ความเร็วของขอบฟ้าที่หนีห่างไป

มนุษย์ผูกพันธ์กับท้องฟ้ามาตั้งแต่สมัยโบราณ นับตั้งแต่วิทยาศาสตร์เริ่มเข้ามามีบทบาทในการศึกษาปรากฎการณ์บนท้องฟ้า มีความพยายามในการศึกษาเรื่องราวบนท้องฟ้าอย่างมาก จนทำให้เราพบว่าเราเป็นส่วนหนึ่งของอวกาศที่กว้างใหญ่ไพศาล ที่เรียกว่าเอกภพ รู้การกำเนิดและการขยายตัวของเอกภพ ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีช่วยทำให้การศึกษาเรื่องราวบนท้องฟ้ามีความแม่นยำมากขึ้นเรื่อยๆ 

     ในเดือนตุลาคม ปี พ.ศ. 2555 ที่ผ่านมา ทางองค์การนาซาได้เปิดเผยผลการวัดความเร็วในการขยายตัวของเอกภพ ซึ่งมีค่าเท่ากับ 74.2 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อระยะ 1 เมกะพาร์เซก ที่ความคลาดเคลื่อนไม่เกิน 3% นี่คือค่าที่มีความแม่นยำสูงที่สุดเท่าที่เคยทำการวัดกันมาเลยทีเดียว

     เพิ่มเติมสำหรับนักเรียนที่กำลังเรียนอยู่ระดับมัธยมปลาย ความเร็วในการขยายตัวของเอกภพในหน่วย กิโลเมตรต่อวินาทีต่อระยะ 1 เมกะพาร์เซก จริงๆ แล้วมันคือปริมาณที่เรียกว่า พารามิเตอร์ของฮับเบิล (Hubble's parameter) หรือ ค่าคงที่ของฮับเบิล (Hubble's constant) มันเป็นความชันของกราฟความเร็วกับระยะห่างของแกแลกซี นั้นเอง ความหมายของมันเป็นอย่างไร มาดูกัน

  
รูปขวาคือ H₀ ซึ่งเป็นสัญลักษณ์ของค่าคงที่ของฮับเบิล เพื่อเป็นเกียรติให้กับ เอ็ดวิน ฮับเบิล (รูปขวา) ผู้ค้นพบการขยายตัวของเอกภพ

     เริ่มสงสัยกันแล้วใช่ไหมว่า ตัวเลขที่ทางองค์การนาซาบอกมานั้น มันหมายความอย่างไรกันแน่ เชื่อว่าทุกๆ คนคงคุ้นเคยกับคำว่า “กิโลเมตรต่อวินาที” แน่ แต่ “ต่อ 1 เมกะพาร์เซก” เนี่ยสิที่จะทำให้งง ขอให้ลองนึกถึงว่าตอนนี้คุณกำลังอยู่บนโลก ซึ่งเป็นจุดเล็กๆ จุดหนึ่งในอวกาศ จากนั้นหากคุณมองวัตถุชิ้นหนึ่ง อยู่ห่างจากคุณเป็นระยะ 1 เมกะพาร์เซก (เท่ากับระยะทาง 27 ล้านล้านล้านล้าน กิโลเมตร) คุณจะพบว่าการขยายตัวของเอกภพทำให้จุดนั้นจะเคลื่อนที่ห่างจากคุณออกไป 74.2 กิโลเมตร ทุกๆ 1 วินาที

     ความเร็วในการขยายตัวของเอกภพไม่เหมือนกับความเร็วของวัตถุเคลื่อนที่อย่างที่เห็นๆ กันอยู่ในชีวิตประจำวัน การขยายตัวของเอกภพเหมือนการยืดหนังยาง ในความจริงยางยึดที่จำลองเอกภพได้สมจริงคือยางยืดสามมิติ แต่ถ้าจะให้สมจริงก็จะเข้าใจยาก การอธิบายเอกภพขยายตัวนิยมใช้การขยายตัวของผิวลูกโป่งซึ่งเป็นผิวสองมิติแทน เมื่อหยิบลูกโป่งสีน้ำเงินมา 1 ลูก จากนั้นให้ติดกระดาษสีขาวตัดเป็นรูปวงก้นหอยแปะลงบนลูกโป่งหลายๆ จุด ให้ทั่วทั้งลูกโป่ง กระดาษที่แปะไปนั้นเปรียบเสมือนวัตถุต่างๆ บนท้องฟ้า เช่น แกแลกซี ต่างๆ เป็นต้น เมื่อเป่าลูกโป่งให้พองจะพบว่ากระดาษที่ติดบนลูกโป่งกระจายตัวออกจากกัน สมมุติว่าเราเป็นผู้สังเกตคนเล็กๆ ยืนอยู่บนจุดใดจุดหนึ่งของลูกโป่ง เราจะสังเกตเห็นว่าจุดอื่นๆ ที่อยู่รอบๆ ต่างเคลื่อนที่ออกไปรอบทิศทาง แม้ว่าลูกโป่งจะพองตัวขึ้นอย่างสม่ำเสมอ แต่จุดต่างๆ กลับเคลื่อนที่ออกจากเราด้วยความเร็วที่เท่ากัน จุดที่อยู่ใกล้จะเคลื่อนที่ออกไปช้า จุดที่อยู่ไกลจะเคลื่อนที่ออกไปเร็ว จุดที่อยู่ยิ่งไกลออกไปก็จะเคลื่อนที่ออกห่างไปยิ่งเร็ว และนี่คือลักษณะของการขยายตัวของเอกภพ

  
การขยายตัวของเอกภพ อธิบายด้วยการเป่าลูกโป่ง หากเรายืนบนจุดใดจุดหนึ่ง เราจะพบว่าจุดรอบๆ เคลื่อนที่ออกไป ดังรูป

     กล่าวโดยสรุปคือ การขยายตัวของเอกภพมีความเร็วไม่คงที่ทั่วทุกจุด แต่จะขึ้นกับระยะห่างด้วย ยิ่งห่างยิ่งเร็ว ยิ่งใกล้ก็จะช้าลง ด้วยเหตุนี้การบอกค่าความเร็วจำต้องระบุด้วยว่าเป็นความเร็วที่ระยะห่างเท่าใด ในวงการนักดาราศาสตร์จึงมีข้อตกลงกันว่า การรายงานความเร็วของการขยายตัวของเอกภพ ควรจะรายงานเป็นความเร็วที่ระยะ 1 เมกะพาร์เซก 

     เมื่อรู้ค่าความเร็วที่ระยะ 1 เมกะพาร์เซกแล้ว ถ้าอย่างรู้ความเร็วที่ระยะอื่นๆ ล่ะจะทำอย่างไร คำตอบคือ ความเร็วที่ระยะไกลกว่านี้ หรือใกล้กว่านี้ ให้หาด้วยวิธีคำนวณตามกฎของฮับเบิล (Hubble's Law) ที่ว่า

ความเร็วที่ระยะใดๆ ในหน่วย กิโลเมตรต่อวินาที = (72.4 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซก) คูณ ระยะ ในหน่วยเมกะพาร์เซก

หรือจะเขียนกฎของฮับเบิลแบบเป็นตัวแปร ก็จะอยู่ในรูปดังนี้

v = H₀d

โดยที่ v คือความเร็วที่ระยะใดๆ H0 คือค่าคงที่ฮับเบิลซึ่งมีค่า 72.4 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซก นั้นเอง และ d ก็คือระยะในหน่วยเมกะพาร์เซก

    ตัวอย่างของการคำนวณหาความเร็วที่ระยะใดๆ เช่น ถ้าโลกอยู่ในแกแลกซีสีขาวตรงกลาง วงกลมสีเหลืองวงในสุดคือระยะห่าง 0.5 เมกะพาร์เซก และวงกลมวงกลางและวงนอกสุดมีระยะห่าง 1 และ 2 เมกะพาร์เซก ตามลำดับ จากรูป ผู้สังเกตพบโลกจะเห็นแกแลกซีสีฟ้าเคลื่อนที่ออกไปตามแนวรัศมี ด้วยความเร็ว 31.2 กิโลเมตรต่อวินาทีเห็นแกแลกซีสีเขียวจะเคลื่อนที่ออกไปด้วยความเร็ว 72.4 กิโลเมตรต่อวินาที และจะเห็นแกแลกซีสีแดงเคลื่อนที่ออกไปด้วยความเร็ว 144.8 กิโลเมตรต่อวินาที

     พระเอกของงาน ที่ทำให้ได้มาซึ่งความเร็วในการขยายตัวของเอกภพนี้ คือ กล้องโทรทรรศน์อวกาศ “สพิทเซอร์” (Spitzer Space telescope) กล้อง “สพิทเซอร์” เป็นกล้องที่สามารถมองเห็นและถ่ายภาพแสงอินฟราเรด ดวงตาของมนุษย์นั้นไม่สามารถมองเห็นแสงอินฟราเรดได้ ทำให้ “สพิทเซอร์” เป็นเหมือนตาวิเศษอีกดวง ที่ช่วยอำนาจการรับรู้ของมนุษย์ให้กว้างไกลออกไปได้ถึงสุดขอบของเอกภพ

รูปของกล้องโทรทรรศน์อวกาศ “สพิทเซอร์”

     ในการสำรวจอวกาศ พอนักวิทยาศาสตร์มีกล้องที่เป็นเหมือนกับตาทิพย์แล้ว สิ่งที่จะต้องตระหนักคือ พวกเขาจะใช้ตาดวงนี้อย่างไร เพื่อให้ตรงกับจุดประสงค์มากที่สุด

     ด้วยความสามารถในการมองเห็นรังสีอินฟราเรดของ “สพิทเซอร์” มันจึงได้รับภารกิจให้สำรวจวัตถุเย็นที่อยู่บนท้องฟ้า (เย็นในที่นี้คืออุณหภูมิอยู่ในช่วง -200 ถึง 5000 องศาเซลเซียส) เช่น ดาวฤกษ์สูงอายุ ดาวฤกษ์เกิดใหม่ ดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ ฝุ่นและเมฆหมองในเนบิวลา ตรวจหาชีวะโมเลกุลที่เป็นองค์ประกอบของสิ่งมีชีวิต และ กลุ่มของวัตถุที่ทำให้พวกเราได้รู้ถึงความเร็วในการขยายตัวของเอกภพที่แม่นยำขึ้น มันคือดาวฤกษ์สูงอายุที่มีการเปล่งแสงมืดสว่างสลับกันไป ดาวฤกษ์ชรากลุ่มนี้เรียกว่า “เซฟีด” (Cepheid)

     “เซฟีด” คือเป็นชื่อเรียกกลุ่มของดาวฤกษ์เช่นเดียวกับดวงอาทิตย์ แต่สิ่งที่ทำให้พวกมันมีความพิเศษ จนทำให้นักวิทยาศาสตร์ต้องจับตามองคือ มันอยู่ไกล และมันเปล่งแสงติดดับ (สว่างมาก สว่างน้อย) สลับกันอย่างสม่ำเสมอ โดยช่วงเวลาแต่ละครั้งของการเปล่งแสงติดดับสามารถนำไปคำนวณหาระยะห่างระหว่างโลกกับ “เซฟีด” ที่กำลังสังเกตได้

รูปแสดง การเปล่งแสงแบบสว่างมากสว่างน้อยของ "เซฟีด"

     หากเราต้องการวัดว่าเอกภพมีความเร็วในการขยายตัวเท่าใด ก็ต้องวัดความเร็วและระยะห่างของวัตถุต่างๆ บนท้องฟ้า เหตุที่นักวิทยาศาสตร์เลือกที่จะใช้ “เซฟีด” หากใครเคยอ่านบทความเรื่อง "รางวัลโนเบล 2011 : คุยกันเรื่องเอกภพ" อาจจะสงสัยว่าทำไมถึงไม่วัดระยะห่าง "ซุปเปอร์โนวาชนิด 1 เอ" ล่ะ จริงๆ แล้ว ในการสำรวจเอกภพ โดยหลักการแล้ว ไม่จำเป็นต้องเจาะจงว่าจะต้องเก็บข้อมูลจากอะไร หากมีเครื่องมือและเวลาพร้อม การสำรวจจะทำกับทุกๆ วัตถุ ยิ่งเยอะยิ่งดี ขอเพียงเราวัดความเร็วและระยะห่างได้เป็นพอ แต่สำหรับกรณีของการวัดความเร็วในการขยายตัวของเอกภพ "เซฟีด" คือวัตถุที่ถูกจับตามองมากเป็นพิเศษ เพราะนอกจากเครื่องมือพร้อมแล้ว ดาวชราในกลุ่มนี้กระจายอยู่ทั่วไป เต็มท้องฟ้า พวกมันหาง่ายกว่า "ซุปเปอร์โนวาชนิด 1 เอ" มาก และที่สำคัญคือ นักวิทยาศาสตร์รู้ความสัมพันธ์ระหว่างช่วงเวลาการเปล่งแสงติดๆ ดับๆ กับระยะห่าง เราทำเพียงวัดวงรอบของการเปล่งแสงของ “เซฟีด” แล้วนำไปคำนวณหาระยะห่าง “เซฟีด” นั้นๆ ได้อย่างแม่นยำ 

     ดังนั้น หากเราต้องการความแม่นยำสูง การเก็บข้อมูลกับ “เซฟีด” จึงเหมาะสมกับงานยิ่งกว่าการเก็บข้อมูลจาก "ซุปเปอร์โนวาชนิด 1 เอ" ในปัจจุบัน กล้อง “สพิทเซอร์” ได้ทำการเก็บข้อมูลจาก “เซฟีด” ไปแล้ว 90 ดวง โดยที่มี 10 ดวงอยู่ในแกแลกซีทางข้างเผือกของเราเอง และอีก 80 ดวงอยู่ในเมฆแมเจนแลน ได้ความเร็วของแต่ละดวง 90 ค่า และได้ระยะห่างจากโลกของแต่ละดวงอีก 90 ค่า ข้อมูลทั้งหมดถูกทำไปเขียนกราฟ แกนตั้งคือความเร็ว แกนนอนคือระยะห่าง เมื่อคำนวณความชันของกราฟ วิธีเดียวกับที่นักเรียนมัธยมปลายจะได้คำนวณในการเรียนและการสอบวิชาโอเน็ตดาราศาสตร์ ก็จะได้ความเร็วในการขยายตัวของเอกภพ ในหน่วย กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซก 

     การวัดความเร็วในการขยายตัวของเอกภพนี้ ฟังดูแล้ว มันคือเรื่องไกลตัวอย่างมาก (ก็ไกลจริงๆ นี่นา ตั้ง 1 เมกะพาร์เซก) อีกทั้งการวัดปริมาณนี้ไม่ใช่อะไรใหม่ ข้อมูลที่เปิดเผยเป็นเพียงการรายงานค่าที่แม่นยำขึ้น จริงๆ แล้ว ปริมาณความเร็วในการขยายตัวของเอกภพ ในหน่วย กิโลเมตรต่อวินาทีต่อ 1 เมกะพาร์เซก มีชื่อเรียกว่า พารามิเตอร์ของฮับเบิล (Hubble's constant) ปริมาณนี้จัดเป็นหัวใจดวงหนึ่งของจักรวาลวิทยา นั้นหมายความว่าหากเราคำนวณพารามิเตอร์ของฮับเบิลได้แม่นยำยิ่งขึ้น เราจะคำนวณปริมาณอื่นๆ ของเอกภพได้ดีขึ้นนั้นเอง 

โดย StarFall1 

อ้างอิง
NASA's Infrared Observatory Measures Expansion Of Universe.www.spitzer.caltch.edu