บทที่ 5 เอกภพ

เอกภพวิทยาในอดีต

1. เอกภพของชาวสุเมเรียนและบาบิโลน

2. เอกภพของกรีก

3. เอกภพของเคปเลอร์

4.เอกภพของกาลิเลโอ

1. เอกภพของชาวสุเมเรียนและบาบิโลน

 

ชาวสุเมเรียนบันทึกตำแหน่งของดาวฤกษ์และดาวเคราะห์ โดยมีโลกแบนอยู่กับที่และเป็นศูนย์กลางของการเคลื่อนที่ทั้งหมดพร้อมกับมี การตั้งชื่อกลุ่มคาวหลายกลุ่มในท่องฟ้า และได้อธิบายการเคลื่อนที่ของดาวต่างๆ ตามความเชื่อที่ว่าเทพเจ้าปกครองโลก ท้องฟ้าและแหล่งน้ำบันดาลให้เป็นไป ชาวบาบิโดลนอาศัยพื้นฐานของชาวสุเมเรียนมาใช้ในการอธิบายการเคลื่อนที่ของ ดาวฤกษ์และการเปลี่ยนแปลงฤดูกาลบนโลกได้อย่างถูกต้อง

2. แบบจำลองเอกภพของกรีก

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

3. แบบจำลองเอกภพของเคปเลอร์ (Kepler’s model of the Universe)

            ไทโค บราเฮ (Tycho Brahe, ค.ศ.1546 – ค.ศ.1601) นักดาราศาสตร์ชาวฮอลแลนด์ได้ทำการสังเกตการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ต่างๆและ จดบันทึกตำแหน่งอย่างละเอียดทุกวันเป็นเวลานับสิบปี ผลจากการสังเกตของเขานี้ทำให้เขาไม่เชื่อในคำอธิบายการโคจรของดาวเคราะห์ ต่างรอบดวงอาทิตย์ของโคเปร์นิคัสที่ว่าดาวเคราะห์ต่างๆเคลื่อนที่รอบๆดวง อาทิตย์เป็นรูปวงกลมสมบูรณ์แบบ แต่ผลงานการสังเกตการณ์และสรุปผลนี้ยังไม่เป็นผลสำเร็จเขาก็ได้มาเสียชีวิต ไปเสียก่อน แต่อย่างไรก็ตามเขาได้มอบบันทึกของการสังเกตนี้ให้แก่ผู้ช่วยของเขาซึ่งเป็น ชาวเยอรมัน คือ โยฮัน เคปเลอร์ (Johannes Kepler, ค.ศ. – ค.ศ. )” ดังนั้นจึงทำให้เคปเลอร์ได้ทำการสังเกตการณ์เพิ่มเติมแล้วจึงได้ตั้งแบบ จำลองเอกภพที่ได้อธิบายการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ต่างๆเอาไว้ว่า ดวงอาทิตย์ยังคงเป็นจุดศูนย์กลางการเคลื่อนที่ของระบบโดยที่ดาวฤกษ์ต่างๆจะ อยู่ในตำแหน่งประจำที่ ส่วนดาวเคราะห์ต่างๆจะโคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นรูปวงรีไม่ใช่วงโคจรรูปวงกลมสม บูรณืแบบดังที่แสดงอยู่ในแบบจำลองของโคเปอร์นิคัส และดวงอาทิตย์จะตั้งอยู่ที่จุดโฟกัสจุดหนึ่งของวงโคจรรูปวงรีนั้น นอกจากนั้นเคปเลอร์ยังพบว่าการอธิบายข้อมูลของไทโคบราเฮด้วยแบบจำลองของเขา จะมีความถูกต้องแม่นยำต่อข้อมูลมากกว่าการอธิบายด้วยแบบจำลองของโคเปอร์นิ คัสด้วย

4. แบบจำลองเอกภพของกาลิเลโอ

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

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 รวมทั้งแหล่งกำเนิดดาวฤกษ์ที่เรียกว่า เนบิวลา และ ที่ว่าง โลกของเราเป็นดาวเคราะห์ดวงหนึ่งในระบบสุริยะ   ซึ่งเป็นสมาชิกหนึ่งของ กาแล็กซีของเรา
           บิกแบงเป็นทฤษฎีที่อธิบายการระเบิดใหญ่ที่ทำให้พลังงานส่วนหนึ่งเปลี่ยนเป็น สสาร   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   เมื่อปฏิอนุภาคพบกับอนุภาคชนิดเดียวกันจะหลอมรวมกันเนื้อสารเปลี่ยนไปเป็น พลังงานจนหมดสิ้น   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   ภายในกาแล็กซีมีธาตุไฉโดรเจนและฮีเลียมเป็นสสารเบื้องต้นซึ่งก่อกำเนิดเป็น ดาวฤกษ์รุ่นแรกๆ  ส่วนธาตุต่างๆ ที่มีนิวเคลียสใหญ่กว่าคาร์บอนเกิดจากดาวกฤษ์ขนาดใหญ่

อะตอมของฮีเลียม มีนิวเคลียสเป็นโปรตอน 2 อนุภาค  นิวตรอน 2 อนุภาค และมีอิเล็กตรอน 2 อนุภาค โคจรรอบนิวเคลียส

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 ขณะที่นักวิทยาศาสตร์ทั้งสองคนกำลังทดสอบระบบเครื่องรับสัญญาณของกล้อง โทรทรรศน์วิทยุ    ปรากฏว่ามีสัญญาณรบกวนตลอดเวลาไม่ว่าจะเป็นกลางวันหรือกลางคืน   หรือฤดูต่างๆ แม้เปลี่ยนทิศทางและทำความสะอาดสายอากาศแล้วก็ยังมีสัญญาณรบกวนอยู่เช่น เดิม   ต่อมาทราบภายหลังว่าเป็นสัญญาฯที่เหลืออยู่ในอวกาศ   เทียบได้กับพลังงานของการแผ่รังสีของวัตถุดำที่มีอุณหภูมิประมาณ 3 เควิลหรือประมาณ -270 องศาเซลเซียส

กล้องโทรทรรศน์วิทยุประวัติศาสตร์ที่เพนเซียสและวิลสัน   ค้นพบอุณหภูมิพื้นหลัง

          ในขณะเดียวกัน   โรเบิร์ต ดิกกี พี.เจ.อี. พีเบิลส์ เดวิด โรลล์ และเดวิด วิลสัน   แห่งมหาวิทยาลัยปรินซ์ตัน   ได้ทำนายมานานแล้วว่า   การแผ่รังสีจากบิกแบงที่เหลืออยู่ในปัจจุบันน่าจะตรวจสอบได้   โดยใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุ
          ดังนั้นการพบพลังงานจากทุกทิศทุกทางในปริมาณที่เทียบได้กับพลังงานที่เกิด จากการแผ่รังสีของวัตถุดำที่มีอุณหภูมิประมาณ 3 เควิล   จึงเป็นอีกข้อที่สนับสนุนทฤษฎีบิกแบงได้เป็นอย่างดี

 

อาร์โน เพนเซียส Arno Penzias   (พ.ศ. 2476)      

 โรเบิร์ต วิลสัน Robert Wilson (พ.ศ. 2479)

กฎของฮับเบิล

กฎของฮับเบิล เป็นสมการในวิชาฟิสิกส์จักรวาลวิทยาที่อธิบายปรากฏการณ์การเคลื่อนไปทางแดงของแสงที่ได้รับจากดาราจักรอันห่างไกลซึ่งมีค่าแปรผันไปตามระยะห่าง กฎนี้คิดค้นขึ้นครั้งแรกโดย เอ็ดวิน ฮับเบิล ในปี ค.ศ. 1929 หลังจากเขาได้เฝ้าสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์มา นับสิบปี นับได้ว่าการเฝ้าสังเกตการณ์ของฮับเบิลเป็นหลักฐานชิ้นแรกของแนวคิดการขยาย ตัวของจักรวาล ซึ่งเป็นหลักฐานชิ้นสำคัญของแนวคิดบิกแบง ข้อมูลในการคำนวณล่าสุดใช้ข้อมูลในปี 2003 ซึ่งได้จากดาวเทียม WMAP ร่วมกับข้อมูลทางดาราศาสตร์อื่นๆ ได้ค่าคงที่ของฮับเบิลเท่ากับ 70.1 ± 1.3 (กม./วินาที)/เมกะพาร์เซก ซึ่งสอดคล้องกับค่าที่คำนวณได้จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลเมื่อปี 2001 คือ 72 ± 8 (กม./วินาที)/เมกะพาร์เซก

  ประเภทกาแล็กซี

กาแล็กซีมีรูปทรงแตกต่างกันหลายประเภท ซึ่งสามารถแบ่งเป็นประเภทใหญ่ๆ ได้ 2 ประเภทคือ กาแล็กซีปกติ (Regular galaxy) ที่มีสัณฐานรูปทรงชัดเจนสามารถแบ่งได้ตามแผนภาพส้อมเสียง (Hubble Turning Fork) ตามที่แสดงในภาพที่ 1   และกาแล็กซีไม่มีรูปแบบ (Irregular Galaxy) ที่ไม่มีรูปทรงสัณฐานชัดเลย เช่น เมฆแมกเจลแลนใหญ่ เมฆแมกเจลแลนเล็ก ซึ่งเป็นกาแล็กซีบริวารของทางช้างเผือก 

ภาพที่ 1 แผนภาพส้อมเสียงกาแล็กซีของฮับเบิล

         

ในต้นคริสศตวรรษที่ 20 เอ็ดวิน ฮับเบิล (Edwin Hubble) นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกันได้ทำการศึกษากาแล็กซีด้วยกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ และจำแนกประเภทของกาแล็กซีตามรูปทรงสัณฐานออกเป็น 4 ประเภท ได้แก่

1. กาแล็กซีรี (Elliptical Galaxy) มีสัณฐานเป็นทรงรี แบ่งย่อยได้ 8 แบบ ตั้งแต่ E0 - E7 โดย E0 มีความรีน้อยที่สุด และ E7 มีความรีมากที่สุด  
2. กาแล็กซีกังหัน (Spiral Galaxy) แบ่งย่อยเป็น 3 แบบ กาแล็กซีกังหัน Sa มีส่วนป่องหนาแน่น แขนไม่ชัดเจน, กาแล็กซีกังหัน Sb มีส่วนป่องใหญ่ แขนยาวปานกลาง, กาแล็กซีกังหัน Sc มีส่วนป่องเล็ก แขนยาวหนาแน่น 
3. กาแล็กซีกังหันแบบมีคาน หรือ กาแล็กซีกังหันบาร์ (Barred Spiral Galaxy) แบ่งย่อยเป็น 3 แบบ  กาแล็กซีกังหันบาร์ SBa มีส่วนป่องใหญ่ไม่เห็นคานไม่ชัดเจน, กาแล็กซีกังหันบาร์ SBb มีส่วนป่องขนาดกลาง เห็นคานได้ชัดเจน, กาแล็กซีกังหันบาร์ SBc มีส่วนป่องเล็กมองเห็นคานยาวชัดเจน
4. กาแล็กซีลูกสะบ้า หรือ กาแล็กซีเลนส์ (Lenticular Galaxy) เป็น กาแล็กซีที่ไม่มีลักษณะก้ำกึ่งระหว่างกาแล็กซีรีและกาแล็กซีกังหัน กล่าวคือ ส่วนโป่งขนาดใหญ่และไม่มีแขนกังหัน (แบบ S0 หรือ SB0)