บทเรียน

เอกภพ

เอกภพ (Universe) หรือที่เรียกในภาษาทั่วไปว่า จักรวาล หมายถึงทั้งหมดทุกสรรพสิ่ง นักดาราศาสตร์พยายามศึกษาว่า เอกภพกว้างใหญ่เพียงใด มีกาแล็กซีอยู่จำนวนเท่าใด ปัจจุบันเราทราบว่า กาแล็กซีไม่ได้กระจายตัวกันในเอกภพ หากแต่อยู่รวมกลุ่มเป็นกระจุกกระจุกกาแล็กซีทั้งหลายกำลังเคลื่อนที่ออกจากโลกในทุกทิศทาง แสดงว่า เอกภพกำลังขายตัว  นักดาราศาสตร์ศึกษาอัตราการขยายตัวของเอกภพโดยใช้กฏของฮับเบิลแล้วคำนวณย้อนกลับพบว่า เอกภพมีอายุประมาณ 13,000 ล้านปี ซึ่งอธิบายโดยใช้ทฤษฎีบิกแบง  สาระการเรียนรู้          1.สสารมืด          2.กฎของฮับเบิล          3.ทฤษฎีบิกแบง

สสารมืด

หากมองดูภาพถ่ายอวกาศจะเห็นว่า จักรวาลเต็มไปด้วยความว่างเปล่าและมีกระจุกกาแล็กซีอยู่เพียงประปราย  ทว่าความเป็นจริง มีเหตุผลหลายประการที่ทำให้นักดาราศาสตร์เชื่อว่าต้องมี สสารมืด (Dark Matter) ซึ่งยังไม่สามารถตรวจจับได้ อยู่มากมายในเอกภพ ถ้าอวกาศเป็นเพียงความเวิ้งว้างว่างเปล่า กระจุกกาแล็กซีทั้งหลายก็คงไม่สามารถทรงตัวอยู่ได้ จะต้องมีอะไรที่คอยประคับประคองให้กระจุกกาแล็กซีรักษารูปทรง ไม่ให้แตกตัวไปจากกัน นักดาราศาสตร์เชื่อว่าภายในกระจุกกาแล็กซียังมีมวลอีก 10 เท่าที่เรามองไม่เห็น ภาพที่ 1 กาแล็กซี NGC 7664             ตัวกาแล็กซีเองก็เช่นกัน หากอวกาศว่างเปล่า ทำไมสสารทั้งหลายของกาแล็กซีจึงไม่ยุบรวมกัน หรือกระจายตัวไปในอวกาศเมื่อพิจารณาการหมุนรอบตัวเองของกาแล็กซีด้วยกฎของเคปเลอร์ข้อที่ 3 (p2/a3 = k) จะพบว่า หากมวลส่วนใหญ่ของกาแล็กซีอยู่ที่ศูนย์กลางแล้ว ความเร็วที่ปลายแขนของกาแล็กซีควรจะมีความเร็วในวงโคจรช้ากว่าบริเวณใกล้กับศูนย์กลางในทำนองเดียวกับการที่ดาวเคราะห์ชั้นนอกมีความเร็วในวงโคจรช้ากว่าดาวเคราะห์ชั้นในแต่ผลจากการวิเคราะห์ความเร็วในการการหมุนรอบตัวเองของกาแล็กซีกังหัน NGC 4378, NGC 3145, NGC 1620 และ NGC 7664 (ภาพที่ 1) ดังกราฟในภาพที่ 2 แสดงให้เห็นว่า ความเร็วในวงโคจรภายในแขนกังหันไม่ว่าจะอยู่ใกล้หรือไกลจากศูนย์กลาง ไม่แตกต่างกันมากนัก แสดงให้เห็นว่ามีสสารมืดที่มองไม่เห็นโอบอุ้มแขนกังหันไว้             องค์ประกอบส่วนใหญ่ ของทั้งปวงใน จักรวาล (Universe) คือ พลังงานลึกลับ (Dark energy) 68% สสารมืด (Dark matter) 27% และสสารสามัญ (Normal matter) 5%สำหรับสสารมืด ประการแรก สสารมืดมีสีเข้ม มิได้อยู่ในรูปแบบดาวและดาวเคราะห์ ประการที่สอง สสารมืดมิใช่เมฆมืดดำในจักรวาล และประการที่สาม สสารมืดมิใช่ปฎิสสารแต่เป็นมวลสสารที่ ไม่สามารถมองเห็นเพราะไม่สะท้อนแสงจึงมีแต่ความมืดสนิทมีอยู่ทั่วไปล้อมรอบกระจุกกาแล็คซี่ (Galaxy clusters) ซึงอยู่ลึกเข้าไปในจักรวาล (Universe) ด้วยความหนาแน่นสูงสสารมืด เกิดขึ้นมาพร้อมๆกับกระจุกกาแล็คซี่ (Galaxy cluster)ที่มีจำนวนมากหรือเกิดจากการหมุนวงโคจรของกระจุกดาวแล้วเกิดแรงโน้มถ่วง แม้ว่าจะมีการสำรวจหลายวิธีการแต่ยังไม่เพียงพอ เรายังไม่เข้าใจและทราบถึงชนิดต่างๆของอนุภาคสสารมืดที่ฟุ้งกระจายอยู่ในจักรวาล (Universe) ชัดเจนนักAbell 2744 (Pandora's Cluster) เป็นกระจุกกาแล็คซี่ รวม 4 กระจุก เกิดการชนปะทะกันมีโครงสร้างและอุณหภูมิสูงนับล้านองศาอย่างผิดปกติเป็นตัวอย่างการสำรวจพบมวลเข้มข้นของสสารมืดห่างจากโลกประมาณ 3.5 พันล้านปีแสง ภาพที่ 2 กราฟแสดงความเร็วของการหมุนรอบตัวเองของกาแล็กซีกังหัน            กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลถ่ายภาพห้วงอวกาศลึกโดยการเปิดหน้ากล้องเป็นระยะเวลานานหลายชั่วโมงเพื่อให้ได้ภาพกระจุกกาแล็กซี Abell 2218 ซึ่งอยู่ห่างไกล 5,000 ล้านปีแสง ดังในภาพที่ 3  ซึ่งมีกาแล็กซีสีเหลืองซึ่งกระจายตัวอยู่ทั่วไป และกลุ่มกาแล็กซีสีน้ำเงินซึ่งเรียงตัวเป็นอาร์ควงกลม   ภาพที่ 3 กระจุกกาแล็กซี Abell 2218 (ที่มา: NASA) ภาพที่ 4 ปรากฏการณ์เลนส์ความโน้มถ่วง (ที่มา: NASA)            ภาพที่ 4 เป็นภาพการแสดงมุมมองด้านข้างอธิบายให้เห็นว่า กระจุกกาแล็กซีสีเหลืองที่อยู่ด้านหน้า มีกาแล็กซีสีน้ำเงินอยู่ลึกเข้าไปข้างหลังเป็นระยะทาง 2 เท่าตัว กาแล็กซีที่อยู่ด้านหลังมีสีน้ำเงินเพราะเป็นภาพย้อนอดีตขณะที่กาแล็กซียังมีอายุน้อย จึงมีอุณหภูมิสูงแผ่รังสีคลื่นสั้น (แสงสีน้ำเงิน) ส่วนกระจุกกาแล็กซีสีเหลืองเป็นภาพใหม่กว่า (อยู่ใกล้โลกมากกว่า แสงจึงใช้เวลาเดินทางมาถึงโลกน้อยกว่า) กาแล็กซีเย็นตัวลงแล้วจึงแผ่รังสีคลื่นยาวกว่า (แสงสีเหลือง) สิ่งที่น่าสนใจในภาพนี้ก็คือ ระหว่างกลุ่มกาแล็กซีทั้งสองจะต้องมีสสารมืดที่มีความโน้มถ่วงสูงมากดึงให้อวกาศโค้ง ทำให้เรามองเห็นกาแล็กซีสีน้ำเงินที่อยู่ด้านหลังปรากฏตัวเป็นโค้งอาร์ควงกลม ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า “เลนส์ความโน้มถ่วง” (Gravitational Lensing) ซึ่งเป็นหลักฐานแสดงให้เห็นว่า สสารมืดมีอยู่จริง และภูมิอวกาศของจักรวาลมีความโค้ง แสงจึงเดินทางเป็นเส้นโค้ง

กฎของฮับเบิล

นักดาราศาสตร์ศึกษาการเคลื่อนที่ของกาแล็กซีโดยใช้ปรากฎการณ์ด็อปเปลอร์ (Doppler Effect) เป็นเครื่องมือ ในต้นศตวรรษที่ 20 เอ็ดวิน ฮับเบิล (Edwin Hubble) นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกันได้ทำการศึกษาความสัมพันธ์ระยะทางของกระจุกกาแล็กซีกับการเลื่อนทางแดง (Redshift) แล้วพบว่า “การเลื่อนทางแดงของกระจุกกาแล็กซีที่อยู่ห่างไกล แปรผันตามระยะทางระหว่างโลกถึงกระจุกกาแล็กซี” นั่นหมายความว่า กาแล็กซียิ่งอยู่ห่างไกลเท่าไร การเลื่อนทางแดงก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ตัวอย่างเช่น สเปกตรัมในภาพที่ 1 แสดงให้เห็นว่า การวิเคราะห์การเคลื่อนทางแดงที่เส้นสเปกตรัม Calcium H และ Calcium K (H+K) พบว่า กระจุกกาแล็กซีเวอร์โก (Virgo cluster) ซึ่งอยู่ห่างจากโลกประมาณ 50 – 70 ล้านปีแสง เคลื่อนที่ออกจากโลกด้วยความเร็ว 1,200 กิโลเมตรต่อวินาที ส่วนกระจุกกาแล็กซีไฮดราซึ่งอยู่ห่างเกือบหนึ่งพันล้านปีแสง เคลื่อนที่ออกจากโลกด้วยความเร็ว 61,000 กิโลเมตรต่อวินาที  ภาพที่ 1 กระจุกกาแล็กซียิ่งอยู่ห่างไกล ปรากฏการณ์เลื่อนทางแดงก็ยิ่งมากขึ้น                    เอ็ดวิน ฮับเบิล วิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างระยะทางของกาแล็กซีกับความเร็วในการถอยห่างด้วยสมการกราฟเส้นตรงในภาพที่ 2 ซึ่งต่อมาถูกเรียกว่า “กฏฮับเบิล” (Hubble Law)                   = H0d                    = ความเร็วในการถอยห่างของกาแล็กซี               H0   = ค่าคงที่ของฮับเบิล                      = 71 km/s/Mpc (กิโลเมตร/วินาที/พันพาร์เซก)                 d   = ระยะทางจากโลกถึงกาแล็กซี  ภาพที่ 2 ความสัมพันธ์ระหว่างระยะทางถึงกาแล็กซี กับความเร็วในการถอยห่าง            เราสามารถหาการเลื่อนทางแดงของวัตถุโดยใช้สูตร                             z     = (λ - λ0) / λ0  =  λ / λ0                      z     = การเลื่อนทางแดง                                     λ0    = ความยาวคลื่นของเส้นสเปกตรัมโดยปกติ                     λ     = ความยาวคลื่นของเส้นสเปกตรัมขณะที่สังเกตวัตถุนั้น            เนื่องจากอัตราส่วนของ  λ / λ0  เท่ากับ  / c (ความเร็วถอยห่าง/ความเร็วแสง) จึงสามารถเขียนสูตรได้ว่า   z = / c อย่างไรก็ตามสมการนี้ใช้ได้ในกรณีที่ความเร็วถอยห่างของกาแล็กซี น้อยกว่า 0.1 เท่าของความเร็วแสง โดยสรุป สูตรได้ว่า  d = zc / H0  ตัวอย่างที่ 1 เส้นสเปกตรัม K เป็นแคลเซียมไอออไนซ์ มีความยาวคลื่น 393.3 nm แต่เมื่อศึกษาสเปกตรัมของกาแล็กซีทรงรีขนาดใหญ่ NGC 4889 พบว่ามีเส้นสเปกตรัมของแคลเซียมไอออไนซ์ที่ความยาวคลื่น 401.8 nm การเลื่อนทางแดงของกาแล็กซี NGC 4889 มีค่าการเลื่อนทางแดงเท่าไร เคลื่อนที่ห่างจากโลกด้วยความเร็วเท่าใด และอยู่ห่างจากโลกกี่ปีแสง         ค่าการเลื่อนแดง z   = (λ - λ0)  λ0                                      = (401.8 nm – 393.3 nm) / 393.3 nm                                     = 0.0216         NGC 4889 กำลังเคลื่อนที่ห่างจากโลกด้วยความเร็ว                                 = zc = (0.0216)(3 x 105 km/s)                                    = 6,500 km/s         ถ้า H0 = 71 km/s/Mpc เราจะสามารถหาระยะห่างของกาแล็กซี NGC 4889 ได้จากกฎของฮับเบิล                                   d = zc/H0                                                     = (6,500 km/s) / (71 km/s/Mpc)                                    = 92 เมกกะพาร์เสค หรือ 300 ล้านปีแสง           วัตถุที่อยู่ห่างจากโลกมากจะปรากฎการเลื่อนทางแดงด้วยความเร็วสูงมากตัวอย่างเช่น ควอซาร์ 3C 273 อยู่ห่างจากโลก 1,200 เมกกะพาร์เซค (Mpc) หรือ 4,000 ล้านปีแสง เคลื่อนที่ถอยห่างด้วยความเร็ว 45,000 km/s หรือ 15% ของความเร็วแสง การเลื่อนทางแดงมีค่า z = 0.158  ทำให้จนเส้นสเปกตรัม Hα เลื่อนจากช่วงคลื่นที่ตามองเห็นไปสู่ช่วงรังสีอินฟราเรด ดังที่แสดงในภาพที่ 3 ภาพที่ 3 การเลื่อนทางแดงของอะตอมไฮโดรเจน            ในกรณีทีวัตถุความเร็วถอยห่างของกาแล็กซีมากกว่า 0.1 เท่าของความเร็วแสง จากสูตร              เนื่องจากมีเรื่องของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอสไตน์ (เวลาช้าลงเมื่อวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเข้าใกล้ความเร็วแสง) เข้ามาเกี่ยวข้อง โดยสามารถแสดงให้อยู่ในรูปความสัมพันธ์ของความเร็วเข้าใกล้แสงและการเลื่อนทางแดงได้ว่า  ตัวอย่างที่ 2  ควอซาร์ PKS 2000-330 มีเส้นสเปกตรัมแผ่รังสี Lyman-alpha ของธาตุไฮโดรเจน ซึ่งสังเกตพบที่ความยาวคลื่น 582.5 nm และจากการศึกษาในห้องปฏิบัติการพบว่า เส้นสเปกตรัม Lyman-alpha อยู่ในช่วงคลื่นอัลตราไวโอเลตที่ความยาวคลื่น 121.6 nm ควอซาร์ PKS 2000-330 จะมีการเลื่อนทางแดงเท่าใด และมีความเร็วในการเคลื่อนที่ออกจากโลกเท่าไร                     การเลื่อนทางแดง   z  = (  -  ) /                                                   = (582.5 nm – 121.6 nm) / 121.6 nm                                                   = 3.78        การเคลื่อนที่ปรากฏออกจากโลกที่ความเร็ว 92% ของความเร็วแสง

ทฤษฎีบิกแบง

คำว่า "เอกภพ" หรือ "จักรวาล" เป็นคำเดียวกันตรงกับคำว่า "Universe" ซึ่งหมายถึง ทั้งหมดของสรรพสิ่งทั้งสิ้นทั้งปวง  เอกภพเป็นคำที่ใช้ในภาษาวิชาการส่วนคำว่าจักรวาลเป็นที่นิยมใช้แพร่หลายทั่วไป  นักดาราศาสตร์ทำการสำรวจการเลื่อนแดงของกระจุกกาแล็กซีและพบว่า กระจุกกาแล็กซีทั้งหลายกำลังเคลื่อนที่ออกห่างจากโลกมากขึ้นในทุกทิศทางจึงตั้งสมมติฐานว่าเอกภพกำลังขยายตัวโดยเปรียบเทียบว่าถ้าลูกโป่งคือเอกภพและจุดบนผิวลูกโป่งคือกระจุกกาแล็กซี เมื่อเราเป่าลูกโป่ง จุดแต่ละจุดบนผิวลูกโป่งจะมีระยะทางห่างจากกันมากขึ้น                     ภาพที่ 1 การขยายตัวของลูกโป่ง           ดังนั้นหากทราบอัตราการเคลื่อนที่ของกระจุกกาแล็กซี เราก็สามารถคำนวณย้อนกลับ หาเวลาเริ่มต้นที่กระจุกกาแล็กซีทั้งหลายเคยอยู่รวมกัน เราเรียกทฤษฎีนี้ว่า “บิกแบง” (Big Bang) โดยมีสมมติฐานว่า นี่คือจุดเริ่มต้นของเอกภพและกาลเวลา จุดที่เวลาของเอกภพ T = 0, สสารและพลังงานคือหนึ่งเดียว เรียกว่า “ซิงกูลาริตี้” (Singularity)          กำหนดให้       T0 = เวลาเริ่มต้น กระจุกกาแล็กซีทั้งหลายเคยเป็นหนึ่งเดียวกัน                                = ความเร็วในการถอยห่างของกาแล็กซี                             H = ค่าคงที่ของฮับเบิล = 71 km/s/b (กิโลเมตร/วินาที/ล้านพาร์เซก)                             d = ระยะทางจากโลกถึงกระจุกกาแล็กซี            สูตร   T0  = d /                   T0   = d/H0d = 1/ H0                        = 1 / (71 km/s/Mpc)                 = (1/71)(Mpc-s/km) x (3.09 x 1019 km/1 Mpc) x (1 year / 3.156 x 107 s)                                = 1.3 x 1010 ปี            ผลลัพธ์ที่ได้คือ เอกภพเกิดขึ้นเมื่อ 13,000 ล้านปีมาแล้ว รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของเอกภพ                      รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของเอกภพ (Cosmic Microwave Background Radiation) หรือเรียกสั้นๆ ว่า CMB (ควันหลงของบิกแบง) เป็นสิ่งที่มีการเลื่อนทางแดงมากที่สุดในเอกภพ นั่นหมายความว่า CMB เป็นปรากฏการณ์ที่เก่าแก่ที่สุดในเอกภพ และเป็นหลักฐานยืนยันทฤษฎีบิกแบง ในปี ค.ศ.1989 NASA ได้ส่งยานอวกาศ Cosmic Background Explorer (COBE) ขึ้นไปศึกษาพบว่า CMB ความยาวคลื่นเข้มสุด 1.06 mm จึงสามารถใช้กฎของวีน (wein's law) คำนวนหาอุณหภูมิของเอกภพได้ T = 0.0029 /λmax = 0.0029 / 1 x 10-9 = 2.726 K            นี่คืออุณหภูมิที่เอกภพเย็นตัวลงนับจากตอนที่เอกภพมีอายุประมาณ 300,000 ปี (ช่วงเวลาของกำเนิดอะตอม) ซึ่งในปัจจุบันลดลงเหลือเพียง 2.726 K ยานอวกาศ COBE ได้ทำแผนที่แสดงอุณหภูมิของเอกภพ ดังที่แสดงในภาพที่ 2 สีแดงเป็นบริเวณที่อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิเฉลี่ย 10-4 K  สีน้ำเงินเป็นบริเวณที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิเฉลี่ย 10-4 K แม้ว่าอุณหภูมิจะแตกต่างเพียงเล็กน้อย แต่ก็เป็นหลักฐานยืนยันว่า แต่ละอาณาบริเวณของเอกภพเย็นตัวลงไม่พร้อมกัน กาแล็กซีจึงก่อตัวเป็นหย่อมๆ เป็นกระจุก ไม่กระจายตัวเท่าๆ กันในเอกภพ  ภาพที่ 2 แผนที่อุณหภูมิของ CMB         นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างแบบจำลองอายุของเอกภพในแต่ละขั้นตอน อธิบายตามภาพที่ 3 ได้ดังนี้ §  10-43 วินาที เอกภพมีอุณหภูมิสูงถึง 1032 K จึงยังไม่มีอนุภาคใดๆ เกิดขึ้น  §  10-10 วินาที อุณหภูมิลดลงเหลือ 1032 K กำเนิดอนุภาคขนาดเล็ก §  1 วินาที อุณหภูมิ 1010 K กำเนิดโปรตรอนและอิเล็กตรอน  §  3 นาที อุณหภูมิ 109 K โปรตรอนและนิวตรอนรวมกันเป็นนิวเคลียส  §  300,000 ปี อุณหภูมิลดลงเหลือ 6,000 K กำเนิดอะตอม  §  1,000 ล้านปี อุณหภูมิลดลงเหลือ 18 K อะตอมรวมตัวเป็นโมเลกุล กำเนิดกาแล็กซีและดาวฤกษ์ §  13,000 ล้านปี อุณหภูมิลดลงเหลือ 3 K เอกภพในสภาพปัจจุบัน ภาพที่ 3 แผนภาพแสดงประวัติของเอกภพ