัยอยู่ในแคนาดาและฟินแลนด์ใช้กล้องถ่ายภาพเพื่อบันทึกการรวมตัวของแสงออโรร่าที่ผิดปกติในท้องฟ้ายามค่ำคืน นักฟิสิกส์ได้ศึกษาภาพเหล่านั้นเพื่อเรียนรู้ว่าอะไรที่อาจก่อให้เกิดการแสดงแสงสีที่แปลกประหลาด

Alan Dyer อยู่นอกบ้านของเขาใน Strathmore, Canada เมื่อ Northern Lights ที่เต้นรำดึงดูดความสนใจของเขา เขาคว้ากล้องและเริ่มถ่ายทำ “ฉันรู้ว่าฉันมีบางอย่างที่น่าสนใจ” Dyer ช่างภาพที่เขียนเกี่ยวกับดาราศาสตร์ด้วยกล่าว ภาพของเขากลายเป็นบันทึกที่สมบูรณ์ที่สุดของปรากฏการณ์ที่ไม่ค่อยได้เห็นนี้เท่าที่เคยมีมา

เมื่อมองแวบแรก แสงออโรร่าคู่จะดูเหมือนแตงโมชิ้นที่ลอยอยู่ เปลือก – แสงออโรร่าสีเขียวระยิบระยับ – เป็นที่เข้าใจกันดี นักวิทยาศาสตร์รู้ว่ามันเกิดขึ้นเมื่อลมสุริยะกระตุ้นโปรตอนที่ติดอยู่ในสนามแม่เหล็กของโลก โปรตอนเหล่านั้นตกลงมาชนกับอิเล็กตรอนและอะตอมในเส้นทางของพวกมัน นั่นคือสิ่งที่ทำให้เกิดแสงสีเขียวที่เรียกว่าโปรตอนออโรร่า

แถบสีแดงที่ดูเป็นผลไม้ดูลึกลับกว่า นักวิทยาศาสตร์รู้จัก “แสงออโรร่าสีแดงคงที่” เหล่านี้มานานหลายทศวรรษ แต่ไม่มีข้อตกลงเกี่ยวกับวิธีการสร้าง แนวคิดหนึ่งคือสนามแม่เหล็กของโลกสามารถทำให้บางส่วนของชั้นบรรยากาศร้อนขึ้นได้ ความร้อนนั้นสามารถกระแทกอนุภาครอบๆ ได้ เหมือนกับในฝนโปรตอน

นักวิจัยเคยเห็นแสงออโรร่าสองประเภทนี้เกิดขึ้นด้วยกันมาก่อน แต่มันเป็นเรื่องลึกลับอยู่เสมอ Toshi Nishimura กล่าว เขาเป็นนักฟิสิกส์อวกาศที่มหาวิทยาลัยบอสตัน “นักวิทยาศาสตร์ไม่มีความคิดที่ดีว่าทำไมพวกเขาถึงอยู่ด้วยกันได้”

หลังจากดูการสังเกตการณ์จากดาวเทียมพร้อมกับภาพที่ไดเออร์และคนอื่นๆ จับภาพไว้ นิชิมูระและทีมของเขาได้ข้อสรุปว่าปรากฏการณ์ทั้งสองนั้นเกี่ยวข้องกันอย่างไร กุญแจสำคัญคือรังสีบาง ๆ ในแสงออโรร่าสีแดง พวกเขาทำเครื่องหมายเส้นทางของอิเล็กตรอนที่ตกลงมาผ่านสนามแม่เหล็กของโลก

นั่นหมายความว่าฝนอิเล็กตรอนจะกระตุ้นให้เกิดแสงออโรราสีแดง เช่นเดียวกับฝนโปรตอนทำให้เกิดแสงสีเขียว ทั้งสองได้รับพลังงานจากลมสุริยะ แต่อิเล็กตรอนมีพลังงานน้อยกว่าโปรตอน พวกมันจึงมีสีแดงมากกว่า ทีมรายงานการค้นพบใน JGR: Space Physics

อย่างไรก็ตาม ฝนอิเล็กตรอนอาจไม่ใช่วิธีเดียวที่จะสร้างส่วนโค้งสีแดงที่เสถียร Brian Harding กล่าว เขาเป็นนักฟิสิกส์อวกาศที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ เขากล่าวว่าผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่าสิ่งที่เกิดขึ้นมีความซับซ้อนมากกว่าที่นักวิจัยคิดไว้

สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจถึงความยุ่งยากเหล่านั้น ออโรร่า Dyer เห็นอาจเป็นเขตอันตรายสำหรับการสื่อสารทางวิทยุและระบบ GPS นิชิมูระกล่าว ตัวอย่างเช่น หากคุณกำลังขับรถอยู่ใต้น้ำ GPS อาจบอกให้คุณเบี่ยงออกจากถนนและเข้าไปในทุ่งนา

นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องเข้าใจแสงสีแดงเหล่านี้ มิฉะนั้น พวกเขาจะไม่สามารถคาดการณ์สภาพอากาศในอวกาศได้เหมือนกับสภาพอากาศปกติ Harding อธิบาย “คุณต้องการให้แน่ใจว่าคุณสามารถทำนายสิ่งต่าง ๆ เช่นนี้ได้”

นักวิทยาศาสตร์พลเมืองที่ถ่ายภาพเป็นส่วนสำคัญของการค้นพบใหม่นี้ Nishimura กล่าว “นี่เป็นวิธีการใหม่ในการทำวิจัย…. เมื่อพวกเขาถ่ายภาพเจ๋งๆ มากขึ้นเรื่อยๆ พวกเขาก็พบสิ่งที่เราไม่รู้มากขึ้นเรื่อยๆ”

รูปภาพจะมีมาเรื่อยๆ Dyer กล่าว “เราสามารถสร้างผลงานพิเศษให้กับวิทยาศาสตร์ได้” เขากล่าว ท้ายที่สุด “คุณไม่มีทางรู้ว่าจะเกิดอะไรขึ้น”

‘เนินทราย’ ที่เพิ่งค้นพบเป็นหนึ่งในแสงเหนือที่แปลกประหลาดที่สุด

การแสดงแสงธรรมชาติครั้งใหม่นี้รวมแสงออโรร่าอื่นๆ เช่น สีดำและประเภทที่เต้นเป็นจังหวะ

นักดูท้องฟ้าพบอัญมณีใหม่ในมงกุฎแห่งแสงเหนือ นี่คือการแสดงแสงธรรมชาติที่ส่องแสงระยิบระยับไปทั่วโลก

จอแสดงผลใหม่นี้เป็นปรากฏการณ์ที่หายากและเป็นปรากฏการณ์ที่นักวิทยาศาสตร์พลเมืองได้ขนานนามว่า “เนินทราย” ซึ่งไม่เหมือนกับแสงออโรร่าประเภทอื่นๆ การแสดงแสงธรรมชาติเหล่านี้มักเรียกว่าแสงเหนือหรือแสงใต้ (ขึ้นอยู่กับซีกโลก) พวกเขามักจะแขวนอยู่บนท้องฟ้าเหมือนม่านที่ส่องสว่าง แต่เนินทรายปรากฏเป็นแถบสีเขียว วิ่งขนานกับพื้นและชี้ไปทางเส้นศูนย์สูตร นักวิจัยอธิบายเนินทรายออนไลน์ในวันที่ 28 มกราคมใน AGU Advances

ผู้คนทั่วประเทศฟินแลนด์และสวีเดนถ่ายภาพดิจิทัลของการแสดงแสงประหลาดเมื่อวันที่ 7 ตุลาคม 2018 ต่อมานักวิจัยได้ดูภาพเหล่านี้ซึ่งถ่ายจากสถานที่ต่างๆ จากนั้นนักวิทยาศาสตร์ได้กำหนดตำแหน่งของเนินทรายที่ทอดยาวข้ามท้องฟ้าตั้งแต่สวีเดนตะวันตกไปจนถึงฟินแลนด์ตะวันตก ภาพถ่ายยังเผยให้เห็นว่าเนินทรายอยู่เหนือพื้นดินประมาณ 100 กิโลเมตร (62 ไมล์)

“ออโรร่าเป็นเหมือนรอยนิ้วมือบนท้องฟ้า” Minna Palmroth กล่าว เธอเป็นนักฟิสิกส์อวกาศที่มหาวิทยาลัยเฮลซิงกิในฟินแลนด์ เธอช่วยด้วยการศึกษาใหม่ แสงออโรร่า (หรือที่เรียกว่าออโรร่า) มักปรากฏขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนไหลลงสู่ชั้นบรรยากาศจากสนามแม่เหล็ก ซึ่งเป็นฟองแม่เหล็กที่ล้อมรอบโลก อิเล็กตรอนเหล่านี้ทำให้ออกซิเจนและก๊าซไนโตรเจนลุกเป็นไฟ ลักษณะเฉพาะของปฏิกิริยาระหว่างอิเล็กตรอนกับแก๊สทำให้แสงออโรร่าแต่ละประเภทมีแสงแฟลร์ที่เป็นเอกลักษณ์

เนินทรายออโรร่า

แสงออโรร่าของเนินทรายมีลายทางที่ผิดปกติ Palmroth และเพื่อนร่วมงานสงสัยว่าแถบดังกล่าวอาจเกิดขึ้นจากคลื่นในชั้นบรรยากาศ ซึ่งเป็นคลื่นของก๊าซในชั้นบรรยากาศ หงอนของคลื่นเหล่านั้นเป็นบริเวณที่หนาแน่นกว่าในอากาศ นั่นคือที่ที่โมเลกุลของอากาศรวมตัวกันอย่างแน่นหนามากขึ้น ในจุดดังกล่าว จะมีออกซิเจนมากขึ้นสำหรับอิเล็กตรอนที่เรียงซ้อนกันเพื่อกระตุ้นเป็นสีเขียวเรืองแสง

คลื่นในบรรยากาศดังกล่าวอาจทำให้เกิดโครงสร้างที่กว้างและสม่ำเสมอของเนินทราย Gerard Fasel ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับงานนี้กล่าว เขาเป็นนักฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัย Pepperdine ในเมืองมาลิบู รัฐแคลิฟอร์เนีย เขากล่าวว่าในการเชื่อมโยงคลื่นบรรยากาศเหล่านี้กับโครงสร้างของเนินทราย นักวิจัยจะต้องรวบรวมข้อสังเกตเพิ่มเติมเกี่ยวกับแสงออโรร่าประเภทนี้ พวกเขายังจะต้องพยายามจำลองคุณสมบัติเหล่านั้นในรูปแบบคอมพิวเตอร์ ซึ่งสามารถช่วยยืนยันสิ่งที่ทำให้เนินทรายมีโครงสร้างหรือรูปร่างพิเศษได้ เขากล่าว

เนินทรายเป็นเพียงสิ่งใหม่ล่าสุดในแนวเสียงออโรร่าที่ยาวเหยียด ออโรร่ารวมกันถือเป็นหนึ่งในสิ่งมหัศจรรย์ทางธรรมชาติของโลก นักวิจัยและนักวิทยาศาสตร์พลเมืองได้ค้นพบความหลากหลายในการแสดงแสงธรรมชาติเหล่านี้

ต่อไปนี้คือแสงออโรร่าที่ไม่ชัดเจนของซีกโลกเหนือและซีกโลกใต้

ออโรร่าที่เร้าใจ

การแสดงแสงเหล่านี้สามารถทอดยาวได้หลายร้อยกิโลเมตร (ไมล์) ผ่านท้องฟ้า ทำให้สว่างขึ้นและหรี่ลงเป็นจังหวะ Allison Jaynes กล่าวว่า “พวกเขาสามารถเกิดขึ้นได้เกือบทุกคืน เธอเป็นนักฟิสิกส์อวกาศที่มหาวิทยาลัยไอโอวาในเมืองไอโอวา เธอตั้งข้อสังเกตว่ากล้องสามารถหยิบขึ้นมาได้อย่างง่ายดาย “แต่คุณไม่สามารถมองเห็นได้ดีด้วยตาของคุณ”

แสงออโรร่าที่เร้าใจเหล่านี้ “มักจะเกิดขึ้นหลังเที่ยงคืน” เธอกล่าวเสริม และดำเนินต่อไป “จนถึงเวลาเช้า” ผู้คนมักจะพลาดการแสดงแสงสีเหล่านี้เพราะส่วนใหญ่หลับในขณะที่พวกเขากำลังกระพริบตา

แสงวาบในแสงออโรร่าเหล่านี้เกิดจากระลอกคลื่นในสนามแม่เหล็กของโลก ระลอกคลื่นเหล่านี้เรียกว่าการปล่อยคอรัส คลื่นคอรัสเหล่านี้ส่งผลต่ออิเล็กตรอนในสนามแม่เหล็กที่มีลักษณะเหมือนคลื่นในมหาสมุทร คลื่นทะเลสะสมโฟมบนชายหาดเป็นระยะ ในทำนองเดียวกัน คลื่นคอรัสดันกลุ่มอิเล็กตรอนลงสู่ชั้นบรรยากาศเป็นระยะๆ และนั่นทำให้เกิดแสงออโรร่าที่ริบหรี่

รัศมีออโรร่า

ซึ่งแตกต่างจากออโรร่าที่รู้จักกันดีส่วนใหญ่ ประเภทของยอดแหลมสามารถเห็นได้ในตอนเที่ยง แต่นั่นก็คือถ้าคุณอยู่ไกลจากเหนือหรือใต้มากพอก็จะมืดตอนเที่ยง หมู่เกาะสวาลบาร์ดของนอร์เวย์ “เป็นหนึ่งในไม่กี่ผืนดินที่คุณสามารถมองเห็นแสงออโรร่ายอดได้” เอลิซาเบธ แมคโดนัลด์ กล่าว เธอเป็นนักฟิสิกส์อวกาศ เธอทำงานที่ Goddard Space Flight Center ของ NASA ในเมือง Greenbelt รัฐแมริแลนด์ นอกจากนี้ เธอยังได้ก่อตั้งโครงการวิทยาศาสตร์พลเมืองที่ติดตามแสงออโรร่า Aurorasaurus

Cusp auroras ได้รับการตั้งชื่อตามตำแหน่งขั้วโลกที่เส้นสนามแม่เหล็กของโลกโค้งเข้าด้านใน เส้นสนามแม่เหล็กเหล่านั้นสร้างรูรูปกรวยในสนามแม่เหล็ก เมื่อลมสุริยะพัดผ่านยอด ทำให้เกิดแสงออโรร่า (ลมสุริยะประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุซึ่งปล่อยออกมาจากชั้นบรรยากาศชั้นบนของดวงอาทิตย์)

อนุภาคของลมสุริยะที่เดินทางผ่านจุดยอดจะเคลื่อนเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของโลกโดยตรงจากโล่แม่เหล็กของดาวเคราะห์ นี่เป็นแหล่งกำเนิดแสงออโรร่าที่แตกต่างจากที่บางครั้งทำให้ท้องฟ้ายามค่ำคืนสว่างไสว ไฟกลางคืนเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นโดยอิเล็กตรอนที่ตกลงมาสู่ชั้นบรรยากาศจากภายในสนามแม่เหล็ก

อนุภาคของลมสุริยะที่ทะลุผ่านจุดยอดโดยทั่วไปจะไม่มีพลังเท่ากับอิเล็กตรอนที่มาจากภายในฟองแม่เหล็กของโลก ดังนั้นอะตอมของออกซิเจนที่ตื่นเต้นซึ่งประกอบขึ้นเป็นออโรรายอดจะเกิดขึ้นที่ระดับความสูงที่สูงมากเท่านั้น เป็นผลให้พวกเขาเรืองแสงสีแดง ซึ่งไม่เหมือนกับโมเลกุลออกซิเจนในระดับความสูงต่ำกว่าที่เรืองแสงเป็นสีเขียว

สตีฟ

เช่นเดียวกับเนินทราย STEVE airglow ที่ผิดปกติได้รับการตั้งชื่อโดยนักวิทยาศาสตร์พลเมือง การแสดงแสงสีนี้ยังมีแนวโน้มที่จะส่องแสงระยิบระยับจากเสามากกว่าแสงออโรร่าทั่วไป ปรากฏเป็นรอยเปื้อนสีม่วงจากตะวันออกไปตะวันตก และบางครั้งก็มีรั้วรั้วที่เรียกว่าแถบสีเขียวแนวตั้ง

แถบสีเขียวเกิดขึ้นเมื่อฝนที่ตกลงมาของอิเล็กตรอนทำให้อะตอมของออกซิเจนตื่นเต้น สตรีคสีม่วงนั้นยากต่อการอธิบาย นักวิทยาศาสตร์คิดว่ามันเป็นลายเซ็นของกระแสพลาสมา กระแสน้ำนี้น่าจะทำให้อนุภาคในชั้นบรรยากาศร้อนขึ้นผ่านการเสียดสี ที่สามารถทำให้พวกเขาเรืองแสงได้ แต่ชนิดของอนุภาคที่รับผิดชอบต่อการเรืองแสงยังคงเป็นปริศนา นักวิทยาศาสตร์ได้แยกแสงสีม่วงของ STEVE ออกเป็นความยาวคลื่นต่างๆ นี้กลายเป็นสีที่แตกต่างกันมากมาย Bea Gallardo-Lacourt กล่าวว่า “นั่นเป็นเรื่องที่น่าสงสัย เพราะในการสร้างสเปกตรัมดังกล่าว คุณต้องมีบางสิ่งที่ซับซ้อนกว่าอะตอม เธอเป็นนักฟิสิกส์อวกาศที่ NASA Goddard สีสามารถบอกนักวิทยาศาสตร์ว่าโมเลกุลอยู่ใน STEVE อย่างไร แต่นักวิทยาศาสตร์ยังไม่รู้ว่ามีโมเลกุลใดที่ระดับความสูงของ STEVE ในชั้นบรรยากาศที่ควรสามารถผลิตสเปกตรัมที่สังเกตได้

ออโรร่าสีดำ

แสงออโรร่ามักจะมีสีสัน แต่ไม่ใช่ทั้งหมด การต่อต้านแสงออโรร่าสามารถปรากฏเป็นหย่อม ๆ ท่ามกลางริบบิ้นแสงออโรร่าที่มีสีสัน ที่รู้จักกันในชื่อแสงออโรร่าสีดำ หย่อมสีครามเหล่านี้มองเห็นได้ยากเมื่อเทียบกับฉากหลังอันมืดมิดของท้องฟ้ายามค่ำคืน อิเล็กตรอนแบบเรียงซ้อนสร้างลักษณะพิเศษที่สว่างของออโรรา แต่มีอิเล็กตรอนอื่น ๆ ที่พุ่งสูงขึ้นเนื่องจากสนามไฟฟ้าในชั้นบรรยากาศ Palmroth จากมหาวิทยาลัยเฮลซิงกิกล่าว อิเล็กตรอนเหล่านี้มีบทบาทในแสงออโรร่าสีดำ

อิเล็กตรอนที่เพิ่มขึ้นไม่เคลื่อนที่เร็วพอที่จะกระตุ้นไนโตรเจนและออกซิเจน ดังนั้น “แทนที่จะเป็นแสงออโรร่า เราสามารถมองเห็นแถบสีดำภายในออโรร่าได้” เธอกล่าว “นี่คือเส้นทางของอิเล็กตรอนที่ลอยขึ้นซึ่งไม่มีแสงส่องเข้ามา”

สามารถอัพเดตข่าวสารเรื่องราวต่างๆได้ที่ leticia-ortiz.com/