บิ๊กแบง(Big Bang)

เนื้อเรื่อง

เอกภพแบบต่าง ๆ
     จากหลักฐานทางดาราศาสตร์ในปัจจุบัน คาดกันว่าเอกภพน่าจะมีอายุประมาณ 15-20 พันล้านปี โดยมีกำเนิด ณ จุดเริ่มต้น เรียกว่า บิ๊กแบง (Big Bang) ซึ่งเป็นจุดกำเนิดของอวกาศและเวลา!

      ขณะนี้เรียกได้ว่า เรากำลังอยู่ในระหว่าง “ขาขึ้น” คือ ขนาดของเอกภพใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆ แต่ในที่สุดเอกภพจะมี “จุดจบ” ได้ 3 แบบ ใหญ่ ๆ ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นโดยรวมของเอกภพ (the universe’s overall density) ซึ่งนักดาราศาสตร์ใช้สัญลักษณ์ว่า

     ค่านี้มีความสำคัญมาก เนื่องจากเป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดลักษณะของเอกภพ ดังนี้

      - เอกภพปิด (Closed Universe) : ถ้าค่า นั่นคือ เอกภพมีความหนาแน่นของมวลสารและพลังงาน มากเพียงพอ จนแรงโน้มถ่วงสามารถเอาชนะการขยายตัวได้ ในที่สุดเอกภพจะหดตัวกลับ และถึงจุดจบที่เรียกว่า บิ๊กครันช์ (Big Crunch) (คำว่า crunch หมายถึง บดเคี้ยว)

      - เอกภพแบน (Flat Universe) : ถ้าค่า นั่นคือ เอกภพมีความหนาแน่นของมวลสารและพลังงาน ในระดับที่ แรงโน้มถ่วง ได้ดุลกับการขยายตัว ในที่สุดเอกภพจะขยายตัว แต่ด้วยอัตราที่ช้าลงเรื่อย ๆ

      - เอกภพเปิด (Open Universe) : ถ้าค่านั่นคือ เอกภพมีความหนาแน่นของมวลสารและพลังงาน ต่ำเกินไป ทำให้แรงโน้มถ่วง ไม่สามารถเอาชนะการขยายตัวได้ เอกภพจะขยายตัวอย่างต่อเนื่องไปเรื่อย ๆ

      ค่าความหนาแน่น ?0 นี้ แม้ว่าในปัจจุบันยังไม่สามารถวัดได้อย่างแน่นอน แต่ก็มีหลักฐานบางประการชี้ให้เห็นว่า อาจมีค่า ประมาณ 0.2 ถึง 0.3 ซึ่งถ้าเป็นเช่นนั้นจริง ก็หมายความว่า เรากำลังอยู่ในเอกภพแบบเปิด แต่ถ้าหากมีหลักฐานใหม่ ๆ ที่ขัดแย้งข้อมูลนี้ ข้อสรุปที่ได้ก็อาจเปลี่ยนแปลงได้ เช่น ถ้าหากพบว่านิวตริโน หรือ ดาวแคระสีน้ำตาลทั้งหมดมีมวลรวมกันมากพอ หรือ พบสสารมืด (dark matter) ในรูปแบบอื่น เอกภพก็อาจจะเป็นเอกภพปิดก็เป็นได้

ภาพ เอกภพเปิด (Open Universe) และ เอกภพปิด (Closed Universe)

ยุคต่าง ๆ ของเอกภพแบบเปิด
      ในที่นี้ เราจะลองพิจารณาความเป็นไปได้ของเหตุการณ์ต่าง ๆ ที่อาจจะเกิดขึ้นต่อจากนี้ ภายใต้สมมติฐานว่า เอกภพเป็นแบบเปิด (open universe) ทั้งนี้ เนื่องจากเอกภพเปิดมีช่วงอายุขัยยาวนานเพียงพอที่จะเกิดเหตุการณ์ทางดาราศาสตร์ที่น่าสนใจจำนวนมาก

      เราจะลองมองอนาคตไปข้างหน้าไกลแสนไกลราว 10100 ปี นับจากจุดเริ่มต้น แต่เพื่อให้ได้ภาพที่ครบถ้วนสมบูรณ์ จะขอเริ่ม ณ จุดตั้งต้น คือ บิ๊กแบง ผ่านยุคต่าง ๆ ได้แก่ ยุคอินเฟลชัน ยุครังสี ยุคดวงดาว ยุคดีเจนเนอเรต ยุคหลุมดำ และสุดท้ายคือ ยุคมืด

- ยุคอินเฟลชัน (The Inflation Era)
      เชื่อกันว่าจุดกำเนิดของเอกภพ หรือ บิ๊กแบง (Big Bang) เริ่มต้น ณ เวลาเศษเสี้ยวของวินาทีที่ 10-43 วินาที ซึ่งเรียกว่า เวลาของแพลงค์ (Planck’s time) จากนั้นในช่วงเวลา 10-37 ถึง 10-32 วินาที เอกภพได้เกิดการพองตัวอย่างรวดเร็ว เรียกว่า อินเฟลชัน (inflation)

      ทฤษฎีอินเฟลชันสามารถใช้อธิบายว่า ทำไมเอกภพที่เราเห็นอยู่ในปัจจุบันถึงได้มีขนาดใหญ่โตมโหฬาร และดูเหมือนว่า จะมี ความหนาแน่นพอ ๆ กันในทุก ๆ ตำแหน่ง (homogeneous) และทุก ๆ ทิศทาง (isotropic) รวมทั้งลักษณะทางกายภาพอื่น ๆ เช่น “ความแบน” ของเอกภพ

      ในช่วงเวลาอันแสนสั้นแต่น่ามหัศจรรย์นี่เอง ณ บางตำแหน่ง อาจมีการกระจายของความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่า บริเวณอื่น ๆ เล็กน้อย บริเวณเหล่านี้ คือ บริเวณที่จะเกิดเป็นดวงดาวและกาแลกซีในอนาคต

- ยุครังสี (The Radiation-dominated Era)
      ในช่วงเวลาถัดมา ตั้งแต่ 10-32 วินาที ถึงราว 10,000 ปี เป็นยุคที่เอกภพเต็มไปด้วยรังสีอย่างหนาแน่นทุกหนทุกแห่ง แต่ในช่วงนี้ยังไม่มีอะตอม!

      สสารและปฏิสสารจะเกิดการทำลายล้างกัน (annihilation) อย่างต่อเนื่อง แต่เนื่องจากในเอกภพ มีสสารมากกว่าปฏิสสาร อยู่เล็กน้อย ทำให้เหลือเป็นสสารอย่างที่เห็นในปัจจุบัน ต่อจากนั้นได้เกิดนิวเคลียสของธาตุที่ง่ายที่สุด คือ นิวเคลียสของไฮโดรเจน (โปรตอนตัวเดียว) และดิวทีเรียม (โปรตอน 1 ตัว + นิวตรอน 1 ตัว)

      ในช่วงรอยต่อระหว่างยุครังสีนี้กับยุคถัดไป มีเหตุการณ์ที่สำคัญอย่างมากเกิดขึ้นได้แก่ การเกิดไฮโดรเจนอะตอมแรกของเอกภพ เมื่อเอกภพมีอายุได้ประมาณ 300,000 ปี ก่อนหน้านี้ ไม่มีอะตอมใด ๆ เกิดขึ้นได้ เพราะเอกภพมีอุณหภูมิสูงมาก ทำให้อิเล็กตรอน ไม่สามารถอยู่ร่วมกับโปรตอนกลายเป็นอะตอมของไฮโดรเจนได้

วิวัฒนาการของเอกภพจากบิ๊กแบงจนถึงยุคดวงดาว

- ยุคแห่งดวงดาว (The Stelliferous Era)
      คำว่า stelliferous แปลว่า เต็มไปด้วยดวงดาว ในยุคแห่งดวงดาวนี้ ดาวฤกษ์ทั้งหลายเกิดขึ้นและเปลี่ยนแปลงไป ตามขั้นตอน ต่าง ๆ ตามทฤษฎีวิวัฒนาการของดวงดาว (stellar evolution) ใครสนใจ โปรดดูกล่องอธิบาย “วิวัฒนาการของดวงดาว”

วิวัฒนาการของดวงดาว
      ถ้าเริ่มนับจากดาวฤกษ์ (star) ในภาพ เมื่อเชื้อเพลิงไฮโดรเจนถูกใช้ไปเรื่อย ๆ จนหมด ดาวฤกษ์จะขยายใหญ่ขึ้นกลายเป็นดาวยักษ์แดง (red giant)

      ถ้าหากดาวฤกษ์นั้นมีมวลน้อยกว่า 1.4 ของมวลของดวงอาทิตย์ มันก็จะเปลี่ยนแปลง ไปตามเส้นทาง 1 คือ กลายไปเป็นเนบิวลา (planetary nebula) ดาวแคระขาว (white dwarf) และ ดาวแคระดำ (black dwarf) ตามลำดับ

      แต่ถ้าหากดาวฤกษ์มีขนาดใหญ่ คือมีมวลมากกว่า 1.4 เท่าของดวงอาทิตย์ มันก็จะเดินตามเส้นทาง 2 กลายไปเป็นอภิมหาดาวยักษ์แดง (super red giant) ซึ่งอาจ ระเบิดทั้งหมดกลายเป็นซูเปอร์โนวา (supernova) (เส้นทาง 3) โดยจากซูเปอร์โนวา ถ้าหากมวลต่ำกว่า 3 เท่าของดวงอาทิตย์ ก็จะกลายไปเป็นดาวนิวตรอน (neutron star) แต่ถ้าหากมวลมากกว่า 3 เท่าของดวงอาทิตย์ ก็จะกลายไปเป็นหลุมดำ (black hole) แต่ถ้าอภิมหาดาวยักษ์แดง ระเบิดเฉพาะที่ผิวจะเรียกว่า โนวา (nova) (เส้นทาง 4)

      อย่างดวงอาทิตย์ของเรานี่ซึ่งตอนนี้มีอายุประมาณ 4.5 พันล้านปีแล้ว แต่ในอีกราว 1.1 พันล้านปีข้างหน้า เมื่อเชื้อเพลิง ไฮโดรเจนถูกใช้ไปเรื่อย ๆ จนหมด ดวงอาทิตย์จะขยายใหญ่ขึ้น ถึงตอนนั้น โลกที่แสนจะน่าอยู่ของเรา ก็คงจะอยู่ไม่ได้อีกต่อไป เพราะร้อนจัด และอีกราว 7 พันล้านปีก็จะกลายเป็นดาวยักษ์แดง (red giant)

      ในยุคแห่งดวงดาวนี้ มีเหตุการณ์ที่น่าสนใจหลายอย่าง เช่น กาแลกซีต่าง ๆ จะมากระจุกรวมตัวกัน อย่างกาแลกซีทางช้างเผือก ของเรานั้น คาดว่าน่าจะรวมกับกาแลกซีแอนโดรเมดาในอีก 6 พันล้านปีข้างหน้านู่น!

      ยุคแห่งดวงดาวสิ้นสุดลงเมื่อดาวแคระแดง (red dwarf) หมดลง ถึงตอนนี้เอกภพมีอายุราว 1014 ปี

ยุคดีเจนเนอเรต (The Degenerate Era)
      ในยุคนี้ เอกภพจะประกอบไปด้วยดาวแคระน้ำตาล (brown dwarf) ดาวแคระขาว (white dwarf) และดาวนิวตรอน (neutron star) รวมทั้งหลุมดำจำนวนมาก

      ยุคนี้เอกภพจะมืดและแสนเยือกเย็น เพราะไม่มีดาวฤกษ์ใด ๆ เหลือส่องแสงอีกต่อไป หลุมดำแต่ละหลุมจะมีมวลเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ เพราะเที่ยวไปเก็บมวลสารที่เหลืออยู่โดยรอบ

      ในช่วงนี้นี่เองที่ อนุภาคอย่างโปรตอนซึ่งเดิมเชื่อกันว่ามีอายุยืนยาวไม่มีวันตายนั้นก็จะเริ่มสลายตัว บางทฤษฎีในปัจจุบัน ประมาณอายุของโปรตอนไปไว้ที่ 1030 ปี ถึง 1040 ปี โปรตอนสลายตัวกลายเป็นโพสิตรอน นิวตริโน พายออน และรังสีแกมมา

      ยุคดีเจนเนอเรตสิ้นสุดลงเมื่อโปรตอนตัวสุดท้ายสลายไป ถึงตอนนี้ดาวแคระประเภทต่าง ๆ ก็หมดไปเหลือแต่หลุมดำ

ยุคหลุมดำ (The Black Hole Era)

      ในยุคนี้เรียกได้ว่ามองไปทางไหนก็จะ “เห็น” แต่หลุมดำ หลุมดำ และหลุมดำ แต่หลุมดำก็ไม่จีรังครับ เพราะในนี่สุดแล้ว มันก็จะระเหย (evaporate) ไปได้เหมือนกัน ตามทฤษฎีของฮอว์กิ้งที่เรียกว่า การแผ่รังสีฮอว์กิ้ง (Hawking radiation)

      จากการคำนวณ ประมาณกันว่า หลุมดำที่มีมวลพอ ๆ กับดวงอาทิตย์ของเรานั้น จะมีอายุขัยยาวนานราว 1065 ปี ส่วนหลุมที่มีมวลพอ ๆ กับกาแลกซี จะมีอายุยืนยาวกว่านั้นคือราว 1098 ถึง 10100 ปี และเมื่อหลุมดำขนาดใหญ่หลุมสุดท้ายสลายตัวไป ก็สิ้นสุดยุคหลุมดำ

- ยุคมืด (The Dark Era)
      ยุคสุดท้าย หรือ ยุคมืดนี่ ฟังเผิน ๆ แล้วเหมือนกับบ้านเราตอนนี้เลยนะครับ (อุ๊บ! ห้ามวิจารณ์การเมืองเดี๋ยว วารสาร MTEC ถูกสั่งปิด!)

      ในยุคนี้ แม้แต่หลุมดำก็ไม่อยู่เสียแล้ว จะมีเพียงแต่โฟตอน และอนุภาคอย่างนิวตริโน โพสิตรอน และอิเล็กตรอน ซึ่งแต่ละตัว อยู่ห่างกันไกลแสนไกล เพราะเอกภพขยายตัวไปเรื่อย ๆ ตามสมมติฐานตั้งต้น

      นักฟิสิกส์บางท่านจินตนาการไปไกลขนาดว่า เป็นไปได้ที่อิเล็กตรอนและโพสิตรอนจะมากจับคู่กัน (ชั่วคราว) เรียกว่า โพสิโทรเนียม (positronium) แต่ระยะห่างเหลือเชื่อครับคือ ไกลกว่าขนาดของเอกภพในปัจจุบัน! (ผมอดสงสัยไม่ได้จริง ๆ ว่า ไกลขนาดนั้นแล้ว จะใช้แรงอะไรดึงดูดกัน?)

      แต่ในที่สุดทั้งอิเล็กตรอนและโพสิตรอนก็จะดูดเข้าใกล้กันและทำลายล้างกันไปหมดไม่เหลือครับ!

สรุป
      เป็นไงบ้างครับสำหรับจินตนาการของนักจักรวาลวิทยาบางคน ฟังแล้วเหมือนนิยายวิทยาศาสตร์ (หรือยิ่งกว่า!) ยังไงยังงั้น ใช่ไหมครับ

      หลายท่านคงมีคำถามโผล่ขึ้นมาในใจไม่มากก็น้อย อย่างเช่น เอกภพจะมีวิวัฒนาการเป็นอย่างที่ว่านี้จริงหรือ? ถ้าจริง แล้วชีวิตบนโลกนี้จะอยู่ไปได้สักกี่น้ำ (ในกรณีที่คนเราไม่ได้ทำลายล้างกันเองจนหมดไปก่อนด้วยสงครามไร้สาระ หรือ ในกรณีที่ ไม่มีอุบัติเหตุจากฟากฟ้า เช่น ดาวหางพุ่งชนโลก)?

      แต่อย่างหนึ่งที่ชัดเจนก็คือ สิ่งต่าง ๆ ในเอกภพ หรือแม้แต่ตัวเอกภพเองก็ดูเหมือนว่าจะเคารพหลักไตรลักษณ์ของพุทธศาสนา คือ อนิจจัง ทุกขัง และอนัตตา อย่างเลี่ยงไม่ได้เช่นกันครับ!

เอกสารอ้างอิง
- Fred C. Adams and Gregory Laughlin, The Future of the Universe, Sky & Telescope, August 1998, p.32-39
- Jeffrey Bennett, Megan Donahue, Nicholas Schneider and Mark Voit, The Cosmic Perspective Second Edition, Addison-Wesley, 2002, ISBN 0-8053-8044-2

ขอบุณคร้าบบบบ