Newsletter subscribe

Origin and Evolution of The Universe, Universe

กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#37 โครงสร้างขนาดใหญ่ของจักรวาล

Posted: 23/08/2021 at 14:59   /   by   /   comments (0)

โครงสร้างขนาดใหญ่ของจักรวาล

เมื่อมองขึ้นไปบนท้องฟ้ายามค่ำคืน ดูเหมือนว่าดวงดาวและกาแล็กซี่จะกระจัดกระจายไปอย่างไม่เป็นระเบียบ อย่างไรก็ตาม จริงๆ แล้ว จักรวาลไม่ใช่สถานที่ที่สับสนวุ่นวาย ในทางตรงกันข้าม จักรวาลประกอบด้วยโครงสร้างที่เป็นระเบียบในระดับต่างๆ กัน ตั้งแต่ระบบขนาดเล็กอย่างโลกและระบบสุริยะของเรา ไปจนถึงกาแล็กซีที่มีดาวนับล้านล้านดวง และสุดท้ายโครงสร้างที่ใหญ่มากซึ่งมีกาแล็กซีหลายพันล้านแห่ง

แม้ว่าจะมีกาแล็กซีบางแห่งที่อยู่อย่างโดดเดี่ยว แต่ส่วนใหญ่จะอยู่รวมกันเป็นกลุ่มกาแล็กซี (galaxy group) ซึ่งมีสมาชิกประมาณ 50 กาแล็กซี และกระจุกกาแล็กซี (galaxy cluster) ซึ่งมีสมาชิกประมาณ 100-1,000 กาแล็กซี สำหรับกาแล็กซีทางช้างเผือกของเรา เป็นสมาชิกของกลุ่มกาแล็กซีท้องถิ่น (Local group) ซึ่งมีสมาชิกประมาณ 50 กว่ากาแล็กซี

กลุ่มกาแล็กซีและกระจุกกาแล็กซีจำนวนมากสามารถรวมตัวกันด้วยความโน้มถ่วง (gravity) เพื่อสร้างโครงสร้างที่ใหญ่ขึ้นถัดไป นั่นคือ กระจุกกาแล็กซีขนาดใหญ่ (supercluster)

กระจุกกาแล็กซีขนาดใหญ่ (supercluster) สร้างโครงสร้างขนาดใหญ่ของจักรวาลที่เรียกว่า “เส้นใย (filament)” ซึ่งถูกคั่นด้วย “ช่องว่าง (void)” ขนาดใหญ่สีดำ ทำให้เรามองเห็นจักรวาลที่สังเกตได้เป็นโครงสร้างเหมือนเส้นใย ที่เรียกว่า “โครงข่ายจักรวาล (Cosmic web)” ซึ่งเป็นชื่อที่นักดาราศาสตร์ตั้งให้กับโครงสร้างขนาดใหญ่ของจักรวาล

เส้นใยแต่ละเส้นของ cosmic web เป็นผนังของกาแล็กซีที่ทอดยาวไปหลายร้อยล้านปีแสง เส้นใยที่ใหญ่ที่สุดที่เราพบจนถึงปัจจุบันคือ Hercules–Corona Borealis Great Wall ซึ่งมีความยาวถึงหนึ่งหมื่นล้านปีแสง ถือเป็นโครงสร้างที่ใหญ่ที่สุดในจักรวาลที่สังเกตได้

 

Structure formation in a dark matter-dominated Universe, from a simulation.

กาแล็กซีไม่ได้กระจายตัวในอวกาศอย่างสม่ำเสมอ แต่ถูกจัดเรียงเป็นโครงข่ายเส้นใยขนาดใหญ่ที่คั่นด้วยช่องว่างขนาดยักษ์ โดยมีกระจุกกาแล็กซีอยู่อย่างหนาแน่นที่จุดตัดของเส้นใย โครงสร้างที่สัมพันธ์กันเหล่านี้มีความยาวถึงพันล้านปีแสง และถูกสร้างขึ้นด้วยความโน้มถ่วง เฉกเช่นความโน้มถ่วงบนตาชั่งขนาดเล็กที่ดึงอนุภาคก๊าซเพื่อสร้างดาว และดึงดาวเข้าด้วยกันเพื่อสร้างกาแล็กซี  บนสเกลที่ใหญ่ขึ้น ความโน้มถ่วงก็ดึงดูดกาแล็กซีและสสารมารวมตัวกัน ทำให้บรรดากระจุกกาแล็กซีแยกตัวจากที่ว่างในห้วงอวกาศ มาเชื่อมต่อกันเป็นโครงข่ายคล้ายใยแมงมุม

 

 

Skillet – Stars

 

 

การทำแผนที่จักรวาล

Redshift Survey

เราทราบแล้วว่านักดาราศาสตร์สามารถหาระยะทางของดวงดาวหรือกาแล็กซี โดยอาศัยการเลื่อนไปทางแดง (redshift) ของดวงดาวหรือกาแล็กซี redshift ที่มากขึ้นสอดคล้องกับระยะห่างจากโลกที่มากขึ้น 

ในทางดาราศาสตร์ การสำรวจการเลื่อนไปทางแดง (redshift survey)  คือการสำรวจส่วนหนึ่งของท้องฟ้าเพื่อวัดการเปลี่ยนแปลงไปทางสีแดงของวัตถุทางดาราศาสตร์รวมกับข้อมูลตำแหน่งเชิงมุม โดยทั่วไปแล้วจะเป็นการสำรวจกาแล็กซีหรือกระจุกกาแล็กซี หลังจากที่เราถ่ายภาพส่วนหนึ่งของท้องฟ้าแล้ว เราก็สามารถนำสเปกตรัมของกาแล็กซีทั้งหมดในภาพนั้นมาหาระยะทางได้

 

Plot of sky coordinates vs. distance for galaxies in the Sloan Digital Sky Survey showing redshift

โครงสร้างขนาดใหญ่ของจักรวาล สามารถสังเกตได้อย่างชัดเจนในการสำรวจการเลื่อนไปทางแดง (redshift survey) รูปข้างบนเป็นชิ้นส่วนของท้องฟ้าเมื่อมองจากโลก ซึ่งแสดงการกระจายตัวของกาแล็กซีในลักษณะใยแมงมุมบนเกล็ดขนาดใหญ่ที่สามารถมองเห็นได้ด้วยตา ที่สำรวจโดย Sloan Digital Sky Survey (SDSS) ซึ่งได้ดำเนินการมาเป็นเวลากว่า 20 ปี ในการรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับตำแหน่งและการเลื่อนไปทางแดง (redshift) เพื่อสร้างแผนที่ของจักรวาล

โลกอยู่ที่ศูนย์กลางของภาพ แต่ละจุดบนคือกาแล็กซีแต่ละแห่ง ทิศทางไปยังจุดนั้นระบุตำแหน่งบนท้องฟ้า และระยะห่างจากจุดศูนย์กลางของภาพระบุระยะห่างจากโลก สิ่งที่สังเกตได้คือการกระจายตัวของจักรวาลไม่ได้เป็นแบบสุ่ม (random) แต่กาแล็กซีดูเหมือนจะอยู่กันเป็นกระจุก

โครงสร้างที่คุณเห็นในภาพมักถูกอธิบายว่าเป็นเหมือนฟองสบู่ นั่นคือ กาแล็กซีต่างๆ วางตัวอยู่ตามผนังของฟองสบู่ และภายในฟองสบู่นั้นเป็นช่องว่างที่ไม่ได้ว่างเปล่าอย่างสมบูรณ์ แต่มีกาแล็กซีอยู่น้อยมาก กลุ่มกาแล็กซีท้องถิ่น (Local group) ที่มีกาแล็กซีของเราเป็นสมาชิก ก็อยู่ในช่องว่าง

 

 

Astrid S – Think Before I Talk

 

 

CMB Anisotropic Map

รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล (Cosmic Microwave Background: CMB) เป็นรังสีที่ระลึกจากการระเบิด “บิกแบง” มีความสำคัญทางด้านจักรวาลวิทยา เพราะมันเต็มไปด้วยข้อมูลของจักรวาลยุคต้น ช่วยให้เราเข้าใจว่าจักรวาลเกิดขึ้นได้อย่างไร ทำไมจักรวาลที่เราเห็นอยู่ในปัจจุบันถึงมีโครงสร้างแบบนี้ และมีองค์ประกอบอะไรบ้าง

ถ้าเราพิจารณา CMB แบบหยาบๆหรือในสเกลใหญ่ จะพบว่าอุณหภูมิของ CMB มีความสม่ำเสมอเท่ากันทั่วทั้งท้องฟ้าหรือมีค่าเท่ากันในทุกทิศทางที่วัด เรียกว่า CMB ไอโซโทรปี (CMB isotropy) นั่นหมายความว่า ไม่ว่าคุณจะอยู่ที่ไหนในจักรวาล หากมองที่จักรวาล มันก็จะมีลักษณะเหมือนกันในทุกสถานที่และในทุกทิศทาง

แต่ถ้าเราพิจารณาแบบละเอียดหรือในสเกลเล็ก เราจะพบความผันผวนเล็กน้อยในอุณหภูมิของ CMB ในทิศทางที่ต่างกัน หรือ CMB แอนไอโซโทรปี (CMB anisotropy) ซึ่งเกี่ยวข้องกับโครงสร้างของจักรวาลที่เราเห็นในปัจจุบัน เพราะมันหมายความว่าบริเวณกว้างๆ ของจักรวาลจะไม่เหมือนกันทุกที่ เครื่องมือของดาวเทียม COBE ยืนยันความเป็น anisotropy ของ CMB ในอัตรา 1 : 100,000 การค้นพบนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งเพราะนำไปสู่ข้อมูลสำคัญของจักรวาลยุคต้น

 

รูปนี้เป็น CMB anisotropic map ขั้นสุดท้ายที่ทีมนักวิทยาศาสตร์สร้างออกมาจากข้อมูล 9 ปีของดาวเทียม WMAP สีที่มีความแตกต่างกันแสดงความผันผวนของอุณหภูมิของรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล หรือ CMB anisotropy องค์การนาซ่าเรียกภาพนี้ว่า “baby picture of the universe” ซึ่งแสดงให้เห็นว่าจักรวาลยุคต้นมีหน้าตาอย่างไร

ถึงแม้นว่า CMB anisotropy จะปรากฎในระดับที่น้อยมาก 1 : 100,000 แต่มันมีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากมันได้รับการขนานนามว่าเป็นรอยประทับของ “เมล็ดพันธุ์” ของการเจริญเติบโตเป็นโครงสร้างขนาดใหญ่ของจักรวาลที่สังเกตุได้ในปัจจุบัน

จาก CMB anisotropic maps ที่ได้ ตีความได้ว่า ความผันผวนในอุณหภูมิของ CMB ที่เกิดขึ้นระหว่างระยะการพองตัวของจักรวาล เป็น “ร่องรอยของความแตกต่างของความหนาแน่นของสสาร” ในจักรวาลยุคต้น จุดร้อนหรือมีอุณหภูมิสูงกว่า (สีแดงในแผนที่) เป็นตัวแทนของบริเวณที่มีความหนาแน่นที่สูงกว่าในจักรวาลยุคต้น ส่วนจุดเย็นหรือมีอุณหภูมิต่ำกว่า (สีน้ำเงินในแผนที่) เป็นตัวแทนของบริเวณที่มีความหนาแน่นที่ต่ำกว่าในจักรวาลยุคต้น และความแตกต่างของความหนาแน่นของสสารได้ขยายเพิ่มเติมในภายหลังด้วยความโน้มถ่วง (gravity)

 

Universe In Box

แบบจำลองของ National Center for Supercomputer Applications มหาวิทยาลัยชิคาโก สหรัฐฯ แสดงวิวัฒนาการของการเกิดโครงสร้างขนาดใหญ่ในจักรวาลที่กำลังขยายตัว โดยการใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์จำลองภาพลำดับของการวิวัฒนาการของสสารในกล่องขนาดใหญ่ที่ขยายตัวในอัตราเดียวกับการขยายตัวของจักรวาล จากข้อมูลที่ได้จากการศึกษา CMB anisotropy ขององค์การนาซ่า การศึกษา redshift โดยการสังเกตุการณ์ต่างๆ และการศึกษาสสารมืด-พลังงานมืด

ในจักรวาลยุคต้น การกระจายตัวของสสารดูเหมือนจะสม่ำเสมอ เนื่องจากความแตกต่างของความหนาแน่นของสสารยังค่อนข้างน้อย การพบ CMB anisotropy ในอัตรา 1 : 100,000 ถึงแม้นจะเป็นอัตราที่น้อยมากๆ แต่บ่งบอกว่า บางบริเวณของจักรวาลในยุคต้นมีความหนาแน่นสูงกว่าบริเวณอื่นเล็กน้อย บริเวณที่มีความหนาแน่นสูงกว่าเล็กน้อยนี้จะมีความโน้มถ่วงมากกว่า ในขณะที่จักรวาลขยายตัวอย่างต่อเนื่อง ความโน้มถ่วงที่อยู่ภายในบริเวณนี้จะค่อยๆ ดึงดูดสสารเข้ามามากขึ้นเรื่อยๆ จนในที่สุดเมื่อเวลาผ่านไป บริเวณนี้ก็มีความหนาแน่นพอที่จะเริ่มกระบวนการสร้าง ดวงดาว (star) กาแล็กซี่ (galaxy) และกระจุกกาแล็กซี่ (galaxy cluster) ส่วนบริเวณที่มีความหนาแน่นต่ำกว่า จะมีโอกาสน้อยที่จะเป็นเช่นนั้น บริเวณนี้จะกลายเป็นช่องว่างขนาดใหญ่ในจักรวาล (cosmic void)

จักรวาลดำเนินการ “สร้างตัวเอง” จากระดับเล็กไประดับใหญ่ ความแตกต่างของความหนาแน่นของสสารที่เพิ่มขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป ส่งผลให้มีโครงสร้างมากมาย โครงสร้างที่เล็กกว่าก่อตัวขึ้นก่อน จากนั้นจึงรวมเข้าด้วยกันเพื่อสร้างโครงสร้างที่ใหญ่ขึ้น กาแล็กซีสองสามแห่งมารวมกันเพื่อสร้างกลุ่มกาแล็กซี (galaxy group) เหมือนกับกลุ่มท้องถิ่น (Local group) ของเรา จากนั้นกลุ่มต่างๆ ก็เริ่มรวมตัวกันเพื่อสร้างกระจุกกาแล็กซี (galaxy cluster) และในที่สุดก็กลายเป็นกระจุกกาแล็กซีขนาดใหญ่ (supercluster) ไปจนถึงเส้นใยขนาดใหญ่ (filament) 

รูปแบบของเส้นใยจักรวาลที่มีกาแล็กซี่และกระจุกกาแล็กซี่อยู่กันอย่างหนาแน่นที่คั่นด้วยช่องว่างขนาดใหญ่ เป็นโครงสร้างขนาดใหญ่ที่สามารถสังเกตุได้ของจักรวาลที่เรียกว่า โครงข่ายจักรวาล (cosmic web)

มีแนวคิดที่ว่าการเติบโตของโครงสร้างของจักรวาลถูกควบคุมโดยสสารลึกลับที่มองไม่เห็น ความโน้มถ่วงที่เกิดจากสสารธรรมดาที่สังเกตได้จะไม่สามารถจับกาแล็กซีให้มารวมตัวกันเป็นกระจุกกาแล็กซีได้ นี้แสดงว่ายังมีสสารลึกลับที่สร้างความโน้มถ่วงออกมา คอยประคับประคองให้กระจุกกาแล็กซีรักษารูปทรงไม่ให้แยกตัวออกจากกัน นักดาราศาสตร์เชื่อว่ายังมีมวลของสสารลึกลับที่เรามองไม่เห็นในจักรวาล ซึ่งคิดเป็นประมาณ 85% ของสสารทั้งหมดในจักรวาล นักดาราศาสตร์เรียกสสารลึกลับนี้ว่า “สสารมืด (dark matter)” 

 

 

Kelly Clarkson – Invincible

 

 

Comments (0)

write a comment

Comment
Name E-mail Website