โลก ดาราศาสตร์ และอวกาศ ม.6 เล่ม1 หน่วย1_เอกภพและกาแล็กซี

1หนว่ ยการเรียนรูท้ ี่

เอกภพและกาแล็กซี

ผลการเรียนรู้
• อธิบายการกาเนดิ และการเปลี่ยนพลงั งาน สสาร ขนาดอุณหภมู ขิ องเอกภพหลังเกิดบิกแบงในช่วงเวลาตา่ ง ๆ ตามวิวัฒนาการของเอกภพ
• อธบิ ายหลักฐานที่สนับสนนุ ทฤษฎบี กิ แบงจากความสัมพนั ธร์ ะหวา่ งความเรว็ กบั ระยะทางของกาแล็กซี รวมท้งั ขอ้ มลู การคน้ พบไมโครเวฟพนื้ หลังจากอวกาศ
• อธิบายโครงสรา้ งและองคป์ ระกอบของกาแลก็ ซที างช้างเผอื ก และระบุตาแหนง่ ของระบบสรุ ิยะพร้อมอธิบายเชือ่ มโยงกับการสงั เกตเหน็ ทางช้างเผือก

เอกภพและกาแล็กซี

มจี ดุ กาเนดิ เดยี วกนั หรือไม่อยา่ งไร?

การขยายตัวของเอกภพ

การศึกษาเก่ยี วกบั เอกภพ

เอกภพ ส่งิ ใดที่เปน็ เอกภพ
ประกอบขึ้นจาก แรงผลกั ดันให้เอกภพ มีวิวัฒนาการ
ววิ ัฒนาการต่อไป
อะไรบา้ ง อยา่ งไร
เอกภพ
เอกภพ มจี ดุ ส้ินสุดหรอื ไม่
เกิดขนึ้ อย่างไร
อยา่ งไร

จักรวาลวิทยา คอื การศึกษาเกย่ี วกบั เอกภพ

ความเร็วในการเคลื่อนที่ถอยห่างกฏของฮบั เบลิ
( ิกโลเมตรต่อวินาที)
ฮบั เบิลวัดปรากฏการณก์ ารเลือ่ นทางแดงของกาแลก็ ซี พบว่า กาแลก็ ซสี ว่ นมากกาลงั เคล่อื นทีอ่ อกหา่ งจาก

กาแล็กซีทางชา้ งเผอื ก ทาให้สรุปไดว้ า่ เอกภพกาลังขยายตัว

ระยะทางระหวา่ งผู้สงั เกตกบั กาแลก็ ซี (เมกะพาร์เซก)

กฏของฮบั เบลิ

กฏของฮับเบิล (Hubble ′s Law) กลา่ วว่า อตั ราเร็วในการเคลอื่ นทถี่ อยห่างของกาแลก็ ซแี ปรผนั ตรงกบั ระยะทาง

v คือ อัตราเรว็ ในการเคลอ่ื นทถ่ี อยหา่ งของกาแลก็ ซี มหี นว่ ยเป็น
กิโลเมตรต่อวนิ าที (km s−1)

v = H0D H0 คอื คา่ คงท่ขี องฮบั เบลิ มีหนว่ ยเป็นกิโลเมตรตอ่ วนิ าทตี ่อเมกะพาร์เซก

(km s−1Mpc−1)

D คอื ระยะห่างระหวา่ งผู้สังเกตกบั กาแล็กซี มีหนว่ ยเป็น เมกะพาร์เซก
(Mpc) (1 เมกะพารเ์ ซก = 3.26 ล้านปีแสง)

คา่ คงทขี่ องฮับเบลิ มีค่าประมาณ 70 km s−1 หมายความว่า เอกภพมีการขยายตวั ดว้ ยอตั ราเรว็ 70 กิโลเมตรต่อวนิ าที
ในทกุ ๆ 1 เมกะพาร์เซก



หลกั ฐานที่สนบั สนุน

ทฤษฎบี ิกแบง

ววิ ฒั นาการของเอกภพ

เอกภพกาเนิดขึ้นตามทฤษฎบี ิกแบง ดงั นี้

234 5 6 7 8

1

−36

วนิ าที

10−10 10−4

วนิ าที วินาที 100 3 แสนปี 1,000
ล้านปี 13,800 ลา้ นปี
วนิ าที

1 เกดิ บิกแบง 3 หลงั การพองตวั 5 กาเนิดนวิ เคลยี ส 7 กาเนิดโครงสรา้ ง
8 ปัจจุบัน
2 การพองตวั ของเอกภพ 4 กาเนดิ โปรตอน 6 รคี อมบิเนชนั

ววิ ฒั นาการของเอกภพ

เอกภพกาเนดิ ขึ้นตามทฤษฎบี ิกแบง ดังน้ี

1

−36

วินาที

10−10 10−4

วนิ าที วนิ าที 100 3 แสนปี 1,000
ลา้ นปี 13,800 ล้านปี
วนิ าที

1 เกิดบกิ แบง

เอกภพกาเนดิ ขึน้ เม่อื ประมาณ 13,800 ล้านปที ่ผี ่านมา จากจุดเรมิ่ ตน้ ทเ่ี รียกว่า ซิงกลู าริตี singularity ซึ่งขณะน้ัน
เอกภพมอี ุณภูมิสูงมากจนแรงต่าง ๆ ในเอกภพหลอมรวมกนั เป็นแรงเดียว และมวลสารไมส่ ามารถรวมตัวกนั เปน็ อนุภาคได้

ววิ ฒั นาการของเอกภพ

เอกภพกาเนิดขนึ้ ตามทฤษฎีบิกแบง ดงั น้ี

2

1

−36

วินาที

10−10 10−4

วนิ าที วนิ าที 100 3 แสนปี 1,000
ล้านปี 13,800 ล้านปี
วนิ าที

2 การพองตวั ของเอกภพ (inflation)

10−36 วินาทีหลังเกดิ บกิ แบง เอกภพเขา้ ส่ชู ว่ งที่เกิดการขยายตัวอย่างรวดเร็ว โดยกลไกการพองตัวของเอกภพนั้นยงั ไมท่ ราบแนช่ ดั
ซึง่ ยังคงเปน็ ปรศิ นาที่นกั เอกภพวิทยากาลังพยายามหาคาตอบ

ววิ ฒั นาการของเอกภพ

เอกภพกาเนิดขน้ึ ตามทฤษฎบี ิกแบง ดงั น้ี

23

1

−36

วนิ าที

10−10 10−4

วินาที วนิ าที 100 3 แสนปี 1,000
ลา้ นปี 13,800 ลา้ นปี
วินาที

3 หลังการพองตวั (post − inflation)

10−10 วนิ าทีหลังเกิดบิกแบง หลงั จากการพองตัวของเอกภพสนิ้ สดุ ลง เอกภพเต็มไปด้วยอนภุ าคควารก์ อเิ ลก็ ตรอน
อนภุ าคมูลฐานอนื่ ๆ ซ่งึ ขณะน้นั เอกภพมอี ณุ หภูมปิ ระมาณ 1027 องศาเซลเซยี ส

ววิ ฒั นาการของเอกภพ

เอกภพกาเนิดขึน้ ตามทฤษฎบี ิกแบง ดังน้ี

234

1

−36

วนิ าที

10−10 10−4

วินาที วนิ าที 100 3 แสนปี 1,000
ลา้ นปี 13,800 ลา้ นปี
วนิ าที

4 กาเนิดโปรตอน (baryogenesis)

10−4 วนิ าทหี ลงั เกิดบิกแบง เอกภพเย็นตวั ลงอยา่ งรวดเร็ว ซ่ึงอณุ หภูมปิ ระมาณ 1013 องศาเซลเซียส ทาใหค้ วาร์กสามารถ
จับตวั กันกลายเปน็ โปรตอนและนวิ ตรอน

ววิ ฒั นาการของเอกภพ

เอกภพกาเนิดข้นึ ตามทฤษฎบี ิกแบง ดงั นี้

234 5

1

−36

วนิ าที

10−10 10−4

วินาที วนิ าที 100 3 แสนปี 1,000
ลา้ นปี 13,800 ลา้ นปี
วินาที

5 กาเนิดนวิ เคลยี ส (nucleogenesis)

100 นาทหี ลังเกิดบกิ แบง เอกภพเยน็ ตัวลงจนโปรตอนและนิวตรอนสามารถรวมตัวกนั ไดท้ อ่ี ุณหภมู ิประมาณ 108 องศาเซลเซยี ส
กลายเป็นนิวเคลียสของธาตุไฮโดรเจนประมาณ 75% และธาตฮุ เี ลียมประมาณ 25% โดยไม่พบธาตุอ่นื ๆ

ววิ ฒั นาการของเอกภพ

เอกภพกาเนดิ ขึน้ ตามทฤษฎีบิกแบง ดังนี้

234 5 6

1

−36

วินาที

10−10 10−4

วนิ าที วินาที 100 3 แสนปี 1,000
ลา้ นปี 13,800 ล้านปี
วินาที

6 รคี อมบิเนชัน (recombination)

3 แสนปหี ลังเกดิ บกิ แบง เอกภพมีอณุ หภมู ิลดลงต่ากวา่ 3,000 องศาเซลเซียส โปรตอนและอเิ ล็กตรอนจงึ สามารถรวมตวั กันเปน็
อะตอม ส่งผลใหเ้ อกภพเปลีย่ นสภาพเปน็ โปรง่ แสง และปล่อยแสงออกมาจากพลาสมาในลักษณะของรงั สไี มโครเวฟพื้นหลงั เปน็
แสงแรกท่สี ังเกตไดจ้ ากเอกภพ

ววิ ฒั นาการของเอกภพ

เอกภพกาเนิดขนึ้ ตามทฤษฎบี ิกแบง ดงั นี้

234 5 6 7

1

−36

วินาที

10−10 10−4

วนิ าที วินาที 100 3 แสนปี 1,000
ลา้ นปี 13,800 ล้านปี
วนิ าที

7 กาเนดิ โครงสรา้ ง (structure formation)

1,000 ลา้ นปหี ลังเกิดบกิ แบง แรงโน้มถว่ งดงึ มวลสารในเอกภพเข้าหากนั โดยบริเวณที่มีมวลสารหนาแนน่ จะดงึ ดูดส่วนอื่นๆ
เข้ามารวมตัวกันมากข้นึ เกิดเปน็ โครงสรา้ งซง่ึ นาไปสกู่ ารพัฒนาเป็นกระจุกกาแล็กซี สว่ นบรเิ วณที่มีมวลสารหนาแนน่ นอ้ ย
มวลสารจะไหลออกไป บรเิ วณนัน้ จึงกลายเปน็ ท่ีวา่ ง

ววิ ัฒนาการของเอกภพ

เอกภพกาเนดิ ขึ้นตามทฤษฎีบิกแบง ดังนี้

234 5 6 7 8

1

−36

วนิ าที

10−10 10−4

วินาที วนิ าที 100 3 แสนปี 1,000
ลา้ นปี 13,800 ล้านปี
วนิ าที

8 ปัจจบุ นั

13,800 ลา้ นปหี ลงั เกิดบกิ แบง เอกภพประกอบไปด้วยดาวเคราะห์ ดาวฤกษ์ กาแลก็ ซกี ระจกุ กาแลก็ ซี และมวลสารตา่ ง ๆ

สมบตั ขิ องเอกภพ

เอกภพมีคุณสมบตั ิสาคญั 2 ประการ ทีส่ าคญั ยิ่งตอ่ การทาความเข้าใจเอกภพ ดงั น้ี

1 เอกภพมลี กั ษณะเปน็ เนอ้ื เดียวกัน (homegeneous) ทกุ บริเวณของเอกภพมี
ลกั ษณะเหมอื นกนั ทกุ ประการ

2 เอกภพมีลกั ษณะเหมอื นกนั ทกุ ทศิ ทาง (anisotropic) ไม่วา่ จะสังเกตเอกภพ
ในทศิ ทางใด จะพบว่าเอกภพมีลกั ษณะไม่ตา่ งกนั

รังสีไมโครเวฟพ้ืนหลงั

รังสไี มโครเวฟพ้ืนหลงั เกิดข้ึนในชว่ งรคี อมบิเนชนั เป็นรงั สีทีแ่ ผท่ กุ ทิศทุกทางและมีปริมาณเท่ากนั ทกุ สว่ น ซึ่งสอดคล้องกบั
ทฤษฎกี ารแผร่ งั สขี องวัตถุดา ทอ่ี ณุ หภมู ิ 2.7 เคลวนิ โดยจดุ มแี ดงและสีฟา้ แสดงถงึ ความแตกตา่ งของอณุ หภูมิ

อนาคตของเอกภพ

อตั ราในการขยายตวั ปัจจุบันของเอกภพนน้ั เพียงพอทีจ่ ะเอาชนะแรงโนม้ ถว่ งไดห้ รือไม่ สามารถพิจารณาได้จากเอกภพท่เี ต็ม

ไปดว้ ยความหนาแนน่ เฉล่ียเทา่ กันทกุ บริเวณ โดยความเรว็ ขน้ั ตา่ ที่จะทาให้เอกภพไมย่ ุบตัวกค็ อื ความเรว็ หลุดพน้

ves คอื ความเรว็ หลดุ พน้

2GM G คอื ค่าคงตัวความโนม้ ถว่ ง (gravitational constant)
ves = r มีค่า 6.67 × 10−11Nm2kg−2

M คือ มวลท้งั หมดทอี่ ย่ภู ายในระบบ

r คือ รศั มีของระบบ

อนาคตของเอกภพ

หากพจิ ารณาตามการยบุ ตัวเนอื่ งจากแรงโน้มถ่วง
สามารถคาดการณ์อนาคตการขยายตัวของเอกภพได้ 3 กรณี

1 เมอ่ื ความหนาแน่นเฉลี่ยของเอกภพมคี า่ มากกว่าความหนาแน่นวกิ ฤตของเอกภพ ρ > ρc

เอกภพจะชะลอการขยายตัวลงเร่ือย ๆ จนในทีส่ ดุ หยุดนิ่งก่อนทจ่ี ะหดกลับเข้ามาอกี ครั้ง
ซึง่ เรยี กว่า big crunch

2 เม่ือความหนาแนน่ เฉลีย่ ของเอกภพมคี า่ น้อยกวา่ ความหนาแนน่ วิกฤตของเอกภพ ρ < ρc

เอกภพจะขยายตัวชา้ ลงเร่ือย ๆ เหลือเพยี งซากกระจกุ กาแลก็ ซที ี่อยู่ห่างกันออกไปไม่มีทส่ี ้นิ สุด

3 เมื่อความหนาแน่นเฉล่ยี ของเอกภพมคี า่ เทา่ กบั ความหนาแน่นวิกฤตของเอกภพ ρ = ρc

เอกภพจะขยายตวั ชา้ ลงเรื่อย ๆ แตไ่ ปหยดุ ทร่ี ะยะอนันต์

องคป์ ระกอบและความหนาแน่น
สมั พทั ธ์ของเอกภพ

องค์ประกอบของเอกภพ

สสาร โฟตอน สสารมืด พลงั งานมืด

(baryonic matter) (photon) (dark matter) (dark energy)

สสารทกุ อยา่ งท่มี นุษย์รจู้ ัก ธาตุทุก อนภุ าคของแสงซึ่งโฟตอนในเอกภพ มวลของสสารสว่ นมากในเอกภพ พลงั งานบางอยา่ งทมี่ ผี ลทาให้
ธาตใุ นตารางธาตุ และอนภุ าคทกุ ปจั จบุ นั สว่ นใหญอ่ ยใู่ นรปู ของรงั สี ที่ไม่มีแรงตอบสนองตอ่ แรง เอกภพขยายตัวแบบมีความเร่ง
แมเ่ หลก็ ไฟฟ้า
ชนิด ไมโครเวฟพื้นหลงั

ความหนาแน่นสัมพัทธ์ของเอกภพ

ความหนาแน่นสมั พันธ์ของเอกภพ สามารถหาไดจ้ ากสมการ ดงั นี้

ρ Ω คอื ความหนาแน่นสัมพทั ธข์ องเอกภพ
Ω = ρc ρ คือ ความหนาแน่นเฉล่ยี ของเอกภพ
ρc คอื ความหนาแน่นวกิ ฤตของเอกภพ

ความหนาแน่นสัมพัทธข์ องเอกภพ

ความหนาแน่นสมั พัทธข์ องเอกภพ เปน็ ตวั บ่งบอกถึงรูปทรงเรขาคณิตและความโคง้ งอของเอกภพ (โครงสร้างปรภิ มู ิเวลาของ
เอกภพ) ซง่ึ รูปทรงทางเรขาคณิตและความโคง้ งอทเี่ ปน็ ไปได้ของเอกภพมที ง้ั สน้ิ 3 แบบ

เม่อื ความหนาแนน่ สัมพัทธม์ ีค่ามากกว่า 1 เม่อื ความหนาแน่นสัมพัทธม์ ีคา่ เท่ากับ 1 เมื่อความหนาแนน่ สมั พัทธ์มคี ่าน้อยกวา่ 1

(Ω0 > 1) (Ω0 = 1) (Ω0 < 1)

เอกภพจะมคี วามโค้งเป็นบวก เอกภพจะมคี วามโค้งเป็นศนู ย์ เอกภพจะมคี วามโคง้ เป็นบวก
เรยี กว่า เรียกวา่ เรยี กว่า

เอกภพแบบปิด (closed universe) เอกภพแบนราบ (flat universe) เอกภพแบบเปิด (open universe)

ผลการสงั เกตการณ์ทางดาราศาสตรท์ ี่แสดงถึงโครงสรา้ งของเอกภพ

เอกภพแบบเปิด เอกภพแบนราบ เอกภพแบบปิด

ผลสรปุ จากโครงการสารวจการกระจายตวั ของรังสีไมโครเวฟพืน้ หลังจากอวกาศพบว่าความหนาแนน่ เฉล่ยี ของเอกภพมคี ่า

เทา่ กับความหนาแนน่ วกิ ฤตของเอกภพ ดงั น้ันสรุปไดว้ า่ เอกภพมโี ครงสร้างปรภิ มู เิ วลา 4 มติ ิ แบบแบนราบ

กาแล็กซแี ละกาแลก็ ซี
ทางชา้ งเผอื ก

การกาเนิดและวิวัฒนาการของกาแลก็ ซี

กาแล็กซีแรกกาเนิดเม่ือประมาณ 500 ล้านปีหลังจากที่เอกภพกาเนิดขึ้น ในช่วงแรกเอกภพประกอบไปด้วยแก๊สไฮโดรเจน
และฮีเลียม ซ่ึงบางบริเวณท่ีมีความหนาแน่นของแก๊สมากจะมีแรงดึงดูดให้แก๊สรวมตัวกันมากขึ้น แล้วเร่ิมยุบตัวลงเป็น

โครงสร้างขนาดใหญก่ อ่ นที่จะเปน็ กาแล็กซี เรยี กวา่ กาแล็กซกี ่อนเกิด (protogalaxy)

ประเภทของกาแล็กซี

1 กาแล็กซีทรงรี (elliptical galaxy)

แทนสัญลักษณ์ E ตามดว้ ยเลข 1 − 7 เพื่อแสดงความรขี องกาแลก็ ซี ไม่มโี ครงสรา้ งแบบจาน จึงมี
อตั ราการเกิดของดาวฤกษต์ า่ ประกอบด้วยดาวฤกษ์ทมี่ ีอายุมาก แตม่ มี วลนอ้ ย ดาวฤกษท์ ี่มีวงโคจร
ท่ีค่อนขา้ งเปน็ ไปแบบสมุ่

ประเภทของกาแล็กซี

2 กาแลก็ ซกี ังหนั (spiral galaxy)

1. นิวเคลียส (nucleus) บรเิ วณ 3. เฮโล (halo) บริเวณทรงกลมท่ี

แก่นหรือส่วนปอ่ งตรงกลางกาแลก็ ซี ล้อมรอบส่วนจานกาแล็กซีเป็นบริเวณ
มีดาวฤกษ์หนาแน่นมากท่สี ดุ ท่ีมีฝุ่นและแก๊ส ซึ่งจะพบแต่ดาวฤกษ์
อายุมาก
2. จาน (disk) เปน็ บรเิ วณที่แบน

ออกเป็นระนาบประกอบไปดว้ ยฝุ่น
และแก๊ส มีแขนหมุนเปน็ เกลียวรอบ
แกนกาแลก็ ซี

กาแล็กซกี งั หนั สามารถจาแนกได้ 2 แบบ

1 กาแลก็ ซกี งั หันแบบธรรมดา 2 กาแล็กซีกังหนั แบบมีคาน

(normal spiral galaxy) (barred spiral galaxy)

แทนสัญลกั ษณ์ S แทนสญั ลกั ษณ์ SB
ตามดว้ ยตวั อกั ษร a b c เช่นกนั
ตามดว้ ยอักษร a b c เพ่อื แสดงขนาด คล้ายกาแลก็ ซกี ังหนั แบบธรรมดา แต่มสี ่วน
ของส่วนป่องตรงกลาง
ยืดออกมาเปน็ คาน

ประเภทของกาแล็กซี

3 กาแลก็ ซีรูปเลนส์ (lenticular galaxy)

แทนสญั ลกั ษณ์ SO มีลกั ษณะก้ากึ่งระหวา่ งกาแล็กซรี กี บั กาแลก็ ซีกังหนั มีสว่ นปอ่ งตรงกลาง
ขนาดใหญ่

ประเภทของกาแลก็ ซี

4 กาแลก็ ซแี บบไร้รูปร่าง (irregular galaxy)

แทนสญั ลักษณ์ I ไม่มรี ปู ร่างท่ีแนน่ อน เกิดจากการหลอมรวมหรือชนกนั ของกาแล็กซมี ากกวา่
สองกาแล็กซขี น้ึ ไป

กาแลก็ ซีทางชา้ งเผือก

ในคืนทม่ี ืดสนทิ ปราศจากเมฆบดบัง ผูส้ งั เกตท่อี ย่บู นโลกสามารถสังเกตเห็นแถบสว่างพาดไปบนทอ้ งฟ้าทีป่ ระกอบดว้ ย

ดวงดาวนบั พนั ล้านดวงในกาแลก็ ซขี องเรา แถบสวา่ งนเ้ี ปน็ ทมี่ าของชอื่ กาแลก็ ซีของเราวา่ กาแล็กซีทางชา้ งเผอื ก

กระจุกกาแลก็ ซี

กระจุกกาแล็กซีประกอบด้วย สสารภายในกระจุกกาแล็กซี intracluster medium; ICM และมวลส่วนมาก

ของกาแลก็ ซที ี่ยดึ กระจุกกาแล็กซไี ว้ด้วยกันประกอบด้วยสสารทไ่ี มส่ อ่ งแสงใดออกมาเลยเรยี กวา่ สสารมืด

สรปุ เอกภพและกาแล็กซี เอกภพ

กาแล็กซี

ประเภทของกาแลก็ ซี กาแล็กซีทรงรี ทฤษฎบี ิกแบง เอกภพขยายตัว
กาแล็กซที างช้างเผอื ก กาแลก็ ซีกงั หนั
กาแล็กซรี ูปเลนส์ (เกดิ บกิ แบง → การพองตัวของเอกภพ → กาเนิดโปรตอน หลกั ฐานสนับสนนุ ทฤษฎีบิกแบง
กระจกุ กาแลก็ ซี กาแล็กซีแบบไรร้ ูปรา่ ง → หลงั การพองตวั → กาเนิดนิวเคลยี ส → รคี อมบเิ นชัน
→ ปจั จุบัน → กาเนดิ โครงสรา้ ง) รังสไี มโครเวฟพื้นหลัง
เปน็ กาแลก็ ซที ่เี ราอาศัยอยู่
เปน็ กาแล็กซีกังหันแบบมีคาน คุณสมบตั ิของเอกภพ องค์ประกอบของเอกภพ

มีลักษณะเป็นเนื้อเดยี วกัน สสาร
มีลักษณะเหมือนกันทกุ ประการ โฟตอน
สสารมืด
ความหนาแนน่ สมั พัทธ์ของเอกภพ (Ω0) พลงั งานมดื

เอกภพปิด (Ω0 > 1)
เอกภพแบนราบ (Ω0 = 1)
เอกภพเปิด (Ω0 < 1)