จักรวาลเป็นสถานที่ที่ใหญ่โต เมื่อเรามองดูท้องฟ้ายามค่ำคืน เกือบทุกสิ่งที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่าเป็นส่วนหนึ่งของกาแล็กซีของเรา ไม่ว่าจะเป็นดาว กระจุกดาว เนบิวลา เบื้องหลังดวงดาวของทางช้างเผือก เช่น ดาราจักร Triangulum มองทะลุผ่าน เราพบ "โลกของเกาะ" เหล่านี้ได้ทุกที่ในจักรวาล ไม่ว่าคุณจะมองไปที่ใด แม้แต่ในห้วงอวกาศที่มืดมนที่สุดและว่างเปล่าที่สุด ถ้าเพียงแต่เราจะรวบรวมแสงได้มากพอที่จะมองลึกลงไปได้มากพอ
ดาราจักรเหล่านี้ส่วนใหญ่อยู่ไกลมากจนแม้แต่โฟตอนที่เดินทางด้วยความเร็วแสงก็ยังต้องใช้เวลาหลายล้านหรือหลายพันล้านปีในการสำรวจอวกาศระหว่างดาราจักร เมื่อมันถูกปล่อยออกมาจากพื้นผิวของดาวฤกษ์ที่อยู่ห่างไกล และในที่สุดมันก็มาถึงเราแล้ว และในขณะที่ความเร็ว 299,792,458 เมตรต่อวินาทีดูน่าเหลือเชื่อ ความจริงที่ว่าเราเดินทางเพียง 13.8 พันล้านปีนับตั้งแต่บิ๊กแบงหมายความว่าระยะทางที่แสงเดินทางยังคงมีจำกัด
คุณอาจคิดว่าดาราจักรที่ห่างไกลที่สุดจากเราไม่ควรห่างจากเราเกิน 13.8 พันล้านปีแสง แต่นั่นอาจเป็นความผิดพลาด คุณเห็นไหม นอกจากความจริงที่ว่าแสงเคลื่อนที่ด้วยความเร็วจำกัดทั่วทั้งจักรวาล ยังมีข้อเท็จจริงอีกประการหนึ่งที่ไม่ชัดเจนนัก นั่นคือ โครงสร้างของจักรวาลเองจะขยายตัวขึ้นตามกาลเวลา
โซลูชั่น ทฤษฎีทั่วไปทฤษฏีสัมพัทธภาพซึ่งตัดความเป็นไปได้ดังกล่าวออกไปโดยสิ้นเชิง ปรากฏในปี 1920 แต่การสังเกตที่มาภายหลัง - และแสดงให้เห็นว่าระยะห่างระหว่างดาราจักรเพิ่มขึ้น - ทำให้เราไม่เพียงแต่ยืนยันการขยายตัวของจักรวาลเท่านั้น แต่ยังวัดอัตราของ การขยายตัวและการเปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไป กาแล็กซีที่เราเห็นทุกวันนี้อยู่ไกลจากเรามากเมื่อพวกมันเปล่งแสงที่เราได้รับในวันนี้เป็นครั้งแรก
ปัจจุบันกาแล็กซี่ EGS8p7 ถือเป็นสถิติความห่างไกล ด้วยการเปลี่ยนสีแดงที่วัดได้ 8.63 การฟื้นฟูจักรวาลของเราบอกเราว่าแสงจากดาราจักรนี้ใช้เวลา 13.24 พันล้านปีในการเข้าถึงเรา คิดเลขอีกหน่อยแล้วเราจะพบว่าเราเห็นวัตถุนี้เมื่อจักรวาลมีอายุเพียง 573 ล้านปี หรือเพียง 4% ของอายุปัจจุบัน
แต่เนื่องจากเอกภพขยายตัวตลอดเวลา ดาราจักรนี้ไม่ได้อยู่ห่างออกไป 13.24 พันล้านปีแสง อันที่จริงมันอยู่ห่างออกไป 30.35 พันล้านปีแสงแล้ว และอย่าลืมว่า หากเราสามารถส่งสัญญาณจากดาราจักรนี้ถึงเราได้ทันที มันจะครอบคลุมระยะทาง 30.35 พันล้านปีแสง แต่ถ้าคุณส่งโฟตอนจากดาราจักรนี้มาหาเรา ต้องขอบคุณพลังงานมืดและการขยายตัวของโครงสร้างอวกาศ มันจะไม่มาถึงเราเลย กาแล็กซี่นี้หายไปแล้ว เหตุผลเดียวที่เราสามารถมองเห็นได้ด้วยกล้องโทรทรรศน์ Keck และ Hubble ก็คือก๊าซเป็นกลางที่ปิดกั้นแสงในทิศทางของดาราจักรนี้กลับกลายเป็นว่าหาได้ยากทีเดียว
กระจกฮับเบิลเทียบกับกระจกเจมส์เวบบ์
แต่อย่าคิดว่าดาราจักรนี้เป็นดาราจักรที่ห่างไกลที่สุดเท่าที่เราเคยเห็นมา เราเห็นดาราจักรในระยะที่อุปกรณ์ของเราและจักรวาลอนุญาต: ยิ่งก๊าซเป็นกลางน้อยกว่า ดาราจักรยิ่งใหญ่และสว่างขึ้น เครื่องมือของเรายิ่งไวมาก เรายิ่งมองเห็นได้ไกลขึ้นเท่านั้น ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ จะสามารถมองเห็นได้ไกลกว่านี้ เพราะจะสามารถจับแสงที่มีความยาวคลื่นมากขึ้น ด้วยก๊าซที่เป็นกลาง จะสามารถเห็นกาแลคซีที่หรี่แสงได้ดีกว่ากล้องโทรทรรศน์สมัยใหม่ของเรา (ฮับเบิล สปิตเซอร์ เค็ก)
ตามทฤษฎีแล้ว กาแล็กซีแรกควรปรากฏขึ้นโดยมีการเลื่อนแดง 15-20
เรียนมากที่สุด กาแล็กซีที่ห่างไกลสามารถแสดงให้เราเห็นวัตถุที่อยู่ห่างออกไปหลายพันล้านปีแสง แต่ถึงแม้จะใช้เทคโนโลยีที่สมบูรณ์แบบ ช่องว่างเชิงพื้นที่ระหว่าง กาแล็กซีอันไกลโพ้นและบิ๊กแบงจะยังคงใหญ่โต
เมื่อเรามองเข้าไปในจักรวาล เราจะเห็นแสงทุกหนทุกแห่ง ในทุกระยะทางที่กล้องโทรทรรศน์ของเรามองเห็นเท่านั้น แต่เมื่อถึงจุดหนึ่ง เราจะพบกับข้อจำกัด หนึ่งในนั้นถูกซ้อนทับด้วยโครงสร้างจักรวาลที่ก่อตัวในจักรวาล: เราสามารถเห็นดาว ดาราจักร ฯลฯ ได้ก็ต่อเมื่อพวกมันปล่อยแสงออกมา หากไม่มีมัน กล้องโทรทรรศน์ของเราจะมองไม่เห็นอะไรเลย ข้อจำกัดอีกประการหนึ่งเมื่อใช้รูปแบบดาราศาสตร์ที่ไม่จำกัดเฉพาะแสงก็คือการจำกัดจำนวนจักรวาลที่เรามีให้ในชั่วขณะหนึ่ง บิ๊กแบง. ปริมาณทั้งสองนี้อาจไม่เกี่ยวข้องกัน และผู้อ่านจะถามคำถามในหัวข้อนี้:
เหตุใด CMB redshift จึงอยู่ในช่วง 1,000 ในเมื่อ redshift ที่ใหญ่ที่สุดของกาแลคซีที่เราเคยเห็นคือ 11อันดับแรก เราต้องจัดการกับสิ่งที่เกิดขึ้นในจักรวาลของเราตั้งแต่บิกแบง
จักรวาลที่สังเกตได้อาจขยายออกไป 46 พันล้านปีแสงในทุกทิศทางจากมุมมองของเรา แต่ก็มีส่วนอื่น ๆ ของจักรวาลที่เราไม่สามารถสังเกตได้และบางทีก็ไม่มีที่สิ้นสุด
ชุดทั้งหมดของสิ่งที่เรารู้ เห็น สังเกต และโต้ตอบด้วยเรียกว่า "จักรวาลที่สังเกตได้" มีแนวโน้มว่าจะมีภูมิภาคอื่น ๆ ของจักรวาลที่อยู่นอกเหนือมัน และเมื่อเวลาผ่านไปเราจะสามารถเห็นพื้นที่เหล่านี้มากขึ้นเรื่อยๆ เมื่อแสงจากวัตถุที่อยู่ห่างไกลมาถึงเราในที่สุดหลังจากการเดินทางในจักรวาลเป็นเวลาหลายพันล้านปี เราสามารถเห็นสิ่งที่เราเห็น (และอื่น ๆ ไม่น้อย) ด้วยปัจจัยสามประการร่วมกัน:
- เวลาผ่านไปอย่างจำกัดตั้งแต่บิ๊กแบง 13.8 พันล้านปี
- ความเร็วของแสง ความเร็วสูงสุดของสัญญาณหรืออนุภาคใดๆ ที่เคลื่อนที่ผ่านจักรวาลนั้นมีขอบเขตจำกัดและคงที่
- ผืนผ้าของอวกาศได้ขยายและขยายออกไปตั้งแต่บิกแบง
เส้นเวลาของประวัติศาสตร์ของจักรวาลที่สังเกตได้
สิ่งที่เราเห็นในวันนี้คือผลของปัจจัยทั้งสามนี้ ร่วมกับการแจกแจงสสารและพลังงานดั้งเดิม ซึ่งทำงานตามกฎฟิสิกส์ตลอดประวัติศาสตร์ของจักรวาล หากเราต้องการทราบว่าเอกภพเป็นอย่างไรในช่วงเริ่มต้น สิ่งที่เราต้องทำคือสังเกตสิ่งที่เป็นอยู่ในปัจจุบัน วัดค่าพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องทั้งหมด และคำนวณว่าในอดีตเป็นอย่างไร ในการทำเช่นนี้ เราจะต้องมีการสังเกตและการวัดจำนวนมาก แต่สมการของไอน์สไตน์ แม้จะยาก แต่ก็มีความชัดเจนอย่างน้อย ผลที่ได้ออกมาเป็นสมการสองสมการที่เรียกว่าสมการฟรีดมันน์ และปัญหาในการแก้สมการนั้นเป็นสิ่งที่นักศึกษาจักรวาลวิทยาทุกคนต้องเผชิญโดยตรง แต่เราสามารถทำการวัดพารามิเตอร์ของจักรวาลได้อย่างน่าอัศจรรย์
เมื่อมองไปทางขั้วโลกเหนือของกาแล็กซีทางช้างเผือก เราสามารถมองเข้าไปในส่วนลึกของอวกาศได้ ภาพนี้ระบุว่ามีกาแล็กซีหลายแสนแห่ง และแต่ละพิกเซลเป็นกาแลคซีที่แยกจากกัน
เรารู้ว่าทุกวันนี้มันขยายตัวเร็วแค่ไหน เรารู้ว่าสสารหนาแน่นในทิศทางใดก็ตามที่เรามอง เราทราบจำนวนโครงสร้างที่เกิดขึ้นในทุกระดับ ตั้งแต่กระจุกดาวทรงกลมไปจนถึงดาราจักรแคระ ตั้งแต่ดาราจักรขนาดใหญ่ไปจนถึงกลุ่มของพวกมัน กระจุก และโครงสร้างเส้นใยขนาดใหญ่ เรารู้ว่าสสารปกติ สสารมืด พลังงานมืด และส่วนประกอบที่มีขนาดเล็กกว่า เช่น นิวตริโน รังสี และแม้แต่หลุมดำมีมากน้อยเพียงใดในจักรวาล และจากข้อมูลนี้เท่านั้น ในการคาดเดาย้อนเวลา เราสามารถคำนวณทั้งขนาดของจักรวาลและอัตราการขยายตัว ณ จุดใดก็ได้ในประวัติศาสตร์จักรวาลของมัน
พล็อตลอการิทึมของขนาดของเอกภพที่สังเกตได้เทียบกับอายุ
ทุกวันนี้ จักรวาลที่สังเกตได้ของเรามีความยาวประมาณ 46.1 พันล้านปีแสงในทุกทิศทางจากมุมมองของเรา ในระยะนี้เป็นจุดเริ่มต้นของอนุภาคในจินตนาการที่ออกเดินทางในช่วงเวลาของบิกแบง และเดินทางด้วยความเร็วแสงจะมาถึงเราในวันนี้ 13.8 พันล้านปีต่อมา โดยหลักการแล้ว ณ ระยะนี้ คลื่นความโน้มถ่วงทั้งหมดที่หลงเหลือจากการพองตัวของจักรวาลได้ถูกสร้างขึ้น - สถานะที่อยู่ก่อนบิกแบง ก่อตั้งจักรวาลขึ้น และให้เงื่อนไขเริ่มต้นทั้งหมด
คลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากอัตราเงินเฟ้อในจักรวาลเป็นสัญญาณที่เก่าแก่ที่สุดในบรรดาทั้งหมดที่มนุษย์สามารถตรวจจับได้ตามหลักการ พวกเขาเกิดที่จุดสิ้นสุดของอัตราเงินเฟ้อในจักรวาลและจุดเริ่มต้นของบิ๊กแบงที่ร้อนแรง
แต่มีสัญญาณอื่น ๆ ในจักรวาล เมื่ออายุได้ 380,000 ปี รังสีตกค้างจากบิ๊กแบงหยุดกระเจิงอนุภาคที่มีประจุอิสระในขณะที่พวกมันก่อตัวเป็นอะตอมที่เป็นกลาง และโฟตอนเหล่านี้ หลังจากการก่อตัวของอะตอม ยังคงพบกับการเปลี่ยนแปลงสีแดงพร้อมกับการขยายตัวของจักรวาล และทุกวันนี้สามารถเห็นพวกมันได้ด้วยไมโครเวฟหรือเสาอากาศวิทยุ / กล้องโทรทรรศน์ แต่เนื่องจากการขยายตัวอย่างรวดเร็วของจักรวาลในช่วงแรกเริ่ม "พื้นผิว" ที่ "เรืองแสง" มาที่เราด้วยแสงที่เหลือนี้ - พื้นหลังไมโครเวฟจักรวาล - อยู่ห่างออกไปเพียง 45.2 พันล้านปีแสง ระยะทางจากจุดเริ่มต้นของจักรวาลไปยังจุดที่จักรวาล 380,000 ปีต่อมาคือ 900 ล้านปีแสง!
การผันผวนของความเย็น (สีน้ำเงิน) ใน CMB นั้นไม่ได้หนาวกว่าในตัวเอง แต่เป็นเพียงการแสดงพื้นที่ของแรงดึงโน้มถ่วงที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากความหนาแน่นของสสารที่เพิ่มขึ้น บริเวณที่ร้อน (สีแดง) จะร้อนกว่าเนื่องจากรังสีในบริเวณเหล่านี้อาศัยอยู่ในหลุมแรงโน้มถ่วงที่ตื้นกว่า เมื่อเวลาผ่านไป บริเวณที่มีความหนาแน่นมากขึ้นมีแนวโน้มที่จะเติบโตเป็นดาว กาแลคซี่ และกระจุกดาว ในขณะที่บริเวณที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าจะมีโอกาสเกิดน้อยกว่า
จะต้องใช้เวลาอีกนานก่อนที่เราจะพบกาแลคซีที่ห่างไกลที่สุดในจักรวาลที่เราได้ค้นพบ แม้ว่าการจำลองและการคำนวณจะแสดงให้เห็นว่าดาวฤกษ์ดวงแรกสามารถก่อตัวขึ้นได้ในช่วง 50-100 ล้านปีนับจากจุดเริ่มต้นของจักรวาลและดาราจักรแรก - ใน 200 ล้านปี เรายังไม่ได้มองย้อนกลับไปไกลขนาดนั้น (แม้ว่าจะมีความหวังว่า หลังจากเปิดตัวใน ปีหน้ากล้องโทรทรรศน์อวกาศ เจมส์ เวบบ์ เราทำได้!) สำหรับวันนี้ บันทึกอวกาศเป็นเจ้าของกาแล็กซีดังที่แสดงด้านล่าง ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อเอกภพมีอายุ 400 ล้านปี - เพียง 3% ของอายุปัจจุบัน อย่างไรก็ตาม กาแลคซี GN-z11 นี้อยู่ห่างออกไปเพียง 32 พันล้านปีแสง ประมาณ 14 พันล้านปีแสงจาก "ขอบ" ของจักรวาลที่สังเกตได้
กาแลคซี่ที่ห่างไกลที่สุดจากการค้นพบทั้งหมด: GN-z11 ภาพถ่ายจากการสังเกตการณ์ GOODS-N ที่สร้างโดยกล้องโทรทรรศน์ฮับเบิล
เหตุผลก็คือในช่วงเริ่มต้น อัตราการขยายตัวลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อเวลาผ่านไป เมื่อเราสังเกตกาแล็กซี่ Gz-11 จักรวาลก็ขยายตัวเร็วกว่าที่เป็นอยู่ 20 เท่าในทุกวันนี้ เมื่อปล่อย CMB จักรวาลก็ขยายตัวเร็วกว่าที่เป็นอยู่ 20,000 เท่าในปัจจุบัน ในช่วงเวลาของบิกแบง เท่าที่เราทราบ จักรวาลขยายตัวเร็วขึ้น 1036 เท่า หรือเร็วกว่าวันนี้ 1,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 เท่า เมื่อเวลาผ่านไป อัตราการขยายตัวของเอกภพลดลงอย่างมาก
และสำหรับเรามันดีมาก! ความสมดุลระหว่างอัตราการขยายตัวขั้นต้นกับปริมาณพลังงานทั้งหมดในเอกภพในทุกรูปแบบจะคงอยู่อย่างสมบูรณ์ จนถึงข้อผิดพลาดของการสังเกตของเรา หากมีสสารหรือการแผ่รังสีในจักรวาลแม้แต่น้อยในระยะแรก มันก็จะพังทลายลงมาเมื่อหลายพันล้านปีก่อนและเราจะไม่อยู่ที่นี่ หากมีสสารหรือการแผ่รังสีในเอกภพน้อยเกินไป มันก็จะขยายตัวอย่างรวดเร็วจนอนุภาคไม่สามารถมาบรรจบกันจนเกิดเป็นอะตอมได้ ไม่ต้องพูดถึงโครงสร้างที่ซับซ้อนมากขึ้น เช่น กาแล็กซี ดาว ดาวเคราะห์ และมนุษย์ . . . เรื่องราวของจักรวาลที่จักรวาลบอกเราเป็นเรื่องราวของความสมดุลที่ไม่ธรรมดาที่เรามีอยู่
ความสมดุลที่ซับซ้อนระหว่างอัตราการขยายตัวและความหนาแน่นโดยรวมของเอกภพนั้นละเอียดอ่อนมาก แม้แต่ความเบี่ยงเบน 0.000000000001% ในทิศทางใดทิศทางหนึ่งก็จะทำให้จักรวาลไม่สามารถอยู่อาศัยได้อย่างสมบูรณ์สำหรับสิ่งมีชีวิต ดาวฤกษ์ หรือแม้แต่ดาวเคราะห์ใดๆ ในช่วงเวลาใดก็ตาม
หากทฤษฎีปัจจุบันที่ดีที่สุดของเราถูกต้อง ดาราจักรแท้กลุ่มแรกน่าจะก่อตัวขึ้นระหว่าง 120 ถึง 210 ล้านปี ซึ่งสอดคล้องกับระยะทางจากเราถึงพวกมัน 35-37 พันล้านปีแสง และระยะทางจากดาราจักรที่ไกลที่สุดไปยังขอบจักรวาลที่สังเกตได้ 9-11 พันล้านปีแสงในปัจจุบัน ไกลมากบอกได้คำเดียว ข้อเท็จจริงที่น่าอัศจรรย์: จักรวาลขยายตัวอย่างรวดเร็วมากในช่วงแรก และวันนี้ก็ขยายตัวช้ากว่ามาก 1% ของอายุจักรวาลมีส่วนรับผิดชอบ 20% ของการขยายตัวทั้งหมด!
ประวัติความเป็นมาของจักรวาลเต็มไปด้วยเหตุการณ์ที่น่าอัศจรรย์ แต่เนื่องจากอัตราเงินเฟ้อสิ้นสุดลงและบิ๊กแบงเกิดขึ้น อัตราการขยายตัวจึงลดลง และกำลังชะลอตัวลงเนื่องจากความหนาแน่นยังคงลดลงอย่างต่อเนื่อง
การขยายตัวของเอกภพขยายความยาวคลื่นของแสง (และรับผิดชอบต่อการเปลี่ยนแปลงสีแดงที่เราเห็น) และความเร็วที่มากของการขยายตัวนี้ทำให้เกิดระยะห่างมากระหว่างพื้นหลังไมโครเวฟกับดาราจักรที่อยู่ไกลที่สุด แต่ขนาดของจักรวาลในปัจจุบันเผยให้เห็นสิ่งอื่นที่น่าอัศจรรย์: ผลกระทบที่เหลือเชื่อที่เกิดขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป เมื่อเวลาผ่านไป เอกภพจะขยายตัวเพิ่มมากขึ้นเรื่อย ๆ และเมื่อถึงอายุสิบเท่าในปัจจุบัน ระยะทางก็จะเพิ่มขึ้นมากจนเราไม่สามารถมองเห็นดาราจักรใด ๆ ได้อีกต่อไป ยกเว้นสมาชิกของกลุ่มท้องถิ่นของเรา แม้กระทั่งกับกล้องโทรทรรศน์ที่เทียบเท่ากับฮับเบิล เพลิดเพลินไปกับทุกสิ่งที่มองเห็นได้ในทุกวันนี้ ความหลากหลายของสิ่งที่มีอยู่ในตาชั่งจักรวาลทั้งหมด มันจะไม่คงอยู่ตลอดไป!
ที่ขอบจักรวาล
วัตถุอวกาศที่ห่างไกลที่สุดนั้นอยู่ห่างจากโลกมากจนแม้แต่ปีแสงก็ยังเป็นเพียงการวัดความห่างไกลของพวกมันเพียงเล็กน้อยอย่างน่าขัน ตัวอย่างเช่น วัตถุจักรวาลที่ใกล้ที่สุดกับเรา - ดวงจันทร์อยู่ห่างจากเราเพียง 1.28 วินาทีแสง เราจะจินตนาการถึงระยะทางที่ชีพจรของแสงไม่สามารถเอาชนะได้ในช่วงหลายร้อยหลายพันปีได้อย่างไร มีความเห็นว่าการวัดพื้นที่ขนาดมหึมานั้นไม่ถูกต้องด้วยปริมาณแบบคลาสสิกในทางกลับกันเราไม่มีอย่างอื่น
ดาวฤกษ์ที่ห่างไกลที่สุดของกาแลคซีของเราตั้งอยู่ในทิศทางของกลุ่มดาวราศีตุลย์และถูกลบออกจากโลกในระยะทางที่แสงสามารถเอาชนะได้ภายใน 400,000 ปี เป็นที่ชัดเจนว่าดาวดวงนี้ตั้งอยู่ใกล้เส้นแบ่งเขตในโซนที่เรียกว่ารัศมีดาราจักร ท้ายที่สุดแล้ว ระยะทางไปยังดาวดวงนี้จะมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 4 เท่าของความกว้างในจินตนาการของกาแล็กซีของเรา (เส้นผ่านศูนย์กลางของทางช้างเผือกอยู่ที่ประมาณ 100,000 ปีแสง)
เหนือกาแล็กซี่
น่าแปลกใจที่ดาวฤกษ์ที่ค่อนข้างสว่างซึ่งอยู่ไกลที่สุดถูกค้นพบในยุคของเราเท่านั้น แม้ว่าจะเคยสังเกตพบมาก่อนก็ตาม ด้วยเหตุผลที่เข้าใจยากนักดาราศาสตร์จึงไม่สนใจ ความเอาใจใส่เป็นพิเศษบนจุดแสงสลัวบนท้องฟ้าเต็มไปด้วยดวงดาวและแตกต่างไปจากจานถ่ายภาพ เกิดอะไรขึ้น? ผู้คนเห็นดาวดวงหนึ่งในสี่ของศตวรรษและ ... ไม่ได้สังเกตมัน ไม่นานมานี้ นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกันจากหอดูดาวโลเวลล์ได้ค้นพบดาวดวงอื่นที่อยู่ห่างไกลที่สุดในขอบจักรวาลของเรา
ดาวดวงนี้ซึ่งหรี่ลงจาก "วัยชรา" แล้ว สามารถค้นหาได้บนท้องฟ้าในตำแหน่งของกลุ่มดาวราศีกันย์ ที่ระยะทางประมาณ 160,000 ปีแสง การค้นพบดังกล่าวในความมืด (ในความหมายตามตัวอักษรและโดยนัยของคำ) ส่วนของทางช้างเผือกทำให้การปรับเปลี่ยนที่สำคัญในการกำหนดค่าที่แท้จริงของมวลและขนาดของระบบดาวของเราในทิศทางของ การเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญของพวกเขา
อย่างไรก็ตาม แม้แต่ดาวฤกษ์ที่อยู่ไกลที่สุดในดาราจักรของเราก็ยังอยู่ใกล้กัน ควอซาร์ที่ห่างไกลที่สุดที่วิทยาศาสตร์รู้จักนั้นอยู่ห่างออกไปมากกว่า 30 เท่า
ควาซาร์ (อังกฤษ quasar - ย่อมาจาก QUASi stellAR radio source - "quasi-stellar radio source") เป็นคลาสของวัตถุนอกดาราจักรที่โดดเด่นด้วยความส่องสว่างสูงมาก และมีขนาดเชิงมุมเล็กๆ ที่หลายปีหลังจากการค้นพบ พวกมันไม่สามารถแยกความแตกต่างจาก “จุดกำเนิด” - ดาว
เมื่อไม่นานมานี้ นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกันได้ค้นพบควาซาร์สามตัว ซึ่งเป็นหนึ่งในวัตถุที่ "เก่าแก่ที่สุด" ในจักรวาลที่วิทยาศาสตร์รู้จัก ระยะห่างจากโลกของเรามากกว่า 13 พันล้านปีแสง ระยะทางไปยังการก่อตัวของอวกาศที่ห่างไกลถูกกำหนดโดยใช้สิ่งที่เรียกว่า "กะสีแดง" - การเปลี่ยนแปลงในสเปกตรัมการปล่อยของวัตถุที่เคลื่อนที่เร็ว ยิ่งพวกมันอยู่ห่างจากโลกมากเท่าไร พวกมันก็จะยิ่งเคลื่อนตัวจากโลกของเราเร็วขึ้นตามทฤษฎีจักรวาลวิทยาสมัยใหม่ บันทึกระยะทางก่อนหน้านี้ตั้งขึ้นในปี 2544 redshift ของควาซาร์ที่ค้นพบในขณะนั้นอยู่ที่ 6.28 ทรินิตี้ปัจจุบันมีค่าชดเชย 6.4, 6.2 และ 6.1
อดีตอันมืดมิด
โอเพ่น quasars นั้น "อายุน้อยกว่า" เพียง 5% ของจักรวาล สิ่งที่เกิดขึ้นก่อนหน้าพวกเขาทันทีหลังบิ๊กแบงนั้นแก้ไขได้ยาก: ไฮโดรเจนซึ่งก่อตัวขึ้นหลังจากการระเบิด 300,000 ปี บล็อกการแผ่รังสีของวัตถุอวกาศที่เก่าที่สุด การเพิ่มจำนวนของดาวฤกษ์และการแตกตัวเป็นไอออนของเมฆไฮโดรเจนที่ตามมาทำให้เราสามารถทำลายม่านที่ปกคลุม "อดีตอันมืดมิด" ของเราได้
ในการรับและตรวจสอบข้อมูลดังกล่าว จำเป็น การทำงานเป็นทีมกล้องโทรทรรศน์ทรงพลังหลายตัว บทบาทหลักในเรื่องนี้คือกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลและกล้องโทรทรรศน์ดิจิตอลสโลน ซึ่งตั้งอยู่ที่หอดูดาวนิวเม็กซิโก
บนอินเทอร์เน็ตอันกว้างใหญ่ไพศาล ข้าพเจ้าสะดุดเข้ากับภาพต่อไปนี้
แน่นอนว่าวงกลมเล็กๆ ที่อยู่ตรงกลางทางช้างเผือกนี้ช่างน่าทึ่งและชวนให้นึกถึงหลายสิ่งหลายอย่าง ตั้งแต่ความอ่อนแอของการเป็นไปจนถึงขนาดอันไร้ขอบเขตของจักรวาล แต่ก็ยังมีคำถามเกิดขึ้นว่า ทั้งหมดนี้เป็นความจริงเพียงใด?
น่าเสียดายที่คอมไพเลอร์ของรูปภาพไม่ได้ระบุรัศมีของวงกลมสีเหลือง และการประมาณด้วยตาเป็นแบบฝึกหัดที่น่าสงสัย อย่างไรก็ตามทวีตเตอร์ @FakeAstropix ถามคำถามเดียวกับฉันและอ้างว่าภาพนี้ถูกต้องสำหรับดาวฤกษ์ประมาณ 99% ที่มองเห็นได้ในท้องฟ้ายามค่ำคืน
อีกคำถามคือ ท้องฟ้าสามารถเห็นดาวได้กี่ดวงโดยไม่ใช้เลนส์ เชื่อกันว่าสามารถสังเกตดาวได้มากถึง 6,000 ดวงจากพื้นผิวโลกด้วยตาเปล่า แต่ในความเป็นจริงจำนวนนี้จะน้อยกว่ามาก - ประการแรกในซีกโลกเหนือเราจะสามารถเห็นตัวเลขนี้ได้ไม่เกินครึ่งทางร่างกาย (เช่นเดียวกับผู้อยู่อาศัย ซีกโลกใต้) และประการที่สอง เรากำลังพูดถึงเงื่อนไขการสังเกตในอุดมคติ ซึ่งในความเป็นจริงแทบจะเป็นไปไม่ได้เลย เพียงอย่างเดียวก็คุ้มแล้วกับมลภาวะทางแสงของท้องฟ้า และเมื่อไปให้ไกลที่สุด ดวงดาวที่มองเห็นได้ในกรณีส่วนใหญ่ เพื่อที่จะสังเกตเห็น เราต้องการเงื่อนไขที่เหมาะสมที่สุด
แต่จุดประกายเล็กๆ ใดบนท้องฟ้าที่อยู่ห่างไกลจากเรามากที่สุด นี่คือรายการที่ฉันได้รวบรวมมาจนถึงตอนนี้ (แม้ว่าแน่นอนว่าฉันจะไม่แปลกใจถ้าฉันพลาดไปมาก ดังนั้นอย่าตัดสินอย่างรุนแรงเกินไป)
เดเนบ- มากที่สุด ดวงดาวที่สดใสในกลุ่มดาว Cygnus และดาวฤกษ์ที่สว่างที่สุดอันดับที่ 20 ในท้องฟ้ายามค่ำคืน โดยมีขนาดชัดเจนที่ +1.25 (เชื่อกันว่าขอบเขตการมองเห็นของดวงตามนุษย์อยู่ที่ +6 สูงสุด +6.5 สำหรับผู้ที่มีสายตาดีเยี่ยมจริงๆ ). ยักษ์สีน้ำเงิน-ขาวซึ่งอยู่ห่างจากเรา 1,500 (ประมาณการล่าสุด) และ 2,600 ปีแสง - ดังนั้นแสง Deneb ที่เราเห็นจึงถูกปล่อยออกมาระหว่างการเกิดของสาธารณรัฐโรมันกับการล่มสลายของจักรวรรดิโรมันตะวันตก
มวลของเดเนบมีมวลมากกว่าดาวฤกษ์ของเราประมาณ 200 เท่า และความส่องสว่างนั้นมากกว่าค่าต่ำสุดของดวงอาทิตย์ถึง 50,000 เท่า ถ้าเขาอยู่ในสถานที่ของซีเรียส เขาจะส่องแสงบนท้องฟ้าของเราที่สว่างกว่าพระจันทร์เต็มดวง
พี ซิกนัสในชุดแดง
มูเซเฟยยังเป็นที่รู้จักกันในนามการ์เน็ตสตาร์ของเฮอร์เชล เป็นดาวยักษ์แดง บางทีอาจเป็นดาวที่ใหญ่ที่สุดที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่า ความส่องสว่างของมันสูงกว่าดวงอาทิตย์ 60,000 ถึง 100,000 เท่า และรัศมีจากการประมาณการล่าสุดอาจมากกว่า 1,500 เท่าของดวงอาทิตย์ Mu Cephei ตั้งอยู่ห่างจากเรา 5500-6000 ปีแสง ดาวอยู่ที่จุดสิ้นสุดของมัน เส้นทางชีวิตและในไม่ช้า (ตามมาตรฐานทางดาราศาสตร์) ก็จะกลายเป็นซุปเปอร์โนวา ขนาดที่ชัดเจนของมันแตกต่างกันไปตั้งแต่ +3.4 ถึง +5 เชื่อกันว่าเป็นดาวที่แดงที่สุดในท้องฟ้าทางตอนเหนือ
Plaskett's Starตั้งอยู่ห่างจากโลก 6600 ปีแสงในกลุ่มดาว Monoceros และเป็นหนึ่งในระบบที่มีมวลมากที่สุด ดาวคู่ใน ทางช้างเผือก. ดาว A มีมวล 50 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ และมีความส่องสว่างมากกว่าดาวฤกษ์ของเราถึง 220,000 เท่า ดาว B มีมวลเท่ากัน แต่ความส่องสว่างน้อยกว่า - "เพียง" 120,000 พลังงานแสงอาทิตย์ ขนาดที่ชัดเจนของดาว A คือ +6.05 - ซึ่งหมายความว่าในทางทฤษฎีสามารถเห็นได้ด้วยตาเปล่า
ระบบ กระดูกงูนี้อยู่ห่างจากเรา 7500 - 8000 ปีแสง ประกอบด้วยดาวสองดวงซึ่งส่วนใหญ่เป็นตัวแปรสีน้ำเงินสว่าง เป็นหนึ่งในดาวฤกษ์ที่ใหญ่ที่สุดและไม่เสถียรที่สุดในดาราจักรของเรา โดยมีมวลประมาณ 150 เท่าดวงอาทิตย์ โดย 30 ในจำนวนนั้นดาวฤกษ์สามารถลดลงแล้ว ในศตวรรษที่ 17 Eta Carina มีขนาดที่สี่ โดยในปี 1730 มันกลายเป็นหนึ่งในกลุ่มดาวที่สว่างที่สุดในกลุ่มดาว Carina แต่ในปี 1782 มันก็กลับจางลงอีกครั้ง จากนั้นในปี ค.ศ. 1820 ความสว่างของดาวฤกษ์ก็เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และในเดือนเมษายน ค.ศ. 1843 ก็มีขนาดปรากฏที่ −0.8 และกลายเป็นความสว่างสูงสุดเป็นอันดับสองในท้องฟ้ารองจากซีเรียส หลังจากนั้นความสว่างของ Eta Carina ก็ลดลงและในปี 1870 ดาวก็มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า
อย่างไรก็ตาม ในปี 2550 ความสว่างของดาวฤกษ์ก็เพิ่มขึ้นอีกครั้ง โดยมีขนาดถึง +5 และมองเห็นได้อีกครั้ง ความส่องสว่างในปัจจุบันของดาวฤกษ์คาดว่าจะมีอย่างน้อยหนึ่งล้านสุริยะ และดูเหมือนว่าจะเป็นผู้สมัครหลักสำหรับชื่อของซุปเปอร์โนวาถัดไปในทางช้างเผือก บางคนถึงกับเชื่อว่าระเบิดไปแล้ว
โดยสรุป เป็นเรื่องที่ควรค่าแก่การกล่าวขวัญว่า มีบางกรณีในประวัติศาสตร์ที่ผู้คนสามารถสังเกตดาวฤกษ์ที่อยู่ห่างไกลออกไปได้อีกมาก ตัวอย่างเช่น ในปี 1987 ซุปเปอร์โนวาระเบิดในเมฆแมเจลแลนใหญ่ซึ่งอยู่ห่างออกไป 160,000 ปีแสง ซึ่งสามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า อีกสิ่งหนึ่งคือ มันสามารถสังเกตได้ในช่วงเวลาสั้น ๆ ซึ่งแตกต่างจาก supergiants ทั้งหมดที่กล่าวมาข้างต้น
นักดาราศาสตร์จากมหาวิทยาลัย Texas A&M และมหาวิทยาลัยเท็กซัสในออสตินได้ค้นพบดาราจักรที่อยู่ห่างไกลที่สุดที่เรารู้จัก ตามสเปกโตรกราฟีจะอยู่ห่างจาก .ประมาณ 30 พันล้านปีแสง ระบบสุริยะ(หรือจากกาแล็กซี่ของเราซึ่งในกรณีนี้ไม่มีนัยสำคัญนักเพราะเส้นผ่านศูนย์กลางของทางช้างเผือกนั้นมีเพียง 100,000 ปีแสงเท่านั้น)
วัตถุที่อยู่ไกลที่สุดในจักรวาลได้รับชื่อที่โรแมนติกว่า z8_GND_5296
Vithal Tilvi, PhD, ผู้เขียนร่วมของบทความกล่าวว่า "เป็นเรื่องน่าทึ่งที่รู้ว่าเราเป็นคนแรกในโลกที่ได้เห็นมัน" ซึ่งขณะนี้มีให้บริการทางออนไลน์ (สำหรับการดูฟรี) งานวิทยาศาสตร์ใช้ sci-hub.org)
กาแลคซี่ z8_GND_5296 ที่ค้นพบก่อตัวขึ้น 700 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบง ที่จริงแล้ว ในสถานะนี้เราเห็นมันแล้ว เพราะแสงจากดาราจักรแรกเกิดมาถึงเราแล้วเท่านั้น โดยเดินทางเป็นระยะทาง 13,100 ล้านปีแสง แต่เนื่องจากจักรวาลกำลังขยายตัวในกระบวนการ ในขณะที่การคำนวณแสดงให้เห็น ระยะห่างระหว่างกาแลคซี่ของเราคือ 30 พันล้านปีแสง
ในดาราจักรเกิดใหม่ เป็นที่น่าสนใจว่ามีกระบวนการเชิงรุกของการเกิดดาวดวงใหม่ หากในทางช้างเผือกของเรา มีดาวดวงใหม่ปรากฏขึ้นทุกปี ดังนั้นใน z8_GND_5296 - ประมาณ 300 ต่อปี เกิดอะไรขึ้นเมื่อ 13.1 พันล้านปีก่อน ตอนนี้เราสามารถสังเกตได้ง่ายๆ ผ่านกล้องโทรทรรศน์
อายุของดาราจักรที่อยู่ห่างไกลสามารถกำหนดได้จากการเปลี่ยนแปลงทางแดงของจักรวาลซึ่งเกิดจากปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ ยิ่งวัตถุเคลื่อนห่างจากผู้สังเกตเร็วเท่าใด เอฟเฟกต์ดอปเปลอร์ก็จะยิ่งแข็งแกร่งขึ้น กาแลคซี z8_GND_5296 แสดงการเปลี่ยนสีแดงที่ 7.51 กาแล็กซีประมาณร้อยกาแล็กซีมีการเลื่อนสีแดงมากกว่า 7 ดวง ซึ่งหมายความว่าพวกมันก่อตัวขึ้นก่อนเอกภพมีอายุ 770 ล้านปี และสถิติก่อนหน้านี้คือ 7.215 แต่สำหรับกาแลคซีเพียงไม่กี่แห่งเท่านั้น ระยะทางได้รับการยืนยันโดยข้อมูลสเปกโตรกราฟี นั่นคือโดยเส้นสเปกตรัมอัลฟาไลมัน (เพิ่มเติมด้านล่าง)
รัศมีของจักรวาลอย่างน้อย 39 พันล้านปีแสง ดูเหมือนว่าสิ่งนี้จะขัดแย้งกับอายุของจักรวาลที่ 13.8 พันล้านปี แต่ไม่มีข้อขัดแย้งใดๆ เมื่อพิจารณาจากการขยายตัวของโครงสร้างของกาลอวกาศ: ไม่มีการจำกัดความเร็วสำหรับกระบวนการทางกายภาพนี้
นักวิทยาศาสตร์ไม่ค่อยเข้าใจว่าทำไมกาแล็กซีอื่นที่มีอายุต่ำกว่า 1 พันล้านปีจึงไม่สามารถสังเกตได้ ดาราจักรที่อยู่ห่างไกลสังเกตได้จากปรากฏการณ์ที่ชัดเจนของเส้นสเปกตรัม L α (Lyman alpha) ซึ่งสอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงของอิเล็กตรอนจากระดับพลังงานที่สองไปเป็นระดับแรก ด้วยเหตุผลบางอย่าง ในกาแลคซีที่อายุน้อยกว่า 1 พันล้านปี เส้นอัลฟาของ Lyman กำลังอ่อนลง ทฤษฎีหนึ่งคือในขณะนั้นเองที่การเปลี่ยนแปลงของจักรวาลจากสถานะทึบแสงที่มีไฮโดรเจนเป็นกลางไปเป็นสถานะโปร่งแสงที่มีไฮโดรเจนแตกตัวเป็นไอออนกำลังเกิดขึ้น เรามองไม่เห็นกาแลคซีที่ซ่อนอยู่ใน "หมอก" ของไฮโดรเจนที่เป็นกลาง
z8_GND_5296 สามารถฝ่าหมอกไฮโดรเจนที่เป็นกลางได้อย่างไร นักวิทยาศาสตร์แนะนำว่ามันแตกตัวเป็นไอออนในบริเวณโดยรอบเพื่อให้โปรตอนสามารถทะลุผ่านได้ ดังนั้น z8_GND_5296 จึงเป็นกาแลคซีแห่งแรกที่เรารู้จัก ซึ่งเกิดจากความยุ่งเหยิงของไฮโดรเจนเป็นกลางทึบแสงที่ปกคลุมจักรวาลในหลายร้อยล้านปีแรกหลังบิ๊กแบง