โลก ดวงดาว และดาราศาสตร์

ลำดับตอนที่ #14 : เอกภพ

                ระบบที่กว้างใหญ่ไพศาลประกอบด้วยแกแลคซีทั้งหลายที่กระจัดกระจายกันอยู่ประมาณหนึ่งล้านแกแลซีโดยที่มีระยะทางระหว่างแกแลคซีไกลกันมากนับล้านปีแสงแกแล็กซี่ของเรา ( แกแล็กซี่ทางช้างเผือก ] Milky  Way ) ก็เป็นเพียงเศษเสี้ยวหนึ่งของเอกภพ

กำเนิดเอกภพ

กำเนิดเอกภพเริ่มนับจากจุดที่เรียกว่า บิกแบง (Big Bang) “บิกแบง” เป็นชื่อที่ใช้เรียกทฤษฎีกำเนิดเอกภพทฤษฎีหนึ่ง ปัจจุบันทฤษฎีบิกแบงเป็นที่ยอมรับมากขึ้น เพราะมีปรากฏการณ์หลายอย่างที่สอดคล้องหรือเป็นไปตามทฤษฎีบิกแบง ก่อนบิกแบงเอกภพเป็นพลังงานล้วนๆ ภายใต้อุณหภูมิที่สูงยิ่งจุดบิกแบงจึงเป็นจุดที่พลังงานเริ่มเปลี่ยนเป็นสสารครั้งแรก เป็นจุดเริ่มต้นของเวลาและเอกภพ

                 ปัจจุบันเอกภพประกอบด้วยกาแล็กซี่จำนวนเป็นแสนล้านแห่ง ระหว่างกาแล็กซี่เป็นอวกาศที่เวิ้งว้างกว้างไกล เอกภพจึงมีขนาดใหญ่มาก โดยมีรัศมีไม่น้อยกว่า 15,000 ล้านปี ภายในกาแล็กซี่แต่ละแห่งประกอบด้วยดาวฤกษ์จำนวนมาก แหล่งกำเนิดดาวฤกษ์ที่เรียกว่า เนบิวลา และที่ว่าง โลกของเราเป็นดาวเคราะห์ดวงหนึ่งในระบบสุริยะ ซึ่งเป็นสมาชิกหนึ่งของกาแล็กซี่ของเรา

                 บิกแบงเป็นทฤษฎีที่อธิบายถึงการเกิดระเบิดครั้งใหญ่ที่ทำให้พลังงานส่วนหนึ่งเปลี่ยนเป็นเนื้อสาร มีวิวัฒนาการต่อเนื่องจนเกิดเป็นกาแล็กซี่ เนบิวลาดาวฤกษ์ ระบบสุริยะ โลก ดวงจันทร์

                ขณะเกิดบิกแบงมีเนื้อสารเกิดขึ้นในรูปของอนุภาคพื้นฐานชื่อ ควาร์ก อิเล็กตรอน นิวทริโน และโฟตอนซึ่งเป็นพลังงานเมื่อเกิดเป็นอนุภาคก็จะเกิด

ปฏิอนุภาค ที่มีประจุไฟฟ้าตรงข้าม ทำให้ประจุไฟฟ้ารวมของเอกภพเป็นศูนย์ เมื่อปฏิอนุภาคพบกับอนุภาคชนิดเดียวกันจะหลอมรวมกันเนื้อสารหายไปเป็น พลังงานอย่างหมดสิ้น ถ้าเอกภพมีอนุภาคเท่ากับปฏิอนุภาคพอดี เมื่อพบกันจะกลายเป็นพลังงานทั้งหมด ก็จะไม่เกิดกาแล็กซี่ ดาวฤกษ์ และ ระบบสุริยะโชคดีที่ในธรรมชาติมีอนุภาคมากกว่าปฏิอนุภาคดังนั้นเมื่ออนุภาคพบ กับ อนุภาคนอกจากจะได้พลังงานเกิดขึ้นแล้ว ยังมีอนุภาคเหลืออยู่ และนี่คือ อนุภาคที่ก่อกำเนิดเป็นสสารของเอกภพในปัจจุบัน

                +หลังบิกแบงเพียง 10-6 วินาที อุณหภูมิของเอกภพลดลงเป็นสิบล้านล้านเคลวิน ทำให้ควาร์กเกิดการรวมตัวกัน กลายเป็นโปรตอน (นิวเคลียสของไฮโดรเจน) และนิวตรอน

+หลังบิกแบง 3 นาที อุณหภูมิเอกภพลดลงเป็นร้อยล้านเคลวิน มีผลให้โปรตอนและนิวตรอนเกิดการรวมตัวเป็นนิวเคลียสของฮีเลียม ในช่วงแรกๆนี้ เอกภพขยายตัวอย่างเร็วมาก

+หลังบิกแบง 300,000 ปี อุณหภูมิลดลงเหลือ 10,000 เคลวิน นิวเคลียสของไฮโดรเจนและฮีเลียมดึงอิเล็กตรอนเข้ามาอยู่ในวงโคจร เกิดเป็นอะตอมไฮโดรเจนและฮีเลียมตามลำดับ

+เกิดกาแล็กซี่ต่างๆหลังบิกแบง 10,000 ล้านปีภายในกาแล็กซี่มีธาตุไฮโดรเจนและฮีเลียมเป็นสารเบื้องต้นซึ่งเกิดเป็น ดาวฤกษ์รุ่นแรกๆส่วนธาตุต่างๆที่มีมวลมากกว่าฮีเลียมเกิดจากดาวฤกษ์ขนาดใหญ่

                มีข้อสังเกตใดหรือประจักษ์พยานใด ที่สนับสนุนทฤษฏีบิกแบง

ปรากฏการณือย่างน้อย 2 อย่าง ที่สนับสนุนทฤษฏีบิกแบงได้แก่ การขยายตัวของเอกภพ และอุณหภูมิพื้นหลังของอวกาศ ซึ่งปัจจุบันลดลงเหลือ 2.73 เคลวิน

                ข้อสังเกตประการที่ 1 คือ การขยายตัวของเอกภพ

ฮับเบิลเป็นนักดาราศาสตร์ชาวอเมริกันที่ค้นพบว่ากาแล็กซี่จะเคลื่อนที่ไกลออกไป

ด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้นตามระยะทางกาแล็กซี่ที่อยู่ไกลยิ่งเคลื่อนที่ห่างออกไปเร็วกว่ากาแล็กซี่ที่อยู่ใกล้นั่นคือเอกภพกำลังขยายตัวจากความเข้าใจในเรื่องนี้ทำให้นักดาราศาสตร์สามารถ

คำนวณอายุของเอกภพได้

                ข้อสังเกตประการที่ 2 คือ อุณหภูมิพ้นหลังของเอกภพปัจจุบันลดลงเหลือ 2.73 เคลวิน

การค้นพบอุณหภูมิของเอกภพในปัจจุบันหรืออุณหภูมิพื้นหลัง เป็นการค้นพบโดยบังเอิญโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน 2 คนชื่อ อาร์โน เพนเซียส และ โรเบิร์ต วิลสัน แห่งห้องปฏิบัติการเบลเทเลโฟน เมื่อปี พ.ศ.2508 ขณะนั้นนักวิทยาศาสตร์ทั้งสองคนกำลังทดสอบระบบเครื่องรับสัญญาณของกล้องโทรทรรศน์วิทยุ ปรากฏว่ามีสัญญาณรบกวนตลอดเวลาไม่ว่าจะเป็นกลางวันหรือกลางคืน หรือฤดูกาลต่างๆแม้เปลี่ยนทิศทางและทำความสะอาดสายอากาศแล้วก็ยังมีสัญญาณรบกวนสัญญาณอยู่เช่นเดิม ต่อมาทราบภสยหลังว่าเป็นสัญญาณที่เหลืออยู่ในอวกาศ เทียบได้กับพลังงานของการแผ่รังสีของวัตถุดำที่มีอุณหภูมิประมาณ 3 เคลวิน หรือประมาณ -270องศาเซลเซียส

                   ในขณะเดียวกัน โรเบิร์ต ดิกกี พี.เจ.อี.พีเบลส์ เดวิด โรลล์ และเดวิด วิลคินสัน แห่งมหาวิทยาลัยปรินซ์ตัน ได้ทำนายมานานแล้วว่า การแผ่รังสีจากบิกแบงที่เหลืออยู่

ในปัจจุบันน่าจะตรวจสอบได้ โดยใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุ

                ดังนั้นการพบพลังงานจากทุกทิศทุกทางในปริมาณที่เทียบได้กับพลังงานที่เกิดจากการแผ่รังสีของวัตถุดำที่มีอุณหภูมิประมาณ 3 เคลวิน จึงเป็นอีกข้อหนึ่งที่สนับสนุนทฤษฏีบิกแบงได้เป็นอย่างดี

 การขยายตัวของเอกภพ

                เอกภพ (จักรวาล - universe) คือ ระบบที่รวบรวมทุกสิ่งทุกอย่างในธรรมชาติ ข้อมูลสำคัญของเอกภพคือ เส้นสเปกตรัมของดาราจักรเลื่อนไปทางสีแดงทำให้รู้ว่าเอกภพกำลังขยายตัว

                เราทราบแล้วว่าเอกภพคือแหล่งรวมทุกสรรพสิ่งในธรรมชาติ รวมทั้งที่ว่างหรืออวกาศด้วย นักดาราศาสตร์ต่างได้ศึกษาเส้นสเปกตรัมจากธาตุที่อยู่ในดาราจักรแล้วพบว่า เส้นเลื่อนไปทางแดงหรือทางความถี่ต่ำแสดงว่าดาราจักรกำลังเคลื่อนที่ออกห่างไปเรื่อย ๆ ทำให้เกิดปัญหาข้อถกเถึยงกันถึงลักษณะของดาราจักรและเอกภพในอดีตว่าเป็นอย่างไร

                ในวงการดาราศาสตร์ได้มีทฤษฎีหนึ่งที่จะอธิบายการกำเนิดเอกภพและสาเหตุที่ดาราจักรกำลังเคลื่อนที่คือ ทฤษฎีการระเบิดปังใหญ่ (big-bang theory หรือทฤษฎีบิกแบง) โดย เลแมตร์ (G.Lemaitre) ได้กล่าวไว้ว่า ในอดีตเอกภพมีลักษณะเป็นรูปทรงกลมเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 6,400 กิโลเมตร (4,000 ไมล์) เลอร์แมตร์ เรียกทรงกลมที่เป็นจุดกำเนิดของสสารนี้ว่า "อะตอมดึกดำบรรพ์" (Primeval Atom) เป็นอะตอมขนาดยักษ์ นำหนักประมาณ 2 พันล้านตันต่อลูกบาศก์นิ้ว (ซึ่งขัดแย้งกับความเป็นจริงกับความหมายของอะตอมในปัจจุบันที่ให้ความหมายของอะตอม ว่าเป็นส่วยย่อยของโมเลกุล)

                อย่างไรก็ตามนักดาราศาสตร์ได้ถกเถียงและค้นหาข้อเท็จจริงเกี่ยวกับทฤษฎีนี้อย่างจริงจัง และกาโมว์ (G.Gamow) เป็นคนหนึ่งที่สนับสนุนทฤษฎีของเลอเมตร์ จากผลการคำนวณของกาโมว์ ในขณะที่อะตอมดึกดำบรรพ์ระเบิดขึ้น จะมีอุณภูมิสูงถึง 3 x 10^9 เคลวิน (3,000,000,000 เคลวิน) หลังจากเกิดการระเบิดประมาณ 5 วินาที อุณภูมิได้ลดลงเป็น 10^9 เคลวิน (1,000,000,000 เคลวิน) และเมื่อเวลาผ่านไป 3 x 10^8 ปี (300,000,000 ปี) อุณภูมิของเอกภพลดลงเป็น 200 เคลวิน

ในที่สุดเอกภพก็ตกอยู่ในความมืดและเย็นไปนานมากจนกระทั่งมีดาราจักรเกิดขึ้น จึงเริ่มมีแสงสว่างและอุณภูมิเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ

                ในปี พ.ศ.2472 ฮับเบิล (Edwin P.Hubble) ได้ศึกษาสเปกตรัมของดาราจักรต่างๆ 20 ดาราจักร ซึ่งอยู่ไกลที่สุดประมาณ 20 ล้านปีแสง พบว่าเส้นสเปกตรัมได้เคลื่อนไปทางแสงสีแดง ดาราจักรที่อยู่ห่างออกไปจะมีการเคลื่อนที่ไปทางแสงสีแดงมาก แสดงว่าดาราจักรต่างๆ กำลังคลื่นที่ห่างไกลออกไปจากโลกทุกทีทุกทีๆ พวกที่อยู่ไกลออกไปมากๆจะมีการเคลื่อนที่เร็วขึ้น ดาราจักรที่ห่างประมาณ2.5พันล้านปีแสง มีความเร็ว 38,000 ไมล์ต่อวินาที ส่วนพวกดาราจักร ที่อยู่ไกลกว่านี้มีควาเร็วมากขึ้นตามลำดับ ความสัมพันธ์ระหว่างระยะทางของดาราจักรและ ความเร็วแห่งการเคลื่อนที่ เรียกว่า "กฎฮับเบิล" ทฤษฎีนี้อาจเรียกว่า "การระเบิดของเอกภพ" (Exploding Universe) ซึ่งก็สนับสนุนกับแนวคิดของเลแมตร์เช่นกัน

กาแลกซี

                กาแล็กซี่คืออาณาจักรหรือระบบของดาวฤกษ์จำนวนนับแสนล้านดวง อยู่รวมกันโดยแรงโน้มถ่วงระหว่างดวงดาวกับหลุมดำที่มีมวลมหาศาล ซึ่งอยู่ ณ ศูนย์กลางของกาแล็กซี่ โดยมีเนบิวลาซึ่งเป็นกลุ่มแก๊สและฝุ่นละออง ที่เกาะกลุ่มอยู่ในที่ว่างบางแห่งระหว่างดาวฤกษ์ กาแล็กซี่เกิดหลังบิกแบงประมาณ 1,000 ล้านปี เกิดจากลุ่มแก๊สซึ่งยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงโน้มถ่วงแยกเป็นกลุ่มๆ แต่ละกลุ่มกำเนิดเป็นดาวฤกษ์จำนวนมาก ซึ่งเป็นสมาชิกสำคัญของกาแล็กซี กาแล็กซีที่ระบบสุริยะสังกัดอยู่คือ กาแล็กซีทางช้างเผือก (Milky Way Galaxy) หรือกาแล็กซีของเรา มีกาแล็กซีอื่นๆ ที่สังเกตได้ด้วยตาเปล่า ได้แก่ กาแล็กซีแอนโดรเมดา กาแล็กซีแมกเจนแลนใหญ่ และกาแล็กซีแมกเจนแลนเล็ก

                สามารถสังเกตกาแล็กซีได้ในคืนที่ท้องฟ้าปลอกโปร่งแจ่มใส ไม่มีแสงจันทร์สว่างและแสงไฟรบกวน โดยจะสังเกตเห็นทางช้างเผือกปรากฏเป็นแนวฝ้าขาวจางๆขนาดกว้างประมาณ 15◦ พาดผ่านเป็นทางยาวรอบท้องฟ้า โดยเฉพาะท้องฟ้าในทิศทางของกลุ่มดาวแมงป่อง (ขณะขึ้นไปสูงสุดจะอยู่ทางทิศใต้ที่มุมเงยประมาณ 50◦) ดาวคนยิงธนู กลุ่มดาวนกอินทรี และกลุ่มดาวหงส์ ซึ่งเป็นส่วนของทางช้างเผือกที่มองเห็นได้ง่าย ชัดเจนและสวยงามมาก

 กาแล็กซีทางช้างเผือก

ภาพจากกล้องดูดาว แสดงให้เห็นว่าทางช้างเผือก คือดาวฤกษ์จำนวนมากที่อยู่ไปทางเดียวกันโดยอยู่ห่างจากโลกต่างกัน นักดาราศาสตร์ทราบรูปร่างของกาแล็กซีทางช้างเผือก โดยการศึกษาวิเคราะห์ดาวฤกษ์ที่อยู่ในกาแล็กซีนี้

        จากภาพแสดงดาวฤกษ์บริเวณทางช้างเผือกและใกล้เคียง ด้านซ้ายมือจะสังเกตเห็นกลุ่มดาวนายพราน ขวามือบนของกลุ่มดาวนายพรานคือกลุ่มดาววัว ซึ่งมีดาวลูกไก่ลูกในกลุ่มนี้ด้วย ด้านขวามือของจุดกึ่งกลางภาพจะเห็นกาแล็กซีแอนโดรเมดามีลักษณะไม่กลมเหมือนภาพดาวฤกษ์ทั่วไป เหนือกาแล็กซีแอนโดรเมดาคือกลุ่มดาวแคสสิโอเปียหรือกลุ่มดาวค้างคาว ซึ่งอยู่ในทางช้างเผือก และดาวฤกษ์ดวงสว่างที่สุดที่อยู่บนทางช้างเผือกด้านขวามือสุดคือดาวหางหงส์ในกลุ่มดาวหงส์

         ดาวฤกษ์ทั้งหมดในทางช้างเผือก และดาวฤกษ์ทั้งหลายที่เราเห็นบนท้องฟ้า รวมทั้งระบบสุริยะ อยู่ในกาแล็กซีทางช้างเผือก หรือกาแล็กซีของเรา ระบบสุริยะที่อยู่แขนด้านกลุ่มดาวนายพราน และอยู่ห่างศูนย์กลางกาแล็กซีประมาณ 30,000 ปีแสง มีดาวฤกษ์ไม่น้อยกว่าแสนล้านดวงในกาแล็กซีนี้ ดังนั้นกาแล็กซีทางช้างเผือกจึงมีขนาดใหญ่มาก มีรูปร่างคล้ายกังหัน คือมีบริเวณกลางสว่าง และมีแขนโค้งรอบนอก ระยะจากขอบหนึ่งผ่านจุดศูนย์กลางไปยังอีกขอบหนึ่งยาวประมาณ 100,000 ปีแสง ถ้ามองกาแล็กซีของเราจากด้านบน จะเห็นเหมือนกังหัน แต่ถ้าด้านข้างจะเห้นเหมือนด้านข้างของเลนส์นูนหรือจานข้าว 2 จานประจบกัน ดังภาพ

กาแล็กซีเพื่อนบ้าน

                เมื่อมองดูฟ้า นอกจากดาวฤกษ์เนบิวลา และทางช้างเผือก ซึ่งรวมกันอยู่ในกาแล็กซีทางช้างเผือกหรือกาแล็กซีของเราแล้ว จึงเรียกกาแล็กซีเพื่อนบ้าน ได้แก่ กาแล็กซีแมกเจนแลนใหญ่ และกาแล็กซีแมกเจนแลนเล็กซึ่งอยู่ใกล้ขอบฟ้าทิศใต้ ทำให้เห้นได้ยากสำหรับผู้ที่อยู่ทางภาคเหนือ ยังมีแกแลกซีที่เห็นได้ด้วยตาเปล่าและน่าสนใจอีกแห่งหนึ่งคือ

กาแลกซีแอนโดเมดา อยู่ในทิศทางของกลุ่มดาวแอนโดเมดา เป็นกาแลกซีรูปกังหันเหมือนกับกาแลกซีทางช้างเผือก