กำเนิดเอกภพ

กำเนิดอนุภาคในเอกภพ

กำเนิดเอกภพเริ่มนับจากจุดที่เรียกว่า " บิกแบง (BigBang) " บิกแบง เป็นชื่อที่ใช้เรียกทฤษฎีกำเนิดเอกภพทฤษฎีหนึ่ง ปัจจุบันบิกแบงเป็นที่ยอมรับมากขึ้น  เพราะมีปรากฏการณ์หลายอย่างที่สอดคล้อง หรือเป็นไปตามทฤษฎีบิกแบง  ก่อนการเกิดบิกแบง  เอกภพเป็นพลังงานล้วนๆ ภายใต้อุณหภูมิที่สูงยิ่ง จุดบิกแบงจึงเป็นจุดที่พลังงานเริ่มเปลี่ยนเป็นสสารครั้งแรก เป็นจุดเริ่มต้นของเวลาและเอกภพ

ปัจจุบันเอกภพประกอบด้วยกาแล็กซีจำนวนเป็นแสนล้านแห่ง ระหว่างกาแล็กซีเป็นอวกาศที่เวิ้งว้างกว้างไกลเอกภพจึงมีขนาดใหญ่มาก โดยมีรัศมีไม่น้อยกว่า 15,000 ล้านปีแสง และมีอายุประมาณ 15,000 ล้านปีแสง ภายในกาแล็กซีแต่ละแห่งประกอบด้วยดาวฤกษ์จำนวนมาก  รวมทั้งแหล่งกำเนิดดาวฤกษ์ที่เรียกว่า เนบิวลา และที่ว่าง โลกของเราเป็นดาวเคราะห์ดวงหนึ่งในระบบสุริยะ ซึ่งเป็นสมาชิกหนึ่งของกาแล็กซีของเรา

บิกแบงเป็นทฤษฎีที่อธิบายถึงการระเบิดใหญ่ที่ทำให้พลังงานส่วนหนึ่งเปลี่ยนเป็นเนื้อสาร มีวิวัฒนาการต่อเนื่องจนเกิดเป็นกาแล็กซี เนบิวลา ดาวฤกษ์ ระบบสุริยะ โลก ดวงจันทร์ มนุษย์ และสิ่งมีชีวิตต่างๆ

ขณะเกิดบิกแบง มีเนื้อสารเกิดขึ้นในรูปของอนุภาคพื้นฐานชื่อ ควาร์ก (Quark) อิเล็กตรอน (Electron) นิวทริโน (Neutrino) และโฟตอน (Photon)  ซึ่งเป็นพลังงาน  เมื่อเกิดอนุภาคก็จะเกิดปฏิอนุภาค (Anti-particle) ที่มีประจุไฟฟ้าตรงกันข้าม ยกเว้นนิวทริโนและแอนตินิวทริโน  ไม่มีประจุไฟฟ้า  เมื่อปฏิอนุภาคพบกับอนุภาคชนิดเดียวกัน จะหลอมรวมกันเนื้อสารเปลี่ยนไปเป็นพลังงานจนหมดสิ้น  ถ้าเอกภพมีจำนวนอนุภาคเท่ากับปฏิอนุภาคพอดี  เมื่อพบกันจะกลายเป็นพลังงานทั้งหมด  ก็จะไม่เกิดกาแล็กซี  ดาวฤกษ์และระบบสุริยะ  โชคดีที่ในธรรมชาติ  มีอนุภาคมากกว่าปฏิอนุภาค  ดังนั้นเมื่อปฏิอนุภาคพบอนุภาค  นอกจากจะได้พลังงานเกิดขึ้นแล้ว  ยังมีอนุภาคเหลืออยู่  และนี่คืออนุภาคก่อกำเนิดเป็นสสารของเอกภพในปัจจุบัน

หลังบิกแบงเพียง 10^-6 วินาที อุณหภูมิของเอกภพลดลงเป็นสิบล้านล้านเคลวิน ทำให้ควาร์กเกิดการรวมตัวกันเป็นโปรตอน (นิวเคลียสของไฮโดรเจน)  และนิวตรอน

หลังบิกแบง 3 นาที อุณหภูมิของเอกภพลดลงเป็นร้อยล้านเคลวิน มีผลให้โปรตรตอนและนิวตรอนเกิดการรวมตัวเป็นนิวเคลียสของฮีเลียม ในช่วงแรกๆนี้ เอกภพขยายตัวอย่างเร็วมาก

หลังบิกแบง 300,000ปี อุณหภูมิลดลงเหลือ 10,000 เคลวิน นิวเคลียสของไฮโดรเจนและฮีเลียมดึงอิเล็กตรอนเข้ามาอยู่ในวงโคจร เกิดเป็นอะตอมไฮโดรเจนและฮีเลียมตามลำดับ

กาแล็กซีต่างๆ  เกิดหลักบิกแบงอย่างน้อย 1,000 ล้านปี ภายในกาแล็กซีมีธาตุไฮโดรเจนและฮีเลียมเป็นสารเบื้องต้นซึ่งก่อกำเนิดเป็นดาวฤกษ์รุ่นแรกๆ ส่วนธาตุต่างๆที่มีมวลมากกว่าฮีเลียมเกิดจากดาวฤกษ์ขนาดใหญ่

หลักฐานที่สนับสนุนทฤฎีบิกแบง

ข้อสังเกตที่สนับสนุนทฤษฎีบิกแบง ปรากฏการณ์อย่างน้อย 2 อย่าง ที่สนับสนุนทฤษฎีบิกแบง ได้แก่

1. การขยายตัวของเอกภพ  ฮับเบิล นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกันค้นพบว่า กาแล็กซีเคลื่อนที่ไกลออกไปด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้นตามระยะห่าง กาแล็กซีที่อยู่ไกลยิ่งเคลื่อนที่ห่างออกไปเร็วกว่ากาแล็กซีที่อยู่ใกล้ นั่นคือ เอกภพกำลังขยายตัว จากความเข้าใจในเรื่องนี้ทำให้นักดาราศาสตร์สามารถคำนวณอายุของเอกภพได้

2. อุณหภูมิพื้นหลังอวกาศซึ่งปัจจุบันลดลงเหลือ 2.73 เคลวิน การค้นพบอุณหภูมิของเอกภพในปัจจุบัน หรืออุณหภูมิพื้นหลัง  เป็นการค้นพบโดยบังเอิญโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกา  2  คน คือ อาร์โน เพนเซียส  และ   โรเบิร์ต วิลสัน แห่งห้องปฏิบัติการเบลเทเลโฟน  เมื่อปีพ.ศ.2508  ขณะนักวิทยาศาสตร์ทั้งสองคน กำลังทดสอบระบบเครื่องรับสัญญาณของกล้อง โทรทรรศน์วิทยุ ปรากฏว่ามีสัญญาณรบกวนตลอดเวลา ไม่ว่าจะเป็นกลางวันหรือกลางคืน หรือฤดูต่างๆ แม้เปลี่ยนทิศทาง และทำความสะอาดสายอากาศแล้วก็ยังมีสัญญาณรบกวนอยู่เช่นเดิม ต่อมาทราบภายหลังว่าเป็นสัญญาณที่เหลืออยู่ในอวกาศเทียบได้กับพลังงานของการแผ่รังสีของวัตถุดำ ที่มีอุณหภูมิประมาณ 2.73 เคลวิน หรือประมาณ – 270 องศาเซลเซียส

ในขณะเดียวกัน โรเบิร์ต ดิกกี พี.เจ.อีพี เบิลส์ เดวิด โรลล์ และ เดวิด วิลคินสัน แห่งมหาวิทยาลัยปรินซ์ตัน        ได้ทำนายมานานแล้วว่า การแผ่รังสีจากบิกแบงที่เหลืออยู่ในปัจจุบันน่าจะตรวจสอบได้ โดยกล้องโทรทรรศน์วิทยุ

ดังนั้นการพบพลังงานจากทุกทิศในปริมาณที่เทียบได้กับพลังงานการแผ่รังสี ของวัตถุดำที่ประมาณ 2.73 เคลวิน จึงเป็นอีกข้อหนึ่งที่สนับสนุน ทฤษฎีบิกแบงได้เป็นอย่างดี

กาแล็กซี

กาแล็กซี คืออาณาจักรหรือระบบของดาวฤกษ์ จำนวนนับแสนล้านดวง อยู่รวมกัน ด้วยแรงโน้มถ่วง

ระหว่างดวงดาวกับหลุมดำที่มีมวลมหาศาล ซึ่งอยู่ ณ ศูนย์กลางของกาแล็กซี โดยมีเนบิวลาเป็นกลุ่มแก๊ส

และฝุ่นละออง ที่เกาะกลุ่มอยู่ในที่ว่างบางแห่งระหว่างดาวฤกษ์ ระบบสุริยะสังกัดอยู่ กาแล็กซีทางช้างเผือก

(Milky Way Galaxy) มีกาแล็กซีที่สังเกตได้ด้วยตาเปล่า ได้แก่ กาแล็กซีแอนโรเมดา กาแล็กซีแมกเจลแลนใหญ่

และกาแล็กซีแมกเจนแลนเล็ก

นักวิทยาศาสตร์ ได้จำแนกกาแล็กซีออกเป็น 2 ประเภทใหญ่ ดังนี้

1. กาแล็กซีปกติ (regular galaxy) เป็นกาแล็กซีที่มีรูปแบบ แบ่งออกเป็น 3 กลุ่ม ได้แก่
 

1.1 กาแล็กซีรี (elliptical galaxy) มีรูปร่างแบบกลมรี ซึ่งบางกาแล็กซีอาจกลมมาก บางกาแล็กซีอาจรีมาก  นักดาราศาสตร์ให้ความเห็นว่า กาแล็กซีประเภทนี้จะมีรูปแบบกลมรีมากน้อยเพียงใดนั้นขึ้นอยู่กับอัตราการหมุนของกาแล็กซี ถ้าหมุนเร็วกาแล็กซีจะมีรูปแบบยาวรีมาก

 

1.2 กาแล็กซีกังหัน (spiral galaxy) มีรูปร่างคล้ายกังหัน อัตราการหมุนของกาแล็กซีกังหันนี้จะเร็วกว่าอัตราการหมุนของกาแล็กซีรี บางกาแล็กซีจะมีคาน เรียกว่า กาแล็กซีกังหันมีคาน (barred spiral galaxy) เช่น กาแล็กซีทางช้างเผือก
 

1.3 กาแล็กซีลูกสะบ้า (lenticular galaxy) มีรูปร่างคล้ายเลนส์นูน
 

2. กาแล็กซีไร้รูปทรง (Irregular galaxy ) เป็นกาแล็กซีที่ไม่มีรูปร่างที่แน่นอน หรือเรียกว่า กาแล็กซีอสัณฐาน มักจะเป็นกาแล็กซีขนาดเล็ก

กาแล็กซีทางช้างเผือก

        กาแล็กซี (Galaxy) หรือ ดาราจักร หมายถึง อาณาจักรของดาว กาแล็กซีหนึ่งๆ ประกอบด้วยก๊าซ ฝุ่น และดาวฤกษ์หลายพันล้านดวง กาแล็กซีมีขนาดใหญ่หมื่นล้านถึงแสนล้านปีแสง “ทางช้างเผือก” เป็นกาแล็กซีของเรามีขนาดประมาณหนึ่งแสนปีแสง เนื่องจากโลกของเราอยู่ภายในทางช้างเผือก (ภาพที่ 1) การศึกษาโครงสร้างของทางช้างเผือก จำต้องศึกษาจากภายในออกมา การศึกษากาแล็กซีอื่นๆ จึงช่วยให้เราเข้าใจกาแล็กซีของตัวเองมากขึ้น

ภาพที่ 1 ทางช้างเผือก

          แต่โบราณมนุษย์เข้าใจว่า ทางช้างเผือกเป็นปรากฏการณ์ภายในบรรยากาศโลกเช่นเดียวกับเมฆ หมอก รุ้งกินน้ำ จนกระทั่งคริสต์ศตวรรษที่ 18 ได้มีการสร้างกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่จึงทราบว่า ทางช้างเผือกประกอบด้วยดวงดาวมากมาย เซอร์ วิลเลียม เฮอร์เชล (ผู้ค้นพบดาวยูเรนัส) ทำการสำรวจความหนาแน่นของดาวบนท้องฟ้าและให้ความเห็นว่า ดวงอาทิตย์อยู่ตรงใจกลางของทางช้างเผือก ศตวรรษต่อมา ฮาร์โลว์ แชพลีย์ ทำการวัดระยะทางของ กระจุกดาวทรงกลมซึ่งห่อหุ้มกาแล็กซี โดยใช้ความสัมพันธ์คาบ-กำลังส่องสว่างของดาวแปรแสงแบบ RR Lyrae ที่อยู่ในกระจุกดาวทรงกลมทั้งหลาย เขาพบว่ากระจุกดาวเหล่านี้อยู่ห่างจากโลกนับหมื่นปีแสง รอบล้อมส่วนป่องของกาแล็กซี ดังนั้นดวงอาทิตย์ไม่น่าจะอยู่ตรงใจกลางของทางช้างเผือก

ภาพที่ 2 โครงสร้างของกาแล็กซีทางช้างเผือก

          กาแล็กซีทางช้างเผือก (The Milky Way Galaxy) เป็นกาแล็กซีแบบกังหัน มีดาวประมาณแสนล้านดวง มวลรวมประมาณ 9 หมื่นล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ แบ่งเป็น 3 ส่วน ดังนี้

1.	จาน (Disk) ประกอบด้วยแขนของกาแล็กซี มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 100,000 ปีแสง หนาประมาณ 1,000 – 2,000 ปีแสง มีดาวฤกษ์ประมาณ 400,000 ล้านดวง องค์ประกอบหลักเป็นฝุ่น ก๊าซ และประชากรดาวประเภทหนึ่ง (Population I) ซึ่งมีสเปคตรัมของโลหะอยู่มาก
2.	ส่วนโป่ง (Bulge) คือบริเวณใจกลางของกาแล็กซี มีขนาดประมาณ 6,000 ปีแสง มีฝุ่นและก๊าซเพียงเล็กน้อย องค์ประกอบหลัก เป็นประชากรดาวประเภทหนึ่งที่เก่าแก่ และประชากรดาวประเภทสอง (Population II) ซึ่งเป็นดาวเก่าแก่แต่มีโลหะเพียงเล็กน้อย
3.	เฮโล (Halo) อยู่ล้อมรอบส่วนโป่งของกาแล็กซี มีองค์ประกอบหลักเป็น “กระจุกดาวทรงกลม” (Global Cluster) จำนวนมาก แต่ละกระจุกประกอบด้วยดาวฤกษ์นับล้านดวง ล้วนเป็นประชากรดาวประเภทสอง นักดาราศาสตร์สันนิษฐานว่า กระจุกดาวทรงกลมเป็นโครงสร้างเก่าของกาแล็กซี เพราะมันโคจรขึ้นลงผ่านส่วนโป่งของกาแล็กซี

          การศึกษาทางช้างเผือกทำจากด้านในออกไป จึงยากที่จะเข้าใจภาพรวมว่า กาแล็กซีของเรามีรูปร่างหน้าตาอย่างไร ประกอบกับระนาบของทางช้างเผือกหนาแน่นไปด้วยดาว ฝุ่น และก๊าซ เป็นอุปสรรคกีดขวางการสังเกตการณ์ว่า อีกด้านหนึ่งของกาแล็กซีเป็นอย่างไร อุปกรณ์ที่ใช้ศึกษาโครงสร้างของกาแล็กซีได้ดีที่สุดก็คือ กล้องโทรทรรศน์อินฟราเรด (ภาพที่ 3) เพราะว่าใช้คลื่นยาวซึ่งสามารถเดินทางผ่านกลุ่มก๊าซและฝุ่นได้

 ภาพที่ 3 ภาพถ่ายอินฟราเรดของกาแล็กซีทางช้างเผือก

          ปัจจุบันเชื่อกันว่า ดวงอาทิตย์อยู่ห่างจากศูนย์กลางของกาแล็กซีประมาณ 30,000 ปีแสง และหมุนรอบศูนย์กลางไปตามแขนนายพราน ด้วยความเร็ว 220 km ต่อวินาที หนึ่งรอบใช้เวลา 240 ล้านปี ดวงอาทิตย์มีอายุ 4,600 ล้านปี จึงโคจรรอบกาแล็กซีมาแล้วเกือบ 20 รอบ นักดาราศาสตร์ใช้กฎเคปเลอร์ข้อที่ 3 คำนวณหามวลรวมของทางช้างเผือกภายในวงโคจรของดวงอาทิตย์ได้ 9 x 10¹⁰ เท่าของดวงอาทิตย์ จากนั้นทำการตรวจวัดมวลของกาแล็กซีด้านนอกของวงโคจรดวงอาทิตย์เพิ่มเติม โดยใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุ พบว่า มวลทั้งหมดของกาแล็กซีทางช้างเผือกควรจะเป็น 6 x 10¹¹ เท่าของดวงอาทิตย์ ในจำนวนนี้เป็นดาวฤกษ์ ดาวเคราะห์ ก๊าซ และฝุ่น ที่สังเกตได้โดยตรงด้วยแสงเพียง 10% ฉะนั้นมวลสารส่วนใหญ่ของกาแล็กซีอีก 90% เป็นสิ่งที่ไม่สามารถมองเห็นได้ซึ่งอาจจะเป็น หลุมดำขนาดเล็ก ดาวที่เย็นมาก หรืออนุภาคขนาดเล็กจำนวนมาก นักดาราศาสตร์จึงเรียกวัตถุเหล่านี้โดยรวมว่า “สสารมืด” (Dark Matter) ่
          แขนกังหันของกาแล็กซีทางช้างเผือกประกอบด้วย ฝุ่น ก๊าซ และดาวอายุน้อยอุณหภูมิสูง สเปกตรัม O และ B ซึ่งทำให้มองดูสว่างเป็นสีน้ำเงินกว่าบริเวณโดยรอบ แขนกังหันของมันทำหน้าที่เหมือนไม้กวาด ปัดรวบรวม ดาว ฝุ่น และก๊าซ ไว้ด้วยกัน ทำให้เกิดคลื่นความหนาแน่น กระตุ้นให้เกิดการก่อตัวของดาวดวงใหม่

กาแล็กซีเพื่อนบ้าน

1.กาแล็กซีแมกเจลแลนใหญ่ อยู่ห่างจากกาแล็กซีทางช้างเผือกออกไปประมาณ 163,000 ปีแสง

2.กาแล็กซีแมกเจลแลนเล็ก อยู่ห่างจากกาแล็กซีทางช้างเผือกประมาณ 196,000 ปีแสง ทั้งกาแล็กซีแมกเจลแลนใหญ่ กาแล็กซีแมกเจลแลนเล็ก เป็นชื่อที่ตั้งเป็นเกียรติแก่ เฟอร์ดินานด์ แมกเจลแลน นักสำรวจชาวโปรตุเกสกาแล็กซีทั้งสองมีลักษณะคล้ายเมฆ จัดเป็นกาแล็กซีที่ไร้รูปร่าง อยู่ทางขอบฟ้าทางทิศใต้

 3.กาแล็กซีแอนโดรมีดา  กาแล็กซีแอนโดรมีดาอยู่ไกลออกไปประมาณ 2.2ล้านปีแสง มีลักษณะคล้ายๆทางช้างเผือกของเรา แต่อาจจะใหญ่กว่าเล็กน้อย และถ้าสังเกตให้ดีจะเห็นว่า มันมีกาแล็กซีเพื่อนบ้านเล็กๆ เป็นฝ้าจางๆอีก2กาแล็กซี คือ M32(NGC 221) และ M110(NGC 205)ในขณะที่กาแล็กซีแอนโดรมีดา เป็นกาแล็กซีรูปเกลียว(Spiral galaxy) คือมีลักษณะกลมแบนเหมือนจานสองใบประกบกัน มีแขนเกลียวยื่นออกมา คล้ายๆกันกับ กาแล็กซีทางช้างเผือกของเรา แต่ M32 และM110 มีลักษณะเป็นกาแล็กซีรูปทรงรี(Elliptical galaxy) ปัจจุบันพบว่ากาแล็กซีรูปทรงรีมีจำนวนมากมาย มากกว่า กาแล็กซีรูปเกลียวเสียอีก