บทที่ 5 เอกภพ

บทที่ 5 เอกภพ

เอกภพหรือจักรวาล (Universe) โดยทั่วไปนิยามว่าเป็นผลรวมของการดำรงอยู่ รวมทั้งดาวเคราะห์ ดาวฤกษ์ ดาราจักร สิ่งที่บรรจุอยู่ในอวกาศระหว่างดาราจักร และสสารและพลังงานทั้งหมด

การสังเกตเอกภพทางวิทยาศาสตร์ ซึ่งเชื่อกันว่ามีเส้นผ่านศูนย์กลาง 93,000 ล้านปีแสง นำไปสู่อนุมานขั้นแรกเริ่มของเอกภพ การสังเกตเหล่านี้แนะว่า เอกภพถูกควบคุมด้วยกฎทางฟิสิกส์และค่าคงที่เดียวกันตลอดขนาดและประวัติศาสตร์ส่วนใหญ่ ทฤษฎีบิกแบงเป็นแบบจำลองจักรวาลวิทยาทั่วไปซึ่งอธิบายพัฒนาการแรกเริ่มของเอกภพ ซึ่งในจักรวาลวิทยากายภาพเชื่อว่าเกิดขึ้นเมื่อราว 13,700 ล้านปีก่อน

มีนักฟิสิกส์มากมายเชื่อสมมุติฐานเกี่ยวกับพหุภพ ซึ่งกล่าวไว้ว่าเอกภพอาจเป็นหนึ่งในภพจำนวนมากที่มีอยู่เช่นกัน ระยะทางไกลสุดที่เป็นไปได้ทางทฤษฎีแก่มนุษย์ที่จะมองเห็นอธิบายว่าเป็น เอกภพที่สังเกตได้ การสังเกตได้แสดงว่า เอกภพดูจะขยายตัวในอัตราเร่ง และมีหลายแบบจำลองเกิดขึ้นเพื่อพยากรณ์ชะตาสุดท้ายของเอกภพ

กำเนิดเอกภพ

ทฤษฎีกำเนิดเอกภพ ที่ได้รับความเชื่อถือมาก ในหมู่นักดาราศาสตร์ คือ ทฤษฎีระเบิดใหญ่ หรือ Big Bang เป็นการระเบิดครั้งยิ่งใหญ่ จากพลังงานบางอย่าง ที่ทำให้พลังงานส่วนหนึ่งเปลี่ยนเป็นสสาร มีวิวัฒนาการต่อเนื่องจนเกิดเป็นกาแล็กซี เนบิวลา ดาวฤกษ์ ระบบสุริยะ โลก ดวงจันทร์ มนุษย์ และสิ่งมีชีวิตต่างๆ

        ขณะเกิดบิกแบง มีสสารเกิดขึ้นในรูปของอนุภาคพื้นฐานชื่อ ควาร์ก (Quark) อิเล็กตรอน (Electron) นิวทริโน (Neutrino) และโฟตอน (Photon) ซึ่งเป็นพลังงานด้วย เมื่อเกิดอนุภาคก็จะเกิดปฏิอนุภาค ที่มีประจุไฟฟ้าตรงข้าม ยกเว้น นิวทริโนและแอนตินิวทริโน ไม่มีประจุไฟฟ้า 

        เมื่อปฏิอนุภาคพบกับอนุภาคชนิดเดียวกันจะหลอมรวมกันเนื้อสารเปลี่ยนไปเป็นพลังงานจนหมดสิ้น ถ้าเอกภพมีจำนวนอนุภาคเทากับปฏิอนุภาคพอดี เมื่อพบกันจะกลายเป็นพลังงานทั้งหมด  ก็จะไม่เกิดกาแล็กซี ดาวฤกษ์ และระบบสุริยะ  โชคดีที่ในธรรมชาติมีอนุภาคเหลืออยู่ และนี่คืออนุภาคที่ก่อกำเนิดเป็นสสารของเอกภพในปัจจุบัน

           หลังบิกแบงเพียง 10^-6 วินาที อุณหภูมิของเอกภพลดลงเป็นสิบล้านล้านเคลวิน ทำให้ควารืกเกิดการรวมตัวกัน กลายเป็นโปรตอน (นิวเคลียสของไฮโดรเจน) วึ่งมีประจุไฟฟ้าบวก 1 หน่วยและนิวตรอน ซึ่งเป็นกลาง
           หลังบิกแบง 3 นาที อุณหภูมิของเอกภพลดลงเป็นร้อยล้านเคลวิน มีผลให้โปรตอนและนิวตรอนเกิดการรวมตัวเป็นนิวเคลียสของฮีเลียม ในช่วงแรกๆนี้ เอกภพขยายตัวอย่างเร็วมาก
           หลังบิกแบง 300,000 ปี อุณหภูมิลดลงเหลือ 10,000 เคลวิน นิวเคลียสของไฮโดรเจนและฮีเลียมดึงอิเล็กตรอนเข้ามาอยู่ในวงโคจร เกิดเป็นอะตอมไฮโดรเจนและฮีเลียมตามลำดับ

 กาแล็กซีต่างๆ เกิดหลังบิกแบง อย่างน้อย 1,000 ล้านปี ภายในกาแล็กซีมีธาตุไฮโดรเจนและฮีเลียมเป็นสสารเบื้องต้นซึ่งก่อกำเนิดเป็นดาวฤกษ์รุ่นแรกๆ ส่วนธาตุต่างๆ ที่มีนิวเคลียสใหญ่กว่าคาร์บอนเกิดจากดาวฤกษ์ขนาดใหญ่

กาแล็กซี่

กาแล็กซี (galaxy) เป็นบริเวณที่ประกอบด้วยดาวฤกษ์ ดาวเคราะห์ บริเวณของดาวเคราะห์ ดาวเคราะห์น้อย ดาวหาง อุกกาบาต รวมทั้งแก๊สและฝุ่นธุลีในอวกาศกาแล็กซีเป็นส่วนหนึ่งของเอกภพ ซึ่งกำเนิดมาจากมวลของแก๊ส  ภายใต้ความดันและแรงดึงดูดระหว่างกัน 

             

กาแล็กซี่ทางช้างเผือก

กาแล็กซีทางช้างเผือก เป็นกาแล็กซีที่ระบบสุริยะสังกัดอยู่ ในคืน เดือนมืดถ้าเรามองขึ้นไปบนท้องฟ้า จะเห็นเป็นแทบสีขาวพาดอยู่ ชาวกรี กจินตนาการว่าเป็นเสมือนทางน้ำนม จึงเรียกว่า "The Milky way" สำหรับคนไทยจินตนาการว่าเป็นทางเดินของช้างเผือก จึงเรียกว่า "ทางช้าง เผือก"

        บริเวณใจกลางของกาแล็กซีมีดาวฤกษ์ กระจุกดาว แก๊สและฝุ่นธุลีอยู่หนาแน่น ลักษณะของกาแล็กซีมีรูปร่างคล้ายจักรหรือไข่ ดาว ด้ามองด้านบนจะเห็นเป็นรูปทรงกลมหมุนรอบตัวเองแบบทวนเข็มนาฬิกา แต่ ถ้ามองด้านข้างจะเห็นคล้ายจานแบน

กาแล็กซี่เพื่อนบ้าน

กาแลกซี่เพื่อนบ้าน (Local Group)  เป็นกลุ่มกาแล็กซีที่มีขนาดค่อนข้างเล็ก ประกอบด้วยกาแล็กซี เพียงกว่า 30กาแล็กซี รวมกลุ่มกันอยู่ห่างๆรอบ 2 กาแล็กซีใหญ่คือ กาแล็กซีแอนโดรมีดา(M31) และกาแล็กซีทางช้างเผือก (Milky Way galaxy) ของเรา

    กาแล็กซีทางช้างเผือกของเรา เป็นส่วนหนึ่งของLocal Group มีเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 1Mpc( Mega parsec ~ 3,260,000ปีแสง ) เลยออกไปนอกเขตของLocal Group เป็นอวกาศที่ว่างเปล่า ที่แทบจะไม่พบกาแล็กซีอื่นใดอยู่ กาแล็กซีกลุ่มอื่นที่ใกล้ที่สุด คือ Virgo Cluster อยู่ห่างออกไปประมาณ 18Mpc

    กาแล็กซีอื่นที่มีขนาดรองลงมาใน Local Group คือ M33 (Triangulum galaxy) ทั้งกาแล็กซีทางช้างเผือก กาแล็กซีแอนโดรมีดา และM33 ต่างก็เป็นกาแล็กซีขนาดค่อนข้างใหญ่ และมีลักษณะเป็นกาแล็กซีแบบเกลียว(spiral) ส่วนกาแล็กซีอื่นๆที่เหลือใน Local Group เป็นกาแล็กซีแบบทรงรี(elliptical) และแบบ irregular (มีรูปร่างไม่แน่นอน) ส่องแสงออกมาเพียงจางๆ มีขนาดเพียงเล็กๆ แทบจะเรียกได้ว่าเป็นกาแล็กซีแคระ(dwarf galaxy) บางกาแล็กซีมีขนาดเล็กมาก จนดูคล้ายกระจุกดาว เลยทีเดียว

    ด้วยอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงจากจากแต่ละกาแล็กซี ทำให้กาแล็กซีทั้งหลายใน Local Group เคลื่อนที่ไปด้วยกันในเอกภพ ดังนั้นเมื่อตรวจดูสเป็คตรัม ของกาแล็กซีเหล่านี้ จึงไม่พบลักษณะของ redshift แบบในกาแล็กซีอื่นๆ ที่อยู่ไกลออกไป  ที่จริงมีผู้สังเกตเห็นกาแล็กซีอื่นๆใน Local Group มานานแล้ว ( แม้จะเคยไม่ทราบว่ามันเป็นกาแล็กซีอื่น จนกระทั่งช่วงไม่ถึง 100ปีมานี้ ) เช่น กาแล็กซีแอนโดรมีดา มีบันทึกอยู่ในตำราดูดาวของชาวเปอร์เซีย ตั้งแต่ปีค.ศ. 905

                                                         กาแล็กซีแอนโดรมีดา

กาแล็กซีแม็กเจลแลน

องค์ประกอบของกาแล็กซี

กาแล็กซีประกอบด้วยดาวฤกษ์ กระจุกดาวสสารระหว่างดาว (แก๊สและ ฝุ่นธุลี) เนบิวลา และที่ว่างในอากาศเป็นส่วนใหญ่ ซึ่งจะของเลือกนำเสนอเพียงบางตัวอย่าง

       1. กระจุกดาว คือกลุ่มดาวตั้งแต่สิบดวงไปจนถึงหลายสิบล้านดวง ในกาแล็กซี ทางช้างเผือกจะพบกระจุกดาวรอบ ๆ ศูนย์กลางกาแล็กซี เช่น กระจุกดาวลูกไก่้ ถ้ามองด้วยตาเปล่าจะมองเห็นดาวฤกษ์ประมาณ 7 ดวง 
       2. สสารระหว่างดาว ดาวฤกษ์แต่ละดวงอยู่ห่างไกลกันมาก ระหว่างดวง ดาวจึงมีสสารระหว่างดาว ซึ่งประกอบด้วยแก๊ส (ส่วนใหญ่เป็นไฮโดรเจน) ฝุ่นธุลีชิ้นส่วนของสะเก็ดดาวแทรกคั่นอยู่ 
       3. เนบิวลา กลุ่มเมฆหมอกของแก๊สและฝุ่นธุลีของสสารในอากาศ ที่อยู่ระหว่างดวงดาวในกาแล็กซ๊ มี 3 ชนิด
            - เนบิวลาสว่าง เป็นกลุ่มแก๊สและฝุ่นธุลีที่สะท้อนแสงสว่างที่ส่องมาจากดาวฤกษ์ 
            - เนบิวลาเรืองแสง เป็นกลุ่มแก๊สและฝุ่นธุลีระหว่างดวงดาวที่เปล่ง แสงออกมาจากตัวเอง ซึ่งเกิดจากการรวมตัวของอนุภาคโปรตรอนนิวตรอนเป็นอะตอม ไฮโดรเจน 
            - เนบิวลามืด เป็นกลุ่มแก๊สและฝุ่นธุลีจำนวนมากและหนาทึบ ซึ่งดูดกลืนแสงของดาวฤกษ์ที่ส่องมา 

บิกแบง

บิกแบง (Big Bang, "การระเบิดครั้งใหญ่") เป็นแบบจำลองของการกำเนิดและวิวัฒนาการของเอกภพในจักรวาลวิทยาซึ่งได้รับการสนับสนุนจากหลักฐานทางวิทยาศาสตร์และจากการสังเกตการณ์ที่แตกต่างกันจำนวนมาก นักวิทยาศาสตร์โดยทั่วไปใช้คำนี้กล่าวถึงแนวคิดการขยายตัวของเอกภพหลังจากสภาวะแรกเริ่มที่ทั้งร้อนและหนาแน่นอย่างมากในช่วงเวลาจำกัดระยะหนึ่งในอดีต และยังคงดำเนินการขยายตัวอยู่จนถึงในปัจจุบัน

ฌอร์ฌ เลอแม็ทร์ นักวิทยาศาสตร์และพระโรมันคาทอลิก เป็นผู้เสนอแนวคิดการกำเนิดของเอกภพ ซึ่งต่อมารู้จักกันในชื่อ ทฤษฎีบิกแบง ในเบื้องแรกเขาเรียกทฤษฎีนี้ว่า สมมติฐานเกี่ยวกับอะตอมแรกเริ่ม (hypothesis of the primeval atom) อเล็กซานเดอร์ ฟรีดแมน ทำการคำนวณแบบจำลองโดยมีกรอบการพิจารณาอยู่บนพื้นฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ต่อมาในปี ค.ศ. 1929 เอ็ดวิน ฮับเบิลค้นพบว่า ระยะห่างของดาราจักรมีสัดส่วนที่เปลี่ยนแปลงสัมพันธ์กับการเคลื่อนไปทางแดง การสังเกตการณ์นี้บ่งชี้ว่า ดาราจักรและกระจุกดาวอันห่างไกลกำลังเคลื่อนที่ออกจากจุดสังเกต ซึ่งหมายความว่าเอกภพกำลังขยายตัว ยิ่งตำแหน่งดาราจักรไกลยิ่งขึ้น ความเร็วปรากฏก็ยิ่งเพิ่มมากขึ้น  หากเอกภพในปัจจุบันกำลังขยายตัว แสดงว่าก่อนหน้านี้ เอกภพย่อมมีขนาดเล็กกว่า หนาแน่นกว่า และร้อนกว่าที่เป็นอยู่ แนวคิดนี้มีการพิจารณาอย่างละเอียดย้อนไปจนถึงระดับความหนาแน่นและอุณหภูมิที่จุดสูงสุด และผลสรุปที่ได้ก็สอดคล้องอย่างยิ่งกับผลจากการสังเกตการณ์ ทว่าการเพิ่มของอัตราเร่งมีข้อจำกัดในการตรวจสอบสภาวะพลังงานที่สูงขนาดนั้น หากไม่มีข้อมูลอื่นที่ช่วยยืนยันสภาวะเริ่มต้นชั่วขณะก่อนการระเบิด ลำพังทฤษฎีบิกแบงก็ยังไม่สามารถใช้อธิบายสภาวะเริ่มต้นได้ มันเพียงอธิบายกระบวนการเปลี่ยนแปลงของเอกภพที่เกิดขึ้นหลังจากสภาวะเริ่มต้นเท่านั้น

คำว่า "บิกแบง" ที่จริงเป็นคำล้อเลียนซึ่งเกิดขึ้นเมื่อนักดาราศาสตร์ชื่อ เฟรด ฮอยล์ ตั้งใจดูหมิ่นและทำลายความน่าเชื่อถือของทฤษฎีที่เขาเห็นว่าไม่มีทางเป็นจริง ในการออกอากาศทางวิทยุครั้งหนึ่งเมื่อปี ค.ศ. 1949 ในเวลาต่อมา ฮอยล์ได้ช่วยศึกษาผลกระทบของนิวเคลียร์ในการก่อเกิดธาตุมวลหนักที่ได้จากธาตุซึ่งมีมวลน้อยกว่า อย่างไรก็ดี การค้นพบรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาลในปี ค.ศ. 1964 ยิ่งทำให้นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ไม่สามารถปฏิเสธทฤษฎีบิกแบงได้