ดาราศาสตร์ – Page 3

นักดาราศาสตร์หาระยะดวงดาวและกาแล็กซีอย่างไร ?

วันนี้จะขอเสนอวิธีการหาระยะทางของวัตถุอวกาศในระยะใกล้เช่น ดาวฤกษ์ต่าง ๆ ที่เรามองเห็นด้วยตาเปล่าไปจนถึงวัตถุที่ไกลมากอย่างแกแลคซี่ ครับ

วิธีที่นักดาราศาสตร์ใช้กันจะมี 4 วิธี รายละเอียดตามนี้

Trigonometric parallax
หากดาวดวงนั้นอยู่ไม่ไกลมากนักคือไม่เกิน 500 ปีแสง จะใช้วิธี Trigonometric parallax ครับโดยเราจะใช้ ตำแหน่งโคจรของโลก ทั้ง 2 ฟากดวงอาทิตย์ซึ่งมีตำแหน่งห่างกันประมาณ 310 ล้านกิโลเมตรเป็นจุดกำหนดสำหรับการใส่ลงไปในสามเหลี่ยมตรีโกณมิติ และคำนวณระยะของดาวที่ต้องการหาได้ครับ

อีกรูปแบบหนึ่งของ Parallax ที่จะดูง่ายกว่ามาก

2. Spectroscopic Parallax
หากระยะทางของดาวไกลกว่านั้น  ก็จะใช้วิธีที่เรียกว่า Spectroscopic Parallax
โดยการวิเคราะห์แสงจากดาวดวงนั้น  เรียกว่ากระบวนการ photometry  ตาม Diagram ในภาพล่างนี้ครับ หลักการสำคัญของวิธีนี้  ก็คือจะต้องหาค่าความสว่าง 2 อย่างให้ได้  แล้วนำมาเข้าสูตร
ซึ่งการจะหาค่าของ Appearent magnitude นั้นไม่ยากเพราะกล้องโทรทรรศน์จะแสดงค่าได้อยู่แล้ว แต่ค่าความสว่างสัมบูรณ์ (Absolute magnitude) นี่สิ  ที่จะต้องมีขั้นตอนหน่อยนึง

ในวิธีนี้ จะมีแผนภาพหนึ่งที่มีความสำคัญมาก ๆ ในการใช้หาค่า Absolute magnitude
แผนภาพนี้ชื่อว่า Hertzsprung-Russelll diagram (HR Diagram) ภาพล่างนี้คือ HR diagram ที่แสดงรายละเอียดครบ ส่วนสำคัญก็คือ Spectral Class ของดาว (ด้านบนสุด)
และตรงกลางของ diagram ก็คือการ plotting ดาวจำนวนมากกว่า 22,000 ดวง
ซึ่งเป็นการ plot ความสัมพันธ์ระหว่าง ความสว่าง และ Spectral ของดาวฤกษ์ครับ

ในการเทียบหา absolute magnitude ของวิธีนี้ เราก็จะต้องทราบ spectral class ของดาว
และ Luminustry class (ที่เป็นเลขโรมัน) เรากจะสามารถลากกราฟไปหาค่า absolute magnitude ได้ครับ

Spectral class ของดาว  จะมี format การเขียนตามมาตรฐานของ Morgan–Keenan (MK) system  ดังนี้ ….
1. ตัวอักษร Spectal
2. เลข sub spectral แสดงความสว่าง (0 – 9)
3. เลขโรมัน  แสดง luminosity class
เช่น  ดวงอาทิตย์ของเรา คือ G2V  (ดาว class G2  ที่อยู่ในแถบลำดับหลัก V^{เลขโรมัน})

3. Variable Star
และ …. หากเป็นการหาระยะของ วัตถุอวกาศที่มีระยะไกลมาก นักดาราศาสตร์ใช้วิธีคำนวณระยะจากการวัดความสว่างของ Cepheid variable stars (ดาวแปรแสงชนิดเซเฟอิด) และ ดาวแปรแสงแบบอาร์อาร์ไลแร (RR Lyrae) ซึ่งดาวฤกษ์ทั้ง 2 ชนิดนี้ มีคาบการแปรแสงคงที่มาก ทำให้เราสามารถนำเอา absolute luminosity (ค่าส่องสว่างสัมบูรณ์) และ appearent magnitude (ความสว่างปรากฏ) ของมันมาหาระยะทางอันแน่นอนได้ครับ ซึ่งวิธีนี้จะแม่นยำที่สุดในการหาระยะของตำแหน่งใด ๆ ในแกแลคซี่ หรือ กระจุกดาว ที่มีดาวฤกษ์ประเภทนี้อาศัยอยู่ ครับ

วิธีการ จะเริ่มด้วยการหาค่าของ ช่วงเวลาที่ดาวแปรแสง ขึ้น และ ลง ก่อนครับ ว่าคาบเวลานั้นกี่วัน
ต่อจากนั้น ก็นำไปเทียบกับฐานข้อมูลว่าดาวแปรแสงทั้ง 2 ชนิดนั้น หากมีคาบเท่านี้จะมี Absolute magnitude เท่าใด เมื่อได้ครบ 2 อย่าง คือทั้ง Appearent – Absolute magnitude …… ก็นำไปเข้าสูตรได้เลยครับ

4. Red shift & Hubble constant
สุดท้าย การหาระยะทางของวัตถุที่อยู่ไกลมาก ๆ เช่น แกแลคซี่ไกลโพ้น จะต้องใช้วิธี Doppler’s redshift ครับ วิธีการก็คือ จะใช้ Spectograph ของกล้องโทรทรรศน์ในการวิเคราะห์ แถบ Hydrogen เพื่อหา ความยาวคลื่นที่ Shift ออกไป โดยเทียบกับ Spectrum มาตรฐานครับ และเมื่อได้ความยาวคลื่นที่เปลี่ยนไปแล้วก็นำไปคำนวณหา ความเร็ว ของแกแลคซี่นั้นได้เลย จากสูตรนี้

และเมื่อได้ความเร็วจากสมการด้านบนแล้ว ก็นำไปหา ระยะทาง ได้เลยจากสูตรนี้ครับ

d = V / H₀
d = ระยะทางจากโลกถึงกาแลกซี
V = ความเร็วในการถอยห่างของกาแลกซี
H₀ = ค่าคงที่ของฮับเบิล = 71 km/s/Mpc

ค่าคงตัวของ Hubble (Hubble constant) นี้ มาจากการวิเคราะห์ของนักดาราศาสตร์ Edwin Hubble ที่ว่าความเร็วในการถอยห่างจากเราของแกแลคซี่ไกลโพ้น กับ ระยะทางของแกแลคซี่ นั้นเป็นกราฟเส้นตรง ดังนั้นจึงสามารถกำหนดค่าคงตัวได้ และนำไปคูณกับความเร็วของแกแลคซี่เป็นสูตรง่าย ๆ ได้ครับ

ทำไมภาพถ่ายอวกาศจึงสีสันสวยงาม

พวกวัตถุอวกาศที่เราเห็นสวยงามเหล่านั้น หากเรามองด้วยตาเปล่าจะเห็นเป็นสีสันที่สดใสน้อยลงกว่าเดิมมาก หรืออาจเห็นเป็นโทนขาวดำหรือเทา ๆ เท่านั้นครับ

ขอยกตัวอย่างภาพของ Orion nebula
ภาพแรกนี้ถ่ายด้วยกล้องโทรทรรศน์ Hubble ด้วย sensor ของแสงในย่านต่าง ๆ หลายความยาวคลื่นดังนี้ครับ

หลังจากนั้น สถานีภาคพื้นดินก็นำภาพมา processes ให้เป็นภาพที่มีความคมชัดสูงและมีสีสันต่าง ๆ อย่างที่เราเห็นแบบนี้

ส่วนภาพนี้ถ่ายด้วยกล้อง DSLR โดยไม่มีการ processes ภาพใด ๆ เลย ซึ่งจะเห็นว่าสีสันต่าง ๆ ลดลงมาก

ปกติแล้วการถ่ายภาพวัตถุอวกาศด้วยกล้องโทรทรรศน์จะมี sensor ในหลายย่านแสงครับ  ตั้งแต่ Infrared – Visible light – Ultraviolet – Xray จนไปถึงย่าน Gamma  เหตุที่ต้องถ่ายภาพแบบนี้เพราะเป็นการศึกษาองค์ประกอบของวัตถุอวกาศนั้น ๆ ว่ามีองค์ประกอบใดอยู่บ้าง  เช่น …
– ภาพถ่าย Infrared จะแสดงถึงดาวฤกษ์ที่มีอุณหภูมิต่ำ และพวกเมฆโมเลกุล  ฝุ่นอวกาศ
– ภาพถ่าย Visible light  จะแสดงถึงภาพรวมของวัตถุนั้น
– ภาพถ่าย X-Ray  แสดงถึงวัตถุที่มีพลังงานสูง และ มีแรงโน้มถ่วงสูง
  เช่น  ดาวนิวตรอน  หลุมดำ
– ภาพถ่าย Gamma  แสดงถึงปรากฏการณ์ที่ส่งพลังงานสูงออกมา
  เช่น Supernova , การเกิด Gamma Ray Burst (GRB) , Quasar

อย่างในภาพนี้ คือการถ่ายภาพแกแลคซี่ Andromeda ในหลายย่านแสงเพื่อศึกษาองค์ประกอบของมัน จากภาพนี้จะเห็นว่าแสงย่าน Infrared คือดาวฤกษ์ส่วนใหญ่ ส่วนภาพ X-ray จะปรากฏขึ้นมาเป็นจุดฟ้า ๆ นิดเดียวเพราะวัตถุประเภทพลังงานสูงมักจะไปกระจุกตัวอยู่กลางแกแลคซี่ครับ

สีต่าง ๆ ของย่าน Infrared X-ray และ gamma เราจะไม่รู้ว่าสีอะไรเพราะตามนุษย์มองเห็นแค่ย่าน Visible light (Optical) แค่นั้น ….. ดังนั้น แสงในย่าน Infrared , Ultraviolet , X-ray , Gamma ที่ sensor กล้องโทรทรรศน์จับได้จึงกำหนดให้เป็นสีแดง ฟ้า น้ำเงินในขั้นตอนสร้างภาพเพื่อความเหมาะสมและเข้าใจได้ง่าย ๆ

มีบางอย่างพุ่งทะลุทางช้างเผือกจริงหรือ ? 😮

ในช่วงหลายเดือนมานี้มีข่าว และมีบทความเกี่ยวกับว่ามีบางสิ่งพุ่งทะลุทางช้างเผือกจนฉีกขาดเป็นรูอะไรทำนองนี้ แต่เนื้อหาจริง ๆ ของเรื่องนี้มันอาจจะไม่ถึงขั้นว่า “พุ่งทะลุ” หรือเป็นรอยฉีกเป็นรอยแยกในทางช้างเผือกแต่อย่างใด และมีหลายบทความก็ได้ทำภาพประกอบให้ดูน่ากลัวเกินจริง

ต้นเรื่องของเรื่องนี้ ก็คือตั้งแต่ปี 2019 (7 ปีที่แล้ว)
Something Strange Punched a Hole in the Milky Way. But What Exactly Is It?
https://www.livescience.com/65483-dark-impactor-could-be-dark-matter.html

ก่อนอื่นขออธิบายเรื่อง Stellar stream ก่อนครับ

ตามภาพที่เห็นนี้ ลักษณะที่เป็นสายธารสีขาวรอบแกแล็กซี่ทางช้างเผือกของเราจะเรียกว่า Stellar stream

Stellar stream คือกระจุกดาวทรงกลมหรืออาจจะเป็น dwarf galaxy ซึ่งถูกอิทธิพลจากความโน้มถ่วงของทางช้างเผือกกระทำ จนกระทั่งลักษณะเดิมซึ่งเป็นกลุ่มก้อนหรือเป็นกระจุกทรงกลมของดาวฤกษ์นั้นได้แตกสลายกลายเป็นดาวฤกษ์จำนวนมหาศาล เคลื่อนที่เป็นสายธารโคจรรอบทางช้างเผือกครับ

Stellar stream นั่นเป็นเรื่องที่ศึกษากันมานานมากแล้ว และตั้งแต่ยุคของกล้องโทรทรรศน์อวกาศ GAIA ก็ได้ตรวจพบ Stellar stream ในทางช้างเผือกหลายสิบแห่ง แม้กระทั่งแกแล็กซี Andromeda ก็ตรวจพบครับ
https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_stellar_streams

ต่อมาในปี 2006 ได้มีการค้นพบ Stellar stream แห่งหนึ่งชื่อว่า GD-1 ….

ซึ่งนักดาราศาสตร์ถือว่ามีความผิดปกติมาก เนื่องจากเส้นทางและลักษณะของสายธารของการโคจรมีบางช่วงที่ “ขาด” และดูเหมือนกับถูกกระทำจากความโน้มถ่วงอย่างรุนแรง ซึ่งการถูกตัดขาดช่วงของสายธารดาวฤกษ์นี้เป็นลักษณะของการคล้ายกับการถูก “พุ่งชน” ซึ่งการพุ่งชนนี้สร้างรอยขาด / รอยแยกจากอิทธิพลความโน้มถ่วงที่กว้างมาก

และจากแบบจำลองก็แสดงให้เห็นว่าเกิดจากมวลมหาศาลระดับล้านเท่าของดวงอาทิตย์ ซึ่งมันก็เป็นไปได้อย่างเดียวก็คือหลุมดำขนาดใหญ่แบบ Supermassive Blackhole แต่เนื่องจากไม่มีหลักฐานอื่นที่บ่งชี้ถึงหลุมดำเลย ดังนั้นตอนนี้จึงฟันธงได้ก่อนว่าเป็นอิทธิพลจากกลุ่มสสารมืด (Dark matter) ซึ่งเป็นสสารที่มีมวลแต่ตรวจจับไม่ได้มองไม่เห็นครับ

นี่แหละ จึงเป็นที่มาของประโยค “Something Strange Punched a Hole in the Milky Way. But What Exactly Is It?” ซึ่งมันก็ไม่ใช่มีรอยโหว่หรือรูรั่วในทางช้างเผือกของเราแต่อย่างใด มันก็เป็นเพียงแค่ความผิดปกติของ Stellar stream เท่านั้นเอง และในเพจ facebook ต่างประเทศหลายแห่งก็ทำภาพให้มันเว่อร์วังไปซะอย่างนั้น