เมื่อแสงดาวผ่านชั้นบรรยากาศ

เราอยู่ในโลกที่ห่อหุ้มด้วยชั้นบรรยากาศ แสงจากวัตถุท้องฟ้าต้องเดินทางผ่านบรรยากาศโลก

โดย..วรเชษฐ์ บุญปลอด

ก่อนจะมาถึงเราหรือผู้สังเกตที่อยู่บนพื้นโลก ทำให้เราสามารถเห็นปรากฏการณ์ต่างๆ อันเกิดขึ้นเนื่องจากชั้นบรรยากาศ

แสงและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเดินทางเป็นเส้นตรงในสุญญากาศ บรรยากาศโลกเป็นเสมือนเลนส์ที่เบี่ยงเบนเส้นทางเดินของแสง เรียกปรากฏการณ์นี้ว่าการหักเหเหตุบรรยากาศ (Atmospheric Refraction) ปริมาณของการหักเหเมื่อสังเกตจากพื้นโลกขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความกดอากาศ โดยสัมพันธ์กับมุมเงยของวัตถุท้องฟ้าเมื่อเทียบกับขอบฟ้ายิ่งวัตถุท้องฟ้าอยู่ต่ำใกล้ขอบฟ้ามากเท่าใด การหักเหก็ยิ่งส่งผลมากขึ้น

ตัวอย่างที่ชัดเจนอันหนึ่งซึ่งพบเห็นได้ทุกวันคือลักษณะของดวงอาทิตย์หรือดวงจันทร์เมื่อปรากฏใกล้ขอบฟ้า วันที่ท้องฟ้าปลอดโปร่ง ไม่มีเมฆบดบังในขณะที่ดวงอาทิตย์หรือดวงจันทร์เพิ่งจะขึ้นหรือใกล้จะตกลับขอบฟ้า เราจะสังเกตได้ว่ารูปร่างของดวงอาทิตย์หรือดวงจันทร์ไม่เป็นทรงกลม แต่บิดเบี้ยวเป็นทรงรี อันเกิดขึ้นเนื่องจากการหักเหของแสง โดยขอบด้านล่างหักเหมากกว่าขอบด้านบน บีบให้ดวงอาทิตย์หรือดวงจันทร์มีขนาดในแนวดิ่งแคบลง

 

ขณะที่เราเห็นดวงอาทิตย์ปรากฏอยู่เรี่ยขอบฟ้านั้น ความจริงแล้วดวงอาทิตย์อยู่ใต้ขอบฟ้าลงไปเล็กน้อย บรรยากาศโลกเป็นตัวการที่ทำให้ดวงอาทิตย์ รวมถึงวัตถุท้องฟ้าอื่นๆ ปรากฏสูงกว่าความเป็นจริง เมื่อนักดาราศาสตร์คำนวณเวลาขึ้นตกของวัตถุท้องฟ้าต่างๆ จะมีการชดเชยผลอันเกิดจากการหักเหของแสงในบรรยากาศเข้าไปด้วย เพื่อให้การทำนายเวลาขึ้นตกใกล้เคียงความจริงมากที่สุด

นอกจากรูปร่างที่บิดเบี้ยวไปในขณะอยู่ใกล้ขอบฟ้า สิ่งที่สามารถสังเกตได้อีกประการหนึ่ง คือความสว่างของดวงอาทิตย์ลดลงอย่างมาก เรียกปรากฏการณ์นี้ว่าการสูญหายเหตุบรรยากาศ (Atmospheric Extinction) ความสว่างของดวงอาทิตย์ในเวลากลางวัน รวมทั้งแสงดาวในเวลากลางคืน มีการเปลี่ยนแปลงไปตามมุมเงยเหนือขอบฟ้า

บรรยากาศโลกประกอบด้วยโอโซน โมเลกุลอากาศ และละอองลอย(ฝุ่น ไอน้ำ และสารมลพิษ) เป็นตัวดูดกลืนแสง ดาวดวงเดียวกัน เมื่ออยู่ต่ำใกล้ขอบฟ้าจะมีแสงจางกว่าเมื่ออยู่สูงใกล้จุดเหนือศีรษะ สาเหตุเป็นเพราะเมื่อดาวอยู่ต่ำ แสงดาวต้องเดินทางผ่านบรรยากาศไกลกว่าเมื่อเทียบกับขณะอยู่เหนือศีรษะ ทำให้เราเห็นดวงอาทิตย์หรือดาวบนท้องฟ้ามีความสว่างไม่คงที่ การสูญหายเหตุบรรยากาศจะมีผลอย่างมากที่ใกล้ขอบฟ้า สามารถทำให้แสงสว่างเจิดจ้าของดวงอาทิตย์ลดลงได้นับหมื่นเท่า เมื่อเทียบกับความสว่างขณะอยู่เหนือศีรษะ เราจึงสามารถมองดูดวงอาทิตย์ขณะเพิ่งขึ้นหรือใกล้ตกได้โดยไม่รู้สึกเคืองตา

ความปั่นป่วนในบรรยากาศและการหักเหแสงยังเป็นต้นเหตุทำให้แสงดาวกะพริบพร้อมกับเปลี่ยนสี เรียกปรากฏการณ์นี้ว่าการเปล่งแสงวับ (Scintillation) เกิดกับดาวฤกษ์ แต่มักไม่ค่อยพบในดาวเคราะห์ ดาวฤกษ์อยู่ไกลมากจนเห็นเป็นจุดแสง ความปั่นป่วนเพียงเล็กน้อยในบรรยากาศก็ทำให้เห็นดาวฤกษ์กะพริบแสงได้อย่างชัดเจน โดยเฉพาะดาวฤกษ์ดวงที่สว่างๆ ส่วนดาวเคราะห์อยู่ใกล้กว่ามาก สามารถเห็นเป็นดวงกลมเมื่อดูด้วยกล้องโทรทรรศน์ ความปั่นป่วนในบรรยากาศจึงส่งผลต่อแสงดาวเคราะห์น้อยกว่าดาวฤกษ์ อย่างไรก็ตาม เมื่อดาวเคราะห์อยู่ต่ำใกล้ขอบฟ้า ก็มีโอกาสจะเห็นดาวเคราะห์กะพริบแสงได้เช่นเดียวกัน

ทัศนวิสัยที่ย่ำแย่เนื่องจากความปั่นป่วนในบรรยากาศโลกเป็นอุปสรรคสำคัญต่อการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์เชิงแสงที่ต้องการภาพที่มีความคมชัดสูง แม้ขนาดเลนส์หรือกระจกรับแสงที่ใหญ่ขึ้นจะช่วยรวมแสงได้มากขึ้น แต่ก็ไม่สามารถเอาชนะอุปสรรคจากความปั่นป่วนในบรรยากาศโลกได้ เหตุผลหลักของการส่งกล้องโทรทรรศน์ขึ้นไปโคจรในอวกาศอย่างกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล ก็คือเพื่อขจัดการรบกวนจากชั้นบรรยากาศ

เทคนิคอย่างหนึ่งที่นักดาราศาสตร์ใช้คือการถ่ายภาพวัตถุท้องฟ้าหนึ่งหลายๆ ครั้ง โดยแต่ละครั้งเปิดรับแสงเป็นเวลาสั้นๆ ซึ่งช่วยลดผลจากการที่แสงต้องเดินทางผ่านชั้นบรรยากาศ จากนั้นเมื่อผ่านกระบวนการซ้อนทุกภาพเข้าด้วยกันแล้ว ภาพถ่ายวัตถุท้องฟ้าที่ได้จะคมชัดและมีรายละเอียดมากกว่าการถ่ายภาพโดยเปิดรับแสงเป็นเวลานานในครั้งเดียว แต่วิธีนี้มีข้อจำกัดที่วัตถุท้องฟ้านั้นต้องสว่างพอสมควร

ปัจจุบันมีเทคนิคช่วยลดความพร่ามัวของภาพที่ถ่ายด้วยกล้องโทรทรรศน์ซึ่งตั้งอยู่บนพื้นโลก เรียกว่าระบบปรับตามสภาพแสง (Adaptive Optics) ได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อปรับปรุงคุณภาพของภาพถ่ายที่ถ่ายด้วยกล้องโทรทรรศน์สมัยใหม่ โดยมีระบบเฝ้าสังเกตการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของคลื่นแสงที่เดินทางผ่านบรรยากาศอันปั่นป่วน จากนั้นระบบอัตโนมัติภายในกล้องจะปรับกระจกสะท้อนแสงชิ้นหนึ่งตามอย่างรวดเร็ว ในทิศทางที่ช่วยบรรเทาหรือหักล้างผลของความปั่นป่วนในบรรยากาศ เมื่อผ่านกระบวนการแล้ว ภาพที่ถ่ายได้จึงมีความคมชัดใกล้เคียงกับภาพที่ถ่ายจากกล้องในอวกาศ นับเป็นเทคโนโลยีที่ปฏิวัติวงการถ่ายภาพทางดาราศาสตร์จากพื้นโลกก็ว่าได้

ปรากฏการณ์ท้องฟ้า (22–29 ม.ค.)

ท้องฟ้าเวลาหัวค่ำสามารถมองเห็นดาวศุกร์กับดาวพฤหัสบดีเป็นดาวเคราะห์สว่าง 2 ดวงอยู่บนท้องฟ้าทิศตะวันตก ดาวศุกร์เป็น “ดาวประจำเมือง” ตกลับขอบฟ้าในเวลาเกือบ 3 ทุ่ม แหงนมองสูงขึ้นไปจะเห็นดาวพฤหัสบดีอยู่เกือบถึงจุดเหนือศีรษะ สามารถสังเกตดาวพฤหัสบดีได้จนกระทั่งตกลับขอบฟ้าราวเที่ยงคืนเศษ กล้องสองตาหรือกล้องโทรทรรศน์สามารถส่องเห็นดาวบริวารของดาวพฤหัสบดีได้ด้วย โดยเฉพาะดาวบริวารขนาดใหญ่ 4 ดวง ที่เรียกรวมๆ ว่าดาวบริวารกาลิเลโอ เนื่องจากกาลิเลโอค้นพบเมื่อปี ค.ศ. 1610

ดาวอังคารกับดาวเสาร์อยู่บนท้องฟ้าเวลาเช้ามืด ดาวอังคารขึ้นมาก่อน โดยปรากฏเหนือขอบฟ้าทิศตะวันออกที่มุมเงย 10 องศา ตั้งแต่เวลา 4 ทุ่ม ดาวเสาร์ขึ้นตามหลังมาในเวลาประมาณตี 1 ขณะนี้ทั้งดาวอังคารและดาวเสาร์อยู่ในกลุ่มดาวหญิงสาว ห่างกันประมาณ 40 องศา สามารถสังเกตดาวเคราะห์ทั้งสองได้จนกระทั่งท้องฟ้าเริ่มสว่างในเวลาเช้ามืดของวันใหม่

หลังจันทร์ดับในวันจันทร์ที่ 23 ม.ค. ซึ่งเป็นวันตรุษจีน จะเข้าสู่ข้างขึ้น ดวงจันทร์อยู่บนท้องฟ้าด้านทิศตะวันตกในเวลาหัวค่ำของทุกวัน โดยเริ่มเห็นได้ตั้งแต่พลบค่ำวันอังคาร แต่อาจต้องใช้กล้องสองตากวาดหาบริเวณเหนือขอบฟ้าทิศตะวันตก ต่อมาดวงจันทร์เคลื่อนสูงห่างดวงอาทิตย์มากขึ้นทุกวัน และมีส่วนสว่างเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ

ค่ำวันพฤหัสบดีที่ 26 ม.ค. จันทร์เสี้ยวจะปรากฏอยู่ทางขวามือ เยื้องไปทางด้านล่างของดาวศุกร์ที่ระยะห่าง 7 องศา หรือใกล้กว่าขนาดกำปั้นของเราเมื่อกำมือแล้วเหยียดแขนออกไปข้างหน้าให้สุด เราสามารถสังเกตได้ว่าด้านมืดของดวงจันทร์ไม่มืดสนิท มีแสงจางๆ เกิดจากแสงอาทิตย์ที่สะท้อนจากผิวโลกไปตกที่ดวงจันทร์ เรียกว่าแสงโลก