ดาราศาสตร์

ดาราศาสตร์ดาวฤกษ์

เนบิวลาดาวเคราะห์รูปมด ที่แผ่แก๊สออกมาจากศูนย์กลางดาวฤกษ์ที่แตกดับในลักษณะสมมาตร ต่างจากการระเบิดโดยทั่วไป

ดูบทความหลักที่ ดาวฤกษ์

การศึกษาเกี่ยวกับดาวฤกษ์และวิวัฒนาการของดาวฤกษ์เป็นพื้นฐานสำคัญในการทำความเข้าใจกับเอกภพ วิทยาการฟิสิกส์ดาราศาสตร์ของดวงดาวเกิดขึ้นมาจากการสังเกตการณ์และการพยายามสร้างทฤษฎีเพื่อทำความเข้าใจ รวมถึงการสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์เพื่อศึกษาผลที่เกิดขึ้นภายในดวงดาว

ดาวฤกษ์ถือกำเนิดขึ้นในย่านอวกาศที่มีฝุ่นและแก๊สอยู่หนาแน่น เรียกชื่อว่าเมฆโมเลกุลขนาดยักษ์ เมื่อเกิดภาวะที่ไม่เสถียร ส่วนประกอบของเมฆอาจแตกสลายไปภายใต้แรงโน้มถ่วง และทำให้เกิดเป็นดาวฤกษ์ก่อนเกิดขึ้น บริเวณที่มีความหนาแน่นของแก๊สและฝุ่นสูงมากพอ และร้อนมากพอ จะเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น ซึ่งทำให้เกิดดาวฤกษ์ในแถบลำดับหลักขึ้น^[30] ธาตุที่กำเนิดขึ้นในแกนกลางของดาวฤกษ์โดยมากเป็นธาตุที่หนักกว่าไฮโดรเจนและฮีเลียมทั้งสิ้น

คุณลักษณะต่างๆ ของดาวฤกษ์ขึ้นอยู่กับมวลเริ่มต้นของดาวฤกษ์นั้นๆ ดาวฤกษ์ที่มีมวลมากจะมีความส่องสว่างสูง และจะใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนจากแกนกลางของมันเองไปอย่างรวดเร็ว เมื่อเวลาผ่านไป เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเหล่านี้จะค่อยๆ แปรเปลี่ยนกลายไปเป็นฮีเลียม ดาวฤกษ์ก็จะวิวัฒนาการไป การเกิดฟิวชั่นของฮีเลียมจะต้องใช้อุณหภูมิแกนกลางที่สูงกว่า ดังนั้นดาวฤกษ์นั้นก็จะขยายตัวใหญ่ขึ้น ขณะเดียวกันก็เพิ่มความหนาแน่นแกนกลางของตัวเองด้วย ดาวแดงยักษ์จะมีช่วงอายุที่สั้นก่อนที่เชื้อเพลิงฮีเลียมจะถูกเผาผลาญหมดไป ดาวฤกษ์ที่มีมวลมากกว่าจะผ่านกระบวนการวิวัฒนาการได้มากกว่า โดยที่มีธาตุหนักหลอมรวมอยู่ในตัวเพิ่มมากขึ้น

การสิ้นสุดชะตากรรมของดาวฤกษ์ก็ขึ้นอยู่กับมวลของมันเช่นกัน ดาวฤกษ์ที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ของเรามากกว่า 8 เท่าจะแตกสลายกลายไปเป็นซูเปอร์โนวา ขณะที่ดาวฤกษ์ที่เล็กกว่าจะกลายไปเป็นเนบิวลาดาวเคราะห์ และวิวัฒนาการต่อไปเป็นดาวแคระขาว ซากของซูเปอร์โนวาคือดาวนิวตรอนที่หนาแน่น หรือในกรณีที่ดาวฤกษ์นั้นมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ของเรากว่า 3 เท่า มันจะกลายไปเป็นหลุมดำ^[31] สำหรับดาวฤกษ์ที่เป็นระบบดาวคู่อาจมีวิวัฒนาการที่แตกต่างออกไป เช่นอาจมีการถ่ายเทมวลแก่กันแล้วกลายเป็นดาวแคระขาวแบบคู่ซึ่งสามารถจะกลายไปเป็นซูเปอร์โนวาได้ การเกิดเนบิวลาดาวเคราะห์และซูเปอร์โนวาเป็นการกระจายสสารธาตุออกไปสู่สสารระหว่างดาว หากไม่มีกระบวนการนี้แล้ว ดาวฤกษ์ใหม่ๆ (และระบบดาวเคราะห์ของมัน) ก็จะก่อตัวขึ้นมาจากเพียงไฮโดรเจนกับฮีเลียมเท่านั้น

[แก้] ดาราศาสตร์ดาราจักร

การสังเกตการณ์และศึกษาโครงสร้างแขนกังหันของดาราจักรทางช้างเผือก

ดูบทความหลักที่ ดาราศาสตร์ดาราจักร

ระบบสุริยะของเราโคจรอยู่ภายในดาราจักรทางช้างเผือก ซึ่งเป็นดาราจักรชนิดก้นหอยมีคาน และเป็นดาราจักรสมาชิกแห่งหนึ่งในกลุ่มท้องถิ่น ดาราจักรนี้เป็นกลุ่มแก๊ส ฝุ่น ดาวฤกษ์ และวัตถุอื่นๆ อีกจำนวนมากที่หมุนวนไปรอบกัน โดยมีแรงโน้มถ่วงกระทำต่อกันทำให้ดึงดูดกันไว้ ตำแหน่งของโลกอยู่ที่แขนฝุ่นกังหันด้านนอกข้างหนึ่งของดาราจักร ดังนั้นจึงมีบางส่วนของทางช้างเผือกที่ถูกบังไว้และไม่สามารถมองเห็นได้

ที่ใจกลางของทางช้างเผือกมีลักษณะคล้ายดุมกังหันขนาดใหญ่ ซึ่งเชื่อว่าเป็นที่ตั้งของหลุมดำมวลยวดยิ่ง รอบๆ ดุมกังหันเป็นแขนก้นหอยชั้นต้นมี 4 ปลายหมุนอยู่รอบๆ แกน เป็นย่านที่มีการเกิดใหม่ของดาวฤกษ์ดำเนินอยู่ มีดาวฤกษ์แบบดารากร 1 ที่อายุเยาว์อยู่ในย่านนี้เป็นจำนวนมาก ส่วนจานของก้นหอยประกอบด้วยทรงกลมฮาโล อันประกอบด้วยดาวฤกษ์แบบดารากร 2 ที่มีอายุมากกว่า ทั้งยังเป็นที่ตั้งของกลุ่มดาวฤกษ์หนาแน่นที่เรียกกันว่า กระจุกดาวทรงกลม^[32][33]

ที่ว่างระหว่างดวงดาวมีสสารระหว่างดาวบรรจุอยู่ เป็นย่านที่มีวัตถุต่างๆ อยู่อย่างเบาบางมาก บริเวณที่หนาแน่นที่สุดคือเมฆโมเลกุล ซึ่งประกอบด้วยโมเลกุลของไฮโดรเจนและธาตุอื่นๆ ที่เป็นย่านกำเนิดของดาวฤกษ์ ในช่วงแรกจะมีการก่อตัวเป็นเนบิวลามืดรูปร่างประหลาดก่อน จากนั้นเมื่อมีความหนาแน่นเพิ่มขึ้นมากๆ ก็จะเกิดการแตกสลายแล้วก่อตัวใหม่เป็นดาวฤกษ์ก่อนเกิด^[34]

เมื่อมีดาวฤกษ์มวลมากปรากฏขึ้นมากเข้า มันจะเปลี่ยนเมฆโมเลกุลให้กลายเป็นบริเวณเอชทูซึ่งเป็นย่านเรืองแสงเต็มไปด้วยแก๊สและพลาสมา ลมดาวฤกษ์กับการระเบิดซูเปอร์โนวาของดาวเหล่านี้จะทำให้กลุ่มเมฆกระจายตัวกันออกไป แล้วเหลือแต่เพียงกลุ่มของดาวฤกษ์จำนวนหนึ่งที่เกาะกลุ่มกันเป็นกระจุกดาวเปิดอายุน้อยๆ เมื่อเวลาผ่านไปกระจุกดาวเหล่านี้ก็จะค่อยๆ กระจายห่างกันออกไป แล้วกลายไปเป็นประชากรดาวดวงหนึ่งในทางช้างเผือก

การศึกษาจลนศาสตร์ของมวลสารในทางช้างเผือกและดาราจักรต่างๆ ทำให้เราทราบว่า มวลที่มีอยู่ในดาราจักรนั้นแท้จริงมีมากกว่าสิ่งที่เรามองเห็น ทฤษฎีเกี่ยวกับสสารมืดจึงเกิดขึ้นเพื่ออธิบายปรากฏการณ์นี้ แม้ว่าธรรมชาติของสสารมืดยังคงเป็นสิ่งลึกลับไม่มีใครอธิบายได้^[35]

[แก้] ดาราศาสตร์ดาราจักรนอกระบบ

ภาพแสดงวัตถุทรงรีสีน้ำเงินจำนวนมากที่เป็นภาพสะท้อนของดาราจักรแห่งเดียวกัน เป็นผลกระทบจากเลนส์ความโน้มถ่วงที่เกิดจากกระจุกดาราจักรสีเหลืองใกล้ศูนย์กลางของภาพ

ดูบทความหลักที่ ดาราศาสตร์ดาราจักรนอกระบบ

การศึกษาวัตถุที่อยู่ในห้วงอวกาศอื่นนอกเหนือจากดาราจักรของเรา เป็นการศึกษาเกี่ยวกับกำเนิดและวิวัฒนาการของดาราจักร การศึกษารูปร่างลักษณะและการจัดประเภทของดาราจักร การสำรวจดาราจักรกัมมันต์ การศึกษาการจัดกลุ่มและกระจุกดาราจักร ซึ่งในหัวข้อหลังนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการทำความเข้าใจกับโครงสร้างขนาดใหญ่ของจักรวาล

ดาราจักรส่วนใหญ่จะถูกจัดกลุ่มตามรูปร่างลักษณะที่ปรากฏ เข้าตามหลักเกณฑ์ของการจัดประเภทดาราจักร ซึ่งมีกลุ่มใหญ่ๆ ได้แก่ ดาราจักรชนิดก้นหอย ดาราจักรชนิดรี และดาราจักรไร้รูปแบบ^[36]

ลักษณะของดาราจักรคล้ายคลึงกับชื่อประเภทที่กำหนด ดาราจักรชนิดรีจะมีรูปร่างในภาคตัดขวางคล้ายคลึงกับรูปวงรี ดาวฤกษ์จะโคจรไปแบบสุ่มโดยไม่มีทิศทางที่แน่ชัด ดาราจักรประเภทนี้มักไม่ค่อยมีฝุ่นระหว่างดวงดาวหลงเหลือแล้ว ย่านกำเนิดดาวใหม่ก็ไม่มี และดาวฤกษ์ส่วนใหญ่จะมีอายุมาก เรามักพบดาราจักรชนิดรีที่บริเวณใจกลางของกระจุกดาราจักร หรืออาจเกิดขึ้นจากการที่ดาราจักรขนาดใหญ่สองแห่งปะทะแล้วรวมตัวเข้าด้วยกันก็ได้

ดาราจักรชนิดก้นหอยมักมีรูปทรงค่อนข้างแบน เหมือนแผ่นจานหมุน และส่วนใหญ่จะมีดุมหรือมีแกนรูปร่างคล้ายคานที่บริเวณใจกลาง พร้อมกับแขนก้นหอยสว่างแผ่ออกไปเป็นวง แขนก้นหอยนี้เป็นย่านของฝุ่นที่เป็นต้นกำเนิดของดาวฤกษ์ ดาวฤกษ์อายุน้อยมวลมากจะทำให้แขนนี้ส่องสว่างเป็นสีฟ้า ส่วนที่รอบนอกของดาราจักรมักเป็นกลุ่มของดาวฤกษ์อายุมาก ดาราจักรทางช้างเผือกของเราและดาราจักรแอนดรอเมดาก็เป็นดาราจักรชนิดก้นหอย

ดาราจักรไร้รูปแบบมักมีรูปร่างปรากฏไม่แน่ไม่นอน ไม่ใช่ทั้งดาราจักรชนิดรีหรือชนิดก้นหอย ประมาณหนึ่งในสี่ของจำนวนดาราจักรทั้งหมดที่พบเป็นดาราจักรชนิดไร้รูปแบบนี้ รูปร่างอันแปลกประหลาดของดาราจักรมักทำให้เกิดปฏิกิริยาแรงโน้มถ่วงแปลกๆ ขึ้นด้วย

ดาราจักรกัมมันต์คือดาราจักรที่มีการเปล่งสัญญาณพลังงานจำนวนมากออกมาจากแหล่งกำเนิดอื่นนอกเหนือจากดาวฤกษ์ ฝุ่น และแก๊ส แหล่งพลังงานนี้เป็นย่านเล็กๆ แต่หนาแน่นมากซึ่งอยู่ในแกนกลางดาราจักร โดยทั่วไปเชื่อกันว่ามีหลุมดำมวลยวดยิ่งอยู่ที่นั่นซึ่งเปล่งพลังงานรังสีออกมาเมื่อมีวัตถุใดๆ ตกลงไปในนั้น ดาราจักรวิทยุคือดาราจักรกัมมันต์ชนิดหนึ่งที่ส่องสว่างมากในช่วงสเปกตรัมของคลื่นวิทยุ มันจะเปล่งลอนของแก๊สออกมาเป็นจำนวนมาก ดาราจักรกัมมันต์ที่แผ่รังสีพลังงานสูงออกมาได้แก่ ดาราจักรเซย์เฟิร์ต เควซาร์ และเบลซาร์ เชื่อว่าเควซาร์เป็นวัตถุที่ส่องแสงสว่างมากที่สุดเท่าที่เป็นที่รู้จักในเอกภพ^[37]

โครงสร้างขนาดใหญ่ของจักรวาลประกอบด้วยกลุ่มและกระจุกดาราจักรจำนวนมาก โครงสร้างนี้มีการจัดลำดับชั้นโดยที่ระดับชั้นที่ใหญ่ที่สุดคือ มหากระจุกของดาราจักร เหนือกว่านั้นมวลสารจะมีการโยงใยกันในลักษณะของใยเอกภพและกำแพงเอกภพ ส่วนที่ว่างระหว่างนั้นมีแต่สูญญากาศ^[38]

[แก้] จักรวาลวิทยา

ดูบทความหลักที่ จักรวาลวิทยาเชิงกายภาพ

จักรวาลวิทยา (อังกฤษ: cosmology; มาจากคำในภาษากรีกว่า κοσμος "cosmos" หมายถึง เอกภพ และ λογος หมายถึง การศึกษา) เป็นการศึกษาเกี่ยวกับเอกภพทั้งหมดในภาพรวม

การสังเกตการณ์โครงสร้างขนาดใหญ่ของเอกภพ เป็นสาขาวิชาหนึ่งที่เรียกว่า จักรวาลวิทยาเชิงกายภาพ ช่วยให้เรามีความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับการกำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล ทฤษฎีที่เป็นที่ยอมรับโดยทั่วไปสำหรับพื้นฐานของจักรวาลวิทยาสมัยใหม่ ได้แก่ ทฤษฎีบิกแบง ซึ่งกล่าวว่าเอกภพของเรากำเนิดมาจากจุดเพียงจุดเดียว หลังจากนั้นจึงขยายตัวขึ้นเป็นเวลากว่า 13.7 พันล้านปีมาแล้ว หลักการของทฤษฎีบิกแบงเริ่มต้นขึ้นตั้งแต่การค้นพบรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล ในปี ค.ศ. 1965

ตลอดช่วงเวลาการขยายตัวของเอกภพนี้ เอกภพได้ผ่านขั้นตอนของวิวัฒนาการมามากมายหลายครั้ง ในช่วงแรก ทฤษฎีคาดการณ์ว่าเอกภพน่าจะผ่านช่วงเวลาการพองตัวของจักรวาลที่รวดเร็วมหาศาล ซึ่งเป็นหนึ่งเดียวกันและเสมอกันในทุกทิศทางในสภาวะเริ่มต้น หลังจากนั้น นิวคลีโอซินทีสิสจึงทำให้เกิดธาตุต่างๆ ขึ้นมากมายในเอกภพยุคแรก

เมื่อมีอะตอมแรกเกิดขึ้น จึงมีการแผ่รังสีผ่านอวกาศ ปลดปล่อยพลังงานออกมาดั่งที่ทุกวันนี้เรามองเห็นเป็นรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล เอกภพขยายตัวผ่านช่วงเวลาของยุคมืดเพราะไม่ค่อยมีแหล่งกำเนิดพลังงานของดาวฤกษ์^[39]

เริ่มมีการจัดโครงสร้างลำดับชั้นของสสารขึ้นนับแต่เริ่มมีการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นของสสาร สสารที่รวมกลุ่มกันอยู่เป็นบริเวณหนาแน่นที่สุดกลายไปเป็นกลุ่มเมฆแก๊สและดาวฤกษ์ยุคแรกสุด ดาวฤกษ์มวลมากเหล่านี้เป็นจุดกำเนิดของกระบวนการแตกตัวทางไฟฟ้าซึ่งเชื่อว่าเป็นต้นกำเนิดของธาตุหนักมากมายที่อยู่ในเอกภพยุคเริ่มต้น

ผลจากแรงโน้มถ่วงทำให้มีการดึงดูดรวมกลุ่มกันเกิดเป็นใยเอกภพ มีช่องสูญญากาศเป็นพื้นที่ว่าง หลังจากนั้นโครงสร้างของแก๊สและฝุ่นก็ค่อยๆ รวมตัวกันเกิดเป็นดาราจักรยุคแรกเริ่ม เมื่อเวลาผ่านไป มันดึงดูดสสารต่างๆ เข้ามารวมกันมากขึ้น และมีการจัดกลุ่มโครงสร้างเข้าด้วยกันเป็นกลุ่มและกระจุกดาราจักร ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งในโครงสร้างขนาดใหญ่คือมหากระจุกดาราจักร^[40]

โครงสร้างพื้นฐานที่สุดของจักรวาลคือการมีอยู่ของสสารมืดและพลังงานมืด ในปัจจุบันเราเชื่อกันว่าทั้งสองสิ่งนี้มีอยู่จริง และเป็นส่วนประกอบถึงกว่า 96% ของความหนาแน่นทั้งหมดของเอกภพ เหตุนี้การศึกษาฟิสิกส์ในยุคใหม่จึงเป็นความพยายามทำความเข้าใจกับองค์ประกอบเหล่านี้^[41]

[แก้] ศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับสาขาอื่น

การศึกษาดาราศาสตร์และฟิสิกส์ดาราศาสตร์ที่ก้าวหน้ามากขึ้น ทำให้มีความเกี่ยวข้องกับวิทยาศาสตร์สาขาอื่นมากยิ่งขึ้น ดังนี้

• โบราณดาราศาสตร์ (Archaeoastronomy) เป็นการศึกษาเกี่ยวกับวิทยาการดาราศาสตร์ในยุคโบราณหรือยุคดั้งเดิม โดยพิจารณาถึงสภาพสังคมและวัฒนธรรม อาศัยหลักฐานในทางโบราณคดีและมานุษยวิทยาเข้ามาช่วย
• ชีววิทยาดาราศาสตร์ (Astrobiology) เป็นการศึกษาการมาถึงและวิวัฒนาการของระบบชีววิทยาในเอกภพ ที่สำคัญคือการศึกษาและตรวจหาความเป็นไปได้ของสิ่งมีชีวิตในโลกอื่น
• เคมีดาราศาสตร์ (Astrochemistry) เป็นการศึกษาลักษณะทางเคมีที่พบในอวกาศ นับแต่การก่อตัว การเกิดปฏิกิริยา และการสูญสลาย มักใช้ในการศึกษาเมฆโมเลกุล รวมถึงดาวฤกษ์อุณหภูมิต่ำต่างๆ เช่น ดาวแคระน้ำตาลและดาวเคราะห์ ส่วน เคมีจักรวาล (Cosmochemistry) เป็นการศึกษาลักษณะทางเคมีที่พบในระบบสุริยะ รวมถึงกำเนิดของธาตุและการเปลี่ยนแปลงสัดส่วนของไอโซโทป ทั้งสองสาขานี้คาบเกี่ยวกันระหว่างศาสตร์ทางเคมีและดาราศาสตร์

นอกจากนี้ ยังมีการศึกษาเกี่ยวกับ การวัดตำแหน่งดาว (Astrometry) และกลศาสตร์ท้องฟ้า (Celestial Mechanics) ซึ่งศึกษาเกี่ยวกับตำแหน่งและการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งของวัตถุท้องฟ้า การระบุพิกัดและจลนศาสตร์ของวัตถุท้องฟ้า ลักษณะของวงโคจร ความโน้มถ่วง และอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับวิชากลศาสตร์และฟิสิกส์

[แก้] ดาราศาสตร์สมัครเล่น

ดูบทความหลักที่ ดาราศาสตร์สมัครเล่น

นักดาราศาสตร์สมัครเล่นสามารถเฝ้าสังเกตสิ่งที่สนใจเป็นพิเศษ และบ่อยครั้งที่ผลการสังเกตการณ์ของพวกเขากลายเป็นหัวข้อสำคัญทางวิชาการ

ดาราศาสตร์ เป็นสาขาวิชาหนึ่งทางวิทยาศาสตร์ที่บุคคลทั่วไปสามารถมีส่วนร่วมได้อย่างมากที่สุด