บทที่ 5 เอกภพ ♥

 ดาราศาสตร์ (astronomy) คือ วิชาที่ศึกษาเกี่ยวกับดวงดาวบนท้องฟ้า โลก  ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นบนท้องฟ้า และเทคโนโลยีอวกาศที่เกิดจากการนําความรู้ทางวิทยาศาสตร์ไปใช้ประโยชน์ในอวกาศ วิชาดารา-ศาสตร์ช่วยทําให้มนุษย์เกิดความรู้  ความเข้าใจธรรมชาติ วัตถุ และปรากฏการณ์บนท้องฟ้า 
  เอกภพ (universe) คือ ระบบรวมของกาแล็กซี ซึ่งมีอยู่ประมาณ 100,000 ล้าน

กาแล็กซี ระหว่างกาแล็กซีเป็นอวกาศที่เวิ้งว้างกว้างไกล เอกภพมีรัศมีกว่า 15,000 

ล้านปีแสง มีอายุประมาณ 15,000 ล้านปีเอกภพจึงเป็นปริมณฑลอันกว้างใหญ่ไพศาล 

ไม่มีขอบเขต ทุกสิ่งทุกอย่างต้องอยู่ในเอกภพทั้งสิ้น 

                                                                    กำเนิดเอกภพ 

   กำเนิดเอกภพเริ่มนับจากจุดที่เรียกว่า บิกแบง (Big Bang) “บิกแบง” เป็นชื่อที่ใช้เรียกทฤษฎีกำเนิดเอกภพทฤษฎีหนึ่ง   ปัจจุบันทฤษฎีบิกแบงเป็นที่ยอมรับมากขึ้น   เพราะมีปรากฏการณ์หลายอย่างที่สอดคล้องหรือเป็นไปตามทฤษฎีบิกแบง   ก่อนการเกิดบิกแบงเอภพเป็นพลังล้วนๆ ซึ่งแสดงออกโดยอุณหภูมิที่สูงยิ่ง   จุดบิกแบงจึงเป็นจุดที่พลังงานเริ่มเปลี่ยนเป็นสสารครั้งแรก   เป็นจุดเริ่มต้นของเวลาและเอภพ

          ปัจจุบันเอกภพประกอบด้วยกาแล็กซีจำนวนเป็นแสนล้านกาแล็กซี   ระหว่างกาแล็กซีเป็นอวกาศที่เวิ้งว้างกว้างไกล   เอกภพจึมีขนาดใหญ่มาก   โดยมีรัศมีไม่น้อยกว่า  13,700 ล้านปีแสง   และมีอายุประมาณ 13,700 ล้านปี   ภายในกาแล็กซีแต่ละแห่งประกอบด้วย ดาวกฤกษ์จำนวนมาก รวมทั้งแหล่งกำเนิดดาวฤกษ์ที่เรียกว่าเนบิวลา และ ที่ว่าง โลกของเราเป็นดาวเคราะห์ดวงหนึ่งในระบบสุริยะ   ซึ่งเป็นสมาชิกหนึ่งของ กาแล็กซีของเรา 

           บิกแบงเป็นทฤษฎีที่อธิบายการระเบิดใหญ่ที่ทำให้พลังงานส่วนหนึ่งเปลี่ยนเป็นสสาร   มีวิวัฒนาการต่อเนื่องจนเกิดเป็นกาแล็กซี เนบิวลา ดาวกฤษ์ ระบบสุริยะ โลก ดวงจันทร์ มนุษย์ และสิ่งมีชีวิตต่าง ๆ ดังภาพ 4.2

 บิกแบงเหมือนหรือต่างจากการระเบิดของระเบิดปราณูอย่างไร

ภาพ 4.2 บิกแบงและวิวัฒนาการของเอกภพ

      ขณะเกิดบิกแบง   มีสสารเกิดขึ้นในรูปของอนุภาคพื้นฐานชื่อ ควาร์ก (Quark) อิเล็กตรอน (Electron) นิวทริโน (Neutrino) และ โฟตอน (Photon) ซึ่งเป็นพลังงานด้วย   เมื่อเกิดอนุภาคก็จะเกิด ปฏิอนุภาค (Anti-particle) ที่มีประจุไฟฟ้าตรงข้าม   ยกเว้นนิวทริโนและแอมตินิวทริโนไม่มีประจุไฟฟ้า   เมื่อปฏิอนุภาคพบกับอนุภาคชนิดเดียวกันจะหลอมรวมกันเนื้อสารเปลี่ยนไปเป็นพลังงานจนหมดสิ้น   ถ้าเอกภพทีจำนวนอนุภาคเท่ากับปฏิอนุภาคพอดี   เมื่อพบกันจะกลายเป็นพลังงานทั้งหมด   ก็จะไม่เกิดกาแล็กซี ดาวกฤษ์ และระบบสุริยะ   โชคดีที่ในธรรมชาติมีอนุภาคมากกว่าปฏิอนุภาค   ดังนั้นเมื่อปฏิอนุภาคพบกับอนุภาค   นอกจากจะได้พลังงานเกิดขึ้นแล้ว   ยังมีอนุภาคเหลืออยู่นี่คือ อนุภาคที่ก่อกำเนิดเป็นเอกสารของเอกภพในปัจจุบัน

ความสัมพันระหว่าง  ⁰C กับ K  (องศาเซลเซียสกับเควิน)
  t (⁰C)+273=T(K)

หลังบิกแบงเพียง  10^-6 วินาที อุณหภูมิของเอกภพลดลงเป็น สิบล้านเคลวิน ทำให้คาร์กเกิดการรวมตัวกัน   กลายเป็น โปรตอน (นิวเคลียสของไฉโรเจน) ซึ่งมีประจุไฟฟ้าบวก 1 หน่วยและ นิวตรอน ซึ่งเป็นกลาง

 นิวเคลียสของฮีเลียม   ประกอบด้วยโปรตอน (p) 2 อนุภาค และนิวตรอน (n) 2 อนุภาค 

          หลังบิกแบง 3 นาที   อุณหภูมิของเอกภพลดลงเป็น ร้อนล้านเควิล มีผลให้โปรตอนและนิวตรอนเกิดการรวมตัวเป็น นิวเคลียส ของฮีเลียม   ในช่วงแรกๆ นี้   เอภพขยายตัวอย่างเร็วมาก

 อะตอมไฮโดรเจน   มีโปรตรอนเป็นนิวเคลียส และอิเล็กตรอน (e) อยู่ในวงโคจร 

          หลังบิกแบง 300,000 ปี   อุณหภูมิลดลงเหลือ 10,000 เควิล นิวเคลียสของไฮโดรเจนและฮีเลียมดึงอิเล็กตรอนเข้ามาอยู่ในวงโคจร   เกิดเป็น อะตอม ไฮโดรเจนและฮีเลียมตามลำดับ
          กาแล็กซีต่างๆ เกิดหลังบิกแบง   ภายในกาแล็กซีมีธาตุไฉโดรเจนและฮีเลียมเป็นสสารเบื้องต้นซึ่งก่อกำเนิดเป็นดาวฤกษ์รุ่นแรกๆ  ส่วนธาตุต่างๆ ที่มีนิวเคลียสใหญ่กว่าคาร์บอนเกิดจากดาวกฤษ์ขนาดใหญ่

 อะตอมของฮีเลียมมีนิวเคลียสเป็นโปรตอน 2 อนุภาค  นิวตรอน 2 อนุภาคและมีอิเล็กตรอน 2 อนุภาคโคจรรอบนิวเคลียส 

 มีข้อสังเกตใดหรือประจักษ์พยานใด   ที่สนับสนุนทฤษฎีบิกแบง 
   - ปรากฏการณ์อย่างน้อย  2 อย่าง   ที่สนับสนุนทฤษฎีบิกแบงได้แก่   การขยายตัวเอกภพ   และอุณหภูมิพื้นหลังของอวกาศ   ซึ่งปัจจุบันลดลงเหลือ 2.73 เควิล

   ข้อสังเกตประการที่ 1 คือการขยายตัวของเอกภพ
          เอ็ดวิน พี. ฮับเบิล   เป็นนักดาราศาสตร์ชาวอเมริกันที่ค้นพบว่า   กาแล็กซีจะเคลื่อนที่ไกลออกไปด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้นตามระยะห่าง   กาแล็กซีที่อยู่ไกลยิ่งเคลื่อนที่ออกไปเร็วกว่ากาแล็กซีที่อยู่ใกล้   นั้นคือเอกภพกำลังขยายตัว   จากความเข้าใจในเรื่องนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถคำนวณอายุของเอกภพได้

เอ็ดวิน พี. ฮับเบิล   Edwin Powell Hubble(พ.ศ. 2432-2496)

  ข้อสังเกตประการที่ 2 คืออุณหภูมิพื้นหลังของเอกภพปัจจุบันลดลงเหลือ 2.73 เควิล

          การค้นพบอุณหภูมิของเอกภพในปัจจุบันหรืออุณหภูมิพื้นหลัง   เป็นการค้นพบโดยบังเอิญโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน 2 คน ชื่อ อาร์โน เพนเซียส และ โรเบิร์ต วิลสัน แห่งห้องปฏิบัติการเบลเทเลโฟน   เมื่อ พ.ศ. 2508 ขณะที่นักวิทยาศาสตร์ทั้งสองคนกำลังทดสอบระบบเครื่องรับสัญญาณของกล้องโทรทรรศน์วิทยุ    ปรากฏว่ามีสัญญาณรบกวนตลอดเวลาไม่ว่าจะเป็นกลางวันหรือกลางคืน   หรือฤดูต่างๆ แม้เปลี่ยนทิศทางและทำความสะอาดสายอากาศแล้วก็ยังมีสัญญาณรบกวนอยู่เช่นเดิม   ต่อมาทราบภายหลังว่าเป็นสัญญาฯที่เหลืออยู่ในอวกาศ   เทียบได้กับพลังงานของการแผ่รังสีของวัตถุดำที่มีอุณหภูมิประมาณ 3 เควิลหรือประมาณ -270 องศาเซลเซียส

กล้องโทรทรรศน์วิทยุประวัติศาสตร์ที่เพนเซียสและวิลสัน   ค้นพบอุณหภูมิพื้นหลัง

          ในขณะเดียวกัน   โรเบิร์ต ดิกกี พี.เจ.อี. พีเบิลส์ เดวิด โรลล์ และเดวิด วิลสัน   แห่งมหาวิทยาลัยปรินซ์ตัน   ได้ทำนายมานานแล้วว่า   การแผ่รังสีจากบิกแบงที่เหลืออยู่ในปัจจุบันน่าจะตรวจสอบได้   โดยใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุ

          ดังนั้นการพบพลังงานจากทุกทิศทุกทางในปริมาณที่เทียบได้กับพลังงานที่เกิดจากการแผ่รังสีของวัตถุดำที่มีอุณหภูมิประมาณ 3 เควิล   จึงเป็นอีกข้อที่สนับสนุนทฤษฎีบิกแบงได้เป็นอย่างดี

อาร์โน เพนเซียส Arno Penzias   (พ.ศ. 2476)    

โรเบิร์ต วิลสัน Robert Wilson (พ.ศ. 2479)

วิวัฒนาการเอกภพ

รูปแสดงความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิและช่วงเวลาในการเกิดเอกภพตามทฤษฎีบิกแบง

 ทฤษฎีสภาวะคงที่

      ประมาณ พ.ศ. 2491 เฟรด ฮอยล์ (Fred Hoyle) เฮอร์แมนน์ บอนได (Hermann Bondi) และทอมัส โกลด์ (Thomas Gold) ได้เสนอแนวคิดไว้ว่า จักรวาลไม่มีจุดกำเนิดและจะไม่มีวาระสุดท้าย จักรวาลมีสภาพดังที่เป็นอยู่ในปัจจุบันมานานแล้ว และจะมีสภาพเช่นนี้ตลอดไปชั่วกาลนาน

 กำเนิดดวงดาว 

         เมื่อไม่นานมานี้ได้มีการสำรวจดวงดาวในกลุ่มดาวไถซึ่งอยู่ห่างจากโลกประมาณ6 ปีแสง จากกระสวย อวกาศที่ส่งขึ้นไป ทำให้เราได้ข้อมูลที่สำคัญซึ่งอาจถือได้ว่าเป็นจุดเริ่มต้นของยุคใหม่ในวงการดาราศาสตร์ ในการสำรวจครั้งนี้นักบินอวกาศได้ใช้กล้องส่องทางไกล Hubble Space Telescope สาเหตุการสำรวจมุ่งสู่กลุ่มดาวไถก็เพราะที่นี่เป็นแหล่งที่มีดวงดาวใหม่ๆเกิดขึ้นมากที่สุด ก่อนนี้มีการสำรวจกลุ่มดาวไถมาแล้ว แต่กล้องส่องทางไกลที่ใช้ขณะนั้นยังไม่มีประสิทธิภาพเท่าปัจจุบัน นักดาราศาสตร์จึงมองเห็นภาพเป็นเพียงวงหรือจุดเลือนราง และไม่แน่ใจสิ่งที่เห็นนั้นคืออะไรกันแน่ อย่างไรก็ตาม Robert O’Dell นักดาราศาสตร์แห่งมหาลัย Riceในรัฐเท็กซัส ได้สันนิษฐานว่า จุดเหล่านั้นอาจเป็นกลุ่มดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวดสงใหม่ที่เกิดขึ้น ซึ่งเป็นเช่นนั้นอีกต่อไปอาจมีการค้นพบสิ่งมีชีวิตบ้างก็เป็นได้ เพราะบนดาวเคราะห์เท่านั้นที่จะมีสภาพแวดล้อมที่สิ่งมีชีวิตอาจเกิดขึ้นได้

       ในการสำรวจดาวไถครั้งนี้ Robert O’Dell ยืนยันว่า ภาพที่มองเห็นมีความชัดเจนและถูกต้องตามความจริง กล่าวคือ ที่ตรงใจกลางของกลุ่มดาวไถมีดวงดาวอยู่110 ดวง ในจำนวนนี้มีอยู่ 56 ดวง ที่มีก้อนฝุ่นรูปร่างกลมหมุนอยู่โดยรอบ ซึ่งในการสำรวจครั้งก่อนเคยเห็นเป็นจุดเลือนรางเท่านั้น กลุ่มดาวที่มีแสงสว่างและช่วยให้เรามองเห็นดวงดาวอื่นๆที่อยู่ท่ามกลางก๊าซและฝุ่นผฝได้ชัดเจนขึ้น คือ กลุ่มดาว Trapezium ดวงดาวในกลุ่มดาวไถส่วนใหญ่เป็นดาวที่เกิดขึ้นใหม่ มีก๊าซและฝุ่นผงอยู่โดยรอบ และมีอายุราว 3 แสนถึง 1 ล้านปีเท่านั้น ซึ่งนับว่าเป็นดาวที่มีอายุน้อยมาก เมื่อเทียบกับดวงอาทิตย์ที่มีอายุราว 4.5 พันล้านปีแล้ว

       จากการสำรวจครั้งนี้นักดาราศาสตรืพยายามศึกษาว่าดวงดาวใหม่ๆเกิดขึ้นได้อย่างไรและได้ข้อสันนิษฐานว่า เมื่อใดที่กลุ่มก๊าซในหมู่ด่าวมีความหนาแน่นสูงกว่ามวลสารรอบๆ และแรงดึงดูดในตัวของมันเองมีมากกว่ามวลสารรอบๆด้วย ที่บริเวณใจกลางของกลุ่มก๊าซจะมีความร้อนสูงขึ้น เมื่อถึงจุดหนึ่งจะเกิดการระเบิดทำให้เกอดคลื่นที่เรียกว่า shock wave ซึ่งมีผลทำให้เกิดแรงอัดและทำให้กลุ่มก๊าซมีความหนาแน่นมากยิ่งขึ้น ในระยะแรกๆมักมีฝุ่นอยู่โดยรอบ แต่ในที่สุดเมื่อเวลาผ่านไปกลุ่มฝุ่นดังกล่าวจะถูกพัดเคลื่อนไป จึงทำให้มองเห็นดาวดวงใหม่ได้ชัดเจนขึ้น

 เอกภพวิทยาในอดีต

       นักปราชญ์ในอดีตรู้จัดเอกภพมาตั้งแต่สมัยโบราณ โดยจะมีรูปแบบที่แตกต่างกันตามความเชื่อและความสามารถในการสังเกต จินตนาการ โดยแนวความคิดต่างๆ จะรวมเรียกว่า แบบจำลองเอกภพ

1. แบบจำลองเอกภพของชาวสุเมเรียนและแบบจำลองเอกภพของชาวบาบิโลน

         ชาวสุเมเรียนบันทึกตำแหน่งของดาวฤกษ์และดาวเคราะห์ โดยมีโลกแบนอยู่กับที่และเป็นศูนย์กลางของการเคลื่อนที่ทั้งหมดพร้อมกับมีการตั้งชื่อกลุ่มคาวหลายกลุ่มในท่องฟ้า และได้อธิบายการเคลื่อนที่ของดาวต่างๆ ตามความเชื่อที่ว่าเทพเจ้าปกครองโลก ท้องฟ้าและแหล่งน้ำบันดาลให้เป็นไป ชาวบาบิโดลนอาศัยพื้นฐานของชาวสุเมเรียนมาใช้ในการอธิบายการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์และการเปลี่ยนแปลงฤดูกาลบนโลกได้อย่างถูกต้อง

2. แบบจำลองเอกภพของกรีก

         ชาวกรีกได้ประยุกต์ความรู้ทางคณิตศาสตร์ในเรื่องจำนวนและเรขาคณิตในการพัฒนาแบบจำลองเอกภพ “อริส โตเติล” เป็นชาวกรีกคนแรกที่พบว่า โลกมีลักษณะเป็นทรงกลม นอกจากนี้ “อริส ตาร์คัส” เป็นบุคคลแรกที่ระบุว่า โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นจุดศูนย์กลาง และโลกจะโคจรครบรอบ 1 ปี ในเวลา 1 ปี ทำให้แบบจำลองของชาวกรีกมีลักษณะที่อธิบายได้ทางเรขาคณิต

3. แบบจำลองเอกภพของกาลิเลโอ

        กาลิเลโอเป็นชาวอิตาลี เป็นคนแรกที่ได้ใช้กล้องโทรทัศน์ เพื่อการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ แบบจำลองของกาลิเลโอเชื่อว่า ดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางของระบบสุริยะ โดยมีดาวเคราะห์ต่างๆ เคลื่อนที่รอบดวงอาทิตย์เป็นวงกลม แบบจำลองของเขาเป็นแบบจำลองที่มีขนาดไม่จำกัด ซึ่งเชื่อว่ายังมีวัตถุอื่นที่อยู่ไกลกว่าดาวเสาร์ ต่อมา “เซอร์ ไอแซก นิวตัน” ค้นพบว่า ลักษณะการโคจรของดาวเคราะห์เกิดจากผลของแรงโน้ม ทำให้ปัจจุบันนักดาราศาสตร์ยอมรับกฎการเคลื่อนที่ดาวเคราะห์ 3 ข้อ ของเคปเลอร์

   

 กาแล็กซี่ 

1.  กาแล็กซีรูปเกลียวหรือกาแล็กซีแบบกังหัน ( Spiral Galaxies ) 

        กาแล็กซี่ชนิดนี้จะมีรูปร่างลักษณะกลมแบนมีส่วนที่คล้ายแขนยืดออกมา ซึ่งดูแล้วจะมีลักษณะคล้ายกังหันที่กำลังหมุน  ภายในเต็มไปด้วยมวลสสารของดวงดาว และประกอบไปด้วยกระจุกดาวจำนวนมาก ซึ่งเพียงพอต่อการก่อตัวเป็นดาวดวงใหม่ โดยดวงดาวที่มีอายุน้อยมักจะพบมากบริเวณ แขนของกาแล็กซี่แบบกังหัน ส่วนกลุ่มดาวเก่าแก่มักมีกระจุกดาวแบบทรงกลมอยู่ในบริเวณกระเปาะ ของกาแล็กซี่  การแล็กซี่ทางช้างเผื่อกอันเป็นที่ตั้งของโลกก็ถูกจัดให้เป็นกาแล็กซี่แบบ นี้ 

2. กาแล็กซีรูปกลมรี   ( Elliptical Galaxies )

  

      กาแล็กซี่ในแบบนี้มักจะมีทั้งรูปร่างกลมและรี กาแล็กซี่แบบนี้มักจะประอบไปด้วยดาวที่มีอายุมาก บางดวงใกล้จะใกล้จะดับ ศูนย์กลางของกาแล็กซี่จะเคลื่อนที่ช้าๆ แทบจะสังเกตไมใออกว่ามันกำลังเคลื่อนที่อยู่  โดยรูปร่างของมันมีตั้งแต่กลมไปจนถึงรี มวลรัศมีคล้ายกระเปาะของกาแล็กซี่แบบกังหัน โดยรูปร่างจะมีความสัมพันธ์กับการหมุนของมันหากหมุนช้าก็จะมีรูปร่างค่อน ข้างกลม แต่หากหมุนเร็วก็จะมีรูปร่างค่อนข้างรี 

3. กาแล็กซีคานรูปเกลียว( Barred Spiral  Galaxies  )

        มีลักษณะคล้ายกาแล็กซี่แบบกังหันแต่ตรงกลางเป้นกระเปาะกลมมีแขนที่ยื่นออกมา ในแนวขวางพาดผ่านกาแล็กซี่ซึ่งดูคล้ายกับคาน โดยแถบแนวขวางดังกล่าวเกิดจากการเคลื่อนไหวของกลุ่มก๊าซดวงดาวภายใน Barred Spiral  Galaxies   เอง

 

                                 

4.กาแล็กซีคล้ายเลนซ์ ( Lenticular Galaxies )

       มีลักษณะคล้ายกาแล็กซี่แบบกังหันแต่ไม่มีลักษณะของการเคลื่อนที่แบบดวงแบบ กาแล็กซี่กังหัน มักถูกเรียกอีกชื่อว่ากาแล็กซี่รูปเกลียว ดาวส่วนใหญ่ในกาแล็กซี่นี้เป็นดาวเก่าแก่ที่ไม่มีการพัฒนาแล้ว จะมีดาวเกิดใหม่ในกาแล็กซี่นี้เป็นจำนวนน้อย  ส่วนใหญ่จะมีลักษณะกลมแบนดูคล้ายเลนส์

 

5. กาแล็กซีไร้รูปร่าง  ( Irregular Galaxies ) 

        เป็นกาแล็กซี่ที่มีรูปร่างแตกต่างกับกาแล็กซี่ในชนิดอื่นๆ ไม่มีรูปร่างที่แน่ชัด