บทที่ 1 เอกภพ

ตัวชี้วัด เอกภพ • ว 3.1 ม.6/1 อธิบายการก าเนิดและการเปลี่ยนแปลงพลังงาน สสาร ขนาด อุณหภูมิของเอกภพหลังเกิดบิกแบงในช่วงเวลาต่าง ๆ ตามวิวัฒนาการของเอกภพ • ว 3.1 ม.6/2 อธิบายหลักฐานที่สนับสนุนทฤษฎีบิกแบงจากความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วกับระยะทางของกาแล็กซี รวมทั้งข้อมูลการค้นพบไมโครเวฟพื้นหลัง จากอวกาศ หน่วยการเรียนรู้ที่ 1

- เป็นระบบที่ใหญ่ที่สุดและไร้ขอบเขต และเป็นห้วงอวกาศที่เต็มไปด้วยดวงดาวจ านวนมหาศาล - เราจะเรียกดวงดาวที่เกาะกันเป็นกลุ่มว่า กาแล็กซี - ในแต่ละกาแล็กซี ก็จะมีระบบของดาวฤกษ์ กระจุกดาว เนบิวลา หลุมด า อุกกาบาต ฝุ่นผง กลุ่มก๊าซ และที่ว่างอยู่รวมกันอยู่ - โลกอยู่ในกาแล็กซีหนึ่ง ที่เรียกกันว่า กาแล็กซีทางช้างเผือก เอกภพ คือ อะไร

เอกภพวิทยาในอดีต แบบจ าลองเอกภพของชาวสุเมเรียนและแบบจ าลองเอกภพของชาวบาบิโลน แบบจ าลองเอกภพของกรีก เอกภพของเคปเลอร์ แบบจ าลองเอกภพของกาลิเลโอ

แบบจ าลองเอกภพของชาวสุเมเรียนและแบบจ าลองเอกภพของชาวบาบิโลน ชาวสุเมเรียนบันทึกต าแหน่งของ ดาวฤกษ์และดาวเคราะห์ พบว่า -โลกแบนอยู่กับที่ -ศูนย์กลางของการเคลื่อนที่ ทั้งหมด อธิบายการเคลื่อนที่ของดาว ต่างๆ ตามความเชื่อที่ว่าเทพ เจ้า

แบบจ าลองเอกภพของกรีก อริส โตเติล” เป็นชาวกรีกคนแรกที่พบว่า โลกมีลักษณะเป็นทรงกลม

อริส ตาร์คัส เป็นบุคคลแรกที่ระบุว่า โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นจุดศูนย์กลาง และโลกจะโคจรครบ ๑ รอบ ในเวลา 1 ปี

แบบจ าลองของทอเลมี ทอเลมี เชื่อว่าโลกแบน อยู่กับที่ ดวงดาวเคลื่อนรอบโลก โดยมีระยะห่างจากโลกตามล าดับ คือ ดวงจัน ดาวพุธ ดาวศุกร์ ดวงอาทิตย์ ดาวอังคาร ดาวพฤหัสบดี และดาวเสาร์ ส่วนดาวฤกษ์โครจรรอบโลกรอบละ 1 วันและอยู่ไกลจากโลกมาก

เอกภพของเคปเลอร์ โยฮัน เคปเลอร์ เชื่อว่า ดวงอาทิตย์ยังคงเป็นจุดศูนย์กลางการเคลื่อนที่ของระบบ กฎของเคปเลอร์ กฎข้อที่ 1: ดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นวงรี โดยมีดวงอาทิตย์อยู่ที่โฟกัสจุดหนึ่ง กฎข้อที่ 2: เวลาที่ดาวเคราะห์ใช้โคจรรอบดวงอาทิตย์ คาบเวลาเท่ากันจะกวาดได้พื้นที่เท่ากัน กฎข้อที่ 3: ก าลังสองของคาบวงโคจรรอบดวงอาทิตย์ แปรผันตามก าลังสามของระยะห่างจากดวงอาทิตย์ (p 2 /a3 = k, k เป็นค่าคงที่)

การค้นพบของกาลิเลโอ ดาวศุกร์เป็นเสี้ยวคล้ายกับการเกิดข้างขึ้น ข้างแรมของดวงจันทร์ กาลิเลโอเป็นชาวอิตาลี เป็นคนแรกที่ได้ใช้กล้องโทรทัศน์ เพื่อการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ ดาวพฤหัสบดีมีบริวาร 4 ดวง(ปัจจุบัน 63 ดวง) โคจรรอบดาวพฤหัสบดี

แบบจ าลองเอกภพของกาลิเลโอ เชื่อว่า ดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางของระบบ สุริยะ โดยมีดาวเคราะห์ต่างๆ เคลื่อนที่รอบ ดวงอาทิตย์เป็นวงกลม พบว่า ลักษณะการโคจรของดาวเคราะห์เกิด จากผลของแรงโน้ม ท าให้ปัจจุบันนักดารา ศาสตร์ยอมรับกฎการเคลื่อนที่ดาวเคราะห์ 3 ข้อ ของเคปเลอร์

ทฤษฎีบิกแบง เมื่อประมาณ 13.8 ล้านปีก่อน เกิดบิกแบงขึ้น โดยช่วงเริ่มต้นเอกภพมี ขนาดเล็กและอุณหภูมิสูง จากนั้นเอกภพขยายใหญ่ขึ้นและอุณหภูมิลดลง

ทฤษฎีบิกแบง (Big Bang Theory) ของ บาทหลวง ฌอร์ฌ เลอแม็ทร์ ก าเนิดเอกภพ

10-32 วินาทีหลังบิกแบง ทฤษฎีบิกแบง เกิดอนุภาคมูลฐาน (elementary particle)และปฏิยานุภาค (antiparticle) ควาร์ก อิเล็กตรอน นิวทริโน แอนติควาร์ก โพซิตรอน แอนตินิวทริโน q v q v

10-6 วินาทีหลังบิกแบง ทฤษฎีบิกแบง โปรตอน d = down quark ประจุ − 1 3 u = up quark ประจุ + 2 3 นิวตรอน เกิดอนุภาคโปรตอน (นิวเคลียสของไฮโดรเจน)และอนุภาคนิวตรอน จากการรวมตัวกันของควาร์ก P N

3 นาทีหลังบิกแบง ทฤษฎีบิกแบง เกิดนิวเคลียสของฮีเลียมจากการรวมกันของโปรตอนและนิวตรอน N P N P

ทฤษฎีบิกแบง 300,000 ปีหลังบิกแบง เกิดอะตอมไฮโดรเจน และอะตอมฮีเลียม ฮีเลียม P N N P ไฮโดรเจน P

ทฤษฎีบิกแบง เนบิวลา กาแล็กซี 1,000 ล้านปีหลังบิกแบง เกิดเนบิวลารุ่นแรก ดาวฤกษ์ และกาแล็กซี

ทฤษฎีบิกแบง 13,800 ล้านปีหลังบิกแบง(ปัจจุบัน) เอกภพในปัจจุบัน

หลักฐานสนับสนุนบิกแบง การขยายตัวของเอกภพ เอ็ดวิน ฮับเบิล เป็นบุคคลแรกที่ค้นพบว่าเอกภพไม่ได้มีสภาพหยุดนิ่ง แต่ก าลังขยายตัวอยู่ในปัจจุบัน พบว่ากาแล็กซี่เหล่านั้นเกิดประกฎการณ์เลื่อนทางแดงของ สเปกตรัม เมื่อพบปรากฎการณ์เลื่อนทางแดงของวัตถุท้องฟ้าใด แสดงว่า วัตถุท้องฟ้านั้นก าลังเคลื่อนที่ถอยห่างอกกจากผู้สังเกตบน โลก

หลักฐานสนับสนุนบิกแบง กฎฮับเบิล ยิ่งกาแล็กซีอยู่ห่างจากผู้สังเกตมาก ความเร็ว ในการเคลื่อนที่ออกห่างจากผู้สังเกตจะยิ่งมีค่ามาก v = H0D นั่นคือ เอกภพก าลังขยายตัว

หลักฐานสนับสนุนบิกแบง อาร์โน เพนเซียส และ โรเบิร์ต วิลสัน ค้นพบคลื่นไมโครเวฟพื้นหลังจากอวกาศ ซึ่งสอดคล้องกับอุณหภูมิเฉลี่ยของอวกาศ คือ 2.73 เคลวิน ส่งดาวเทียมส ารวจ ชื่อว่า โคบี ไปตรวจสอบ พบว่า คลื่นไมโครเวฟพื้นหลังนี้มีการกระจายอย่างสม่ าเสมอทุกทิศทาง และ สอดคล้องกับการแผ่รังสี ของวัตถุด าที่ประมาณ 2.73 เคลวินในช่วงความยาวคลื่นประมาณ 1.9 มิลลิเมตร จึงสรุปว่า “คลื่นไมโครเวฟ พื้นหลังนี้ก็คือการแผ่พลังงานที่เหลือหลังบิกแบง ประมาณ 300,000 ปี” จึงเป็นอีกข้อหนึ่งที่สนับสนุน ทฤษฎีบิกแบงได้เป็นอย่างดี

กาแล็กซี กาแล็กซี ประกอบด้วยดาวฤกษ์หลายแสนล้านดวง และเทห์ฟ้าอื่นๆ เช่น เนบิวลา และสสารระหว่างดาว

อาณาจักรหรือระบบของดาวฤกษ์จ านวนนับแสนล้านดวง อยู่รวมกันด้วยแรงโน้มถ่วงระหว่างดวงดาวกับหลุมด าที่มีมวลมหาศาล ซึ่งอยู่ ณ ศูนย์กลางของกาแล็กซี โดยมีเนบิวลาซึ่งเป็นกลุ่มแก๊สและฝุ่นละอองที่เกาะอยู่ในที่ว่างบางแห่งระหว่างดาวฤกษ์ กาแล็กซี ก าเนิดขึ้นหลังจากบิกแบง 1,000 ล้านปีเกิดจากกลุ่มแก๊สซึ่งยึดเหนี่ยวด้วยแรงโน้มถ่วงแยกเป็นกลุ่ม ๆ แต่ละกลุ่มก่อก าเนิด เป็นดาวฤกษ์จ านวนมากซึ่งเป็นสมาชิกของกาแล็กซี กาแล็กซี

กลุ่มกาแล็กซี (Galaxy group) จะมีกาแล็กซีสมาชิกน้อยกว่า 50 กาแล็กซี และมีความกว้างราว 3 -7 ล้านปีแสง กาแล็กซีทาง ช้างเผือกเป็นสมาชิกของกลุ่มกาแล็กซีท้องถิ่น (Local Group) ซึ่ง มีกาแล็กซีสมาชิกราว 40 กาแล็กซี กระจุกกาแล็กซี (Galaxy cluster) จะประกอบ ด้วยกาแล็กซี ระหว่าง 50 – 1,000 กาแล็กซี มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางระหว่าง 7 - 35 ล้านปีแสง

ซูเปอร์คลัสเตอร์ กระจุกกาแล็กซีอยู่ร่วมกันเป็นกลุ่มขนาดใหญ่

กระจุกดาราจักรใหม่ ที่เรียกว่า ลานียาเกีย (Laniakea) ซึ่งเป็นภาษาฮาวาย มีความหมายว่า "สวรรค์ไร้ขอบเขต" ('immeasurable heaven') ประกอบ ด้วย 100,000 กาแล็กซี มีขนาด 520 ล้านปีแสง โดยกาแล็กซีทางช้างเผือกของเราถือเป็น "ติ่ง" ตรงสุดปลายด้านหนึ่งของ แขนงหนึ่งในลานียาเกีย ซูเปอร์คลัสเตอร์ นี้ได้รวมกาแล็กซี ไว้ด้วยสิ่งหนึ่งที่รู้จักในชื่อ เกรทแอทแทรกเตอร์ (Great Attractor) จุดศูนย์กลาง เป็นพลังของดึงกาแล็กซี่สมาชิกต่างๆ เข้าไปหา

กาแล็กซีปกติ กาแล็กซีไม่มีรูปแบบ กาแล็กซีรี กาแล็กซีกังหัน กาแล็กซีเลนส์ กาแล็กซีกังหัน แบบธรรมดา กาแล็กซีกังหัน แบบมีคาน กาแล็กซี ประเภทของกาแล็กซี

กาแล็กซีปกติ แบ่งออกเป็น 3 กลุ่มย่อย ได้แก 1. กาแล็กซีรี (elliptical galaxy) เป็นกาแล็กซีที่เป็นรูปทรงรี ใช้สัญลักษณ์ E โดย E0 มีความรีน้อยที่สุด และ E7 มีความรีมากที่สุด เช่น กาแล็กซี Messier 87 กาแล็กซี Messier 59

2. กาแล็กซีกังหัน หรือ กาแล็กซีก้นหอย (spiral galaxy) ใช้สัญลักษณ์ S แบ่งได้ 2 ประเภทได้แก่ กาแล็กซีกังหัน ธรรมดา และ กาแล็กซีกังหันแบบมีคาน 2.1 กาแล็กซีกังหันธรรมดา โดยกาแล็กซีกังหันชนิด Sa มีแขนใกล้ชิด กันกว่าชนิด Sb และ Sc และสัดส่วนของขนาดนิวเคลียส Sa มากกว่า Sb และ Sc ตามล า ดับ เช่น M81, NGC 5457 กาแล็กซีแอนดรอเมดา เป็นกาแล็กซีชนิด Sb 2.2 กาแล็กซีกังหันแบบมีคาน ใช้สัญลักษณ์ SB โดยกาแล็กซีกังหันมีคาน ชนิด SBa มีแขนใกล้ชิดกันกว่าชนิด SBb และ SBc เช่น กาแล็กซีทางช้างเผือกเป็น กาแล็กซีชนิด SBb

3. กาแล็กซีเลนส์ หรือ กาแล็กซีลูกสะบ้า (lenticular galaxy) เป็นกาแล็กซีที่มีรูปทรง คล้ายเลนส์นูน ใช้สัญลักษณ์ S0 เช่น NGC 2787, NGC 5866 กาแล็กซี NGC 5866 เป็นกาแล็กซีเลนส์

กาแล็กซีไร้รูปแบบ เป็นกาแล็กซีที่มีรูปทรงแตกต่างจากกาแล็กซีปกติ เช่น กาแล็กซี IC 3583 กาแล็กซีแมเจลแลนใหญ่ และกาแล็กซีแม เจลแลนเล็ก

กาแล็กซีทางช้างเผือก เป็นกาแล็กซีกังหันแบบมีคาน ระบบสุริยะ อยู่ห่างจากจุดศูนย์กลาง 30,000 ปีแสง 30,000 ปีแสง นิวเคลียส ส่วนป่องตรงกลาง มีดาวฤกษ์อยู่หนาแน่น ฮาโล บริเวณที่ล้อมรอบ กาแล็กซีเป็นทรงกลม จาน ส่วนที่แบนออกเป็นระนาบ

กาแล็กซีทางช้างเผือก (The Milky Way Galaxy)

กาแลกซี่เพื่อนบ้าน กาแลกซีทางช้างเผือก

สรุป บิกแบง เอกภพเริ่มจากขนาดเล็กมากและอุณหภูมิสูงมาก จากนั้นเอกภพขยายตัวใหญ่ขึ้นและอุณหภูมิลดลง ระหว่างที่เอกภพขยายตัวมีการเปลี่ยนแปลงสสารและพลังงาน 13,800 ล้านปี หลังบิกแบง เอกภพปัจจุบันประกอบด้วยเนบิวลา กาแล็กซี และวัตถุท้องฟ้าต่างๆ 1,000 ล้านปี หลังบิกแบง เกิดเนบิวลา ดาวฤกษ์ และกาแลกซีรุ่นแรก 300,000 ปี หลังบิกแบง เกิดอะตอมไฮโดรเจน อะตอมฮีเลียม และรังสี ไมโครเวฟพื้นหลัง 10-6 วินาที หลังบิกแบง เกิดอนุภาคโปรตอน และอนุภาคนิวตรอน 10-32 วินาที หลังบิกแบง เอกภพขยายตัวรวดเร็ว เกิดอนุภาคและปฏิยานุภาค 3 นาที หลังบิกแบง เกิดนิวเคลียสของฮีเลียม หลักฐานสนับสนุนบิกแบง -การขยายตัวของเอกภพตามกฎฮับเบิล V=H0 D ยิ่งกาแล็กซีอยู่ห่างจากผู้สังเกตมาก ความเร็วในการเคลื่อนที่ออกห่าง จากผู้สังเกตก็จะยิ่งมีค่ามาก -การพบรังสีไมโครเวฟพื้นหลังจากอวกาศ