ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#18 บทที่ 3 จักรวาลที่กำลังขยายตัว : กาแล็กซี่ทางช้างเผือก

หากใครมองท้องฟ้าในคืนที่ปลอดโปร่งและไม่มีแสงจันทร์ วัตถุที่สว่างที่สุดที่เราเห็นน่าจะเป็นดาวเคราะห์ เช่น วีนัส ดาวอังคาร ดาวพฤหัสบดี และดาวเสาร์ นอกจากนี้ยังมีดาวอีกจำนวนมากซึ่งเหมือนกับดวงอาทิตย์ของเราเองแต่อยู่ไกลจากเรามาก ในความเป็นจริงดาวตรึงเหล่านี้ (Fixed stars) บางดวงดูเหมือนจะเปลี่ยนตำแหน่งเล็กน้อยเมื่อเทียบกันและกัน 

ขณะที่โลกหมุนรอบดวงอาทิตย์ เราจะเห็นพวกมันจากตำแหน่งที่แตกต่างกันกับพื้นหลังของดาวที่อยู่ห่างไกลมากขึ้น นี่เป็นความโชคดีเพราะช่วยให้เราสามารถวัดระยะทางของดาวเหล่านี้จากเราได้โดยตรง ยิ่งอยู่ใกล้มากเท่าไหร่ก็ยิ่งดูเหมือนว่าพวกมันเคลื่อนที่มากขึ้นเท่านั้น Proxima Centauri เป็นดาวฤกษ์ที่ใกล้ที่สุดและอยู่ห่างออกไป 4 ปีแสง (แสงจากดวงนี้ใช้เวลาประมาณ 4 ปีจึงจะถึงพื้นโลก) หรือประมาณ 23 ล้านล้านไมล์ ดาวอื่นๆ ส่วนใหญ่ที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่าอยู่ห่างจากเราไปไม่กี่ร้อยปีแสง ในขณะที่ดวงอาทิตย์อยู่ห่างออกไปเพียง 8 นาที! (แสงใช้เวลาในการเดินทาง 8 นาทีมายังโลก) ดวงดาวที่มองเห็นได้ปรากฏกระจายไปทั่วท้องฟ้ายามค่ำคืน แต่จะกระจุกตัวอยู่ในวงที่เราเรียกว่า กาแล็กซี่ทางช้างเผือก

ในปี 1750 นักดาราศาสตร์บางคนเสนอว่าดาวที่มองเห็นได้ส่วนใหญ่อยู่ในรูปแบบดิสก์ที่เราเรียกว่า กาแล็กซี่ชนิดก้นหอย เพียงไม่กี่สิบปีต่อมานักดาราศาสตร์ เซอร์วิลเลียม เฮอร์เชล ยืนยันแนวคิดนี้โดยการบันทึกตำแหน่งและระยะทางของดวงดาวจำนวนมากอย่างระมัดระวัง ถึงกระนั้นความคิดที่ได้รับได้รับการยอมรับอย่างสมบูรณ์ในช่วงต้นศตวรรษนี้

Owl City – Shooting Star (YouTube)

ดวงดาวต่างๆ บนท้องฟ้าไม่ได้อยู่กับที่ แต่มีการเคลื่อนที่ตลอดเวลา หากเราสังเกตุการเคลื่อนที่ของดวงดาวบนท้องฟ้าในแต่ละวันเนื่องจากการหมุนของโลก เราจะได้รูปแบบของดวงดาวที่ดูเหมือนจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงตำแหน่ง แต่ในความเป็นจริงดวงดาวมีการเคลื่อนที่ตลอดเวลา พวกมันอยู่ห่างไกลมากจนเมื่อเรามองดูด้วยตาเปล่า จะไม่สามารถตรวจจับการเคลื่อนที่ของพวกมันได้ แต่เครื่องมือที่ละเอียดอ่อนสามารถตรวจจับการเคลื่อนที่ได้

ลองขับรถไปตามทางหลวงที่ความเร็ว 100 กิโลเมตรต่อชั่วโมง เสาไฟฟ้าข้างทางดูเหมือนจะเคลื่อนที่ผ่านคุณไป แต่ภูเขาที่อยู่ห่างไกลดูเหมือนจะแทบไม่ขยับเลย ในความเป็นจริงทั้งคู่กำลังเดินทางด้วยความเร็วเท่ากัน (100 กิโลเมตรต่อชั่วโมง) เมื่อเทียบกับคุณ ภูเขาดูเหมือนจะเคลื่อนที่ช้ากว่าเสาไฟฟ้า เนื่องจากเอฟเฟกต์มุมมองที่เรียกว่า “พารัลแลกซ์ (Parallax)” โดยทั่วไปยิ่งวัตถุอยู่ไกลมากเท่าไหร่ วัตถุก็จะเคลื่อนที่ในมุมมองของคุณน้อยลง ดวงดาว (แม้แต่ดาวฤกษ์ที่ใกล้ที่สุด – Proxima Centaur) อยู่ไกลกว่าภูเขามาก ดังนั้นการเคลื่อนที่ของพวกมันในมุมมองของเราจึงมีขนาดเล็ก ยากที่จะสังเกตุเห็นด้วยตาเปล่า

กาแล็กซี่ทางช้างเผือก (Milky Way Galaxy)

scientificamerican.com

กาแล็กซี่คือกลุ่มดาว ก๊าซ และฝุ่น ขนาดใหญ่ที่อยู่รวมกันด้วยแรงโน้มถ่วง มีหลายรูปทรงและขนาด ดวงอาทิตย์ของเราและดาวเคราะห์ทั้งหมดที่อยู่รอบๆ เป็นส่วนหนึ่งของกาแล็กซีที่เรียกว่า “กาแล็กซี่ทางช้างเผือก (Milky Way Galaxy) ซึ่งเป็นกาแล็กซี่ชนิดก้นหอย (Spiral galaxy) ขนาดใหญ่ ดวงดาวทั้งหมดที่เรามองเห็นด้วยตาเปล่าบนท้องฟ้ายามค่ำคืนอยู่ในกาแล็กซีทางช้างเผือกของเรา ซึ่งล้วนโคจรเป็นวงกลมรอบใจกลางกาแล็กซี่ นักดาราศาสตร์เชื่อว่าบริเวณใจกลางของทางช้างเผือก มีหลุมดำขนาดใหญ่ที่สร้างแรงโน้มถ่วงมหาศาลดึงดวงดาวทั้งหมดในกาแล็กซี่ของเราเข้าสู่วงโคจรวงกลม กาแล็กซี่ของเราถูกเรียกว่า Milky Way Galaxy เพราะมันปรากฏเป็นแถบแสงสีน้ำนมบนท้องฟ้าเมื่อมองเห็นในบริเวณที่มืดสนิท

เซอร์วิลเลียม เฮอร์เชล

en.wikipedia.org

เซอร์วิลเลียม เฮอร์เชล (Sir William Herschel; 1738-1822) เป็นนักดาราศาสตร์และนักดนตรีชาวอังกฤษ เชื้อสายเยอรมัน ที่มีความสามารถอย่างยิ่งในหลายแง่มุมของชีวิต เขาได้ทำการค้นพบทางดาราศาสตร์ที่สำคัญมากมาย แม้ว่าเขาจะไม่เคยเป็นนักดาราศาสตร์มืออาชีพมาก่อน เขาเป็นผู้ค้นพบดาวยูเรนัสและค้นพบรังสีอินฟราเรด ซึ่งเป็นสองการค้นพบที่ยิ่งใหญ่มาก นอกจากนี้เขายังมีส่วนเกี่ยวข้องกับการค้นพบดวงจันทร์สองดวงของดาวยูเรนัส และดวงจันทร์ของดาวเสาร์อีกสองดวง

เฮอร์เชลสร้างกล้องโทรทรรศน์ขนาด 18.7 นิ้วในปี 1774 หลังจากนั้นเขาใช้เวลา 9 ปีในการสำรวจท้องฟ้า มันเป็นการสแกนท้องฟ้าขนาดใหญ่ครั้งแรกในประวัติศาสตร์ ในวันที่ 13 มีนาคม 1781 ขณะทำการสังเกตการณ์ เขาได้สังเกตเห็นวัตถุใหม่ในกลุ่มดาวราศีเมถุน เดิมทีเฮอร์เชลคิดว่ามันเป็นดาวหาง หลังจากผ่านไปหลายสัปดาห์ของการตรวจสอบและปรึกษาหารือกับนักดาราศาสตร์คนอื่นๆ ก็ได้รับการยืนยันว่าเป็นดาวเคราะห์ดวงใหม่ซึ่งได้รับการตั้งชื่อว่า “ดาวยูเรนัส” 

ในยุคก่อนหน้าวิลเลียม เฮอร์เชล นักดาราศาสตร์รู้จักดาวเคราะห์ในระบบสุริยะเพียง 6 ดวงที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่า ได้แก่ ดาวพุธ ดาวศุกร์ โลก ดาวอังคาร ดาวพฤหัสฯ และ ดาวเสาร์ ดาวยูเรนัสเป็นดาวเคราะห์ที่มองไม่เห็นด้วยตาเปล่าดวงแรกที่ถูกค้นพบด้วยกล้องโทรทรรศน์ การค้นพบนี้ทำให้เฮอร์เชลมีชื่อเสียงไปทั่วโลกในชั่วข้ามคืน และเขาได้รับเลือกให้เข้าร่วม Royal Society พร้อมทั้งตำแหน่งนักดาราศาสตร์ของกษัตริย์และเงินบำนาญตลอดชีวิต ทำให้เฮอร์เชลเลิกเล่นดนตรีและอุทิศเวลาทั้งหมดให้กับดาราศาสตร์

การทำแผนที่กาแล็กซี่ทางช้างเผือก

ในปี 1783 เซอร์วิลเลียม เฮอร์เชล ทำงานร่วมกับน้องสาวของเขา แคโรลีน เฮอร์เชล (1750 – 1848) ได้เริ่มทำแผนที่การกระจายตัวของดวงดาวในกาแล็กซีทางช้างเผือก (Milky Way Galaxy) เขาบันทึกวัตถุท้องฟ้ายามค่ำคืนอย่างเป็นระบบ

พวกเขาสันนิษฐานว่าสามารถมองเห็นขอบเขตด้านนอกของทางช้างเผือกได้ในทุกทิศทาง เป็นผลให้พวกเขาเริ่มนับจำนวนดาว พวกเขาตั้งสมมติฐานว่าสามารถหาระยะทางสัมพัทธ์กับขอบของการกระจายของดาวได้ ดังนั้นหากพวกเขาเห็นดาวในทิศทางเดียวมากเกินไป พวกเขาก็ให้เหตุผลว่าขอบของกาแล็กซี่ทางช้างเผือกในทิศทางนั้นอยู่ไกลออกไป ดังนั้นหากกล้องโทรทรรศน์ของพวกเขาเผยให้เห็นดาวน้อยลงในทิศทางอื่นพวกเขาสรุปได้ว่าขอบของกาแล็กซี่ทางช้างเผือกต้องอยู่ใกล้

เรียกวิธีการนี้ว่า “การนับดาว” พวกเขาสร้างภาพร่างตัดขวาง (cross-section) ของกาแล็กซี่ทางช้างเผือกโดยการนับดวงดาวใน 683 ทิศทางบนท้องฟ้า และนับดาวทุกดวงที่เขามองเห็นได้ จนถึงขีดจำกัดความสว่างของกล้องโทรทรรศน์ของเขา เขาสันนิษฐานว่าดาวทุกดวงมีความส่องสว่างภายในเท่ากันเพื่อที่เขาจะได้ประมาณระยะทางไปยังดาวแต่ละดวงจากโลก

ข้อมูลของพวกเขาชี้ให้เห็นว่าดาวเหล่านี้เรียงตัวเป็นรูปแผ่นดิสก์โดยมีดวงอาทิตย์อยู่ใกล้ศูนย์กลาง ในบางทิศทาง เฮอร์เชลเห็นดวงดาวน้อยมาก และ “หลุมบนท้องฟ้า” ที่เฮอร์เชลสังเกตเห็นนั้นไม่ได้ว่างเปล่า แต่มีเมฆระหว่างดวงดาวหนาแน่นปิดกั้นมุมมองของดวงดาวที่อยู่ไกลออกไปโดยสิ้นเชิง เหล่านี้ก่อให้เกิดความผิดปกติอย่างมากตามขอบของแผนภาพ แต่ข้อผิดพลาดนี้ทำให้นักดาราศาสตร์คนอื่นๆ ค้นคว้าเพิ่มเติม

รูปร่างของกาแล็กซี่ทางช้างเผือกจากการนับดวงดาว (observadores-cometas.com)

ภาพข้่างบนคือ แผนที่กาแล็กซี่ทางช้างเผือกของเฮอร์เชล ซึ่งได้มาจากการนับดาวของเขาทั่วท้องฟ้า รูปร่างมีความถูกต้องอย่างมากที่ว่าเป็นเหมือนแผ่นดิสก์ ข้อผิดพลาดที่สำคัญของเขาคือ การวางดวงอาทิตย์ (จุดสีขาวขนาดใหญ่) ไว้ใกล้จุดศูนย์กลางของกาแล็กซี่มากเกินไป แม้ว่าเขาจะตระหนักว่ามันอยู่ห่างจากจุดศูนย์กลางก็ตาม

OneRepublic – Counting Stars (YouTube)

ภาพจักรวาลในปัจจุบันของเรามีอายุย้อนไปถึงปี 1924 เมื่อ เอ็ดวิน ฮับเบิล นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกันแสดงให้เห็นว่าจักรวาลไม่ใช่มีกาแล็กซี่เดียว ในความเป็นจริงมีกาแล็กซี่อื่นๆ อีกมากมายที่มีพื้นที่ว่างมากมายระหว่างพวกมัน เพื่อที่จะพิสูจน์สิ่งนี้ เขาจำเป็นต้องหาระยะทางไปยังกาแล็กซี่อื่นๆ ซึ่งอยู่ห่างออกไปมาก ฮับเบิลใช้วิธีการทางอ้อมเพื่อวัดระยะทาง

ความสว่างของดาวขึ้นอยู่กับปัจจัย 2 ประการคือ แสงที่มันแผ่ออกมา (ความส่องสว่างของมัน) และระยะทางที่อยู่ห่างจากเรามากแค่ไหน สำหรับดาวที่อยู่ใกล้ๆ เราสามารถวัดความสว่างและระยะห่างของพวกมันได้ ดังนั้นเราจึงคำนวณความส่องสว่างได้ ในทางกลับกันถ้าเราทราบความส่องสว่างของดวงดาวในกาแล็กซี่อื่น เราสามารถหาระยะทางได้โดยการวัดความสว่างที่ปรากฏ ฮับเบิลตั้งข้อสังเกตว่าดาวฤกษ์บางประเภทมักมีความส่องสว่างเท่ากันเมื่ออยู่ใกล้มากพอที่เราจะวัดได้ ดังนั้นเขาจึงโต้แย้งว่าถ้าเราพบดาวดังกล่าวในกาแล็กซีอื่น เราสามารถสันนิษฐานได้ว่าพวกมันมีความส่องสว่างเท่ากันและคำนวณระยะทางไปยังกาแล็กซี่นั้นด้วย หากเราสามารถทำได้กับดาวจำนวนหนึ่งในกาแล็กซี่เดียวกัน และการคำนวณของเราให้ระยะทางเท่ากันเสมอ เราจะค่อนข้างมั่นใจในการประมาณการของเรา

ด้วยวิธีนี้ เอ็ดวินฮับเบิลจึงคำนวณหาระยะทางไปยังกาแล็กซีต่างๆ 9 แห่ง ตอนนี้เรารู้แล้วว่ากาแล็กซี่ของเราเป็นเพียงหนึ่งในหลายแสนล้านกาแล็กซี่ที่สามารถมองเห็นได้โดยใช้กล้องโทรทรรศน์สมัยใหม่ แต่ละกาแล็กซี่นั้นมีดาวฤกษ์ประมาณแสนล้านดวง รูปที่ 3: 1 แสดงภาพของกาแล็กซี่ชนิดก้นหอย

เราอาศัยอยู่ในกาแล็กซี่ที่มีความยาวประมาณ 100,000 ปีแสงและหมุนรอบตัวเองอย่างช้าๆ ดวงดาวที่อยู่วงแขนเกลียวโคจรรอบศูนย์กลางทุกๆ หลายร้อยล้านปี ดวงอาทิตย์ของเราเป็นดาวฤกษ์สีเหลืองขนาดกลางที่อยู่ใกล้ขอบด้านในของแขนเกลียวข้างหนึ่งของกาแล็กซี่ เรามาไกลตั้งแต่อริสโตเติลและปโตเลมี จากการคิดว่าโลกเป็นศูนย์กลางของจักรวาล!

ผู้เขียนได้เขียนอธิบายการค้นพบของฮับเบิลที่แสดงให้เห็นว่ากาแล็กซี่ทางช้างเผือกไม่ใช่จักรวาลทั้งหมด ในตอนที่ 7 ของบทที่ 1 สามารถอ่านได้ในลิงค์ข้างล่าง 

การขยายตัวของจักรวาลบ่งชี้จักรวาลมีจุดกำเนิด

• Facebook
• Twitter
• Line