Newsletter subscribe

Origin and Evolution of The Universe, Universe

กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#38 อายุของจักรวาล

Posted: 13/09/2021 at 11:01   /   by   /   comments (0)

นับตั้งแต่ทฤษฎีบิกแบงปรากฏ นักดาราศาสตร์ได้รู้ว่าจักรวาลมีจุดเริ่มต้น แต่การหาจำนวนเทียนที่จะวางบนเค้กวันเกิดของจักรวาลนั้นพิสูจน์แล้วว่าเป็นเรื่องยาก

นักดาราศาสตร์ส่วนใหญ่ยอมรับว่าจักรวาลที่สังเกตได้นั้นมีอายุระหว่าง 13.7-13.8 พันล้านปี นักดาราศาสตร์ประเมินอายุของจักรวาลในสองวิธี: 1) โดยการมองหาดาวที่เก่าแก่ที่สุด และ 2) โดยการวัดอัตราการขยายตัวของจักรวาลและประมาณการกลับไปสู่บิกแบง 

 

 

“Nothing Else Matters”

 

 

1. การมองหาดาวที่เก่าแก่ที่สุด

1.1 กระจุกดาวทรงกลม

จักรวาลไม่สามารถมีอายุน้อยกว่าวัตถุที่อยู่ภายในได้ ด้วยการหาอายุของดาวฤกษ์ที่มีอายุมากที่สุด นักวิทยาศาสตร์สามารถรู้อายุของจักรวาลได้

กระจุกดาวทรงกลม (globular cluster) เป็นแหล่งรวมของดวงดาวที่มีรูปร่างเป็นทรงกลมที่โคจรไปรอบๆ แกนกลางกาแล็กซี่ ดาวฤกษ์ในกระจุกดาวทรงกลมมีแรงโน้มถ่วงดึงดูดต่อกันค่อนข้างมาก ทำให้พวกมันรวมตัวเป็นกลุ่มทรงกลม มีความหนาแน่นของดาวค่อนข้างสูงโดยเฉพาะในจุดศูนย์กลาง 

เป็นทฤษฎีที่ยอมรับกันอย่างกว้างขวางในปัจจุบันว่า เมื่อดาวฤกษ์ดวงแรกก่อตัวขึ้นในจักรวาลของเราเมื่อประมาณ 13 พันล้านปีก่อน พวกมันมารวมกันเป็นกระจุกดาวทรงกลมอย่างรวดเร็ว จากนั้นกระจุกดาวเหล่านี้จึงรวมตัวกับกลุ่มอื่นเพื่อก่อตัวเป็นกาแล็กซี่แห่งแรก ซึ่งมีการเติบโตผ่านการควบรวมและพัฒนาตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา ด้วยเหตุนี้ นักดาราศาสตร์จึงสงสัยมานานแล้วว่าดาวที่เก่าแก่ที่สุดในจักรวาลจะอยู่ในกระจุกดาวทรงกลม

 

Globular Cluster M15

ภาพกระจุกดาวทรงกลม Messier 15 (M15) จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล การซูมเข้าที่มุมขวาบนของภาพ แสดงให้เห็นว่าแกนกลางของกระจุกดาวทรงกลมประกอบด้วยดาวระยิบระยับมากกว่า 100,000 ดวง การศึกษาพบว่า Messier 15 มีอายุประมาณ 12 พันล้านปี

วิธีหนึ่งที่นักดาราศาสตร์ใช้ในการประเมินอายุของจักรวาล โดยการศึกษากระจุกดาวทรงกลม (globular cluster) ซึ่งเป็นกลุ่มดาวฤกษ์ที่อยู่รวมกันอย่างหนาแน่นประมาณหนึ่งล้านดวง ความหนาแน่นของดาวฤกษ์ใกล้ศูนย์กลางกระจุกดาวทรงกลมนั้นมหาศาล เนื่องจากดาวทุกดวงในกระจุกดาวทรงกลมก่อตัวขึ้นพร้อมๆ กัน พวกมันจึงสามารถทำหน้าที่เป็น “นาฬิกาจักรวาลได้อย่างคร่าวๆ”

วิธีการประมาณอายุของจักรวาลนี้ ต้องมีความเข้าใจในวัฏจักรชีวิตของดวงดาว วัฏจักรชีวิตของดาวฤกษ์ขึ้นอยู่กับมวลของมัน ดาวมวลสูงจะสว่างกว่าดาวมวลต่ำมาก พวกมันเผาผลาญเชื้อเพลิงไฮโดรเจนอย่างรวดเร็วเนื่องจากอุณหภูมิแกนกลางที่สูงขึ้นซึ่งเกิดจากแรงโน้มถ่วงที่มากกว่า ดาวมวลสูงจึงมีอายุสั้น  ดาวฤกษ์อย่างดวงอาทิตย์มีเชื้อเพลิงในแกนของมันเพียงพอที่จะเผาไหม้ที่ความสว่างในปัจจุบันเป็นเวลาประมาณ 9 พันล้านปี ดาวฤกษ์ที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์สองเท่าจะเผาผลาญเชื้อเพลิงได้ภายในเวลาเพียง 800 ล้านปี ดาวฤกษ์ที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ 10 เท่า จะเผาผลาญเชื้อเพลิงได้ภายในเวลาเพียง 20 ล้านปีเท่านั้น ในทางกลับกัน ดาวฤกษ์ที่มีมวลเพียงครึ่งเดียวของดวงอาทิตย์จะเผาไหม้อย่างช้าๆ มันจะอยู่ได้นานกว่า 20 พันล้านปี

กระจุกดาวทรงกลมที่เก่าแก่ที่สุด มีดาวฤกษ์ที่มีมวลน้อยกว่า 0.7 เท่าของมวลดวงอาทิตย์เท่านั้น ดาวมวลต่ำเหล่านี้สลัวกว่าดวงอาทิตย์ของเรามาก กระจุกดาวทรงกลมที่เก่าแก่ที่สุดที่รู้จักมีดาวที่มีอายุราว 11 ถึง 14 พันล้านปี ช่วงกว้างมาจากปัญหาในการระบุระยะทางไปยังกระจุกดาวทรงกลม ซึ่งส่งผลต่อค่าประมาณความสว่างและมวล 

การศึกษาใหม่ที่ตีพิมพ์ในปี 2020 จากการศึกษากระจุกดาวทรงกลมจำนวน 68 แห่งโดยนักวิจัยของนาซ่า พบอายุของจักรวาลอยู่ที่ 13.5 พันล้านปี

 

 

Ed Sheeran – Shivers

 

 

1.2 ดาวแคระขาว

วิธีที่สองในการหาอายุของจักรวาลคือ การวัดอายุของดาวฤกษ์ที่กำลังจะตายที่มีอายุยืนยาว ดาวแคระขาว (White dwarf star) เป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับการศึกษาเหล่านี้ พวกมันคือเถ้าถ่านของดวงดาวที่ครั้งหนึ่งเคยเป็นเหมือนดวงอาทิตย์

เมื่อดาวฤกษ์สิ้นอายุขัย ดาวที่มีมวลมากอาจกลายเป็นหลุมดำหรือดาวนิวตรอน ส่วนดาวฤกษ์ที่มีมวลน้อยหรือปานกลาง เช่น ดวงอาทิตย์ของเรา จะกลายเป็นดาวแคระขาวเมื่อเชื้อเพลิงไฮโดรเจนได้หมดลง

ดาวแคระขาวทั่วไปจะมีมวลเท่ากับดวงอาทิตย์ (ไม่เกิน 1.4 เท่าของมวลของดวงอาทิตย์ ) แต่มีขนาดเท่าโลกเท่านั้น ดาวแคระขาวจึงมีความหนาแน่นสูงมาก รองจากดาวนิวตรอนและหลุมดำเท่านั้น

ดาวแคระขาวเป็นระยะสุดท้ายของวิวัฒนาการของดาวฤกษ์ส่วนใหญ่ที่มีมวลไม่มาก เมื่อใกล้ถึงจุดสิ้นสุดของขั้นตอนการเผาไหม้ของปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน ดาวประเภทนี้จะขับไล่วัตถุภายนอกส่วนใหญ่ออกไป เหลือเพียงแกนกลางของดาวที่ร้อนระอุ แกนกลางนี้กลายเป็นดาวแคระขาวที่ร้อนมาก โดยมีอุณหภูมิสูงกว่า 100,000 องศาเคลวิน แต่ไม่ค่อยสว่าง 

นักดาราศาสตร์สามารถคำนวณอัตราที่ดาวแคระขาวจะจางลงและเย็นลง ดังนั้นเมื่อพวกเขาวัดความสว่างและอุณหภูมิของดาวแคระขาว จะสามารถทราบอายุและระยะเวลาที่พวกมันเย็นลง ด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล นาซ่าค้นพบว่าดาวแคระขาวที่มืดที่สุด เย็นที่สุด มีอายุอย่างน้อย 12-13 พันล้านปี เนื่องจากการสังเกตการณ์ของกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลก่อนหน้านี้ แสดงให้เห็นว่าดาวฤกษ์ดวงแรกก่อตัวขึ้นน้อยกว่า 1 พันล้านปีหลังการระเบิดบิกแบง ดังนั้นการหาอายุของดาวแคระขาวที่เก่าแก่ที่สุด ทำให้นักดาราศาสตร์สามารถคำนวณอายุสัมบูรณ์ของจักรวาลได้ อยู่ที่ 13 ถึง 14 พันล้านปี

 

 

Sub Urban & Bella Poarch – INFERNO

 

 

2. การหาอัตราการขยายตัวของจักรวาล

จักรวาลที่เราอาศัยอยู่มีการขยายตัวอย่างต่อเนื่อง หากทราบอัตราการขยายตัว นักวิทยาศาสตร์สามารถคาดการณ์ย้อนหลังกลับไปที่บิกแบง เพื่อกำหนดอายุของจักรวาลได้ ดังนั้นการหาอัตราการขยายตัวของจักรวาลซึ่งเป็นตัวเลขที่เรียกว่า “ค่าคงที่ฮับเบิล (Hubble constant)” เป็นหนึ่งในตัวเลขที่สำคัญที่สุดในจักรวาลวิทยา ค่าคงที่ฮับเบิลที่ใหญ่ขึ้นทำให้จักรวาลเคลื่อนที่เร็วขึ้นและอายุน้อยกว่า

มีหลายปัจจัยที่กำหนดค่าคงที่ฮับเบิล อย่างแรกคือองค์ประกอบของสสารที่ครอบงำจักรวาล นักวิทยาศาสตร์จะต้องกำหนดสัดส่วนของสสารปกติและสสารมืดต่อพลังงานมืด ความหนาแน่นก็มีบทบาทเช่นกัน จักรวาลที่มีความหนาแน่นของสสารต่ำ จะมีอายุเก่าแก่กว่าจักรวาลที่มีสสารมาก

หากจักรวาลมีความหนาแน่นของสสารต่ำ อายุของจักรวาลก็จะมากขึ้น เท่ากับ 1/H0

ถ้าจักรวาลมีความหนาแน่นของสสารสูง อายุของจักรวาล เท่ากับ 2/(3 H0)

โดยที่ H0 คือ ค่าคงที่ฮับเบิล

นักดาราศาสตร์หลายคนกำลังทำงานอย่างหนักเพื่อวัดค่าคงที่ฮับเบิลโดยใช้เทคนิคต่างๆ ที่หลากหลาย ก่อนหน้านี้ ค่าประมาณอยู่ระหว่าง 65-80 กม./วินาที/เมกาพาร์เซก โดยค่าที่ดีที่สุดอยู่ที่ 67.4 กม./วินาที/เมกะพาร์เซก จากข้อมูลปี 2018 ของดาวเทียมพลังค์ (Planck) ขององค์การอวกาศยุโรป

 

มีสองวิธีในการหาค่าคงที่ฮับเบิล

 

No Alt Text

2.1 การวัดระยะทางไปยังกาแล็กซี่ต่างๆ และความเร็วที่กาแล็กซี่เหล่านี้เคลื่อนที่ออกจากกันเมื่อจักรวาลขยายตัว เป็นวิธีหนึ่งที่จะบอกได้ว่าจักรวาลมีอายุเท่าใด

เรารู้ว่าจักรวาลกำลังขยายตัวในอัตราเร่ง สมมติว่ามีการขยายตัวในทุกส่วนของจักรวาล (ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่เห็นด้วย) วัตถุทั้งหมดในจักรวาลจะเคลื่อนที่ออกจากกันด้วยความเร็วที่ใกล้เคียงกัน พิจารณากาแล็กซีที่เป็น “วัตถุ” ที่มีมวลมหาศาลอย่างไม่น่าเชื่อ เรารู้ว่าพวกมันกำลังเคลื่อนที่ออกจากกัน และด้วยการรู้ความเร็วและระยะทางปัจจุบันของพวกมัน เราสามารถคำนวณหาค่าคงที่ฮับเบิล

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

v = H0d

v คือ ความเร็วในการเคลื่อนที่ถอยห่างของกาแล็กซี่

d คือ ระยะห่างจากโลก

H0 คือ ค่าคงที่ฮับเบิล (Hubble Constant)

ความเร็วของกาแล็กซี่วัดได้จาก “การเลื่อนไปทางแดง (redshift)” แสงที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดจะมีการเปลี่ยนแปลงความยาวคลื่นตามการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิด (redshift ถ้าเคลื่อนที่ออกห่าง blueshift ถ้าเคลื่อนที่ไปหาผู้สังเกต) เนื่องจากกาแลคซีทั้งหมดแสดงการเปลี่ยนสีแดงกล่าวคือเคลื่อนที่ออกจากเรา จึงเรียกว่า “ความเร็วในการเคลื่อนที่ถอยห่างของกาแล็กซี่”

สำหรับระยะห่างจากโลก คำนวณระยะทางโดยใช้ดาวแปรแสงเซเฟอิด (Cepheid variable stars) “เทียนของจักรวาล”

โดยวิธีนี้นักวิทยาศาสตร์ได้ค่าคงที่ฮับเบิล 74 กิโลเมตร/วินาที/เมกะพาร์เซก เมื่อรวมค่านี้เข้ากับค่าประมาณความหนาแน่นของจักรวาล ก็จะรู้ว่าต้องใช้เวลานานแค่ไหนตั้งแต่การระเบิดบิกแบงไปถึงตำแหน่งปัจจุบันของกาแล็กซี พวกเขาคำนวณได้ว่าอายุของจักรวาลอยู่ที่ประมาณ 13.7 พันล้านปี

ผู้อ่าน สามารถอ่านรายละเอียดเกี่ยวกับการขยายตัวของจักรวาล จากบทความในลิ้งค์ข้างล่างนี้

กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#26 ฮับเบิลค้นพบการขยายตัวของจักรวาล

 

 

Melanie Martinez – Cry Baby

 

 

2.2 นักวิทยาศาสตร์สามารถหาอายุของจักรวาลได้ด้วยการศึกษา “รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล (Cosmic Microwave Background; CMB)” 

ในการวัด CMB ซึ่งเป็นการแผ่รังสีที่ปล่อยออกมา 380,000 ปีหลังจากบิกแบง นักวิทยาศาสตร์พึ่งพาภารกิจต่างๆ เช่น ดาวเทียมสำรวจ WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) ขององค์การนาซ่า และดาวเทียม Planck ขององค์การอวกาศยุโรป ภารกิจเหล่านี้สามารถหาความหนาแน่น องค์ประกอบ และอัตราการขยายตัวของจักรวาลซึ่งให้ค่าคงที่ฮับเบิล ทั้ง WMAP และ Planck ได้วัดรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาลทั่วทั้งท้องฟ้า และจัดทำ CMB anisotropic map ออกมา

Map of the CMB anisotropies obtained by the European Space Agency (ESA)...  | Download Scientific Diagram

ภาพข้างบนเป็น CMB anisotropic map ขั้นสุดท้ายที่ทีมนักวิทยาศาสตร์สร้างออกมาจากข้อมูลของดาวเทียม Planck สีที่มีความแตกต่างกันแสดงความผันผวนของอุณหภูมิของรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล หรือ CMB anisotropy องค์การนาซ่าเรียกภาพนี้ว่า “ภาพทารกของจักรวาล” ซึ่งแสดงให้เห็นว่าจักรวาลยุคต้นมีหน้าตาอย่างไร

จากข้อมูล Planck ในปี 2015 จักรวาลประกอบด้วยสสารธรรมดาเพียง 5 เปอร์เซ็นต์ สสารมืด 26 เปอร์เซ็นต์ ส่วนที่เหลืออีก 69 เปอร์เซ็นต์คือ “พลังงานมืด” ที่ลึกลับ

จากข้อมูล Planck ในปี 2018 ได้ค่าคงที่ฮับเบิลที่ 67.4 กม./วินาที/เมกะพาร์เซก และวัดอายุของจักรวาลที่ 13.77 พันล้านปี ± 0.059 พันล้านปี!

ข้อมูล Planck ช่วยให้เราสามารถระบุอายุของจักรวาลได้ 13.77 พันล้านปี โดยมีความไม่แน่นอนเพียง 0.4% กุญแจสำคัญของเรื่องนี้ก็คือ การรู้องค์ประกอบของสสารและความหนาแน่นของพลังงานในจักรวาล เราจึงสามารถใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ เพื่อคำนวณว่าจักรวาลขยายตัวเร็วแค่ไหนในอดีต

 

ACT telescope

มีการทำงานร่วมกันระดับนานาชาติของนักวิทยาศาสตร์จาก 41 สถาบันใน 7 ประเทศ โดยอาศัยข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์จักรวาลวิทยาอาตากามา (Atacama Cosmology Telescope; ACT) ในชิลี เพื่อทำการวิเคราะห์รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล (CMB) ACT สแกนท้องฟ้าอย่างเป็นระบบระหว่างปี 2013 ถึง 2016 โดยศึกษา CMB เป็นการเฉพาะ จากนั้นนักวิจัยใช้เวลาหลายปีในการทำความสะอาดและวิเคราะห์ข้อมูลด้วยความช่วยเหลือของซูเปอร์คอมพิวเตอร์ ลบแหล่งไมโครเวฟอื่น ๆ ที่ไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของ CMB เพื่อต่อแผนที่เต็มรูปแบบของ CMB เข้าด้วยกัน

ทีมงาน ACT ได้ประกาศในเดือนธันวาคมปี 2020 ว่าการวัดของ ACT ได้ค่าคงที่ฮับเบิลที่ 67.6 กิโลเมตร/วินาที/เมกะพาร์เซก นั่นหมายถึงวัตถุที่อยู่ห่างจากโลก 1 เมกะพาร์เซก (ประมาณ 3.26 ล้านปีแสง) กำลังเคลื่อนที่ออกจากเราด้วยความเร็ว 67.6 กิโลเมตร/วินาที เนื่องจากการขยายตัวของจักรวาล ผลลัพธ์นี้สอดคล้องกับการคาดการณ์ก่อนหน้านี้ที่ 67.4 กิโลเมตร/วินาที/เมกะพาร์เซกโดยทีมดาวเทียม Planck 

และทีมงาน ACT ประเมินอายุของจักรวาลอยู่ที่ 13.77 พันล้านปี คำตอบของพวกเขาตรงกับภารกิจของ Planck!