โลก ดาราศาสตร์ และอวกาศ (ม.4-ม.6)

เอกภพ

ดาราศาสตร์ (astronomy) คือ วิชาที่ศึกษาเกี่ยวกับดวงดาวบนท้องฟ้า โลก ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นบนท้องฟ้า และเทคโนโลยีอวกาศที่เกิดจากการนำความรู้ทางวิทยาศาสตร์ไปใช้ประโยชน์ในอวกาศ วิชาดารา- ศาสตร์ช่วยทำให้มนุษย์เกิดความรู้ ความเข้าใจธรรมชาติ วัตถุ และปรากฏการณ์บนท้องฟ้า
เอกภพ (universe) คือ ระบบรวมของกาแล็กซี ซึ่งมีอยู่ประมาณ 100,000 ล้านกาแล็กซี ระหว่างกาแล็กซีเป็นอวกาศที่เวิ้งว้างกว้างไกล เอกภพมีรัศมีไม่น้อยกว่า 15,000 ล้านปีแสง มีอายุประมาณ 15,000 ล้านปี เอกภพจึงเป็นปริมณฑลอันกว้างใหญ่ไพศาล ไม่มีขอบเขต ทุกสิ่งทุกอย่างต้องอยู่ในเอกภพทั้งสิ้น

กำเนิดเอกภพ


นักดาราศาสตร์ส่วนใหญ่เชื่อว่า เอกภพเกิดจากการเปลี่ยนพลังงานเป็นสสาร มีอนุภาคพื้นฐานเกิดขึ้นตามทฤษฎีบิกแบง บิกแบงจึงเป็นจุดเริ่มต้นของเวลาและเอกภพ ปัจจุบันทฤษฎีบิกแบงเป็นทฤษฎีกำเนิดเอกภพทฤษฎีหนึ่งที่เป็นที่ยอมรับกัน เพราะมีปรากฏการณ์หลายอย่างที่สอดคล้องกับทฤษฎีนี้ บิกแบงเป็นทฤษฎีที่อธิบายถึงการระเบิดครั้งใหญ่ และมีผลทำให้เกิดวิวัฒนาการต่อเนื่องจนกลายเป็นกาแล็กซี เนบิวลา ดาวฤกษ์ ระบบสุริยะ ดาวเคราะห์ โลก ดวงจันทร์ และสิ่งมีชีวิตต่างๆ ขั้นตอนของทฤษฎีบิกแบง มีดังนี้
1. เอกภพเป็นพลังงานภายใต้อุณหภูมิสูง
2. เกิดบิกแบงหรือเกิดการระเบิดใหญ่ เป็นการระเบิดภายใต้สภาวะอุณหภูมิที่สูงมาก ทำให้พลังงานเปลี่ยนเป็นสสารเป็นครั้งแรก มีเนื้อสารเกิดขึ้นในรูปของอนุภาคพื้นฐาน ชื่อ ควาร์ก (quark) อิเล็กตรอน (electron) นิวทริโน (neutrino) และโฟตอน (photon) ซึ่งเป็นพลังงานด้วย ขณะเดียวกันก็เกิดปฏิอนุภาค (antiparticle) ที่มีประจุไฟฟ้าตรงข้าม ยกเว้นนิวทริโนและแอนตินิวทริโนที่ไม่มีประจุไฟฟ้า ช่วงเกิดบิกแบงอุณหภูมิประมาณ 1032 เคลวิน แต่ช่วงที่เกิดอนุภาคและปฏิอนุภาคมีอุณหภูมิประมาณ 1027 เคลวิน
3. เมื่อปฏิอนุภาคพบกับอนุภาคชนิดเดียวกันจะหลอมรวมกัน ถ้าอนุภาคและปฏิอนุภาคมีจำนวน เท่ากันพอดีมวลจะเปลี่ยนเป็นพลังงานจนหมด แต่เนื่องจากจำนวนอนุภาคมีมากกว่าจำนวนปฏิอนุภาค นอก จากจะเกิดพลังงานแล้วยังเหลืออนุภาคที่ก่อกำเนิดเป็นสสารของเอกภพด้วย

4. หลังบิกแบงเพียง 1026 วินาที อุณหภูมิของเอกภพลดลงเป็น 1013 เคลวิน ทำให้ควาร์กเกิดการ รวมตัวกันกลายเป็นโปรตอน (นิวเคลียสของไฮโดรเจน) และนิวตรอน
5. หลังบิกแบง 3 นาที อุณหภูมิของเอกภพลดลงเป็น 108 เคลวิน โปรตอนและนิวตรอนจะรวมตัวกันเป็นนิวเคลียสของฮีเลียม ในช่วงแรกๆ นี้เอกภพขยายตัวเร็วมาก
6. หลังบิกแบง 300,000 ปี อุณหภูมิลดลงเหลือ 104 เคลวิน นิวเคลียสของไฮโดรเจนและนิวเคลียสของฮีเลียมจะดึงอิเล็กตรอนเข้ามาอยู่ในวงโคจร เกิดเป็นอะตอมของไฮโดรเจนและอะตอมของฮีเลียม
7. หลังบิกแบง 1,000 ล้านปี เกิดเป็นกาแล็กซีต่างๆ ภายในกาแล็กซีมีธาตุไฮโดรเจนและฮีเลียมในสถานะแก๊สเป็นสารเบื้องต้นซึ่งก่อกำเนิดเป็นดาวฤกษ์ในรุ่นแรก ไฮโดรเจนและฮีเลียมจึงเป็นธาตุที่มีมากที่สุดในเอกภพปัจจุบัน ในอัตราส่วน 3 : 1 จวบจนปัจจุบัน และแก๊สภายในกาแล็กซีจะรวมตัวกันด้วยแรงโน้มถ่วงก่อกำเนิดเป็นดาวฤกษ์จำนวนมาก


รูปแสดงความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิและช่วงเวลาในการเกิดเอกภพตามทฤษฎีบิกแบง

 

ทฤษฎีสภาวะคงตัว (the steady state theory) เป็นอีกแนวความคิดหนึ่งที่เสนอขึ้นมาเพื่ออธิบายกำเนิดและวิวัฒนาการของเอกภพ โดยเสนอว่า เอกภพมีสภาวะคงตัวไม่เปลี่ยนแปลง แม้ดวงดาว กาแล็กซีจะมีการดับสูญ แต่ก็มีดาวและกาแล็กซีเกิดขึ้นทดแทน ทฤษฎีนี้ต่อมาเสื่อมความนิยม นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่กลับมาเชื่อทฤษฎีบิกแบง ด้วยประจักษ์พยานดังนี้
1. การขยายตัวของเอกภพ เอ็ดวิน เพาเวล ฮับเบิล นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกันค้นพบว่า กาแล็กซีจะเคลื่อนที่ไกลออกไปด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้นตามระยะห่าง กาแล็กซีที่อยู่ไกลเคลื่อนที่ห่างออกไปเร็วกว่ากาแล็กซี ที่อยู่ใกล้ แสดงว่าเอกภพกำลังขยายตัวตรงตามทฤษฎีบิกแบง การขยายตัวของเอกภพทำให้ความหนาแน่นของเอกภพลดลง นั่นคือเอกภพไม่สามารถดำรงสภาวะคงตัวไว้ได้ ค้านกับทฤษฎีสภาวะคงตัว จึงทำให้ทฤษฎีสภาวะคงตัวเสื่อมความนิยม จากความรู้เรื่องการขยายตัวของเอกภพนี้เอง ทำให้นักดาราศาสตร์สามารถคำนวณหาอายุของเอกภพได้
2. อุณหภูมิพื้นหลังของเอกภพ ในปี พ.ศ. 2508 อาร์โน เพนเซียส และโรเบิร์ต วิลสัน นักวิทยาศาสตร์ ชาวอเมริกัน ได้ค้นพบอุณหภูมิของเอกภพหรืออุณหภูมิพื้นหลังโดยบังเอิญ ในขณะทดสอบระบบเครื่องรับสัญญาณของกล้องโทรทรรศน์วิทยุ ปรากฏว่ามีสัญญาณรบกวนตลอดเวลา แม้ว่าจะเปลี่ยนทิศทางและทำความสะอาดสายอากาศแล้วก็ตาม ต่อมาจึงทราบว่าเป็นสัญญาณที่เหลืออยู่ในอวกาศเทียบได้กับพลังงานของการ แผ่รังสีของวัตถุดำที่มีอุณหภูมิประมาณ 3 เคลวิน หรือประมาณ 2270 องศาเซลเซียส ซึ่งตรงกับค่าที่ได้จากการคำนวณตามทฤษฎีบิกแบง ในขณะเดียวกันโรเบิร์ต ดิกเกอร์ พี.เจ.อี. พีเบิลส์ เดวิด โรลล์ และเดวิด วิลคินสัน แห่งมหาวิทยาลัยปรินซ์ตัน ได้ทำนายว่า การแผ่รังสีจากบิกแบงที่เหลืออยู่ในปัจจุบันน่าจะตรวจสอบได้โดยใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุ จึงเป็นข้อสนับสนุนข้อมูลของเอ็ดวิน เพาเวล ฮับเบิล