Newsletter subscribe

Origin and Evolution of The Universe, Universe

กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#26 ฮับเบิลค้นพบการขยายตัวของจักรวาล

Posted: 25/11/2020 at 23:09   /   by   /   comments (0)

เนบิวลา (Nebula)

sci-news.com

เนบิวล่า (Nebula) คือ กลุ่มของก๊าซและฝุ่นผงที่รวมตัวกันอยู่ในอวกาศ เมื่อเราใช้กล้องโทรทรรศน์ส่องดู จะเห็นเป็นก้อนหมอกเมฆขนาดใหญ่ที่เปร่งแสงสีสวยงามที่ปะปนอยู่ในกลุ่มดวงดาว เนบิวล่าส่วนใหญ่มีขนาดกว้างใหญ่ บางชนิดมีเส้นผ่านศูนย์กลางหลายร้อยปีแสง องค์ประกอบหลักของเนบิวลาคือแก๊สไฮโดรเจน เนบิวลาบางชนิดมาจากก๊าซและฝุ่นละอองที่เกิดจากการระเบิดของดาวฤกษ์ที่กำลังจะตาย เช่น ซูเปอร์โนวา เนบิวล่าอื่นๆ เป็นบริเวณที่ดาวดวงใหม่เริ่มก่อตัว

 

 

Sanna Nielsen – Undo (Youtube)

 

 

ดาวแปรแสงเซเฟอิด (Cepheid variable star)

en.wikipedia.org

ดาวทุกดวงมีการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ความหนาแน่น และความสว่าง แต่สำหรับดาวฤกษ์ส่วนใหญ่ เช่น ดวงอาทิตย์ การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้มีขนาดเล็กมาก อย่างไรก็ตามในดาวบางดวง เช่น ดาวแปรแสงเซเฟอิด (Cepheid variable stars) การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวมีขนาดใหญ่และสังเกตเห็นได้ง่าย ความสว่างของดาว Cepheid มีการเปลี่ยนแปลงเนื่องจากก๊าซฮีเลียมที่อยู่ภายในนั้นร้อนและขยายตัว จากนั้นจะเย็นตัวลงและหดตัวลง

 

กราฟข้างบนแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความส่องสว่างและระยะเวลา จะเห็นว่าดาวแปรแสงเซเฟอิด (Cepheid variable stars) มีการเปลี่ยนแปลงแสงเป็นจังหวะสม่ำเสมอ ลักษณะเส้นกราฟคล้ายกับครีบฉลาม นั่นคือความสว่างจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว จากนั้นความสว่างจะลดลงอย่างช้าๆ และจากเส้นโค้งจะเห็นว่าดาวแปรแสงเซเฟอิดดวงนี้มีคาบเวลาของการเปลี่ยนแปลงความสว่างทุกๆ 5.4 วัน (period = 5.4 days)

ดาวแปรแสงเซเฟอิด (Cepheid variable stars) เป็นดาวที่มีคาบเวลาของการเปลี่ยนแปลงความสว่างอยู่ในช่วง 1-50 วัน รูปแบบความส่องสว่างของดาวเหล่านี้มีความต่อเนื่องและสม่ำเสมอมาก ทำให้สามารถวัดคาบเวลาของดวงดาวได้อย่างแม่นยำ

 

นักดาราศาสตร์ เฮนเรียต ตาเลวิตต์ (Henrietta Leavitt) ค้นพบความสัมพันธ์ระหว่าง “คาบเวลาที่ดาวเซเฟอิดเปลี่ยนแปลงความสว่าง” กับ “ความสว่างของดาวเซเฟอิด” ดาวเซเฟอิดที่สว่างกว่าแสดงให้เห็นว่ามีคาบเวลาของการเปลี่ยนแปลงความสว่างนานกว่าดาวเซเฟอิดที่สว่างน้อยกว่า ความสัมพันธ์ของ คาบเวลา-ความส่องสว่าง นี้สามารถใช้เพื่อวัดระยะทางไปยังกาแล็กซีใกล้เคียง 

 

การคำนวณระยะทางโดยใช้ Cepheids “เทียนของจักรวาล”

ดาวแปรแสงเซเฟอิด (Cepheid variable stars) เป็นดุจ “เทียนมาตรฐาน” ของจักรวาล นักดาราศาสตร์ทำการวัดระยะทางของกาแล็กซี โดยใช้การเปรียบเทียบกำลังส่องสว่างของดาว Cepheids 

นักดาราศาสตร์มีวิธีวัดความสว่างของดาวแต่ละดวงอยู่ 2 แบบคือ ความสว่างปรากฏและความสว่างสัมบูรณ์ 

ความสว่างปรากฏ (appearent magnitude; m) เป็นการวัดความสว่างของดาวบนท้องฟ้าเมื่อมองจากโลก  “ดาวที่มี magnitude น้อย จะสว่างมากกว่าดาวที่มี magnitude มาก” ดังภาพข้างล่างซึ่งแสดงตัวอย่างค่าความสว่างปรากฏของวัตถุท้องฟ้า

ความสว่างสัมบูรณ์ (absolute magnitude; M) เป็นการวัดความสว่างที่แท้จริงของดาว โดยจินตนาการให้ดาวนั้นอยู่ที่ระยะห่างจากโลกออกไป 10 พาร์เซก หรือ 32.62 ปีแสง  แล้วค่อยวัดความสว่างปรากฏ

นักดาราศาสตร์ใช้สมการโมดูลัสระยะทางในการหาระยะทางระหว่างโลกกับวัตถุในอวกาศ

m คือความส่องสว่างปรากฏ (ความสว่างของดาวบนท้องฟ้าเมื่อมองจากโลก)

M คือความส่องสว่างสัมบูรณ์ (ความสว่างที่แท้จริงของดาวในอวกาศ)

d คือ คือระยะห่างระหว่างดาวกับโลกในหน่วยพาร์เซก

(m – M) เรียกว่าโมดูลัสระยะทาง (distance modulus) เป็นการวัดระยะทางจากโลกไปยังดาวนั้น

ถ้าโมดูลัสระยะทางเป็น 0 ดาวนั้นจะอยู่ห่างจากโลกเท่ากับระยะทาง 10 พาร์เซก

ถ้าโมดูลัสระยะทางเป็นลบ แสดงว่าดาวนั้นอยู่ใกล้กว่า 10 พาร์เซก และความสว่างปรากฏจะสว่างกว่าความสว่างสัมบูรณ์

ถ้าโมดูลัสระยะทางเป็นบวก แสดงว่าดาวนั้นจะอยู่ห่างออกไปมากกว่า 10 พาร์เซก และความสว่างปรากฏจะสว่างน้อยกว่าความสว่างสัมบูรณ์

 

ตารางต่อไปนี้ให้ค่าระยะห่างระหว่างวัตถุในอวกาศกับโลกในหน่วยพาร์เซก (d) ที่คำนวณได้จากค่าต่างๆของ (m – M)

 

ตัวอย่างการคำนวณ:

astro.unl.edu

เมื่อนักดาราศาสตร์ทราบคาบเวลา (period) ของการเปลี่ยนแปลงความสว่างของดาวแปรแสงเซเฟอิด (Cepheid variable stars) ผ่านทางการสังเกตุการณ์ด้วยกล้องโทรทรรศน์ นักดาราศาสตร์จะนำค่า period ที่ได้ไปหาความสว่างสัมบูรณ์ (M) และความสว่างปรากฏ (m) โดยใช้กราฟข้างบน

จากรูปที่ 2 นักดาราศาสตร์สังเกตเห็นดาว Cepheid ดวงหนึ่งมีคาบเวลาของการเปลี่ยนแปลงความสว่างประมาณ 10 วัน จะได้ความสว่างปรากฏเฉลี่ย m = 6.5

จากรูปที่ 1 คาบเวลาของการเปลี่ยนแปลงความสว่าง 10 วัน จะได้ความสว่างสัมบูรณ์ คือ M = -4

นักดาราศาสตร์นำ m และ M ไปแทนค่าในสูตรเพื่อคำนวณหาระยะทางจากโลกไปยังดาว Cepheid:

หรือ

 

 

 

Christina Perri – A Thousand Years (YouTube)

 

 

ฮับเบิลค้นพบว่ากาแล็กซี่ทางช้างเผือกไม่ใช่จักรวาลทั้งหมด

ในช่วงต้นทศวรรษ 1900 นักดาราศาสตร์ส่วนใหญ่เชื่อว่าทั้งจักรวาลของเราประกอบด้วยกาแล็กซี่เดียวคือกาแล็กซี่ทางช้างเผือก (Milky Way Galaxy) ของเรา แน่นอนว่ากาแล็กซี่ทางช้างเผือกเป็นสถานที่ขนาดมหึมาที่มีดวงดาวอย่างน้อยแสนล้านดวง แต่ เอ็ดวิน ฮับเบิล สงสัยว่ามีอะไรอีกมากมายอยู่ในนั้น

 

ในปี 1923 เอ็ดวิน ฮับเบิล (Edwin Hubble 1889 – 1953) เป็นนักดาราศาสตร์ที่หอดูดาว Mount Wilson ในลอสแองเจลิส รัฐแคลิฟอร์เนีย สหรัฐอเมริกา ซึ่งเป็นที่ตั้งของกล้องโทรทรรศน์ Hooker ขนาด 100 นิ้ว (2.5 เมตร) ซึ่งเป็นกล้องโทรทรรศน์ที่ใหญ่ที่สุดในโลก ณ เวลานั้น ฮับเบิลได้ตรวจพบดาวแปรแสงเซเฟอิด (Cepheid variable star) “V1” ที่สว่างและหรี่ลงเป็นจังหวะสม่ำเสมออยู่ในบริเวณขอบรอบนอกของ “อันโดรเมดา (Andromeda)” ในเวลานั้นนักวิทยาศาสตร์คิดว่า Andromeda เป็นเนบิลาชนิดก้นหอย (spiral nebula) ที่ตั้งอยู่ในกาแล็กซี่ทางช้างเผือกของเรา ฮับเบิลอาศัยดาว Cepheid “V1” เพื่อวัดว่า Andromeda อยู่ห่างออกไปแค่ไหน คืนแล้วคืนเล่าเขาถ่ายภาพดาว Cepheid ด้วยกล้องโทรทรรศน์ขนาดมหึมา การสังเกตอีกหนึ่งสัปดาห์ทำให้เขาสามารถทำตามสูตรของ เฮนเรียต ตาเลวิตต์ (Henrietta Leavitt) ในการคำนวณหาระยะทางไปถึงมัน

จากระยะทางที่ได้ ฮับเบิลพบว่าดาว Cepheid “V1” ที่อยู่ใน Andromeda อยู่ไกลกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางโดยประมาณของกาแล็กซี่ทางช้างเผือก นี่แสดงว่า Andromeda อยู่นอกกาแล็กซี่ทางช้างเผือก นั่นหมายความว่า “Andromeda” ไม่ใช่เนบิลาในกาแล็กซี่ทางช้างเผือกตามที่เชื่อกัน แต่มันเป็นกาแล็กซี่หนึ่งที่อยู่นอกทางช้างเผือก ในเวลานั้นกาแล็กซี่ทางช้างเผือกถือเป็นจักรวาลทั้งหมด นี่เป็นการค้นพบครั้งสำคัญที่เปลี่ยนมุมมองของนักดาราศาสตร์เกี่ยวกับจักรวาลไปอย่างมาก จักรวาลมีขนาดใหญ่ขึ้นมากกว่าที่เคยคิด และเต็มไปด้วยกาแล็กซี่

 

twincities.com

“Andromeda” เป็นกาแล็กซี่ชนิดก้นหอย (spiral galaxy) ที่อยู่ใกล้กาแล็กซี่ทางช้างเผือกมากที่สุด ซึ่งอยู่ห่างจากกาแล็กซี่ของเราไป 2.2 ล้านปีแสง

 

 

Westlife – Dynamite (YouTube)

 

 

ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ (Doppler Effect)

 

quora.com

แสงคือ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic waves) แสงที่ตามองเห็นได้ (visible light) เป็นส่วนหนึ่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า อยูในช่วงคลื่น 400 – 700 นาโนเมตร แสงแต่ละสีมีความยาวคลื่นแตกต่างกัน สำหรับแสงที่ตามองเห็นได้นั้น แสงสีม่วงมีความยาวคลื่นสั้นที่สุด(ความถี่คลื่นสูงสุด) แสงสีแดงมีความยาวคลื่นมากที่สุด (ความถี่คลื่นต่ำสุด)

 

ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ (Doppler Effect) เป็นปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกับ “การเปลี่ยนแปลงความยาวคลื่นหรือความถี่คลื่น” ของคลื่นเสียงและคลื่นแสง ที่มีความสัมพันธ์ระหว่างทิศทางการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดคลื่นกับผู้สังเกตุการณ์

ปรากฏการณ์ที่วัตถุเคลื่อนที่เข้าหาผู้สังเกตุการณ์แล้วความยาวคลื่นสั้นลงหรือความถี่สูงขึ้นว่า “การเลื่อนไปทางน้ำเงิน (blueshift)” และเรียกปรากฏการณ์ที่วัตถุเคลื่อนที่ออกจากผู้สังเกตุการณ์ แล้วความยาวคลื่นจะยาวขึ้นหรือความถี่ต่ำลงว่า “การเลื่อนไปทางแดง (redshift)”

นักดาราศาสตร์ทราบว่าจักรวาลมีการขยายตัวอยู่ตลอดเวลา จากการสังเกตุเห็นการเลื่อนทางแดงของกาแล็กซี่ (redshift)

หากเรามองออกไปในจักรวาลอันไกลโพ้น เราจะพบกับกาแล็กซี่ที่อยู่ห่างออกไปหลายล้านพันล้านหรือหลายหมื่นล้านปีแสง นักดาราศาสตร์มองเห็นการเปลี่ยนสีแดงในแทบทุกกาแล็กซี  ยิ่งกาแล็กซีเปลี่ยนเป็นสีแดงมากเท่าไหร่ กาแล็กซีก็จะเคลื่อนห่างออกจากโลกเร็วขึ้นเท่านั้น

 

ฮับเบิลค้นพบการขยายตัวของจักรวาล

หลังจากที่เอ็ดวิน ฮับเบิล (Edwin Hubble) ประกาศว่า “อันโดรเมดา (Andromeda)” เป็นกาแล็กซี่ และกาแล็กซี่ทางช้างเผือก (Milky Way Galaxy) ของเราเป็นเพียงหนึ่งในหลายๆ กาแล็กซี่ในจักรวาล  ต่อมาในปี 1930 ฮับเบิลได้สังเกตการเปลี่ยนสีของกาแล็กซี่ต่างๆ ด้วยการใช้กล้องโทรทรรศน์ที่ใหญ่ที่สุดในยุคนั้น ฮับเบิลสังเกตุเห็นการเลื่อนไปทางแดง (Redshift) จากกาแล็กซี่ที่อยู่ห่างไกลโพ้น ยิ่งระยะทางไกลมากเท่าไร ก็ยิ่งเห็น redshift มากขึ้นเท่านั้น ซึ่ง Hubble ตีความ redshift ที่สังเกตุได้นี้ว่า เป็นผลมาจากปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ (Doppler Effect) ที่เกิดจากกาแล็กซี่เคลื่อนตัวออกห่างจากโลก นั่นหมายถึงจักรวาลกำลังขยายตัว ซึ่งบ่งบอกเป็นนัยว่าจักรวาลมีจุดกำเนิด

นอกจากนี้ฮับเบิลยังได้ทำการศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างระยะทางของกาแล็กซีกับการเลื่อนไปทางแดง (Redshift) เขาพบว่ากาแล็กซี่ที่อยู่ห่างไกลจะเคลื่อนที่ออกไปด้วยความเร็วสูงกว่ากาแล็กซี่ที่อยู่ใกล้ เขาพิสูจน์แล้วว่ามี “ความสัมพันธ์โดยตรง” ระหว่างความเร็วของกาแลคซีที่อยู่ห่างไกลและระยะทางจากโลก (ยิ่งอยู่ไกล ยิ่งเคลื่อนที่เร็ว) ปัจจุบันความสัมพันธ์นี้เรียกว่า “กฎของฮับเบิล (Hubble’s Law)” และถูกตีความหมายว่าจักรวาลกำลังขยายตัวในทุกทิศทาง

และตัวเลขเดียวที่อธิบายถึงอัตราการขยายตัวของจักรวาล เรียกว่า “ค่าคงที่ของฮับเบิล (Hubble Constant) “

 

youtube.com

การขยายตัวของจักรวาลอธิบายได้ด้วยสมการง่ายๆที่เรียกว่า “กฎของฮับเบิล (Hubble’s Law)”  กฎของฮับเบิลใช้อธิบายผลการสังเกตทางกายภาพของจักรวาลวิทยาที่ว่า กาแล็กซี่ยิ่งอยู่ห่างจากโลกเราเท่าใด ความเร็วในการเคลื่อนที่ถอยห่างจากเราก็จะมากขึ้นเท่านั้น กล่าวคือความเร็วในการถอยห่างแปรผันตรงกับระยะทางที่อยู่ห่างจากเรา

v = Hd

v คือ ความเร็วในการเคลื่อนที่ถอยห่างของกาแล็กซี่

d คือ ระยะห่างจากโลก

H คือ ค่าคงที่ของฮับเบิล (Hubble Constant)

จากข้อมูลของเขา ฮับเบิลพยายามที่จะประมาณค่าคงที่ เขาได้ค่า Hubble Constant ประมาณ 342,000 ไมล์/ชั่วโมง/ล้านปีแสง หรือ 501 กิโลเมตร/วินาที/เมกะพิกเซล (Mpc)

เทคนิคสมัยใหม่ที่แม่นยำยิ่งขึ้นได้ปรับปรุงค่าคงที่นี้ และแสดงให้เห็นว่าฮับเบิลให้ค่าคงที่ที่สูงเกินไปประมาณ 10 เท่า ในปี 2018 ข้อมูลจากดาวเทียมพลังค์ (Planck) ขององค์การอวกาศยุโรป ได้ค่าคงที่ฮับเบิลเป็น 46,200 ไมล์/ชั่วโมง/ล้านปีแสง (67.4 กิโลเมตร/วินาที/Mpc) 

ความเร็วของกาแล็กซี่วัดได้จาก “Redshift” ความจริงที่ว่าแสงที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดจะมีการเปลี่ยนแปลงความยาวคลื่นตามการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิด (redshift ถ้าเคลื่อนที่ออกห่าง blueshift ถ้าเคลื่อนที่ไปหาผู้สังเกต) เนื่องจากกาแลคซีทั้งหมดแสดงการเปลี่ยนสีแดงกล่าวคือเคลื่อนที่ออกจากเรา จึงเรียกว่า “ความเร็วในการเคลื่อนที่ถอยห่างของกาแล็กซี่”

สำหรับระยะห่างจากโลก คำนวณระยะทางโดยใช้ดาว Cepheids “เทียนของจักรวาล” ดังได้อธิบายไปแล้วในตอนต้น

นักวิทยาศาสตร์มองว่าการค้นพบของฮับเบิลเป็นเหตุการณ์สำคัญที่สุดในวงการดาราศาสตร์ในรอบศตวรรษ เป็นการเปลี่ยนแปลงขั้นพื้นฐานที่สุดในมุมมองของเราที่มีต่อโลกตั้งแต่โคเปอร์นิคัสเมื่อ 400 ปีก่อน ผลการศึกษาของเขาแสดงให้เห็นว่าจักรวาลกำลังขยายตัวเป็นพื้นฐานของทฤษฎีบิกแบง

 

 

Rihanna – Only Girl (In The World) (YouTube)