ครบรอบ 100 ปี นักดาราศาสตร์ค้นพบกาแล็กซีอื่นนอกทางช้างเผือก

ที่มาของภาพ, Getty Photos

Article records

• Creator, เจฟฟรีย์ กรูเบ
• Role, เดอะคอนเวอร์เซชัน
• เมื่อ 9 ชั่วโมงที่แล้ว

ในวันอาทิตย์ที่ 23 พ.ย. ปี 1924 หรือเมื่อราวหนึ่งศตวรรษก่อน ผู้อ่านหนังสือพิมพ์นิวยอร์กไทมส์ที่พลิกหน้ากระดาษไปยังหน้า 6 จะได้พบกับบทความเล็ก ๆ ที่มีเนื้อหาน่าตื่นตะลึงอย่างยิ่ง ซ่อนตัวอยู่ท่ามกลางโฆษณาเสื้อขนสัตว์ที่ตีพิมพ์ในกรอบขนาดใหญ่มากมายบนหน้าเดียวกัน พาดหัวของบทความดังกล่าวระบุว่า “มีการค้นพบว่าเหล่าเนบิวลารูปกังหัน แท้จริงแล้วคือระบบของกลุ่มดาว โดย ดร.ฮับเบลล์ ยืนยันว่า พวกมันคือจักรวาลย่อยที่เป็นเสมือนเกาะแห่งหนึ่ง (Island Universes) เช่นเดียวกับที่เราอาศัยอยู่”

อันที่จริงแล้วนักดาราศาสตร์ชาวอเมริกันที่บทความเอ่ยถึง มีชื่อว่า ดร.เอ็ดวิน เพาเวลล์ ฮับเบิล ซึ่งในตอนนั้นเขาอาจจะรู้สึกขบขันกับการสะกดชื่อผิดของผู้สื่อข่าว แต่อย่างไรก็ตาม เรื่องราวที่เป็นสาระสำคัญของบทความนี้ คือการค้นพบครั้งยิ่งใหญ่ในหน้าประวัติศาสตร์ของมนุษยชาติเลยทีเดียว

นั่นเป็นเพราะ ดร.ฮับเบิล ได้ค้นพบว่า มีเนบิวลารูปกังหัน (spiral nebula) ซึ่งเป็นวัตถุอวกาศที่ประกอบไปด้วยกลุ่มฝุ่น, ก๊าซ, และดวงดาว ตั้งอยู่นอกขอบเขตดาราจักรหรือกาแล็กซีทางช้างเผือก (Milky Manner) ของเรา 2 แห่ง ทั้งที่ก่อนหน้านั้นนักดาราศาสตร์เชื่อกันว่า พวกมันอยู่ในระบบดวงดาวแห่งเดียวกับเราทั้งหมด

ทุกวันนี้เราตั้งชื่อให้สองดาราจักรที่ถูกค้นพบใหม่ว่า กาแล็กซีแอนดรอเมดา (Andromeda) และกาแล็กซีเมซีเยร์ 33 (Messier 33) โดยดาราจักรขนาดใหญ่มหึมาทั้งสอง ถือเป็นเพื่อนบ้านที่ตั้งอยู่ใกล้ชิดกับกาแล็กซีทางช้างเผือกของเรามากที่สุด ปัจจุบันนักดาราศาสตร์ประมาณการว่า ทั่วทั้งจักรวาลน่าจะมีกาแล็กซีอยู่ทั้งหมดหลายล้านล้านแห่ง โดยตัวเลขประมาณการนี้มาจากการเฝ้าสังเกตดาราจักรที่เราค้นพบแล้วจำนวนหลายสิบล้านแห่ง

สี่ปีก่อนที่ ดร.ฮับเบิล จะประกาศการค้นพบของเขา มีเหตุการณ์สำคัญในแวดวงดาราศาสตร์ที่เรียกว่า “การโต้เถียงครั้งใหญ่” (The Tall Debate) เกิดขึ้นในกรุงวอชิงตัน เมืองหลวงของสหรัฐฯ โดยเป็นการปะทะกันระหว่างสองนักดาราศาสตร์ชาวอเมริกันคือ ฮาร์โลว์ แชปลีย์ และ เฮเบอร์ เคอร์ทิส

Skip เรื่องแนะนำ and proceed discovering outเรื่องแนะนำ

Close of เรื่องแนะนำ

แชปลีย์นั้นเพิ่งจะพิสูจน์ให้ทุกคนได้เห็นกันว่า กาแล็กซีทางช้างเผือกนั้นมีขนาดใหญ่กว่าที่เคยตรวจวัดได้มาก ทำให้เขาฟันธงลงไปว่าดาราจักรขนาดมหึมาเช่นนี้ จะต้องมีอาณาเขตครอบคลุมไปถึงบริเวณที่ตั้งของเนบิวลารูปกังหันด้วยอย่างแน่นอน แต่เคอร์ทิสกลับแย้งว่า น่าจะยังมีดาราจักรหรือกาแล็กซีอื่น ๆ ที่ตั้งอยู่นอกกาแล็กซีทางช้างเผือกออกไปอีกอย่างแน่นอน

เมื่อมองย้อนไปจากข้อเท็จจริงทางวิทยาศาสตร์ในยุคปัจจุบัน รวมทั้งมองข้ามรายละเอียดบางอย่างในข้อเสนอของทั้งสองคนแล้ว เคอร์ทิสนั้นถือว่าเป็นผู้ชนะในการอภิปรายถกเถียงครั้งนี้ แต่วิธีการที่เชปลีย์ใช้วัดระยะทางที่เป็นเส้นผ่านศูนย์กลางของกาแล็กซีทางช้างเผือก กลับเป็นแนวคิดสำคัญที่นำไปสู่การค้นพบครั้งยิ่งใหญ่ของฮับเบิลในที่สุด โดยวิธีการวัดระยะทางในห้วงอวกาศนี้ เป็นมรดกตกทอดที่คนรุ่นหลังรับมาจาก เฮนเรียตตา สวอน ลีวิตต์ นักดาราศาสตร์หญิงรุ่นบุกเบิกชาวอเมริกัน

การวัดระยะห่างของดาวฤกษ์

เมื่อปี 1893 สาวน้อยลีวิตต์ได้รับการว่าจ้างให้ทำหน้าที่ “สมองกลคิดคำนวณ” เพื่อวิเคราะห์ภาพถ่ายที่กล้องโทรทรรศน์ของหอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดรวบรวมมาได้ โดยลีวิตต์ได้ศึกษาภาพบนแผ่นกระจกเคลือบสารเคมีจำนวนหนึ่ง ซึ่งเป็นภาพของดาราจักรที่เรียกว่า “เมฆแมกเจลแลนเล็ก” (Cramped Magellanic Cloud) ที่เพื่อนนักวิจัยใช้กล้องโทรทรรศน์บันทึกเอาไว้

ในการวิเคราะห์ข้างต้น ลีวิตต์พยายามมองหาดาวฤกษ์ที่ความสว่างเปลี่ยนแปลงขึ้นลงอยู่ตลอดเวลา จนในที่สุดก็ได้พบดาวแปรแสง (variable neatly-known particular person) ดังกล่าวกว่าหนึ่งพันดวง ซึ่งในจำนวนนี้มีอยู่ 25 ดวง ที่ลีวิตต์ชี้ว่ามันเป็นดาวแปรแสงชนิดเซฟีด (Cepheid) ซึ่งผลการค้นพบนี้ได้ลงตีพิมพ์เผยแพร่ในวารสารวิชาการเมื่อปี 1912

ที่มาของภาพ, Getty Photos

ความสว่างของดาวแปรแสงเซฟีดเปลี่ยนแปลงแบบเดี๋ยวมืดเดี๋ยวสว่างอยู่ตลอดเวลา จึงดูเหมือนว่ามันกำลังกะพริบเป็นจังหวะ ลีวิตต์ยังพบว่าดาวแปรแสงเซฟีดที่กะพริบช้า ๆ จะส่องสว่างยิ่งกว่าดาวชนิดเดียวกันที่กะพริบเป็นจังหวะถี่เร็ว ซึ่งแนวโน้มในลักษณะนี้เรียกว่า “ความสัมพันธ์คาบเวลา – การส่องสว่าง” (length-luminosity relationship)

มีนักดาราศาสตร์จำนวนมากที่เล็งเห็นถึงความสำคัญในผลงานของลีวิตต์ เพราะความสัมพันธ์คาบเวลา – การส่องสว่าง ที่เธอค้นพบ สามารถนำไปใช้คำนวณหาระยะทางระหว่างดาวฤกษ์ได้ ซึ่งในขณะนั้นเชปลีย์ที่ยังเป็นนักศึกษาวิจัยระดับปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัยพรินซ์ตันอยู่ ได้ใช้เทคนิคนี้กะประมาณระยะห่างระหว่างดาวแปรแสงเซฟีดหลายดวงในกาแล็กซีทางช้างเผือก จนสามารถทราบถึงขนาดและความกว้างใหญ่ที่แท้จริงของกาแล็กซีทางช้างเผือกได้

แต่เพื่อให้แน่ใจว่า ขนาดของกาแล็กซีทางช้างเผือกที่เชปลีย์คำนวณได้จะมีความถูกต้องแม่นยำ นักดาราศาสตร์อีกกลุ่มหนึ่งจึงเสนอวิธีการวัดระยะห่างระหว่างดาวแปรแสงเซฟีดแบบใหม่ เพื่อนำมาใช้เทียบเคียงกัน โดยเป็นวิธีการวัดโดยตรงมากกว่าวิธีแรกซึ่งเรียกว่า “วิธีพารัลแลกซ์ดาวฤกษ์” (stellar parallax methodology) แต่เทคนิคนี้ใช้ได้กับดาวฤกษ์ที่อยู่ไม่ห่างจากโลกนักเท่านั้น

ที่มาของภาพ, Getty Photos

อายนาร์ แฮร์ตซ์สปรุง นักดาราศาสตร์ชาวเดนมาร์ก ได้ใช้วิธีพารัลแลกซ์ดาวฤกษ์หาระยะทางระหว่างดาวแปรแสงเซฟีดที่อยู่ใกล้โลกจำนวนหนึ่ง ซึ่งช่วยปรับปรุงให้ผลงานของลีวิตต์มีความถูกต้องแม่นยำมากขึ้น

นอกจากแนวคิดและเทคนิควิธีใหม่ ๆ เหล่านี้ จะช่วยให้ฮับเบิลค้นพบการมีอยู่ของกาแล็กซีอื่นนอกทางช้างเผือกแล้ว บทความในหนังสือพิมพ์นิวยอร์กไทมส์เมื่อปี 1924 ยังเน้นถึงความช่วยเหลือสำคัญจากกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่และทันสมัยที่สุด ซึ่งตั้งอยู่ที่หอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์เมาน์ตวิลสัน (Mount Wilson Observatory) ใกล้นครลอสแอนเจลีส ซึ่งเป็นสถานที่ทำงานของฮับเบิลด้วย

โดยทั่วไปแล้วขนาดและประสิทธิภาพของกล้องโทรทรรศน์นั้น วัดกันด้วยเส้นผ่านศูนย์กลางของกระจกปฐมภูมิ ซึ่งกล้องโทรทรรศน์ฮุกเกอร์ (Hooker Telescope) ที่หอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์ดังกล่าว มีกระจกปฐมภูมิสำหรับรวมแสงขนาดใหญ่ถึง 100 นิ้ว หรือ 2.5 เมตร ซึ่งนับว่าใหญ่ที่สุดในยุคนั้น

กล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ไม่เพียงแต่ไวต่อแสงที่มาจากกาแล็กซีอันห่างไกลเท่านั้น แต่ยังสร้างภาพดวงดาวที่คมชัดกว่าได้อีกด้วย ทำให้ฮับเบิลอยู่ในสถานการณ์ที่เอื้ออำนวยต่อการค้นพบองค์ความรู้ใหม่ ๆ อย่างยิ่ง

เมื่อฮับเบิลทำการเปรียบเทียบภาพดาวฤกษ์บนแผ่นกระจกเคลือบสารเคมี ที่เขาใช้กล้องโทรทรรศน์ฮุกเกอร์บันทึกเอาไว้เอง กับภาพที่เพื่อนนักดาราศาสตร์คนอื่นได้บันทึกไว้เมื่อคืนก่อน เขาพบว่าดาวฤกษ์ที่ส่องแสงจ้าดวงหนึ่งกลับมีความสว่างไม่เท่าเดิมโดยผันแปรไปตามคาบเวลา ซึ่งตรงกับลักษณะของดาวแปรแสงเซฟีดพอดี

ฮับเบิลจึงใช้วิธีคำนวณของลีวิตต์ หาระยะทางจากดาวแปรแสงเซฟีดดวงหนึ่งไปสู่ดาวที่เขาค้นพบ ทำให้ทราบว่าตัวเลขที่เขาคำนวณได้นั้น มากกว่าขนาดของกาแล็กซีทางช้างเผือกที่เชปลีย์เคยคำนวณได้เสียอีก และในอีกหลายเดือนต่อมา ฮับเบิลยังได้ศึกษาเนบิวลารูปกังหันเพิ่มเติม รวมทั้งวัดระยะห่างของมันด้วยวิธีเดียวกัน จนนำไปสู่การค้นพบว่า ยังมีกาแล็กซีอื่น ๆ ที่อยู่นอกอาณาเขตดาราจักรของเรา

เชปลีย์ได้รับจดหมายฉบับหนึ่งจากฮับเบิล ซึ่งบอกเขาถึงรายละเอียดของการค้นพบข้างต้น ทำให้เชปลีย์ตัดสินใจส่งต่อจดหมายดังกล่าวให้กับเซซิเลีย เพน-กาพอชคิน เพื่อนนักดาราศาสตร์หญิง พร้อมกับกล่าวว่า “นี่คือจดหมายที่ทำลายจักรวาลของผม”

การขยายตัวของเอกภพ

นอกจากจะสามารถวัดระยะทางจากโลกไปสู่ดาราจักรต่าง ๆ ได้แล้ว กล้องโทรทรรศน์ยังสามารถตรวจวัดอัตราเร็วที่กาแล็กซีต่าง ๆ เคลื่อนตัวเข้าหาหรือเคลื่อนห่างออกไปจากโลกทุกขณะได้ โดยนักดาราศาสตร์จะต้องตรวจวัดสเปกตรัม (spectrum) หรือแสงในความยาวคลื่นย่านต่าง ๆ ที่มาจากกาแล็กซีนั้น เพื่อนำไปคำนวณหาค่าการเลื่อนไปทางแสงสีแดง (redshift) ที่เกิดจากปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ (Doppler’s Assemble)

ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ที่ว่านี้เป็นพฤติกรรมของคลื่นแบบหนึ่ง ซึ่งพบได้ทั้งในคลื่นแสงและคลื่นเสียง ปรากฏการณ์นี้ทำให้เราได้ยินเสียงหวอหรือไซเรนจากรถพยาบาลฉุกเฉินแผดดังมากขึ้น เมื่อรถกำลังเคลื่อนที่เข้ามาใกล้เรา แต่เสียงจะค่อย ๆ แผ่วจางลงเมื่อรถวิ่งห่างออกไป

ที่มาของภาพ, Getty Photos

บรรดากาแล็กซีต่าง ๆ นั้น เปรียบเสมือนกับรถพยาบาลฉุกเฉินข้างต้น หากพวกมันเคลื่อนห่างออกไปจากโลก ลักษณะหนึ่งของสเปกตรัมที่เรียกว่าเส้นดูดกลืนแสง (absorption line) จะปรากฏในย่านของช่วงคลื่นที่มีความยาวคลื่นมากกว่า เมื่อเทียบกับสเปกตรัมที่เกิดขึ้นขณะที่กาแล็กซีไม่เคลื่อนไหว ซึ่งสิ่งนี้เองที่นักวิทยาสาสตร์เรียกว่าการเลื่อนไปทางแสงสีแดง (redshift)

ในปี 1904 เวสโต สไลเฟอร์ นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกัน ได้ริเริ่มใช้เทคนิคการวัดความเร็วและทิศทางการเคลื่อนที่ของเนบิวลาต่าง ๆ ด้วยปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ โดยเขาใช้กล้องโทรทรรศน์ที่มีกระจกรวมแสงขนาด 24 นิ้ว ของหอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์โลเวลล์ในรัฐแอริโซนาเป็นอุปกรณ์หลัก

สไลเฟอร์พบว่าสเปกตรัมของเนบิวลาเหล่านั้น หากไม่มีการเลื่อนไปทางแสงสีแดง (เคลื่อนออกห่างจากโลก) ก็จะเลื่อนไปทางแสงสีน้ำเงิน (blueshift) ซึ่งหมายความว่าเนบิวลากลุ่มหลังนี้กำลังเคลื่อนเข้าหาโลก นอกจากนี้สไลเฟอร์ยังพบว่า เนบิวลาบางแห่งเคลื่อนตัวถอยห่างจากโลกด้วยอัตราเร็วสูงถึง 1,000 กิโลเมตรต่อวินาที

ฮับเบิลได้รวมผลการวัดของสไลเฟอร์ เข้ากับระยะห่างโดยประมาณระหว่างกาแล็กซีแต่ละแห่งที่เขาคำนวณได้ ซึ่งทำให้ค้นพบว่า มีความสัมพันธ์ระหว่างระยะห่างและอัตราเร็วของดาราจักรที่กำลังเคลื่อนห่างออกจากโลก โดยยิ่งมันถอยห่างไปจากเรามากขึ้นเท่าใด ก็จะยิ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงขึ้นเท่านั้น ปรากฏการณ์นี้คือคำอธิบายที่อยู่เบื้องหลังการขยายตัวของเอกภพ (growth of the universe) จากจุดกำเนิดเดียวกัน หรือที่เรียกว่าเหตุการณ์บิ๊กแบง (Tall Bang)

การค้นพบที่ฮับเบิลประกาศต่อชาวโลกเมื่อ 100 ปีก่อน ทำให้เขาได้รับการยกย่องเป็นบุคคลสำคัญของวงการดาราศาสตร์ ซึ่งต่อมามีการนำชื่อของเขาไปตั้งเป็นชื่อของ “กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล” หนึ่งในอุปกรณ์วิทยาศาสตร์ที่ทรงพลังมากที่สุดของโลก