ระบบโลก

เนื้อหาในเรื่อง ระบบโลก นี้เน้นให้ สามารถมองโลก อย่างเป็นระบบ (Earth as a system) มีความเข้าใจในกลไกการปรับสมดุลของ ธรรมชาติ ด้วยการสะท้อนและดูดกลืนพลังงานในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากดวงอาทิตย์

กลไกการปรับสมดุลโลก

          เนื้อหาในเรื่อง กลไกการปรับสมดุลโลก มีวัตถุประสงค์ให้นักเรียนมีความเข้าใจเบื้องต้น ในเรื่องกลไกต่างๆ ในการปรับสมดุลพลังงานของโลก โดยเฉพาะเรื่องของพลังงานความร้อน

กลไกการปรับสมดุลโลก

         ในปี พ.ศ.2515 เจมส์ เลิฟล็อค นักชีวเคมีชาวอังกฤษ ได้เสนอสมมติฐานที่ว่า โลกทั้งดวงคือ สิ่งมีชีวิตขนาดขนาดมหึมา สิ่งมีชีวิตทั้งหลายบนโลกนี้ ต่างเป็นเซลล์ชีวิตของโลก และมีอิทธพลในการรักษาสมดุลย์ของโลก เลิฟล็อคตั้งข้อสังเกตว่า ในสภาวะปกติ ร่างกายของมนุษย์รักษาอุณหภูมิ 37°C ไว้คงที่ ด้วยระบบต่างๆ อันได้แก่ ระบบหายใจ ระบบอาหาร ระบบประสาท เป็นต้น สำหรับโลกก็เช่นกัน อุณหภูมิของพื้นผิวโลกไม่ได้เปลี่ยนแปลงไปมาก แม้ว่าโลกจะมีอายุหลายพันล้านปีแล้ว ทั้งนี้เป็นเพราะ โลกมีกลไกหลายระบบ อาทิเช่น บรรยากาศ น้ำ ธรณี และสิ่งมีชีวิต ทำงานร่วมกันเพื่อที่จะรักษาสมดุลไว้ เช่นเดียวกับร่างกายของมนุษย์ เลิฟล็อกตั้งชื่อสมมติฐานของเขาว่า “สมมติฐานไกอา” (Gaia hypothesis) คำว่า “ไกอา” เป็นภาษากรีกแปลว่า “เทพแห่งโลก”
อัลบีโด

          เป็นที่ทราบดีกันว่า พื้นผิวของวัตถุสีดำดูดกลืนรังสีได้ดีกว่าวัตถุสีขาว ถ้าเรายืนเท้าเปล่าบนพื้นสีดำเราจะร้อนกว่ายืนบนพื้นสีขาว ทั้งนี้เป็นเพราะพื้นผิวสีขาวสะท้อนแสงดีกว่าพื้น หรือกล่าวอีกอย่างหนึ่งว่า พื้นผิวสีดำดูดกลืนรังสีได้ดีกว่าพื้นผิวสีขาว เราเรียกความสามารถในการสะท้อนแสงของพื้นผิวว่า “อัลบีโด” (Albedo)

ภาพที่ 1  พื้นผิวสีเข้มดูดกลืนรังสีได้ดีกว่า

          อัลบีโด เป็นอัตราส่วนเปรียบเทียบค่าการสะท้อนแสงของพื้นผิว กับ ปริมาณรังสีทั้งหมดที่ตก
กระทบ มักแสดงด้วยตัวเลขทศนิยมระหว่าง 0 – 1 กล่าวคือ วัตถุที่มีการดูดกลืนรังสีอย่างสมบูรณ์ ไม่
มีการสะท้อนรังสีกลับคืนเลยจะมีอัลบีโด = 0 ส่วนวัตถุที่มีการสะท้อนแสง 100% และไม่มีการดูดกลืน
รังสีเลย จะมีอัลบีโด = 1 ดังนั้นพื้นผิวที่มีสีคล้ำ เช่น พื้นดิน จึงมีอัลบีโดต่ำประมาณ 0.10 ส่วนพื้นผิว
สีขาวเช่น หิมะ มีอัลบีโดสูงประมาณ 0.80

          ตารางที่ 1: อัลบีโด

ชนิดของพื้นผิว	อัลบีโด
เมฆหนา	0.70-0.80
หิมะ (ที่ตกใหม่)	0.80–0.85
ทราย	0.20-0.30
หญ้า	0.20-0.25
ป่าไม้	0.05-0.10
น้ำ (ในเวลาที่ดวงอาทิตย์อยู่เหนือศีรษะ)	0.03-0.05
น้ำ (ในเวลาที่ดวงอาทิตย์อยู่ต่ำใกล้ขอบฟ้า)	0.50-0.80

ภาพที่ 2  โลกแห่งดอกเดซี่

โลกของดอกเดซี่ (Daisyworld)
          สมมติว่าในระบบสุริยะ มีดาวเคราะห์ดวงหนึ่งมีขนาดและวงโคจรเหมือนกับโลกของเรา พื้นผิวของดาวถูกปกคลุมไปด้วยดอกเดซี่หลายหลากสี มีทั้งสีเข้ม และสีอ่อน ดาวเคราะห์ดวงนี้ได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์ เช่นเดียวกับโลกของเรา เมื่อระบบสุริยะยังมีอายุน้อย ดวงอาทิตย์ยังมีขนาดเล็กและแผ่พลังงานออกมาน้อย ต่อมาเมื่อดวงอาทิตย์มีขนาดใหญ่ขึ้น และแผ่รังสีออกมามาก อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิพื้นผิวของดาวเคราะห์ก็ยังคงที่ ด้วยกลไกการเจริญเติบโตของดอกเดซี่ ดังที่แสดงในกราฟในภาพที่ 3

ภาพที่ 3  กราฟแสดงความสัมพันธ์ของประชากรดอกเดซี่และอุณหภูมิ ขณะที่ดวงอาทิตย์มีความสว่างมากขึ้น

เมื่ออุณหภูมิบนดาวเคราะห์สูง
           ดอกเดซี่สีเข้มชอบอุณหภูมิต่ำ จะหยุดการเจริญเติบโต
           ดอกเดซี่สีอ่อนชอบอุณหภูมิสูง เจริญงอกงาม ส่งผลกระทบให้อุณหภูมิของดาวเคราะห์ต่ำลง

เมื่ออุณหภูมิบนดาวเคราะห์ต่ำ
           ดอกเดซี่สีอ่อนชอบอุณหภูมิสูง จะหยุดการเจริญเติบโต
           ดอกเดซี่สีเข้มชอบอุณหภูมิต่ำ เจริญงอกงาม ส่งผลกระทบให้อุณหภูมิของดาวเคราะห์สูงขึ้น
           จะเห็นได้ว่า การทำงานเช่นนี้คล้ายเทอร์โมสตัท (สวิทส์ควบคุมอุณหภูมิ) ของเครื่องปรับอากาศ จำนวนประชากรของดอกไม้ทั้งสองชนิด เป็นกลไกในการควบคุมอุณหภูมิของโลกแห่งดอกเดซี่ ในโลก
แห่งความเป็นจริง โลกของเรามีระบบที่สลับซับซ้อนในการควบคุมอุณหภูมิของพื้นผิว กลไกหลักได้แก่ อัลบีโด ภาวะเรือนกระจก การเจริญเติบโตของสิ่งมีชีวิต เป็นต้น นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าอุณหภูมิเฉลี่ย
ของพื้นผิวโลกคงที่มานานหลายพันล้านปีแล้ว ในยุคเริ่มแรกของระบบสุริยะ ดวงอาทิตย์มีขนาดเล็ก
และแผ่รังสีน้อยกว่าในปัจจุบัน โลกคงความอบอุ่นให้เอื้ออำนวยต่อสิ่งมีชีวิตได้ด้วยภาวะเรือนกระจก อันเกิดจากก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จำนวนมากในบรรยากาศ ในเวลาต่อมาดวงอาทิตย์มีขนาดใหญ่
และแผ่รังสีมากขึ้น พืชและน้ำฝนตรึงคาร์บอนในบรรยากาศไว้บนพื้นและใต้ดิน  เพื่อลดภาวะเรือน
กระจก ทำให้อุณหภูมิของพื้นผิวคงที่เสมอมา
           ในโลกปัจจุบันมีการตัดไม้ทำลายป่า การใช้ประโยชน์จากที่ดิน ตลอดจนการลดลงของปริมาณ
ภูเขาน้ำแข็ง อันเนื่องมาจากโลกร้อนขึ้น การเปลี่ยนแปลงอัลบีโดของโลกให้มีค่าต่ำลงอย่างรวดเร็ว
เช่นนี้ อาจส่งผลกระทบที่ติดตามมาคือ ภาวะเรือนกระจกชนิดกู่ไม่กลับ (Runaway greenhouse)

โลก และดาวเคราะห์เพื่อนบ้าน           ดาวศุกร์ โลก และดาวอังคาร เป็นดาวเคราะห์ชั้นใน อยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ไม่มาก พลังงานที่
ดาวเคราะห์แต่ละดวง ได้รับจากดวงอาทิตย์ จึงไม่แตกต่างกันมาก ในอดีตโครงสร้างบรรยากาศของ
ดาวเคราะห์ทั้งสาม คล้ายคลึงกันมากคือ มีองค์ประกอบหลักเป็น ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และมีไอน้ำ
เจือปนอยู่

ภาพที่ 4  ดาวศุกร์ โลก และดาวอังคาร

          ดาวศุกร์
          บรรยากาศของดาวศุกร์เต็มไปด้วยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และมีภาวะเรือนกระจกชนิดไม่
กลับคืน (Runaway greenhouse) โดยมีอุณหภูมิเฉลี่ยสูงถึง 480°C และมีความกดอากาศสูงกว่าบน
พื้นผิวโลกถึง 90 เท่า อุณหภูมิและความกดดันที่สูงมากนี้ ทำให้น้ำบนดาวศุกร์มีสถานะเป็นก๊าซ และ
สูญเสียไฮโดรเจนให้กับอวกาศเนื่องจากความร้อน
          ดาวอังคาร
          มีลักษณะคล้ายเคียงกับโลกมากที่สุด แต่มีขนาดเล็กกว่าโลกเกือบครึ่งหนึ่ง บรรยากาศของดาว
อังคารเต็มไปด้วย ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ในปัจจุบันบรรยากาศมีความหนาแน่นต่ำมาก ส่งผลให้ภาวะ
เรือนกระจกไม่ทำงาน และมีอุณหภูมิต่ำถึง -59°C (ทั้งนี้เป็นเพราะดาวอังคารอยู่ห่างไกลจากดวงอาทิตย์
ด้วย) บนดาวอังคารมีก๊าซออกซิเจนอยู่เล็กน้อย ออกซิเจนส่วนใหญ่ทำปฏิกริยากับพื้นผิวของดาว จนเป็น
สีแดงของสนิมเหล็ก ครั้งหนึ่งบรรยากาศบนดาวอังคาร เคยมีความหนาแน่นกว่านี้ ก๊าซคาร์บอนได
ออกไซด์ทำให้เกิดภาวะเรือนกระจก และมีอุณหภูมิอบอุ่นจนน้ำสามารถดำรงอยู่ในสถานะของเหลวได้ ดังมีหลักฐานจำนวนมากเป็นท้องน้ำที่เหือดแห้ง มีร่องรอยของน้ำไหล และตะกอนรูปพัด อย่างไรก็ตาม
ยังมีน้ำแข็งจำนวนมาก สะสมอยู่ในบริเวณขั้วของดาว บางทีในอนาคตอีกหลายพันล้านปี เมื่อดวงอาทิตย์
มีขนาดใหญ่ขึ้น พื้นผิวของดาวอังคารกลับอบอุ่นอีกครั้ง น้ำแข็งขั้วดาวละลาย เติมเต็มแม่น้ำลำคลอง และมหาสมุทรที่เคยเหือดแห้ง

ภาพที่ 5  กลไกการปรับสมดุลของโลก

          โลก
          ในอดีตเต็มไปด้วยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เช่นเดียวกับดาวเคราะห์เพื่อนบ้าน ในยุคแรกๆ พื้นผิวโลกสร้างความอบอุ่นด้วยภาวะเรือนกระจก วิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตช่วยตรึงคาร์บอนในอากาศไว้ใต้พื้นผิว และสังเคราะห์แสงสร้างก๊าซออกซิเจนเข้าสู่บรรยากาศ ทำให้อุณหภูมิของโลกลดต่ำลง หากปราศจากสิ่งมีชีวิตบนโลกแล้ว โลกของเราก็คงจะไม่แตกต่างจากดาวเคราะห์เพื่อนบ้าน อย่างไรก็ตามหากอัตราการเพิ่มของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์โดยฝีมือมนุษย์ ยังคงสูงดังเช่นปัจจุบัน อาจทำให้บรรยากาศของโลกหวนคืนสู่อดีต ภายในระยะเวลาไม่ช้า

ภาวะเรือนกระจก

          เนื้อหาในเรื่อง ภาวะเรือนกระจก มีวัตถุประสงค์ให้นักเรียนมีความเข้าใจเบื้องต้น ในเรื่องสมดุลของพลังงาน โดยทำความเข้าใจเกี่ยวกับ พลังงานที่โลกได้รับจากดวงอาทิตย์ พลังงานที่โลกแผ่ออกสู่อวกาศ และภาวะเรือนกระจก ซึ่งช่วยสร้างความอบอุ่นให้กับพื้นผิวโลก

ภาวะเรือนกระจก

          พลังงานจากดวงอาทิตย์เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มีทั้งรังสีคลื่นสั้นและคลื่นยาว บรรยากาศของโลกทำหน้าที่ปกป้องรังสีคลื่นสั้น ไม่ให้ลงมาทำอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตบนพื้นโลกได้ โมเลกุลของก๊าซไนโตรเจนและออกซิเจนในบรรยากาศชั้นบนสุด ดูดกลืนรังสีแกมมาและรังสีเอ็กซ์ จนทำให้อะตอมของก๊าซในบรรยากาศชั้นบนมีอุณหภูมิสูง และแตกตัวเป็นประจุ (บางครั้งเราเรียกชั้นบรรยากาศที่เต็มไปด้วยประจุนี้ว่า ไอโอโนสเฟียร์ มีประโยชน์ในการสะท้อนคลื่นวิทยุสำหรับการสื่อสาร) รังสีอุลตราไวโอเล็ตสามารถส่องผ่านบรรยากาศชั้นบนลงมา แต่ถูกดูดกลืนโดยก๊าซโอโซนในชั้นสตราโตสเฟียร์ที่ระยะสูงประมาณ 19 - 48 กิโลเมตร แสงแดดหรือแสงที่ตามองเห็นสามารถส่องลงมาถึงพื้นโลก รังสีอินฟราเรดถูกดูดกลืนโดยก๊าซเรือนกระจก เช่น ไอน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นโทรโปสเฟียร์ ส่วนคลื่นไมโครเวฟและคลื่นวิทยุในบางความถี่สามารถส่องทะลุชั้นบรรยากาศได้

ภาพที่ 1  การกรองรังสีของบรรยากาศ

พลังงานที่โลกได้รับจากดวงอาทิตย์          ร้อยละ 95 ของรังสีที่แผ่จากดวงอาทิตย์มีความยาวคลื่น 0.1 – 2.5 ไมโครเมตร (100 นาโนเมตร – 2,500 นาโนเมตร)  ในจำนวนนี้เป็นรังสีอุลตราไวโอเล็ต 7% แสงที่ตามองเห็น 43% รังสีอินฟราเรดใกล้ (Near Infrared) 49% โดยมีรังสีแกมมา รังสีเอ็กซ์ และคลื่นวิทยุ เพียง 1% ทั้งนี้โดยมีความยาวคลื่นที่ให้พลังงานมากที่สุด (_max) อยู่ที่ 500 นาโนเมตร ทำให้เรามองเห็นดวงอาทิตย์เป็นดาวฤกษ์สีเหลือง

ภาพที่ 2  การแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ และการแผ่รังสีของโลก

“เรือนกระจก” หมายถึง โรงเพาะปลูกต้นไม้ ซึ่งมีผนังที่ห่อหุ้มด้วยวัสดุโปร่งใส เช่น แก้ว หรือพลาสติก เพื่อป้องกันมิให้สูญเสียความร้อนออกไป ทำให้อากาศภายในมีอุณหภูมิสูง ช่วยให้ต้นไม้เจริญเติบโต โลกของเราก็มีสภาวะนี้เรียกว่า           “ภาวะเรือนกระจก” (Greenhouse effect) โมเลกุลของก๊าซเรือนกระจกในบรรยากาศ จะทำหน้าที่ดูดกลืนรังสีอินฟราเรดที่โลกแผ่ออกมา ไม่ให้พลังงานสูญหายไปในอวกาศจนหมด ซึ่งช่วยให้โลกมีอุณหภูมิอบอุ่นขึ้น

ภาพที่ 4  ภาวะเรือนกระจก

          หากพิจารณาเปรียบเทียบโลกและดวงจันทร์ ซึ่งอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์พอๆ กัน โลกมีอุณหภูมิเฉลี่ย 15°C อุณหภูมิเวลากลางวันและกลางคืนบนโลกแตกต่างกันประมาณ 10 - 20°C แต่ด้านที่รับแสงอาทิตย์ของดวงจันทร์มีอุณหภูมิสูงถึง 130°C และด้านเงามืดมีอุณหภูมิต่ำถึง -180°C ดังนั้นกลางวันและกลางคืนบนดวงจันทร์จึงมีอุณหภูมิแตกต่างกันถึง 310°C การที่กลางวันและกลางคืนบนโลกไม่แตกต่างกันมากเป็นเพราะ โลกมีการถ่ายเทพลังงานในชั้นบรรยากาศ ในเวลากลางวันเมฆและบรรยากาศจะช่วยสะท้อนแสงอาทิตย์ส่วนหนึ่งออกไป ทำให้อุณหภูมิไม่สูงมาก และรังสีอินฟราเรดที่แผ่ออกมาจากไอน้ำและก๊าซเรือนกระจก ช่วยรักษาอุณหภูมิไว้ไม่ให้ต่ำมากเวลากลางคืน ส่วนบนดวงจันทร์ไม่มีบรรยากาศ ในหมุนเวียนพลังงาน และพาความร้อน กลางวันและกลางคืนจึงมีอุณหภูมิแตกต่างกันมาก

ภาพที่ 5  บทบาทของเมฆในการรักษาอุณหภูมิ

          จะเห็นได้ว่า ภาวะเรือนกระจกมีคุณประโยชน์ เพราะช่วยให้โลกมีความอบอุ่น และทำให้น้ำบนพื้นโลกมีครบทั้งสาม สถานะ จึงเป็นปัจจัยที่สำคัญที่เอื้ออำนวยต่อการดำรงชีวิต ดังนั้นเมื่อนักวิทยาศาสตร์ต้องการจะหาดาวเคราะห์ที่มีความเป็นไปได้ที่จะมีสิ่งมีชีวิต เขาจะมองหาดาวที่มีสเปคตรัมของก๊าซเรือนกระจก

ภาพที่ 6  ภาวะเรือนกระจกที่ช่วยให้โลกอบอุ่นคลิก เพื่อดูภาพเคลื่อนไหว

อวกาศ

เนื้อหาในเรื่อง อวกาศ แบ่งออกเป็นสี่บท คือ การสังเกตการณ์ท้องฟ้าซึ่งมุ่งเน้น ให้นักเรียนเข้าใจในเรื่องการเคลื่อนที่ของทรงกลมท้องฟ้าและทำความเข้าใจในองค์ประกอบความสัมพันธ์ของระบบสุริยะ วัฏจักรของดาวฤกษ์รวมไปถึงกาแล็กซีและเอกภพ

ตำแหน่งของโลกในจักรวาล

           เนื้อหาในเรื่อง ตำแหน่งของโลกในจักรวาล มีวัตถุประสงค์ให้นักเรียนมีความเข้าใจ มองเห็นภาพรวมของจักรวาล และรู้จักเทห์วัตถุท้องฟ้าประเภทต่างๆ

ภาพรวมของจักรวาล

จักรวาล และ เอกภพ
          “จักรวาล” และ “เอกภพ” เป็นคำๆ ที่มีความหมายเหมือนกัน ตรงกับคำภาษาอังกฤษว่า “Universe” ซึ่งหมายถึง ทุกสรรพสิ่งทั้งหมดทั้งปวง จักรวาลเป็นภาษาพูด เอกภพเป็นภาษาวิชาการ แต่ในสังคมทั่วไปเรานิยมใช้คำว่า “จักรวาล” เช่น ท่องอวกาศสำรวจจักรวาล เรามักใช้คำว่า “เอกภพ” ในโอกาสที่เน้นว่าทุกอย่างเป็นหนึ่งเดียวกัน เช่น เอกภพเกิดขึ้นเมื่อหนึ่งหมื่นห้าพันล้านปีมาแล้ว ปัจจุบันเอกภพกำลังขยายตัว

วิชาดาราศาสตร์

          ดาราศาสตร์ (Astronomy) เป็นวิชาที่ว่าด้วยการศึกษาธรรมชาติของวัตถุท้องฟ้า และค้นหา
ความจริงของจักรวาล โดยใช้กระบวนการทางวิทยาศาสตร์ ดาราศาสตร์เป็นวิชาที่เก่าแก่ที่สุดของ
มนุษยชาติ หากมองย้อนอดีต จะพบว่า ชาติมหาอำนาจและทุกอารยธรรม ล้วนให้ความสำคัญต่อ
เทห์วัตถุและปรากฎการณ์บนท้องฟ้า ทุกศาสนามีบันทึกเรื่องราวเกี่ยวกับโลกและดวงดาว โบราณ
สถานที่สำคัญไม่ว่าจะเป็น ปิรามิด ปราสาท สถูป เจดีย์ ล้วนวางตัวในแนวทิศตะวันออก – ตะวันตก
อันเป็นสัญลักษณ์ของการให้ความเคารพต่อดวงอาทิตย์ การศึกษาเส้นทางการเคลื่อนที่ของดวงอาทิตย์
ดวงจันทร์ และดวงดาวบนท้องฟ้า นำมาซึ่งพัฒนาการทางด้านคณิตศาสตร์ กลุ่มดาวจักราศี 12 กลุ่ม
ที่ดวงอาทิตย์เคลื่อนที่ผ่าน ถูกตั้งเป็นชื่อเดือน ในขณะที่ดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ และดาวเคราะห์ที่มอง
เห็นด้วยตาเปล่าอีกห้าดวง ถูกตั้งเป็นชื่อวันทั้งเจ็ดของสัปดาห์

ภาพที่ 1 ปิระมิด ซึ่งเรียงตัวแนว เหนือ-ใต้ ตะวันออก-ตะวันตก

    
 มนุษย์ใช้ตำแหน่งของดวงอาทิตย์และดวงดาวเป็นตัวกำหนดชั่วโมงและวัน และใช้ช่วงเวลาที่โลก
โคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นตัวกำหนดเดือนและปี ซึ่งก็คือระบบนาฬิกาและระบบปฏิทินนั่นเองนับแต่โบราณ
มนุษย์ตระหนักดีถึงความสัมพันธ์ระหว่างวัตถุท้องฟ้ากับชีวิตประจำวัน ชาวประมงออกเรือจับปลาต้อง
สังเกตตำแหน่งของดวงจันทร์ ซึ่งทำให้เกิดน้ำขึ้นน้ำลง การทำการเกษตรและเลี้ยงสัตว์ต้องสังเกต
ตำแหน่งของดวงอาทิตย์และกลุ่มดาวในรอบปี ซึ่งเป็นตัวบ่งบอกฤดูกาล ทหารออกรบตอนกลางคืน ต้องทราบเวลาขึ้นตกของดวงจันทร์ เพื่อใช้ความมืดในการอำพรางตัว การทำงานและการพักผ่อนของ
มนุษย์ขึ้นอยู่กับเวลากลางวันกลางคืน ซึ่งถูกควบคุมด้วยการหมุนรอบตัวเองของโลก

          การเรียนรู้ของมนุษย์เริ่มต้นจากประสบการณ์และประสาทสัมผัส เชื่อในสิ่งที่ตาเห็นก่อน แล้วจึง
ค่อยคิดหาเหตุผลมาอธิบายในภายหลัง ด้วยเหตุนี้มนุษย์ในยุคโบราณจึงเชื่อว่า โลกคือศูนย์กลางของ
เอกภพ กาลต่อมามีการสร้างกล้องดูดาวจึงพบหลักฐานซึ่งสามารถยืนยันว่า โลกหมุนรอบดวงอาทิตย์ มนุษย์ในอดีตต้องการทราบว่าขอบโลกอยู่ที่ไหน มนุษย์ในปัจจุบันต้องการทราบว่า ขอบของเอกภพอยู่
ที่ใด มีสิ่งมีชีวิตอยู่บนดาวดวงอื่นหรือไม่ อนาคตของเอกภพจะเป็นอย่างไร การเดินทางระหว่างดวงดาว
จะทำได้อย่างไร

โลกแบน หรือโลกกลม

           มนุษย์ในยุคก่อนประวัติศาสตร์คิดว่า โลกแบน ทั้งนี้เป็นเพราะพวกเขามองเห็นว่าโลกเป็นพื้นที่
กว้างใหญ่สุดสายตา มีดวงอาทิตย์เคลื่อนที่ผ่านเวลากลางวัน มีดวงจันทร์และดวงดาวเคลื่อนที่ผ่านเวลา
กลางคืน

ภาพที่ 2 แบบจำลอง โลกคือศูนย์กลางจักรวาล

          หกร้อยปีก่อนคริสต์กาล พิธากอรัส นักปราชญ์ชาวกรีก ได้สร้างแบบจำลองของเอกภพ โดยมี
โลกเป็นศูนย์กลาง ถูกห้อมล้อมไว้ด้วยทรงกลมขนาดใหญ่เรียกว่า“ทรงกลมท้องฟ้า” ซึ่งบรรจุดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ ดาวเคราะห์ 5 ดวง และดาวฤกษ์จำนวนมากมาย สามร้อยปีต่อมา อริสโตเติล นักปราชญ์
ชาวกรีก กล่าวว่า ดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ เป็นทรงกลมที่โคจรรอบโลก ขณะที่ อริสตาชุส นักปราชญ์แห่ง
เมืองอเล็กซานเดรีย (ปัจจุบันอยู่ในประเทศอียิปต์) กล่าวว่า ดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางของจักรวาล มี
โลก ดวงจันทร์ และดาวเคราะห์ทั้งหลายโคจรล้อมรอบ ต่อมาอีกหนึ่งศตวรรษ อีราโทสธีนิส พบว่ามุม
ของแสงอาทิตย์ที่ตกกระทบพื้นผิวโลก ณ เวลาเดียวกันของแต่ละตำบล ไม่ใช่มุมเดียวกัน เนื่องจาก
โลกกลม เขาคำนวณได้ว่า ดวงอาทิตย์ใหญ่กว่าโลก และโลกใหญ่กว่าดวงจันทร์

ตำแหน่งของโลกในเอกภพ

          ค.ศ. 125 คลอเดียส ปโตเลมี นักปราชญ์ชาวกรีก ได้แต่งตำราดาราศาสตร์ฉบับแรกของโลกชื่อ “อัลมาเจสต์” ระบุว่า โลกเป็นทรงกลมอยู่ตรงใจกลางของจักรวาล การที่เราเห็นดาวเคราะห์ทั้งเจ็ด (รวม
ดวงอาทิตย์ และดวงจันทร์) เคลื่อนไปข้างหน้า แต่บางครั้งก็เคลื่อนที่ย้อนทาง (Retrograde) สวนกับ
กลุ่มดาวจักราศี เป็นเพราะดาวเคราะห์ทั้งเจ็ด เคลื่อนที่อยู่บนวงกลมขนาดเล็กซึ่งเรียกว่า “เอปิไซเคิล” (Epicycle)

ภาพที่ 3 แบบจำลองของปโตเลมี

          ค.ศ.1514 โคเปอร์นิคัส ได้อธิบายว่า การที่เราเห็นดาวเคราะห์เคลื่อนที่ถอยหลังเป็นเพราะ โลก
ซึ่งเป็นดาวเคราะห์วงใน เคลื่อนที่รอบดวงอาทิตย์เร็วกว่าดาวเคราะห์ชั้นนอกเช่น ดาวอังคาร เขาเสนอ
ทฤษฎีดวงอาทิตย์คือศูนย์กลางของระบบสุริยะ ในเวลาต่อมากาลิเลโอส่องกล้องดูดาวพฤหัสบดี และดาว
ศุกร์ จึงค้นพบหลักฐานที่ว่า ดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางของระบบสุริยะ และโจฮานเนส เคปเลอร์ ค้นพบว่า ดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นรูปวงรี ปลายคริสต์ศตวรรษที่ 17 ไอแซค นิวตัน ค้นพบว่า ดวงดาว
ทั้งหลายดึงดูดกันด้วยแรงโน้มถ่วง ปัจจุบันนักดาราศาสตร์ค้นพบระบบสุริยะของดาวฤกษ์ดวงอื่น (Extra Solar System) มากกว่า 200 ระบบ

          ปลายคริสตศตวรรษที่ 18 วิลเลียม เฮอส์เชล ผู้ค้นพบดาวยูเรนัส ใช้กล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่
ตรวจนับดาวในทางช้างเผือก เขาสันนิษฐานว่า ดวงอาทิตย์อยู่ที่ตำแหน่งใจกลางของกาแล็กซีทางช้าง
เผือกจนกระทั่งปี ค.ศ.1920 ฮาร์โลว์ แชพลีย์ ศึกษากระจุกดาวเปิดซึ่งอยู่ล้อมรอบกาแล็กซี จึงสามารถ
พิสูจน์ได้ว่า ตำแหน่งของดวงอาทิตย์อยู่ค่อนมาทางแขนของกาแล็กซี

ภาพที่ 4 แบบจำลองทางช้างเผือกของ เฮอร์เชล ซึ่งมีดวงอาทิตย์อยู่ตรงกลาง

          ค.ศ.1905 อัลเบิร์ต ไอสไตน์ ประกาศทฤษฎีสัมพัทธภาพเฉพาะ E = Mc² พลังงานและมวลเป็น
สิ่งเดียวกัน พลังงานจำนวนมหาศาลอัดรวมกันเป็นสสารได้ นั่นคือ นิวเคลียร์ฟิวชัน พลังงานต้นกำเนิด
ของดาวฤกษ์ สิบปีต่อมาเขาประกาศทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ว่าด้วย มวลทำให้ภูมิศาสตร์ของอวกาศ
โค้ง และอธิบายว่า ดาวเคราะห์เคลื่อนที่รอบดวงอาทิตย์ มิใช่เป็นเพราะ แรงโน้มถ่วงระหว่างดาวอย่างที่
นิวตันอธิบาย แต่เป็นเพราะว่า มวลของดวงอาทิตย์ทำให้อวกาศโค้ง ดาวเคราะห์จึงจำต้องเคลื่อนที่เป็น
วงโค้งไปรอบๆ

ภาพที่ 4 อวกาศโค้ง

          ค.ศ.1929 เอ็ดวิน ฮับเบิล จำแนกกาแล็กซีออกเป็นหลายประเภท และพบว่า สเปคตรัมของ
กาแล็กซีส่วนใหญ่มีปรากฏการณ์การเลื่อนทางแดง (Redshift) นั่นหมายถึง กาแล็กซีกำลังเคลื่อนที่
ออกจากโลก นั่นก็คือ เอกภพ (จักรวาล) กำลังขยายตัว

          ค.ศ.1989 ยานอวกาศโคบี (COBE) พบว่า รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของเอกภพ (Cosmic Microwave Background Radiation) มีอุณหภูมิไม่เท่ากัน เป็นหลักฐานยืนยันว่า เอกภพเย็นตัวลง
ไม่เท่ากันทุกตำบล กาแล็กซีจึงเกิดขึ้นเป็นกระจุกๆ ไม่กระจายตัวเท่าๆ กัน ในเอกภพ

ภาพที่ 5 อุณหภูมิของรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของเอกภพ

          ปัจจุบันนักดาราศาสตร์ค้นพบว่า เอกภพประกอบด้วยกาแล็กซีจำนวนมหาศาล กระจายตัวอยู่เป็นกระจุกๆ กาแล็กซีส่วนใหญ่กำลังเคลื่อนที่ออกจากโลก แสดงว่าเอกภพกำลังขยายตัว เมื่อคำนวณอัตราการขยายตัวของเอกภพย้อนกลับ จึงได้ผลลัพธ์ว่า เอกภพกำเนิดขึ้นจากจุดๆ หนึ่ง (Singularity) เมื่อประมาณ 13,000 ล้านปีมาแล้ว นักดาราศาสตร์พยายามค้นหาขอบจักรวาล แต่ดูเหมือนว่า ธรรมชาติไม่ต้องการให้เรารู้อนาคต ยิ่งส่องกล้องลึกเข้าไปในอวกาศมากเท่าใด ก็ยิ่งเห็นภาพลึกไปในอดีตมากเท่านั้น เพราะว่าแสงต้องใช้เวลาในการเดินทาง (เช่น กระจุกดาวลูกไก่อยู่ห่างจากโลก 400 ปีแสง ภาพที่เราเห็นในปัจจุบันคือแสงของกระจุกดาวลูกไก่เมื่อ 400 ปีที่แล้ว)

          กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล (Hubble Telescope) ถ่ายภาพกาแล็กซีที่ไกลที่สุด ระยะห่างหลายพันปีแสง พบว่าในอดีตนั้นกาแล็กซีเคยอยู่ใกล้กันจริง แสดงว่า เอกภพในยุคนั้นมีขนาดเล็ก ซึ่งยืนยันทฤษฎีบิ๊กแบง (Big Bang) เอกภพกำเนิดขึ้นจากจุดๆ หนึ่ง แล้วก็เกิดการระเบิดใหญ่ (Big Bang) ขึ้นมา นี่คือจุดกำเนิดของสรรพสิ่งและกาลเวลา เวลาต่อมาเอกภพขยายตัวและเย็นตัวลง พลังงานอัดแน่นเป็นสสาร กำเนิดเป็นกาแล็กซีและดาวขึ้นมา

กลุ่มดาว

          เนื้อหาในเรื่อง กลุ่มดาว มีวัตถุประสงค์ให้นักเรียนมีความเข้าใจเบื้องต้น เกี่ยวกับความหมาย
ของกลุ่มดาว หลักการเคลื่อนที่ของทรงกลมท้องฟ้า มีความสามารถในการใช้งานแผนที่ดาว ประกอบซอฟต์แวร์ท้องฟ้าจำลอง

กลุ่มดาวคืออะไร

          คนในสมัยก่อนเชื่อว่า เบื้องบนเป็นสวรรค์เบื้องล่างเป็นนรกโดยมีโลกมนุษย์อยู่ตรงกลาง พวกเขาจินตนาการว่า โลกที่เราอยู่นั้น มีทรงกลมท้องฟ้าล้อมรอบ โดยมีดวงดาวติดอยู่ที่ทรงกลมนั้น ดังนั้นคนโบราณจึงคิดว่า ดวงดาวแต่ละดวงอยู่ห่างจากโลกเป็นระยะทางเท่าๆ กัน เนื่องจากบนท้องฟ้ามีดวงดาวอยู่เป็นจำนวนมาก พวกเขาจึงแบ่งดวงดาวออกเป็นกลุ่มๆ  และวาดภาพจินตนาการว่าเป็น รูป คน สัตว์ สิ่งของ ไปต่างๆ นานา ตามความเชื่อ และวิถีชีวิต ของวัฒนธรรมของพวกเขา

ภาพที่ 1  กลุ่มดาวเต่า หรือ กลุ่มดาวนายพราน

           กลุ่มดาว (Constellations) บนท้องฟ้ามีความแตกต่างกันไปในแต่ละอารยะธรรม เป็นต้นว่า
ชาวยุโรปซึ่งอยู่บนภูเขา มีอาชีพล่าสัตว์ มองเห็นกลุ่มดาว "นายพราน" (Orion) เป็นรูป "นายพราน"
แต่คนไทยส่วนใหญ่มีอาชีพทางการเกษตร มองเห็นกลุ่มดาวนี้เป็นรูป "เต่า" และ "คันไถ" ดังภาพที่ 1

ภาพที่ 2  กลุ่มจระเข้ หรือ กลุ่มหมีใหญ่

           กลุ่มดาว "หมีใหญ่" (Ursa Major) ก็เช่นกัน ชาวยุโรปซึ่งใช้ชีวิตบนภูเขามองเห็นเป็นรูป
"หมีใหญ่"  แต่คนไทยใช้ชีวิตอยู่ริมน้ำ จึงมองเห็นเป็นรูป "จระเข้" ดังภาพที่ 2   จะเห็นได้ว่า กลุ่มดาว
เป็นเพียงเรื่องของจินตนาการ ซึ่งมีความแตกต่างกันไป ในแต่ละท้องถิ่น เชื้อชาติ ภาษา และวัฒนธรรม
ฉะนั้นเพื่อให้สื่อความหมายตรงกัน องค์การดาราศาสตร์สากล จึงกำหนดมาตรฐานเดียวกัน โดยแบ่ง
กลุ่มดาวบนท้องฟ้า ออกเป็น 88 กลุ่ม โดยมีชื่อเรียกให้เหมือนกัน โดยถือเอาตามยุโรป เช่น กลุ่มดาว
นายพราน และกลุ่มดาวหมีใหญ่ ส่วนชื่อกลุ่มดาวเต่า กลุ่มดาวจระเข้นั้น ถือเป็นชื่อท้องถิ่นภายใน
ประเทศไทย
“กลุ่มดาว” ในความหมายที่แท้จริง          ดาวฤกษ์บนท้องฟ้า แท้จริงมีขนาดไม่เท่ากัน และอยู่ห่างจากโลกของเรา ด้วยระยะทางที่แตกต่างกันออกไป แต่เนื่องจากดาวฤกษ์แต่ละดวงอยู่ห่างจากเรามาก เราจึงมองเห็นเป็นเพียงจุดแสง เพียงแต่แตกต่างกันที่สีและความสว่าง ยกตัวอย่าง กลุ่มดาวแคสสิโอเปีย (Cassiopeia) ซึ่งอยู่ใกล้ขั้วฟ้าเหนือ (ในภาพที่ 3) ชาวยุโรปจินตนาการว่าเป็น "พระราชินี" แต่คนไทยเรามองเห็นเป็น "ค้างคาว"   เมื่อมองดูด้วยตาเปล่า เราจะเห็น ดาวฤกษ์ 5 ดวง เรียงตัวเป็นรูปตัว "M" หรือ "W" คว่ำ โดยที่ดาวแต่ละดวงอยู่ห่างกันไม่มาก และมีความสว่างใกล้เคียงกัน
          ในความเป็นจริง ดาวฤกษ์ทั้งห้าดวงนี้ มีขนาดแตกต่างกันมาก และอยู่ห่างจากโลกด้วยระยะทางที่แตกต่างกันมากด้วย ดาวเบต้า (ดวงแรก) มีขนาดเล็กแต่ว่าอยู่ใกล้ ส่วนดาวแกมม่า (ดวงที่สาม) มีขนาดใหญ่แต่ว่าอยู่ไกล เราจึงมองเห็นเหมือนว่าดาวทั้งสองมีความสว่างใกล้เคียงกัน เรามองเห็นเหมือนว่า ดาวทั้งสองมีระยะเชิงมุมใกล้ๆ กัน ทว่าความจริงแล้ว ดาวฤกษ์ทั้งสองอยู่ลึกไปในอวกาศไม่เท่ากัน

ภาพที่ 3  กลุ่มดาวค้างคาวในความหมายที่แท้จริง

           ดาวฤกษ์แต่ละดวงมิได้หยุดนิ่งอยู่ประจำที่ ทว่าเคลื่อนที่ไปในอวกาศด้วยความเร็วและทิศทางที่แตกต่างกัน เนื่องจากว่าดาวฤกษ์อยู่ห่างไกลมาก เราจึงมองเห็นพวกมันคล้ายว่าหยุดนิ่ง และจินตนาการลากเส้นเชื่อมต่อให้เป็นรูปร่างที่แน่นอน ดังในรูป ข.
          เนื่องจากดวงดาวแต่ละดวง ต่างเคลื่อนที่ไปในกาแล็กซีทางช้างเผือก กลุ่มดาวที่เรามองเห็น ย่อมมีรูปร่างแปรเปลี่ยนไปตามกาลเวลา ดังแสดงในรูป ก เป็นภาพกลุ่มดาวค้าวคาวเมื่อ 50,000 ปีในอดีต, รูป ข เป็นภาพกลุ่มดาวค้างคาวในปัจจุบัน, และรูป ค เป็นภาพของกลุ่มดาวค้างคาวในอีก 50,000 ปีข้างหน้า

จักราศี

          โลกหมุนรอบตัวเอง ขณะเดียวกันก็โคจรรอบดวงอาทิตย์ โดยใช้เวลารอบละ 1 ปี ทำให้ตำแหน่งปรากฏของดวงอาทิตย์ เทียบกับตำแหน่งของกลุ่มดาว บนท้องฟ้าเปลี่ยนแปลงไป ดังภาพที่ 4
          ยกตัวอย่าง เช่น ในเดือนมิถุนายน เรามองเห็นดวงอาทิตย์อยู่หน้า “กลุ่มดาวคนคู่” (ราศีเมถุน) และในเวลาหนึ่งเดือนต่อมา ดวงอาทิตย์เคลื่อนที่ในทิศทวนเข็มนาฬิกาไป 30 องศา เราก็จะมองเห็นดวงอาทิตย์เคลื่อนที่ไปอยู่หน้า "กลุ่มดาวปู" (ราศีกรกฏ) ซึ่งอยู่ถัดไป 30° เช่นกัน
          เราเรียกกลุ่มดาว ซึ่งบอกตำแหน่งดวงอาทิตย์ ในแต่ละเดือนว่า "จักราศี" (Zodiac) ผู้คนในสมัยก่อนใช้กลุ่มดาวจักราศี เป็นเสมือนปฏิทิน ในการกำหนดเวลาเป็นเดือนและปี โดยการเปรียบเทียบตำแหน่งของดวงอาทิตย์ กับตำแหน่งของกลุ่มดาวจักราศีบนท้องฟ้า โดยการถือเอาเส้นสุริยะวิถี เป็นเส้นรอบวง 360° หารด้วยจำนวนกลุ่มดาวประจำราศีทั้ง 12 กลุ่ม ซึ่งห่างกันกลุ่มละ 30°

ภาพที่ 4  กลุ่มดาวจักราศี
คลิก เพื่อดูภาพเคลื่อนไหว

          ถ้าหากแกนหมุนของโลกตั้งฉากกับระนาบวงโคจรรอบดวงอาทิตย์ เส้นศูนย์สูตรฟ้ากับเส้นสุริยะวิถีจะเป็นเส้นเดียวกัน และเราจะเห็นดวงอาทิตย์และกลุ่มดาวจักราศี อยู่บนเส้นศูนย์สูตรฟ้าตลอดเวลา ทว่าในความเป็นจริง แกนของโลกเอียง 23.5° กับแนวตั้งฉากระนาบวงโคจร ขณะที่โคจรไปรอบๆ ดวงอาทิตย์ ดังนั้นกลุ่มดาวจักราศีจะเรียงตัวอยู่บนเส้นสุริยะวิถี ห่างจากเส้นศูนย์สูตรฟ้าไปทางทิศเหนือหรือใต้ เป็นระยะเชิงมุมไม่เกิน 23.5° ดังภาพ
ที่ 5

ภาพที่ 5  เส้นสุริยะวิถี และกลุ่มดาวจักราศี



องค์ประกอบของระบบสุริยะ

           เนื้อหาในเรื่อง องค์ประกอบของระบบสุริยะ มีวัตถุประสงค์ให้นักเรียนมีความเข้าใจ เกี่ยวกับแนวคิด และทฤษฎีของการเกิดระบบสุริยะ รวมทั้งสามารถมองภาพรวมของระบบสุริยะได้อย่างถูกต้อง

กำเนิดระบบสุริยะ

      ระบบสุริยะเกิดจากกลุ่มฝุ่นและก๊าซในอวกาศซึ่งเรียกว่า “โซลาร์เนบิวลา” (Solar Nebula) รวมตัวกันเมื่อประมาณ 4,600 ล้านปีมาแล้ว  (นักวิทยาศาสตร์คำนวณจากอัตราการหลอมรวมไฮโดรเจนเป็นฮีเลียมภายในดวงอาทิตย์)  เมื่อสสารมากขึ้น แรงโน้มถ่วงระหว่างมวลสารมากขึ้นตามไปด้วย กลุ่มฝุ่นก๊าซยุบตัวหมุนเป็นรูปจานตามหลักอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม ดังภาพที่ 1    แรงโน้มถ่วงที่ใจกลางสร้างแรงกดดันมากทำให้ก๊าซมีอุณหภูมิสูงพอที่จุดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน หลอมรวมอะตอมของไฮโดรเจนให้เป็นฮีเลียม  ดวงอาทิตย์จึงถือกำเนิดเป็นดาวฤกษ์  

ภาพที่ 1  กำเนิดระบบสุริยะ

            วัสดุชั้นรอบนอกของดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิต่ำกว่า ยังโคจรไปตามโมเมนตัมที่มีอยู่เดิม รอบดวงอาทิตย์เป็นชั้นๆ   มวลสารของแต่ละชั้นพยายามรวมตัวกันด้วยแรงโน้มถ่วง  ด้วยเหตุนี้ดาวเคราะห์จึงถือกำเนิดขึ้นเป็นรูปทรงกลม เนื่องจากมวลสารพุ่งใส่กันจากทุกทิศทาง   
            อิทธิพลจากแรงโน้มถ่วงทำให้วัสดุที่อยู่รอบๆ พยายามพุ่งเข้าหาดาวเคราะห์  ถ้าทิศทางของการเคลื่อนที่มีมุมลึกพอ ก็จะพุ่งชนดาวเคราะห์ทำให้ดาวเคราะห์นั้นมีขนาดใหญ่ขึ้น เนื่องจากมวลรวมกัน  แต่ถ้ามุมของการพุ่งชนตื้นเกินไป ก็จะทำให้แฉลบเข้าสู่วงโคจร และเกิดการรวมตัวต่างหากกลายเป็นดวงจันทร์บริวาร  ดังเราจะเห็นได้ว่า ดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ เช่น ดาวพฤหัสบดี จะมีดวงจันทร์บริวารหลายดวงและมีวงโคจรหลายชั้น เนื่องจากมีมวลสารมากและแรงโน้มถ่วงมหาศาล  ต่างกับดาวพุธซึ่งมี
ขนาดเล็กมีแรงโน้มถ่วงน้อย ไม่มีดวงจันทร์บริวารเลย  วัสดุที่อยู่โดยรอบจะพุ่งเข้าหาดวงอาทิตย์ เพราะ
มีแรงโน้มถ่วงมากกว่าเยอะ

องค์ประกอบของระบบสุริยะ

 ดวงอาทิตย์ (The Sun)  เป็นดาวฤกษ์ที่อยู่ตรงตำแหน่งศูนย์กลางของระบบสุริยะและเป็นศูนย์กลาง
ของแรงโน้มถ่วง ทำให้ดาวเคราะห์และบริวารทั้งหลายโคจรล้อมรอบ

ภาพที่ 2  ระบบสุริยะคลิก เพื่อดูภาพเคลื่อนไหว

 ดาวเคราะห์ชั้นใน (Inner Planets)  เป็นดาวเคราะห์ขนาดเล็ก มีความหนาแน่นสูงและพื้นผิวเป็น
ของแข็ง ซึ่งส่วนใหญ่เป็นธาตุหนัก มีบรรยากาศอยู่เบาบาง ทั้งนี้เนื่องจากอิทธิพลจากความร้อนของ
ดวงอาทิตย์และลมสุริยะ ทำให้ธาตุเบาเสียประจุ ไม่สามารถดำรงสถานะอยู่ได้   ดาวเคราะห์ชั้นใน
บางครั้งเรียกว่า ดาวเคราะห์พื้นแข็ง “Terrestrial Planets"เนื่องจากมีพื้นผิวเป็นของแข็งคล้ายคลึง
กับโลก  ดาวเคราะห์ชั้นในมี 4 ดวง คือ ดาวพุธ  ดาวศุกร์  โลก 
   และดาวอังคาร

 ดาวเคราะห์ชั้นนอก (Outer Planets)  เป็นดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ แต่มีความหนาแน่นต่ำ เกิดจาก
การสะสมตัวของธาตุเบาอย่างช้าๆ  ทำนองเดียวกับการก่อตัวของก้อนหิมะ เนื่องจากได้รับอิทธิพลของ
ความร้อนและลมสุริยะจากดวงอาทิตย์เพียงเล็กน้อย  ดาวเคราะห์พวกนี้จึงมีแก่นขนาดเล็กห่อหุ้มด้วย
ก๊าซจำนวนมหาสาร  บางครั้งเราเรียกดาวเคราะห์ประเภทนี้ว่า ดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ (Gas Giants) หรือ  Jovian Planets   ซึ่งหมายถึงดาวเคราะห์ที่มีคุณสมบัติคล้ายดาวพฤหัสบดี  ดาวเคราะห์ชั้นนอกมี 4 ดวง
คือ ดาวพฤหัสบดี    ดาวเสาร์ ดาวยูเรนัส และดาวเนปจูน
                                                                                    คลิก เพื่อดูภาพเคลื่อนไหว

 ดวงจันทร์บริวาร (Satellites)  โลกมิใช่ดาวเคราะห์เพียงดวงเดียวที่มีดวงจันทร์บริวาร  โลกมีบริวาร
ชื่อว่า “ดวงจันทร์” (The Moon)  ขณะที่ดาวเคราะห์ดวงอื่นก็มีบริวารเช่นกัน  เช่น ดาวพฤหัสบดีมี
ดวงจันทร์ขนาดใหญ่ 4 ดวงชื่อ ไอโอ (Io), ยูโรปา (Europa), กันนีมีด (ganymede) และคัลลิสโต (Callisto)  ดาวเคราะห์และดวงจันทร์ถือกำเนิดขึ้นพร้อมๆ กัน เพียงแต่ดวงจันทร์มิได้รวมตัวกับ
ดาวเคราะห์โดยตรง แต่ก่อตัวขึ้นภายในวงโคจรของดาวเคราะห์  เราจะสังเกตได้ว่า หากมองจากด้านบน
ของระบบสุริยะ  จะเห็นได้ว่า ทั้งดวงอาทิตย์    ดาวเคราะห์และดวงจันทร์ส่วนใหญ่  จะหมุนรอบตัวเองในทิศทวนเข็มนาฬิกา  และโคจรรอบดวงทิตย์ในทิศทวนเข็มนาฬิกาเช่นกันหากมองจากด้านข้างของ
ระบบสุริยะก็จะพบว่า    ทั้งดวงอาทิตย์ ดาวเคราะห์ และดวงจันทร์บริวาร จะอยู่ในระนาบที่ใกล้เคียงกับ
สุริยะวิถีมาก  ทั้งนี้ก็เนื่องมาจากระบบสุริยะทั้งระบบ ก็กำเนิดขึ้นพร้อมๆ กัน โดยการยุบและหมุนตัว
ของจานฝุ่น  

 ดาวเคราะห์แคระ (Dwarf Planets) เป็นนิยามใหม่ของสมาพันธ์ดาราศาสตร์สากล (International    Astronomical Union) ที่กล่าวถึง วัตถุขนาดเล็กที่มีรูปร่างคล้ายทรงกลม แต่มีวงโคจรเป็นรูปรี    ซ้อนทับกับดาวเคราะห์ดวงอื่น และไม่อยู่ในระนาบของสุริยะวิถี ซึ่งได้แก่ ซีรีส พัลลาส พลูโต    และดาวที่เพิ่งค้นพบใหม่ เช่น อีริส เซ็ดนา วารูนา  เป็นต้น (ดูภาพที่ 3 ประกอบ)

ภาพที่ 3  ขนาดของดาวเคราะห์แคระเปรียบเทียบกับโลก (ที่มา: NASA, JPL)

 ดาวเคราะห์น้อย  (Asteroids) เกิดจากวัสดุที่ไม่สามารถรวมตัวกันเป็นดาวเคราะห์ได้    เนื่องจากแรงรบกวนจากดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ เช่น ดาวพฤหัสบดี และดาวเสาร์  ดังเราจะพบว่า   ประชากรของดาวเคราะห์น้อยส่วนใหญ่อยู่ที่ “แถบดาวเคราะห์น้อย” (Asteroid belt)   ซึ่งอยู่ระหว่างวงโคจรของดาวอังคารและดาวพฤหัสบดี   ดาวเคราะห์แคระเช่น เซเรส   ก็เคยจัดว่าเป็นดาวเคราะห์น้อยที่มีขนาดใหญ่ที่สุด (เส้นผ่านศูนย์กลาง 900 กิโลเมตร)    ดาวเคราะห์น้อยส่วนใหญ่จะมีวงโคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นรูปรีมาก  และไม่อยู่ในระนาบสุริยะวิถี   ขณะนี้มีการค้นพบดาวเคราะห์น้อยแล้วประมาณ 3 แสนดวง

ภาพที่ 4  แถบดาวเคราะห์น้อย (ที่มา: Pearson Prentice Hall, Inc)

 ดาวหาง (Comets) เป็นวัตถุขนาดเล็กเช่นเดียวกับดาวเคราะห์น้อย    แต่มีวงโคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นวงยาวรีมาก  มีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นก๊าซในสถานะของแข็ง    เมื่อดาวหางเคลื่อนที่เข้าหาดวงอาทิตย์ ความร้อนจะให้มวลของมันระเหิดกลายเป็นก๊าซ    ลมสุริยะเป่าให้ก๊าซเล่านั้นพุ่งออกไปในทิศทางตรงข้ามกับดวงอาทิตย์ กลายเป็นหาง

 วัตถุในแถบไคเปอร์ (Kuiper Belt Objects) เป็นวัตถุที่หนาวเย็นเช่นเดียวกับดาวหาง   แต่มีวงโคจรอยู่ถัดจากดาวเนปจูนออกไป บางครั้งจึงเรียกว่า Trans Neptune Objects    ทั้งนี้แถบคุยเปอร์จะอยู่ในระนาบของสุริยะวิถี โดยมีระยะห่างออกไปตั้งแต่ 40 – 500 AU (AU ย่อมาจาก   Astronomical Unit หรือ หน่วยดาราศาสตร์ เท่ากับระยะทางระหว่างโลกถึงดวงอาทิตย์ หรือ 150   ล้านกิโลเมตร)   ดาวพลูโตเองก็จัดว่าเป็นวัตถุในแถบคุยเปอร์ รวมทั้งดาวเคราะห์แคระซึ่งค้นพบใหม่ เช่น อีริส   เซ็ดนา วารูนา  เป็นต้น  ปัจจุบันมีการค้นพบวัตถุในแถบไคเปอร์แล้วมากกว่า 35,000 ดวง

ภาพที่ 5  แถบไคเปอร์ และวงโคจรของดาวพลูโต (ที่มา: NASA, JPL)

 เมฆออร์ท (Oort Cloud)  เป็นสมมติฐานที่ตั้งขึ้นโดยนักดาราศาสตร์ชาวเนเธอร์แลนด์ชื่อ แจน ออร์ท (Jan Oort) ซึ่งเชื่อว่า ณ สุดขอบของระบบสุริยะ รัศมีประมาณ 50,000 AU จากดวงอาทิตย์  ระบบสุริยะ
ของเราห่อหุ้มด้วยวัสดุก๊าซแข็ง ซึ่งหากมีแรงโน้มถ่วงจากภายนอกมากระทบกระเทือน   ก๊าซแข็งเหล่านี้ก็จะหลุดเข้าสู่วงโคจรรอบดวงอาทิตย์ กลายเป็นดาวหางวงโคจรคาบยาว (Long-period   comets)

ภาพที่ 6 ตำแหน่งของแถบไคเปอร์และเมฆออร์ท (ที่มา: NASA, JPL)

ดวงอาทิตย์

ภาพที่ 1 ดวงอาทิตย์

       ดวงอาทิตย์เป็นดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้โลกของเรามากที่สุด มีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นก๊าซไฮโดรเจน ที่ใจกลางของดวงอาทิตย์ มีอุณหภูมิและแรงดันสูงมาก จนทำให้ก๊าซไฮโดรเจนหลอมรวมกันเป็นก๊าซฮีเลียม และแผ่พลังงานออกมาอย่างมหาศาล เป็นความร้อนและแสงสว่าง เราเรียกปฏิกิริยานี้ว่า "ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน"  พลังงานความร้อน และแสงสว่าง จากดวงอาทิตย์นี้เอง ที่เอื้อให้เกิดสิ่งมีฃีวิตบนโลกของเรา

โครงสร้างภายในของดวงอาทิตย์ ประกอบไปด้วย         1. แกนกลาง มีอุณหภูมิสูงกว่า 15 ล้านเคลวิน
         2. โชนการแผ่รังสี พลังงานความร้อนถ่ายทอดออกสู่ส่วนนอกในรูปแบบคลื่น
         3. โซนการพาความร้อน อยู่เหนือโซนการแผ่รังสี พลังงานความร้อนในโซนนี้ถูกถ่ายทอดออกสู่ส่วนนอก โดยการเคลื่อนที่ของก๊าซ
         4. โฟโตสเฟียร์ เป็นพื้นผิวของดวงอาทิตย์ อยู่เหนือโซนการพาความร้อน เราสังเกตพื้นผิวส่วนนี้ได้ในช่วงคลื่นแสง มีอุณหภูมิประมาณ 5,500 เคลวิน
         5. โครโมสเฟียร์ เป็นบริเวณที่อยู่เหนือขึ้นมาจากชั้นโฟโตสเฟียร์ มีอุณหภูมิสูงประมาณ 10,000 เคลวิน
         6. คอโรนา เป็นบรรยากาศชั้นนอกสุดของดวงอาทิตย์แผ่ออกไปในอวกาศหลายล้านกิโลเมตร มีอุณหภูมิสูงมากกว่า 1 ล้านเคลวิน

พลังงานจากดวงอาทิตย์

ลมสุริยะ
          ลมสุริยะ (Solar wind) มิใช่เป็นลมซึ่งเกิดจากการเคลื่อนที่ของมวลอากาศดังเช่น บนโลกของเรา หากแต่เป็นอนุภาคพลังงานสูง ซึ่งเกิดจากสูญเสียก๊าซร้อนของดวงอาทิตย์สู่ห้วงอวกาศ ในรูปของโปรตรอน อิเล็กตรอน และอนุภาคอื่นๆ ซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณ 450 กิโลเมตร/วินาที ซึ่งใช้เวลาในการเดินทางถึงโลกประมาณ 4 วัน อนุภาคพลังงานสูงพวกนี้ บางครั้งทำความเสียหายให้แก่ ยานอวกาศ ดาวเทียม และระบบโทรคมนาคม ดังนั้นการเฝ้าสังเกตจุดดวงอาทิตย์ พวยก๊าซ และการประทุจ้าบนดวงอาทิตย์ จึงเป็นการพยากรณ์สภาพอวกาศ (space weather) และแจ้งเตือนล่วงหน้าได้

ภาพที่ 1 แกนแม่เหล็กโลกคลิก เพื่อดูภาพเคลื่อนไหว

สนามแม่เหล็กโลก
          โครงสร้างของโลกประกอบขึ้นเป็นชั้นหลายชั้น บางชั้นที่มีสถานะเป็นของแข็ง และบางชั้นมีสถานะเป็นของเหลว แก่นใจกลางของโลกมี 2 ชั้น คือ แก่นชั้นในและแก่นชั้นนอก แก่นชั้นใน (Inner core) เป็นของแข็งมีองค์ประกอบเป็นเหล็ก นิเกิล มีอุณหภูมิ 6,500 เคลวิน แก่นชั้นนอก (Outer core) มีอุณหภูมิต่ำกว่าและมีสถานะเป็นของเหลวหนืด ดังนั้นพลังงานความร้อนถูกถ่ายเทขึ้นสู่แก่นชั้นนอก (Outer core) ด้วยการพาความร้อน โดยโลหะหลอมละลายที่หมุนวนไปอย่างช้าๆ การเคลื่อนตัวเช่นนี้ก่อให้เกิดการเคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้า และเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็ก (The Earth’s magnetic field)

ภาพที่ 2  สนามแม่เหล็กโลก

          แกนแม่เหล็กของโลกมีขั้วเหนือ-ใต้ เอียงทำมุม 12 องศา กับแกนเหนือ-ใต้ทางภูมิศาสตร์ซึ่งโลกหมุนรอบตัวเอง สนามแม่เหล็กของโลกมิได้มีลักษณะเป็นทรงกลมสมมาตร เนื่องจากอิทธิพลของลมสุริยะ (Solar wind) ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคโปรตอน อิเล็กตรอน และอนุภาคชนิดอื่น เคลื่อนที่จากดวงอาทิตย์เข้าหาโลกด้วยความเร็ว 450 กิโลเมตร/ชั่วโมง อนุภาคเหล่านี้มีความเร็วเหนือเสียง เมื่อกระทบเข้ากับสนามแม่เหล็กโลก ก็จะเกิดช็อคเวฟ (Shock wave) และลดความเร็วลง การปะทะกันเช่นนี้ทำให้เกิดการไหลเวียนของอนุภาคตามเส้นแรงแม่เหล็กซึ่งล้อมรอบโลก (Magnetosphere) อนุภาคบางส่วนถูกกักขังไว้ในเส้นแรงแม่เหล็ก ใน “แถบ ฟาน อัลเลน” (Van Allen belts) สองชั้นซึ่งอยู่สูงเหนือพื้นผิวโลกประมาณ 2,000 – 5,000 กิโลเมตร และ 13,000 – 19,000 กิโลเมตร แถบชั้นในเต็มไปด้วยอนุภาคโปรตอนพลังงานสูง ส่วนแถบชั้นนอกเป็นอนุภาคโปรตอนและอิเล็กตรอนพลังงานต่ำ ลมสุริยะมีคุณสมบัติเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม เมื่อมันเคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็กโลก จะทำให้เกิดอนุภาคโปรตอนและอิเล็กตรอนความเร็วสูง เคลื่อนที่ในแนวเหนือ-ใต้ และเมื่ออนุภาคเหล่านี้พุ่งชนบรรยากาศชั้นบนของโลก อะตอมของก๊าซจะปลดปล่อยแสงสว่างออกมา เกิดเป็น “แสงเหนือ” หรือ “แสงใต้” (Aurora) ในบริเวณรอบขั้วแม่เหล็กโลก

ภาพที่ 3  ออโรรา [ที่มา: University of Alaska]

          สนามแม่เหล็กโลกไม่ใช่สิ่งคงที่ แต่มีการเปลี่ยนแปลงความเข้มของสนามแม่เหล็ก และสลับขั้วเหนือ-ใต้ ทุกๆ หนึ่งหมื่นปี ในปัจจุบันสนามแม่เหล็กโลกอยู่ในช่วงที่มีกำลังอ่อน สนามแม่เหล็กโลกเป็นสิ่งที่จำเป็นที่เอื้ออำนวยในการดำรงชีวิต หากปราศจากสนามแม่เหล็กโลกแล้ว อนุภาคพลังงานสูงจะพุ่งชนพื้นผิวโลก สิ่งมีชีวิตจะไม่สามารถดำรงอยู่ได้ นอกจากนั้นสิ่งมีชีวิตบางประเภท เช่น นก ยังใช้สนามแม่เหล็กโลก ในระบบการหาทิศทาง

จรวดและยานอวกาศ

          เนื้อหาในเรื่อง จรวดและยานอวกาศ มีวัตถุประสงค์ให้นักเรียนมีความเข้าใจเบื้องต้น เกี่ยวกับหลักการ การส่งจรวดขึ้นสู่วงโคจร โดยใช้ กฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน

หลักการส่งยานอวกาศ

        อวกาศอยู่สูงเหนือศีรษะขึ้นไปเพียงหนึ่งร้อยกิโลเมตร แต่การที่จะขึ้นไปถึงมิใช่เรื่องง่าย เซอร์ไอแซค นิวตัน นักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษผู้คิดค้นทฤษฎีเรื่องแรงโน้มถ่วงของโลกและการเดินทางสู่
อวกาศเมื่อสามร้อยปีมาแล้ว ได้อธิบายไว้ว่า หากเราขึ้นไปอยู่บนที่สูง และปล่อยก้อนหินให้หล่นจากมือ ก้อนหินก็จะตกลงสู่พื้นในแนวดิ่ง เมื่อออกแรงขว้างก้อนหินออกไปให้ขนานกับพื้น (ภาพที่ 3) ก้อนหินจะ
เคลื่อนที่เป็นเส้นโค้ง (A) เนื่องจากแรงลัพธ์ซึ่งเกิดจากแรงที่เราขว้างและแรงโน้มถ่วงของโลกรวมกัน หากเราออกแรงมากขึ้น วิถีการเคลื่อนที่ของวัตถุจะโค้งมากขึ้น และก้อนหินจะยิ่งตกไกลขึ้น (B) และหาก
เราออกแรงมากจนวิถีของวัตถุขนานกับความโค้งของโลก ก้อนหินก็จะไม่ตกสู่พื้นโลกอีก แต่จะโคจรรอบ
โลกเป็นวงกลม (C) เราเรียกการตกในลักษณะนี้ว่า “การตกอย่างอิสระ” (free fall) และนี่เองคือหลัก
การส่งยานอวกาศขึ้นสู่วงโคจรรอบโลก หากเราเพิ่มแรงให้กับวัตถุมากขึ้นไปอีกเราจะได้วงโคจรเป็นรูป
วงรี (D) และถ้าเราออกแรงขว้างวัตถุไปด้วยความเร็ว 11.2 กิโลเมตรต่อวินาที วัตถุจะไม่หวนกลับคืนอีกแล้ว แต่จะเดินทางออกสู่ห้วงอวกาศ (E) เราเรียกความเร็วนี้ว่า “ความเร็วหลุดพ้น” (escape speed) และนี่คือหลักการส่งยานอวกาศไปยังดาวเคราะห์ดวงอื่น

ภาพที่ 1 หลักการส่งยานอวกาศ

หมายเหตุ: ในทางปฏิบัติเราไม่สามารถยิงจรวดขึ้นสู่อวกาศในแนวราบได้ เพราะโลกมีบรรยากาศห่อหุ้มอยู่ ความหนาแน่นของอากาศจะต้านทานให้จรวดเคลื่อนที่ช้าลงและตกลงเสียก่อน ดังนั้นเราจึงส่งจรวดขึ้นสู่ท้องฟ้าในแนวดิ่ง แล้วค่อยปรับวิถีให้โค้งขนานกับผิวโลก เมื่ออยู่เหนือชั้นบรรยากาศในภายหลัง

จรวด (Rocket)
เมื่อพูดถึงจรวด เราหมายถึงอุปกรณ์สำหรับสร้างแรงขับดันเท่านั้น หน้าที่ของจรวดคือ การนำยานอวกาศ ดาวเทียม หรืออุปกรณ์ประเภทอื่นขึ้นสู่อวกาศ แรงโน้มถ่วง (Gravity) ของโลก ณ พื้นผิวโลกมีความเร่งเท่ากับ 9.8 เมตร/วินาที² ดังนั้นจรวดจะต้องมีแรงขับเคลื่อนสูงมาก เพื่อเอาชนะแรงโน้มถ่วงของโลก จรวดทำงานตามกฎของนิวตัน ข้อที่ 3 “แรงกริยา = แรงปฏิกิริยา” จรวดปล่อยก๊าซร้อนออกทางท่อท้าย (แรงกริยา) ทำให้จรวดเคลื่อนที่ไปข้างหน้า (แรงปฏิกิริยา)

ภาพที่ 2 จรวดอารีอาน นำดาวเทียมไทยคมขึ้นสู่วงโคจร

         เราแบ่งประเภทของจรวดตามชนิดของเชื้อเพลิงออกเป็น 2 ประเภท คือ
          จรวดเชื้อเพลิงแข็ง มีโครงสร้างไม่สลับซับซ้อน แต่เมื่อการเผาไหม้เชื้อเพลิงเกิดขึ้นแล้ว ไม่สามารถหยุดได้
          จรวดเชื้อเพลิงเหลว มีโครงสร้างสลับซับซ้อน เพราะต้องมีถังเก็บเชื้อเพลิงเหลว และออกซิเจนเหลว (เพื่อช่วยให้เกิดการสันดาป) ซึ่งมีอุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง และยังต้องมีท่อและปั๊มเพื่อลำเลียงเชื้อเพลิงเข้าสู่ห้องเครื่องยนต์เพื่อทำการเผาไหม้ จรวดเชื้อเพลิงเหลวมีข้อดีคือ สามารถควบคุมปริมาณการเผาไหม้ และปรับทิศทางของกระแสก๊าซได้

ภาพที่ 3 จรวดเชื้อเพลิงเหลว และจรวดเชื้อเพลิงแข็ง

จรวดหลายตอน          การนำจรวดขึ้นสู่อวกาศนั้นจะต้องทำการเผาไหม้เชื้อเพลิงจำนวนมาก เพื่อให้เกิดความเร่ง
มากกว่า 9.8 เมตร/วินาที² หลายเท่า ดังนั้นจึงมีการออกแบบถังเชื้อเพลิงเป็นตอนๆ เราเรียกจรวด
ประเภทนี้ว่า “จรวดหลายตอน” (Multistage rocket) เมื่อเชื้อเพลิงตอนใดหมด ก็จะปลดตอนนั้นทิ้ง เพื่อเพิ่มแรงขับดัน (Force) โดยการลดมวล (mass) เพื่อให้จรวดมีความเร่งมากขึ้น (กฎของนิวตัน
ข้อที่ 2: ความเร่ง = แรง / มวล)

ความแตกต่างระหว่างเครื่องบินไอพ่น และจรวด         เครื่องยนต์ของเครื่องบินไอพ่นดูดอากาศภายนอกเข้ามาอัดแน่น และทำการสันดาป (เผาไหม้) ทำให้เกิดแรงดันไปข้างหน้า จนปีกสามารถสร้างแรงยก (ความดันอากาศบนปีกน้อยกว่าความดันอากาศใต้ปีก) ทำให้เครื่องลอยขึ้นได้ ส่วนจรวดบรรจุเชื้อเพลิงและออกซิเจนไว้ภายใน เมื่อทำการสันดาปจะปล่อยก๊าซร้อนพุ่งออกมา ดันให้จรวดพุ่งไปในทิศตรงกันข้าม  จรวดไม่ต้องอาศัยอากาศภายนอก มันจึงเดินทางในอวกาศได้ ส่วนเครื่องบินต้องอาศัยอากาศทั้งในการสร้างแรงยก และการเผาไหม้

ภาพที่ 4 SR-71, X-15 และ Space Shuttle

          อากาศยานบางชนิดมีคุณสมบัติทั้งความเป็นจรวดและเครื่องบินในตัวเอง อย่างเช่น X-15, SR-71 และ กระสวยอวกาศ (Space Shuttle) หากดูอย่างผิวเผินเราแทบจะแยกแยะไม่ออกเลยว่า อากาศยานเหล่านี้คือ จรวด หรือเครื่องบินกันแน่

          ยกตัวอย่าง เช่น
           SR-71 มีรูปร่างคล้ายจรวด แต่เป็นเครื่องบินไอพ่นที่บินได้เร็วที่สุดในโลก มีความเร็วเหนือเสียง 3 เท่า
           X-15 เป็นเครื่องบินที่ใช้เครื่องยนต์จรวดที่บินได้เร็วที่สุดในโลก มีความเร็วเหนือเสียง 6.7 เท่า
           กระสวยอวกาศ มีรูปร่างคล้ายเครื่องบินปีกสามเหลี่ยมโดยทั่วไป ทว่าเป็นยานอวกาศที่ติดตั้งเครื่องยนต์จรวดไว้ภายใน กระสวยอวกาศไม่ใช้ปีกเมื่ออยู่ในอวกาศ แต่ขับเคลื่อนและเปลี่ยนทิศทางด้วยเครื่องยนต์ขนาดเล็ก ซึ่งอยู่รอบตัว (ภาพที่ 5) ปีกของกระสวยอวกาศทำหน้าที่สร้างแรงต้านและแรงยก ในขณะที่ร่อนกลับสู่พื้นโลก

ภาพที่ 5 การปรับทิศทางของกระสวยอวกาศ

อุปกรณ์ที่จรวดนำขึ้นไป (Payload)          ดังที่กล่าวไปแล้ว จรวดเป็นเพียงตัวขับเคลื่อนขึ้นสู่อวกาศ สิ่งที่จรวดนำขึ้นไปมีมากมายหลายชนิด ขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์หรือภารกิจ ซึ่งอาจจะมีทั้งการทหาร สื่อสารโทรคมนาคม หรืองานวิจัยทางวิทยาศาสตร์
           ขีปนาวุธ (Missile) เป็นคำที่เรียกรวมของจรวดและหัวรบ เนื่องจากจรวดมีราคาสูง และมีพิกัดบรรทุกไม่มาก หัวรบที่บรรทุกขึ้นไปจึงมีขนาดเล็ก แต่มีอำนาจการทำลายสูงมาก เช่น หัวรบนิวเคลียร์
           ดาวเทียม (Satellite) หมายถึง อุปกรณ์ที่ส่งขึ้นไปโคจรรอบโลก เพื่อใช้ประโยชน์ในด้านต่าง ๆ เช่น ถ่ายภาพ โทรคมนาคม ตรวจสภาพอากาศ หรืองานวิจัยทางวิทยาศาสตร์
           ยานอวกาศ (Spacecraft) หมายถึง ยานพาหนะที่โคจรรอบโลก หรือเดินทางไปยังดาวดวงอื่น อาจจะมีหรือไม่มีมนุษย์เดินทางไปด้วยก็ได้ เช่น ยานอะพอลโล ซึ่งนำมนุษย์เดินทางไปดวงจันทร์
           สถานีอวกาศ (Space Station) หมายถึง ห้องปฏิบัติการในอวกาศ ซึ่งมีปัจจัยสนับสนุนให้มนุษย์สามารถอาศัยอยู่ในอวกาศได้นานนับเดือน หรือเป็นปี สถานีอวกาศส่วนมากถูกใช้เป็นห้องปฏิบัติการทางวิทยาศาสตร์ เพื่อประโยชน์ในการวิจัย ทดลอง และประดิษฐ์คิดค้นในสภาวะไร้แรงโน้มถ่วง สถานีอวกาศที่ใช้งานอยู่ในปัจจุบัน ได้แก่ สถานีอวกาศนานาชาติ ISS (International Space Station)

ภาพที่ 6 สถานีอวกาศนานาชาติ (ISS)

สภาพแวดล้อมในอวกาศ          อวกาศเป็นสภาวะไร้อากาศและแรงโน้มถ่วง ดังนั้นการเคลื่อนที่จึงไร้แรงเสียดทานและความเร่ง ยานอวกาศหรือนักบินอวกาศเคลื่อนที่ไปข้างหน้า ด้วยการจุดจรวดขนาดเล็ก และจุดจรวดด้านตรงข้ามด้วยแรงที่เท่ากันเมื่อต้องการจะหยุด (ภาพที่ 5)
บนอวกาศเต็มไปด้วยรังสีคลื่นสั้นซึ่งมีพลังงานสูง ดาวเทียมและยานอวกาศอาศัยพลังงานเหล่านี้ด้วยการใช้เซลล์พลังงานแสงอาทิตย์ อย่างไรก็ตาม รังสีคลื่นสั้นเหล่านี้มีอานุภาพในการกัดกร่อนสสาร ดังจะเห็นว่ายานอวกาศและดาวเทียมส่วนมากถูกห่อหุ้มด้วยโลหะพิเศษ สีเงิน หรือสีทอง อุปกรณ์ทุกอย่างที่ใช้ในอวกาศถูกสร้างขึ้นด้วยวัสดุชนิดพิเศษ จึงมีราคาแพงมาก

ภาพที่ 7 มนุษย์อวกาศสวมอุปกรณ์สำหรับเคลื่อนที่ในอวกาศ

          บนพื้นผิวโลกมีบรรยากาศคอยทำหน้าที่กรองรังสีคลื่นสั้นที่เป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิต แต่ในอวกาศไม่มีเกราะกำบัง ในขณะที่นักบินอวกาศออกไปทำงานข้างนอกยาน พวกเขาจะต้องสวมใส่ชุดอวกาศ ซึ่งออกแบบมาเพื่อจำลองสภาพแวดล้อมที่อยู่บนโลก กล่าวคือ ปรับอุณหภูมิให้พอเหมาะ มีออกซิเจนให้หายใจ มีแรงดันอากาศเพื่อป้องกันมิให้เลือดซึมออกตามผิวหนัง และรังสีจากดวงอาทิตย์

ปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์

          เนื้อหาในเรื่อง ปรากฎการทางดาราศาสตร์ มีวัตถุประสงค์ให้นักเรียนมีความเข้าใจเบื้องต้น ในเรื่องปรากฎการณ์ทางดาราศาสตร์ต่างๆ ว่าเกิดขึ้นได้อย่างไร และสามารถใช้หลักการทางดาราศาสตร์ที่เรียนมา อธิบายปรากฎการณ์เหล่านั้นได้

กลางวันกลางคืน

      กลางวันกลางคืนเกิดขึ้นจากการหมุนรอบตัวเองของโลกจากทิศตะวันตกไปยังทิศตะวันออก ด้านที่หันรับแสงอาทิตย์เป็น “กลางวัน” และด้านตรงข้ามที่ไม่ได้รับแสงอาทิตย์เป็น “กลางคืน”

ภาพที่ 1 การเกิดกลางวันกลางคืนคลิก เพื่อดูภาพเคลื่อนไหว

          เราแบ่งพิกัดเส้นแวง (Longitude) ในแนวเหนือ-ใต้ ออกเป็น 360 เส้น โดยมี ลองจิจูดที่ 0°
อยู่ที่ ตำบล “กรีนิช” (Greenwich) ประเทศอังกฤษ และนับไปทางตะวันออกและตะวันตกข้างละ 180 อันได้แก่ ลองจิจูดที่ 1° - 180° ตะวันออก และลองจิจูดที่ 1° - 180° ตะวันตก เมื่อนำ 360° หารด้วย 24 ชั่วโมง เส้นลองจิจูดที่ 180° ตะวันออก และลองจิจูดที่ 180° ตะวันตก เป็นเส้นเดียวกันซึ่งเรียกว่า “เส้นแบ่งวันสากล” หรือ “International Date Line” (เส้นหนาทางขวามือของภาพที่ 2) หากเราเดินทางข้ามเส้นแบ่งวันจากทิศตะวันออกมายังทิศตะวันตก วันจะเพิ่มขึ้นหนึ่งวัน แต่ถ้าเราเดินทางข้ามเส้นแบ่งวันจากทิศตะวันตกมายังทิศตะวันออก วันจะลดลงหนึ่งวัน  เวลาในแต่ละลองจิจูด จะมีความแตกต่างกันชั่วโมงละ 15° เวลามาตรฐานของประเทศไทยถือเอาเวลาลองจิจูดที่ 105° ตะวันออก (จังหวัดอุบลราชธานี) จึงเร็วกว่า “เวลาสากล” (Universal Time เขียนย่อว่า UT) ซึ่งเป็นเวลาที่ตำบลกรีนิช ไป 7 ชั่วโมง (105°/15° = 7) เวลามาตรฐานประเทศไทยจึงมีค่าเท่ากับ UT+7

เกร็ดความรู้เรื่องเวลา      โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์หนึ่งรอบ ใช้เวลา 1 ปี หรือ 365 วัน       เราแบ่งเวลาหนึ่งปี ออกเป็น 12 เดือน ๆ ละ 30 หรือ31 วัน เพื่อให้สอดคล้องกับเดือนทางจันทรคติ  ซึ่งดวงจันทร์โคจรรอบโลกหนึ่งรอบใช้เวลาประมาณ 30 วัน       โลกหมุนรอบตัวเองหนึ่งรอบ ใช้เวลา 1 วัน หรือ 24 ชั่วโมง โดยแต่ละชั่วโมงจะถูกแบ่งย่อยออกเป็น 60 นาที        และแต่ละนาทีถูกแบ่งอีกเป็น 60 วินาที

ภาพที่ 2 แผนที่แสดงโซนเวลาของโลก (Time Zone)

ตัวอย่างที่ 1
         ถาม: ในวันที่ 24 มกราคมเวลา 18:30 UT. เวลามาตรฐานของประเทศไทยจะเป็นเวลาอะไร
เวลามาตรฐานประเทศไทย = 18:30 + 7:00 = 25:30
         ตอบ: เวลามาตรฐานของประเทศไทยจะเป็น วันที่ 25 มกราคม เวลา 01:30 นาฬิกา

ตัวอย่างที่ 2
         ถาม: วันที่ 2 มกราคม เวลา 08:00 น. ของประเทศไทย (UT+7)คิดเป็นเวลาสากล (UT = 0) ได้เท่าไร
เวลาประเทศไทยเร็วกว่าเวลาสากล = 7 - 0 = 7 ชั่วโมง
         ตอบ: เวลาสากลจะเป็น วันที่ 2 มกราคม เวลา 01:00 UT (08:00 – 07:00)

ตัวอย่างที่ 3
         ถาม: วันที่ 2 มกราคม เวลา 08:00 น. ของไทย (UT+7) ตรงกับเวลาอะไรของประเทศญี่ปุ่น (UT+9)
เวลาประเทศญี่ปุ่นเร็วกว่าเวลาประเทศไทย = 9 - 7 = 2 ชั่วโมง
         ตอบ: เวลาที่ประเทศญี่ปุ่นจะเป็น วันที่ 2 มกราคม เวลา 10:00 น. (08:00 + 02:00)

ตัวอย่างที่ 4
        ถาม: วันที่ 2 มกราคม เวลา 08:00 น. ของไทย (UT+7) ตรงกับเวลาอะไรที่กรุงวอชิงตัน ดีซี (UT-5)
เวลาประเทศไทยเร็วกว่าเวลาที่กรุงวอชิงตัน ดีซี = (+7) - (-5) = 12 ชั่วโมง
        ตอบ: เวลาที่กรุงวอชิงตันดีซี จะเป็น วันที่ 1 มกราคม เวลา 20:00 น. (24:00 + 08:00 – 12:00)

ฤดูกาล

        ฤดูกาล (Season) เกิดจากการที่โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์โดยที่แกนของโลกเอียง 23.5° ในฤดูร้อนโลกเอียงขั้วเหนือเข้าหาดวงอาทิตย์ ทำให้ซีกโลกเหนือกลายเป็นฤดูร้อน และซีกโลกใต้กลายเป็นฤดูหนาว หกเดือนต่อมาโลกโคจรไปอยู่อีกด้านหนึ่งของวงโคจร โลกเอียงขั้วใต้เข้าหาดวงอาทิตย์ (แกนของโลกเอียง 23.5° คงที่ตลอดปี) ทำให้ซีกโลกใต้กลายเป็นฤดูร้อน และซีกโลกเหนือกลายเป็นฤดูหนาว ดังแสดงในภาพที่ 1

ภาพที่ 1 แกนของโลกเอียง 23.5° ขณะที่โคจรรอบดวงอาทิตย์คลิก เพื่อดูภาพเคลื่อนไหว

หากพื้นผิวของโลกมีสภาพเป็นเนื้อเดียวเหมือนกันหมด (ทรงกลมที่สมบูรณ์) โลกจะมี 4 ฤดู อันได้แก่
           ฤดูร้อน: เมื่อโลกหันซีกโลกนั้น เข้าหาดวงอาทิตย์ (กลางวันนานกว่ากลางคืน)
           ฤดูใบไม้ร่วง:

เมื่อแต่ละซีกโลกหันเข้าหาดวงอาทิตย์เท่ากัน (กลางวันนานเท่าๆ กลางคืน)
           ฤดูหนาว: เมื่อโลกหันซีกโลกนั้น ออกจากดวงอาทิตย์ (กลางคืนนานกว่ากลางวัน)
           ฤดูใบไม้ผลิ: เมื่อแต่ละซีกโลกหันเข้าหาดวงอาทิตย์เท่ากัน (กลางวันนานเท่าๆ กลางคืน)แต่เนื่องจากพื้นผิวโลกมีสภาพแตกต่างกันไป เช่น ภูเขา ที่ราบ ทะเล มหาสมุทร ซึ่งส่งอิทธิพลต่อสภาพลมฟ้าอากาศ ประเทศไทยตั้งอยู่บนคาบสมุทรอินโดจีน ระหว่างมหาสมุทรอินเดียกับทะเลจีนใต้ จึงตกอยู่ในอิทธิพลของลมมรสุม (Monsoon) ทำให้ประเทศไทยมี 3 ฤดู ประกอบด้วย
           ฤดูร้อน:
เดือนมีนาคม – เดือนพฤษภาคม
           ฤดูฝน: เดือนมิถุนายน – เดือนตุลาคม
           ฤดูหนาว: เดือนพฤศจิกายน - เดือนกุมภาพันธ์

สุริยุปราคา (Solar Eclipse)

       “สุริยุปราคา” หรือ “สุริยะคราส” เกิดจากการที่ดวงจันทร์โคจรผ่านหน้าดวงอาทิตย์ เราจึงมองเห็นดวงอาทิตย์ค่อยๆ แหว่งมากขึ้น จนกระทั่งมืดมิดหมดดวง และโผล่กลับมาอีกครั้ง คนในสมัยโบราณเชื่อว่า “ราหูอมดวงอาทิตย์” สุริยุปราคาจะเกิดขึ้นเฉพาะในวันแรม 15 ค่ำ แต่ไม่เกิดขึ้นทุกเดือน เนื่องจากระนาบที่โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ และระนาบที่ดวงจันทร์โคจรรอบโลก มิใช่ระนาบเดียวกัน หากตัดกันเป็นมุม 5 องศา (ภาพที่ 1) ดังนั้นโอกาสที่จะเกิดสุริยุปราคาบนพื้นผิวโลก จึงมีเพียงประมาณปีละ 1 ครั้ง และเกิดไม่ซ้ำที่กัน เนื่องจากเงาของดวงจันทร์ที่ทาบไปบนพื้นผิวโลก ครอบคลุมพื้นที่ขนาดเล็ก และโลกหมุนที่รอบตัวเองอย่างรวดเร็ว

ภาพที่ 1 ระนาบที่ดวงจันทร์โคจรรอบโลกทำมุม 5° กับระนาบที่โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์

เงาของดวงจันทร์          ดวงจันทร์เคลื่อนที่บังแสงอาทิตย์ ทำให้เกิดเงาขึ้น 2 ชนิด คือ เงามืด และเงามัว
           เงามืด (Umbra) เป็นส่วนที่มืดที่สุด เนื่องจากดวงจันทร์บดบังดวงอาทิตย์จนหมดสิ้น ถ้าหากเข้าไปอยู่ ในเงามืด เราจะมิสามารถมองเห็นดวงอาทิตย์ได้เลย
           เงามัว (Penumbra) ไม่มืดมากนักเนื่องจากได้รับแสงเป็นบางส่วนจากอาทิตย์ ถ้าหากเราเข้าไปอยู่ ในเงามัว เราจะมองเห็นบางส่วนของดวงอาทิตย์โผล่พ้นส่วนโค้งของดวงจันทร์ออกมาก

ภาพที่ 2 การเกิดสุริยุปราคาคลิก เพื่อแสดงภาพเคลื่อนไหว

สุริยุปราคา 3 ชนิด           สุริยุปราคาเต็มดวง (Total Solar Eclipse) เกิดขึ้นเมื่อผู้สังเกตการณ์อยู่ในตำแหน่งเงามืดบนพื้นผิวโลก (A) ดวงจันทร์จะบังดวงอาทิตย์จนหมดสิ้น
           สุริยุปราคาบางส่วน (Partial Solar Eclipse) เกิดขึ้นเมื่อผู้สังเกตการณ์อยู่ในตำแหน่งของเงามัว (B) จึงมองเห็นดวงอาทิตย์เป็นสว่างเป็นเสี้ยว
           สุริยุปราคาวงแหวน (Annular Solar Eclipse) เนื่องจากวงโคจรของดวงจันทร์เป็นรูปวงรี บางครั้งดวงจันทร์อยู่ห่างจากโลกมากเสียจนเงามืดของดวงจันทร์จะทอดยาวไม่ถึงผิวโลก (C) ดวงจันทร์จะมีขนาดปรากฏเล็กกว่าดวงอาทิตย์ ทำให้ผู้สังเกตการณ์มองเห็นดวงอาทิตย์ปรากฏเป็นรูปวงแหวน

จันทรุปราคา (Lunar Eclipse)

       “จันทรุปราคา” หรือ “จันทรคราส” เกิดจากการที่ดวงจันทร์โคจรผ่านเข้าไปในเงาของโลก เราจึงมองเห็นดวงจันทร์ค่อย ๆ แหว่งมากขึ้น จนหมดลับดวงและโผล่กลับขึ้นมาอีกครั้ง อย่างที่คนสมัยโบราณเรียกว่า “ราหูอมจันทร์” จันทรุปราคาจะเกิดขึ้นเฉพาะในคืนวันเพ็ญ 15 ค่ำ หรือคืนวันพระจันทร์เต็มดวง อย่างไรก็ตามปรากฏการณ์จันทรุปราคา มิสามารถเกิดขึ้นทุกเดือน เนื่องจากระนาบที่โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ และระนาบที่ดวงจันทร์โคจรรอบโลก มิใช่ระนาบเดียวกัน หากตัดกันเป็นมุม 5 องศา ดังนั้นโอกาสที่จะเกิดจันทรุปราคา จึงมีเพียงประมาณปีละ 1-2 ครั้ง โดยที่สามารถมองเห็นจากประเทศไทย เพียงปีละครั้ง

ภาพที่ 1 ระนาบที่โลกทำมุม 5° กับระนาบที่โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์

เงาโลก
       โลกเป็นดาวเคราะห์ดวงหนึ่ง ไม่มีแสงสว่างในตัวเอง หากแต่ได้รับแสงจากดวงอาทิตย์ ด้านที่หันหน้าเข้าหาดวงอาทิตย์เป็นกลางวัน ส่วนด้านที่หันหลังให้ดวงอาทิตย์เป็นกลางคืน การที่โลกบังแสงอาทิตย์ในอวกาศ บังเกิดเงา 2 ชนิด คือ เงามืด และเงามัว

ภาพที่ 2 การเกิดจันทรุปราคา คลิก เพื่อดูภาพเคลื่อนไหว

       - เงามืด (Umbra) เป็นส่วนที่มืดที่สุด เนื่องจากโลกบดบังดวงอาทิตย์จนหมดสิ้น เรามิสามารถมองเห็นดวงอาทิตย์ได้เลย หากเข้าไปอยู่ในตำแหน่งใด ๆ ในเงามืด
       - เงามัว (Penumbra) เป็นส่วนที่ไม่มืดสนิท เนื่องจากโลกบดบังดวงอาทิตย์เป็นบางส่วนไม่ทั้งดวง ถ้าเราเข้าไปอยู่ในตำแหน่งใด ๆ ในเงามัว เราจะมองเห็นบางส่วนของดวงอาทิตย์โผล่พ้นส่วนโค้งของโลก

จันทรุปราคา 3 ชนิด
       - จันทรุปราคาเต็มดวง (Total Eclipse)    เกิดขึ้นเมื่อดวงจันทร์ทั้งดวงเข้าไปอยู่ในเงามืดของโลก
       - จันทรุปราคาบางส่วน (Partial Eclipse)   เกิดขึ้นเมื่อบางส่วนของดวงจันทร์เฉี่ยวผ่านเงามืด
       - จันทรุปราคาเงามัว (Penumbra Eclipse)   เกิดขึ้นเมื่อดวงจันทร์โคจรผ่านเข้าไปในเงามัวของโลก โดยมิได้เฉี่ยวกายเข้าไปในเงามืดแม้แต่น้อย ดวงจันทร์จึงยังคงมองเห็นเต็มดวงอยู่ แต่ความสว่างลดน้อยลง สีออกส้มแดง จันทรุปราคาชนิดนี้หาโอกาสดูได้ยาก เพราะโดยทั่วไปดวงจันทร์มักจะผ่านเข้าไปในเงามืดด้วย

ภาพที่ 3 จันทรุปราคาชนิดต่างๆ

     จันทรุปราคาเต็มดวงจะเกิดขึ้นเฉพาะในคืนที่ดวงจันทร์เต็มดวง เมื่อดวงจันทร์อยู่ในตำแหน่งตรงข้ามกับดวงอาทิตย์ โดยมีโลกอยู่ตำแหน่งกลาง ผู้สังเกตการณ์อยู่ในตำแหน่งใด ๆ บนซีกมืดของโลก (หรือกลางคืน) จะมองเห็นดวงจันทร์โคจรผ่านเงามืดด้วยความเร็ว 1 ก.ม.ต่อวินาที และด้วยเงามืดของโลกมีขนาดจำกัด ดังนั้นดวงจันทร์จะอยู่ในเงามืดได้นานที่สุดเพียง 1 ชั่วโมง 42 นาที เท่านั้น

ข้างขึ้น ข้างแรม

         ข้างขึ้นข้างแรม (The Moon’s Phases) หมายถึง ปรากฏการณ์ธรรมชาติที่เรามองเห็นดวงจันทร์เปลี่ยนแปลงเป็นเสี้ยว บางคืนก็เสี้ยวเล็ก บางคืนก็เสี้ยวใหญ่ บางคืนสว่างเต็มดวง บางบางคืนก็มืดหมดทั้งดวง การที่เรามองเห็นการเปลี่ยนแปลงเช่นนี้เป็นเพราะ ดวงจันทร์มีรูปร่างเป็นทรงกลม ไม่มีแสงในตัวเอง แต่ได้รับแสงจากดวงอาทิตย์ ด้านมืดของดวงจันทร์เกิดจากส่วนโค้งของดวงจันทร์บังแสง ทำให้เกิดเงามืดทางด้านตรงข้ามกับดวงอาทิตย์ เมื่อมองดูดวงจันทร์จากพื้นโลก เราจึงมองเห็นเสี้ยวของดวงจันทร์มีขนาดเปลี่ยนไปเป็นวงรอบ ใช้เวลา 29.5 วัน

ภาพที่ 1 การเกิดข้างขึ้นข้างแรม

          คนไทยแบ่งเดือนทางจันทรคติออกเป็น 30 วัน คือ วันขึ้น 1 ค่ำ - วันขึ้น 15 ค่ำ และ วันแรม 1 ค่ำ - วันแรม 15 ค่ำ โดยถือให้วันขึ้น 15 ค่ำ (ดวงจันทร์สว่างเต็มดวง), วันแรม 15 ค่ำ (ดวงจันทร์มืดทั้งดวง), วันแรม 8 ค่ำ และวันขึ้น 8 ค่ำ (ดวงจันทร์สว่างครึ่งดวง) เป็นวันพระ
           วันแรม 15 ค่ำ (รูป ก) เมื่อดวงจันทร์อยู่ระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์จะหันแต่ทางด้าน
มืดให้โลก  ดวงจันทร์ปรากฏบนท้องฟ้าในตำแหน่งใกล้กับดวงอาทิตย์ ทำให้เราไม่สามารถมองเห็นดวงจันทร์ได้เลย
           วันขึ้น 8 ค่ำ (รูป ข) เมื่อดวงจันทร์เคลื่อนมาอยู่ในตำแหน่งทำมุมฉากกับโลก และดวงอาทิตย์ ทำให้เรามองเห็นด้านสว่างและด้านมืดของดวงจันทร์มีขนาดเท่าๆ กัน
           วันขึ้น 15 ค่ำ หรือ วันเพ็ญ (รูป ค) ดวงจันทร์โคจรมาอยู่ด้านตรงข้ามกับดวงอาทิตย์ดวงจันทร์
หันด้านที่ได้รับแสงอาทิตย์เข้าหาโลก ทำให้เรามองเห็นดวงจันทร์เต็มดวง
           วันแรม 8 ค่ำ (รูป ง) ดวงจันทร์โคจรมาอยู่ในตำแหน่งทำมุมฉากกับโลก และดวงอาทิตย์ทำให้
เรามองเห็นด้านสว่างและด้านมืดของดวงจันทร์มีขนาดเท่าๆ กัน

เกร็ดความรู้:            วันเพ็ญขึ้น 15 ค่ำ ดวงจันทร์อยู่ด้านตรงข้ามกับดวงอาทิตย์ ดังนั้นเราจึงเห็นดวงจันทร์จะขึ้นทางทิศตะวันออก ขณะที่ดวงอาทิตย์ตกทางทิศตะวันตก            ดวงจันทร์ขึ้นช้า วันละ 50 นาท ี           ข้างขึ้น: เราจะเห็นดวงจันทร์ในช่วงหัวค่ำ            ข้างแรม: เราจะเห็นดวงจันทร์ในช่วงรุ่งเช้า            ในช่วงเวลาที่ดวงจันทร์ปรากฏเป็นเสี้ยวบาง แต่เราก็สามารถมองเห็นด้านมืดของดวงจันทร์ได้ เป็นเพราะแสงอาทิตย์ส่องกระทบพื้นผิวโลก แล้วสะท้อนไปยังดวงจันทร์ เราเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า “เอิร์ธไชน์” (Earth Shine)

กาแล็กซีทางช้างเผือก

        กาแล็กซี (Galaxy) หรือ ดาราจักร หมายถึง อาณาจักรของดาว กาแล็กซีหนึ่งๆ ประกอบด้วยก๊าซ ฝุ่น และดาวฤกษ์หลายพันล้านดวง กาแล็กซีมีขนาดใหญ่หมื่นล้านถึงแสนล้านปีแสง “ทางช้างเผือก” เป็นกาแล็กซีของเรามีขนาดประมาณหนึ่งแสนปีแสง เนื่องจากโลกของเราอยู่ภายในทางช้างเผือก (ภาพที่ 1) การศึกษาโครงสร้างของทางช้างเผือก จำต้องศึกษาจากภายในออกมา การศึกษากาแล็กซีอื่นๆ จึงช่วยให้เราเข้าใจกาแล็กซีของตัวเองมากขึ้น

ภาพที่ 1 ทางช้างเผือก

          แต่โบราณมนุษย์เข้าใจว่า ทางช้างเผือกเป็นปรากฏการณ์ภายในบรรยากาศโลกเช่นเดียวกับเมฆ หมอก รุ้งกินน้ำ จนกระทั่งคริสต์ศตวรรษที่ 18 ได้มีการสร้างกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่จึงทราบว่า ทางช้างเผือกประกอบด้วยดวงดาวมากมาย เซอร์ วิลเลียม เฮอร์เชล (ผู้ค้นพบดาวยูเรนัส) ทำการสำรวจความหนาแน่นของดาวบนท้องฟ้าและให้ความเห็นว่า ดวงอาทิตย์อยู่ตรงใจกลางของทางช้างเผือก ศตวรรษต่อมา ฮาร์โลว์ แชพลีย์ ทำการวัดระยะทางของ กระจุกดาวทรงกลมซึ่งห่อหุ้มกาแล็กซี โดยใช้ความสัมพันธ์คาบ-กำลังส่องสว่างของดาวแปรแสงแบบ RR Lyrae ที่อยู่ในกระจุกดาวทรงกลมทั้งหลาย เขาพบว่ากระจุกดาวเหล่านี้อยู่ห่างจากโลกนับหมื่นปีแสง รอบล้อมส่วนป่องของกาแล็กซี ดังนั้นดวงอาทิตย์ไม่น่าจะอยู่ตรงใจกลางของทางช้างเผือก

ภาพที่ 2 โครงสร้างของกาแล็กซีทางช้างเผือก

          กาแล็กซีทางช้างเผือก (The Milky Way Galaxy) เป็นกาแล็กซีแบบกังหัน มีดาวประมาณแสนล้านดวง มวลรวมประมาณ 9 หมื่นล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ แบ่งเป็น 3 ส่วน ดังนี้

1.	จาน (Disk) ประกอบด้วยแขนของกาแล็กซี มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 100,000 ปีแสง หนาประมาณ 1,000 – 2,000 ปีแสง มีดาวฤกษ์ประมาณ 400,000 ล้านดวง องค์ประกอบหลักเป็นฝุ่น ก๊าซ และประชากรดาวประเภทหนึ่ง (Population I) ซึ่งมีสเปคตรัมของโลหะอยู่มาก
2.	ส่วนโป่ง (Bulge) คือบริเวณใจกลางของกาแล็กซี มีขนาดประมาณ 6,000 ปีแสง มีฝุ่นและก๊าซเพียงเล็กน้อย องค์ประกอบหลัก เป็นประชากรดาวประเภทหนึ่งที่เก่าแก่ และประชากรดาวประเภทสอง (Population II) ซึ่งเป็นดาวเก่าแก่แต่มีโลหะเพียงเล็กน้อย
3.	เฮโล (Halo) อยู่ล้อมรอบส่วนโป่งของกาแล็กซี มีองค์ประกอบหลักเป็น “กระจุกดาวทรงกลม” (Global Cluster) จำนวนมาก แต่ละกระจุกประกอบด้วยดาวฤกษ์นับล้านดวง ล้วนเป็นประชากรดาวประเภทสอง นักดาราศาสตร์สันนิษฐานว่า กระจุกดาวทรงกลมเป็นโครงสร้างเก่าของกาแล็กซี เพราะมันโคจรขึ้นลงผ่านส่วนโป่งของกาแล็กซี

          การศึกษาทางช้างเผือกทำจากด้านในออกไป จึงยากที่จะเข้าใจภาพรวมว่า กาแล็กซีของเรามีรูปร่างหน้าตาอย่างไร ประกอบกับระนาบของทางช้างเผือกหนาแน่นไปด้วยดาว ฝุ่น และก๊าซ เป็นอุปสรรคกีดขวางการสังเกตการณ์ว่า อีกด้านหนึ่งของกาแล็กซีเป็นอย่างไร อุปกรณ์ที่ใช้ศึกษาโครงสร้างของกาแล็กซีได้ดีที่สุดก็คือ กล้องโทรทรรศน์อินฟราเรด (ภาพที่ 3) เพราะว่าใช้คลื่นยาวซึ่งสามารถเดินทางผ่านกลุ่มก๊าซและฝุ่นได้

ภาพที่ 3 ภาพถ่ายอินฟราเรดของกาแล็กซีทางช้างเผือก

          ปัจจุบันเชื่อกันว่า ดวงอาทิตย์อยู่ห่างจากศูนย์กลางของกาแล็กซีประมาณ 30,000 ปีแสง และหมุนรอบศูนย์กลางไปตามแขนนายพราน ด้วยความเร็ว 220 km ต่อวินาที หนึ่งรอบใช้เวลา 240 ล้านปี ดวงอาทิตย์มีอายุ 4,600 ล้านปี จึงโคจรรอบกาแล็กซีมาแล้วเกือบ 20 รอบ นักดาราศาสตร์ใช้กฎเคปเลอร์ข้อที่ 3 คำนวณหามวลรวมของทางช้างเผือกภายในวงโคจรของดวงอาทิตย์ได้ 9 x 10¹⁰ เท่าของดวงอาทิตย์ จากนั้นทำการตรวจวัดมวลของกาแล็กซีด้านนอกของวงโคจรดวงอาทิตย์เพิ่มเติม โดยใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุ พบว่า มวลทั้งหมดของกาแล็กซีทางช้างเผือกควรจะเป็น 6 x 10¹¹ เท่าของดวงอาทิตย์ ในจำนวนนี้เป็นดาวฤกษ์ ดาวเคราะห์ ก๊าซ และฝุ่น ที่สังเกตได้โดยตรงด้วยแสงเพียง 10% ฉะนั้นมวลสารส่วนใหญ่ของกาแล็กซีอีก 90% เป็นสิ่งที่ไม่สามารถมองเห็นได้ซึ่งอาจจะเป็น หลุมดำขนาดเล็ก ดาวที่เย็นมาก หรืออนุภาคขนาดเล็กจำนวนมาก นักดาราศาสตร์จึงเรียกวัตถุเหล่านี้โดยรวมว่า “สสารมืด” (Dark Matter) ่
การสังเกตทางช้างเผือก

          ในคืนที่ฟ้ามืดไร้เมฆ และปราศจากแสงรบกวน เราจะมองเห็นแถบฝ้าสีขาวคล้ายเมฆ พาดยาวข้ามขอบฟ้า มิว่าลมจะพัดแรงเพียงใด แถบฝ้านี้ก็ยังคงอยู่ คนโบราณเรียกแถบฝ้าสว่างนี้ว่า "ทางช้างเผือก" หรือ "ทางน้ำนม" ปัจจุบันนักดาราศาสตร์ทราบดีแล้วว่า แถบฝ้าสว่างที่เห็น แท้จริงนั่นคือ อาณาจักรของดาวจำนวนมหาศาล ซึ่งเรียกว่า "กาแล็กซี" (Galaxy) กาแล็กซีของเรามีชื่อว่า "กาแล็กซีทางช้างเผือก" (The Milky Way galaxy) ที่เรียกเช่นนี้เป็นเพราะ คนไทยในสมัยโบราณเชื่อว่า พระมหากษัตริย์เป็นโอรสของสวรรค์ อวตารลงมาเกิดเป็นมนุษย์ และมีช้างเผือกเป็นสัตว์คู่บารมี จึงมีความเชื่อว่ามีทางช้างเผือกอยู่บนสวรรค์
          กาแล็กซีทางช้างเผือกประกอบด้วย ดาวฤกษ์จำนวนนับพันล้านดวง ดาวฤกษ์แต่ละดวงอาจจะมีดาวเคราะห์อีกหลายดวง และระบบสุริยะของเรา ก็เป็นสมาชิกหนึ่งในนั้น   หากส่องกล้องมองไปที่ทางช้างเผือก เราจะเห็นดวงดาวจำนวนมหาศาล มากมายเต็มไปหมดจนนับไม่ถ้วน คล้ายกับจำนวนเม็ดทรายบนชายหาด

ภาพที่ 1 ทางช้างเผือกบริเวณกลุ่มดาวแมงป่อง

           ทางช้างเผือกพาดผ่านกลุ่มดาวสว่างดังนี้ กลุ่มดาวแคสสิโอเปีย (ค้างคาว) เพอร์เซอุส สารถี คนคู่ กางเขนใต้ แมงป่อง คนยิงธนู นกอินทรี และกลุ่มดาวหงส์ (ดูแผนที่ดาววงกลมประกอบ)   ถ้าหากแกนหมุนของโลกตั้งฉากกับระนาบของกาแล็กซี เราจะมองเห็นทางช้างเผือกเป็นทางยาวคาดท้องฟ้าในแนวตะวันออก-ตะวันตก ทว่าความเป็นจริง แกนหมุนของโลกทำมุมเอียง กับระนาบของกาแล็กซีประมาณ 60 องศา และโลกก็หมุนรอบตัวเองอยู่ตลอดเวลา   ดังนั้นเราจึงมองเห็นทางช้างเผือกพาดยาวข้ามขอบฟ้า โดยมีทิศทางการวางตัวบนท้องฟ้า เปลี่ยนแปลงไปอย่างช้าๆ ตลอดเวลา   บางเวลาก็อยู่ในแนวเหนือ-ใต้ บางเวลาก็อยู่ในแนวเฉียง เป็นต้น
          อนึ่ง การสังเกตการณ์ทางช้างเผือก จะทำได้ต่อเมื่ออยู่ในที่มืดสนิด ในชนบท หรือ ป่าเขา ท้องทะเล และไม่มีแสงจันทร์รบกวนเท่านั้น    ดังนั้นในการดูทางช้างเผือก จะต้องมีการเตรียมการวางแผน ศึกษาเวลาการขึ้น-ตกของดวงจันทร์ ซึ่งสามารถคำนวณได้จากปฏิทิน (ดวงจันทร์ขึ้นช้าวันละ 50 นาที) หรือศึกษาด้วยซอฟต์แวร์แผนที่ดาวมาก่อน

ภาพที่ 2  กาแล็กซีทางช้างเผือกเมื่อมองจากอวกาศ

เมื่อมองจากอวกาศ

          กาแล็กซีของเรามีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 100,000 ปีแสง มีรัศมี 50,000 ปีแสง (1 ปีแสง เท่ากับ ระยะทางซึ่งแสงใช้เวลาเดินทางนาน 1 ปี หรือ 9.5 ล้านล้านกิโลเมตร) และหนาประมาณ 2,000 ปีแสง   ดังนั้นดวงดาวบนท้องฟ้าที่เรามองเห็นเป็นกลุ่มดาว ล้วนอยู่ห่างออกไปเป็นระยะทางไม่เกิน 2,000 ปีแสงทั้งนั้น   เมื่อเรามองไปตามแนวระนาบของทางช้างเผือก เราจะมองเห็นฝ้าขาวสว่างของดาวในทางช้างเผือก ซึ่งอยู่ห่างไกลนับหมื่นปีแสง และเมื่อมองไปในทิศระหว่าง กลุ่มดาวแมงป่องและกลุ่มดาวคนยิงธนู จะเห็นว่าทางช้างเผือกในบริเวณนั้น กว้างใหญ่และสว่างเป็นพิเศษ ทั้งนี้เป็นเพราะเรากำลังมองเข้าไปตรงศูนย์กลางของกาแล็กซี
          ทางช้างเผือกมิใช่มีแต่เพียงฝ้าสว่างสีขาว แต่ยังมีฝ้าทึบสีดำด้วย ในบางบริเวณของกาแล็กซีมีก๊าซและฝุ่นอยู่อย่างหนาทึบ ดังเช่น บนระนาบของกาแล็กซี สสารอุณหภูมิต่ำเหล่านี้ บดบังความสว่างของดาวที่อยู่เบื้องหลัง (ในทำนองเดียวกับเนบิวลามืด ซึ่งบังแสงของดาวสว่าง)   เมื่อมองดูด้วยตาเปล่า เราจึงอาจเข้าใจผิดว่า คิดว่ามีช่วงว่างของอวกาศ แทรกอยู่ระหว่างทางช้างเผือก แต่เมื่อศึกษาด้วยภาพถ่ายแล้ว จะพบว่า สีดำที่เห็นเหล่านั้น ล้วนเป็นกลุ่มก๊าซอันหนาทึบ (ภาพที่ 2)

ประเภทของกาแล็กซี

การคำนวณหาระยะทางของกาแล็กซี          

          ในยุคก่อนที่มนุษย์มีความรู้เรื่องกาแล็กซี นักดาราศาสตร์คิดว่า กาแล็กซีอื่นๆ เช่น กาแล็กซีแอนดรอมีดาคือ เนบิวลา เพราะปรากฏเป็นฝ้าสว่างขาวในกล้องโทรทรรศน์เช่นเดียวกับเนบิวลาทั่วๆ ไป นั่นหมายถึง พวกเขาคิดว่า กาแล็กซีเหล่านั้นเป็นวัตถุภายในกาแล็กทางช้างเผือก จนกระทั่ง ค.ศ.1923 เอ็ดวิน ฮับเบิล   นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกัน ได้ทำการวิเคราะห์ภาพถ่ายของเนบิวลาแอนดรอมีดา และพบว่ามีดาวแปรแสงแบบเซฟิด (Cepheid Variables) อยู่ข้างใน จึงทำการคำนวณหาระยะห่างจากโลก  พบว่า  ดาวเซฟิดเหล่านั้นมีกำลังส่องสว่างมากกว่า 10,000 เท่าของดวงอาทิตย์ (ดังที่แสดงในภาพที่ 1) ซึ่งหมายความว่าเนบิวลา
แอนดรอมีดา อยู่ห่างจากโลกถึง 900 กิโลพาร์เสค หรือ 2.9 ล้านปีแสง มันจึงเป็นวัตถุนอกทางช้างเผือก และเมื่อคำนวณขนาดเชิงมุมพบว่า มีขนาดใหญ่ถึง 70 กิโลพาร์เสค ดังนั้นจึงเป็นระบบที่ใหญ่มากกว่ากาแล็กซีทางช้างเผือกเสียอีก ตั้งแต่นั้นมานักดาราศาสตร์จึงเปลี่ยนชื่อเรียกเป็น กาแล็กซีแอนโดรเมดา (Andromeda Galaxy)

ภาพที่ 1 ความสัมพันธ์ระหว่างคาบการแปรแสงกับกำลังส่องสว่างของดาวแปรแสงแบบเซฟีด และ RR Lyrae

ตัวอย่าง : เป็นที่ทราบอยู่แล้วว่า ธรรมชาติของดาวแปรแสงแบบเซฟีด Type I ที่มีคาบการแปรแสง 42 วัน จะมีกำลังส่องสว่างเฉลี่ย 33,000 เท่าของดวงอาทิตย์ นักดาราศาสตร์ตรวจพบดาวแปรแสงแบบเซฟีดในกาแล็กซี IC 4182 มีความสว่างปรากฏ +22.0 มีแมกนิจูดสัมบูรณ์เฉลี่ย -6.5 จึงสามารถคำนวณระยะห่างของกาแล็กซีได้ โดยอาศัยค่า Distance modulus หรือผลต่างของแมกนิจูดปรากฏและแมกนิจูดสัมบูรณ์ของดาวเซฟีดได้          m – M = (22.0) – (-6.5) = 22.0 + 6.5 = 28.5          m – M = 5 log d – 5      หรือ      d = 10(m – M + 5) / 5 parsecs                  = 10(28.5 + 5) / 5 parsecs                  = 106.7 parsecs                  = 5 x 106 parsecs หรือ 16 ล้านปีแสง กาแล็กซี IC 4182 อยู่ห่างจากโลกเป็นระยะทาง 5 เมกะพาร์เสค หรือ 16 ล้านปีแสง

          ในปี 1937 ได้เกิดซูเปอร์โนวา Type Ia ซึ่งเกิดจากของดาวแคระขาวในกาแล็กซี IC 4182 มีแมกนิจูดปรากฏสูงสุด 8.6 นักดาราศาสตร์ทราบ Distance Modulus (m - M) ของ IC 4182 จากการสังเกตดาวเซฟีดตามตัวอย่างข้างต้น จึงหาค่าแมกนิจูดสัมบูรณ์ของซูเปอร์โนวา Type Ia ได้เท่ากับ
M = m – (m – M) = 8.6 – 28.5 = -19.9
          ดังนั้นเมื่อใดที่นักดาราศาสตร์ตรวจพบซูเปอร์โนวา Type Ia ในกาแล็กซีที่อยู่ห่างไกลออกไป ก็สามารถใช้ค่าแมกนิจูดของความสว่างปรากฏที่วัดได้ใหม่ เทียบกับค่าความสว่างสัมบูรณ์ของซูเปอร์โนวา Type Ia ซึ่งทราบแล้ว ด้วยวิธีการตรวจวัดความสว่างของซูเปอร์โนวาอย่างเป็นลำดับขั้นตอนต่อๆ กันไปเช่นนี้ นักดาราศาสตร์สามารถคำนวณ หาระยะห่างของกาแล็กซีที่อยู่ห่างออกไปหลายร้อยล้านพาร์เซคได้

แผนภาพส้อมเสียงฮับเบิล

          ฮับเบิลทำการจำแนกประเภทของกาแล็กซี ตามรูปทรงโดยใช้แผนภาพส้อมเสียง (Hubble Turning Fork) ตามที่แสดงในภาพที่ 2 ดังนี้

1.	กาแล็กซีท-รงรี (Elliptical Galaxy) แบบ E7 มีรูปทรงรีมากที่สุด, E0 มีความรีน้อยที่สุด
2.	กาแล็กซีกังหัน (Spiral Galaxy) แบบ Sa มีส่วนป่องหนาแน่น แขนไม่ชัดเจน, Sb ส่วนป่องใหญ่ แขนยาวปานกลาง, Sc ส่วนป่องเล็ก แขนยาวหนาแน่น
3.	กาแล็กซีกังหันบาร์ (Barred Spiral Galaxy) แบบ SBa แขนบาร์กลมกลืนไปกับส่วนป่อง, SBb ส่วนป่องขนาดกลาง เห็นแขนบาร์ได้ชัดเจน, SBc ส่วนป่องเล็ก เห็นแขนบาร์ยาว
4.	กาแล็กซีรูปเลนส์ (Lenticular Galaxy) แบบ S0 หรือ SB0 เป็นกาแล็กซีจานที่ไม่มีแขนกังหัน
5.	กาแล็กซีไร้รูปทรง (Irregular galaxy) เช่น เมฆแมกเจลแลนใหญ่ เมฆแมกเจลแลนเล็ก

ภาพที่ 2 แผนภาพส้อมเสียงกาแล็กซีของฮับเบิล

          ทั้งนี้กาแล็กซีส่วนใหญ่ที่พบร้อยละ 77 เป็นกาแล็กซีแบบกังหัน มีขนาดใหญ่ องค์ประกอบหลักเป็น ประชากรดาวประเภทหนึ่ง (Population I) ซึ่งมีอายุน้อย และมีอุณหภูมิสูง กาแล็กซีจึงมีสีขาวปนน้ำเงิน
          ร้อยละ 20 เป็นกาแล็กซีทรงรี มีขนาดใหญ่ องค์ประกอบหลักเป็น ประชากรดาวประเภทสอง (Population II) ซึ่งมีอายุมากและไม่มีดาวเกิดใหม่ กาแล็กซีจึงมีสีออกแดง
          ที่เหลืออีกร้อยละ 3 เป็นกาแล็กซีแบบไร้รูปทรง มีขนาดเล็กและกำลังส่องสว่างน้อย มีประชากรดาวประเภทหนึ่ง

          อนึ่งกาแล็กซีแต่ละประเภทในแผนภาพ มิได้มีความเกี่ยวข้องสัมพันธ์กันตามสาขาของส้อมเสียง นักดาราศาสตร์เชื่อว่า กาแล็กซีทรงรีเกิดจากการรวมตัวของกาแล็กซีกังหัน เพราะประชากรดาวในกาแล็กซีกังหันมีอายุน้อยกว่าในกาแล็กซีทรงรี คุณสมบัติของกาแล็กซีทั้งสามประเภทแสดงในตารางที่ 1

ควอซาร์ และ แอคทีฟกาแล็กซี

          แอคทีฟกาแล็กซี (Active Galaxy) หรือ ดาราจักรกัมมันตะ หมายถึง กาแล็กซีที่มีนิวเคลียสเป็นแหล่งพลังงานสูงนับหมื่นเท่าเมื่อเทียบกับกาแล็กซีทางช้างเผือก นิวเคลียสของกาแล็กซีจำพวกนี้มีขนาดใหญ่มาก มีหลุมดำขนาดใหญ่อยู่ภายใน เป็นแหล่งกำเนิดรังสีอินฟราเรดและคลื่นวิทยุที่มีความเข้มสูง ตัวอย่างของแอคทีฟกาแล็กซี ได้แก่

•	ควอซาร์ (Quasar ย่อมาจาก Quasi-stellar radio sources) เป็นวัตถุที่อยู่ไกลที่สุดเท่าที่มนุษย์เคยรู้จัก มันเป็นแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุที่อยู่ไกลจากโลกหลายล้านพาร์เสค แต่ก็ยังสามารถจับสัญญาณได้ แสดงว่า ควอซาร์มีกำลังส่องสว่างมากกว่ากาแล็กซีแบบธรรมดานับพันเท่า นอกจากนี้ควอซาร์ยังแผ่รังสีซิงโครตรอน (Synchrotron Radiation) ซึ่งเกิดจากอนุภาคความเร็วสูง เคลื่อนที่หมุนวนเป็นเกลียวในสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูง ตัวอย่างเช่น ควอซาร์ 3C 273 ในภาพที่ 3 ก
•	กาแล็กซีเซย์เฟิร์ต (Seyfert Galaxy) เป็นกาแล็กซีแบบกังหันที่ใจกลางมีความสว่างมากเป็นพิเศษ เช่นในภาพที่ 3 ข  กาแล็กซีเซย์เฟิร์ตมีคุณสมบัติคล้ายควอซาร์ แต่มีกำลังส่องสว่างต่ำกว่า และแผ่คลื่นวิทยุน้อยกว่า
•	กาแล็กซีวิทยุ (Radio Galaxy) เป็นกาแล็กซีทรงรี ที่ปลดปล่อยลำก๊าซร้อนออกจากใจกลางด้วยความเร็วสูง รวมทั้งแผ่คลื่นวิทยุออกมาด้วย กาแล็กซีวิทยุมีคุณสมบัติคล้ายควอซาร์ แต่มีกำลังสว่างน้อยกว่า ตัวอย่างเช่น กาแล็กซี NGC 5128 (Centaurus A) ในกลุ่มดาวหญิงสาว ในภาพที่ 3 ค
•	เบลซาร์ (Blazar) เป็นลำแสงขนาดเล็ก แต่แผ่รังสีมากกว่าควอซาร์นับพันเท่า

	ภาพที่ 3
ก ควอซาร์ 3C273	ข กาแล็กซีเซย์เฟิร์ต NGC 1566	ค กาแล็กซีวิทยุ NGC 5128

          นักดาราศาสตร์สันนิษฐานว่า ควอซาร์ เบลซาร์ และกาแล็กซีวิทยุ อาจเป็นวัตถุประเภทเดียวกัน แต่มองจากมุมที่แตกต่างของผู้สังเกตการณ์ ดังภาพที่ 4 หากผู้สังเกตการณ์อยู่ในแนวกระแสเจ็ตที่พุ่งออกมา ก็จะมองเห็นเป็น เบลซาร์ ถ้ามองเห็นในแนวเฉียงเล็กน้อย ก็จะเห็นเป็นควอซาร์หรือกาแล็กซีวิทยุ ถ้าสังเกตุการณ์จากด้านข้างก็จะเห็นเป็นแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุ อย่างไรก็ตามเราสามารถเปรียบกำลังส่องสว่างของแอคทีฟกาแล็กซีแต่ละประเภทได้ในตารางที่ 2

ภาพที่ 4 กาแล็กซีวิทยุ กับมุมสังเกตการณ์ที่แตกต่าง

การยุบรวมของกาแล็กซี

          นักดาราศาสตร์พบว่าสเปคตรัมของกาแล็กซีส่วนใหญ่มีปรากฏการณ์เลื่อนทางแดง (Redshift) กล่าวคือ กาแล็กซีส่วนใหญ่กำลังเคลื่อนตัวออกจากกัน อย่างไรก็ตามกาแล็กซีบางแห่งเคลื่อนที่เข้าหากัน หรือชนกัน กาแล็กซีแอนดรอมีดาเพื่อนบ้านของเราก็มีสเปคตรัมเลื่อนทางน้ำเงิน (Blueshift) ซึ่งแสดงว่า กำลังเคลื่อนเข้าชนกาแล็กซีของเราในอีก 6 พันล้านปีข้างหน้า กาแล็กซีชนกันไม่ได้ทำให้เกิดการระเบิดรุนแรงแต่อย่างไร ทั้งนี้เนื่องจากกาแล็กซีมีความหนาแน่นต่ำมาก โอกาสที่ดาวในแต่ละกาแล็กซีจะชนกันมีน้อยมาก อย่างไรก็ตามแรงโน้มถ่วงของแต่ละกาแล็กซีจะมีอิทธิพลต่อกันและกัน ทำให้รูปทรงของกาแล็กซีทั้งสองเปลี่ยนไป หรือยุบรวมกันเป็นกาแล็กซีขนาดใหญ่ ตัวอย่างเช่น กาแล็กซีกังหัน NGC 4038 และ NGC 4039 ยุบรวมกันทำให้เกิดดาราจักรรูปเสาอากาศ (Antennae) ในภาพที่ 5

ภาพที่ 5 NGC 4038 กำลังยุบรวมกับ NGC 4039

กระจุกกาแล็กซี

          กาแล็กซีไม่ได้อยู่กระจายทั่วไปเท่าๆ กันในแต่ละตำบลของจักรวาล หากแต่อยู่รวมกันเป็นกลุ่ม (Group) เป็นกระจุก (Cluster) หรือซูเปอร์คลัสเตอร์ (Supercluster) ทางช้างเผือกและกาแล็กซีเพื่อนบ้านอยู่ใน “กลุ่มท้องถิ่น” (Local Group) ซึ่งมีขนาดกว้างประมาณ 4 ล้านปีแสง ทางช้างเผือกมีกาแล็กซีบริวารขนาดเล็กได้แก่ เมฆแมกเจลแลนใหญ่ (LMC) เมฆแมกเจลแลนเล็ก (SMC) และกาแล็กซีแคระอีกจำนวนหนึ่ง
          กาแล็กซีกังหันขนาดใหญ่ที่เป็นเพื่อนบ้านของกาแล็กซีทางช้างเผือกคือ M31 Andromeda Galaxy ซึ่งอยู่ห่างออกไป 2.9 ล้านปีแสง ซึ่งมีกาแล็กซี M32 และ M110 (NGC 205) เป็นบริวาร นอกจากนั้นยังมีกาแล็กซีกังหันขนาดใหญ่อีกแห่งหนึ่ง คือ M33 Pinwheel Galaxy อยู่ห่างจากโลกประมาณ 3 ล้านปีแสง รายละเอียดในภาพที่ 1

ภาพที่ 1 กลุ่มท้องถิ่น

          กระจุกกาแล็กซีที่อยู่ใกล้ที่สุดคือ กระจุกเวอร์โก (Virgo Cluster) อยู่ห่างทางช้างเผือก 50 ล้านปีแสง ประกอบด้วยกาแล็กซีมากกว่า 2,000 กาแล็กซี กาแล็กซีส่วนใหญ่เป็นกาแล็กซีทรงรีขนาดมหึมา เพียงกาแล็กซีเดียวก็มีขนาดใหญ่เท่ากับกลุ่มท้องถิ่นทั้งกลุ่ม ภาพที่ 2 แสดงให้เห็นว่า กระจุกเวอร์โกมีประชากรกาแล็กซีอยู่อย่างหนาแน่น มีทั้งกาแลกซีทรงรี กาแล็กซีกังหัน กาแล็กซีไร้รูปทรง รวมทั้งกาแล็กซีวิทยุซึ่งพ่นกระแสเจ็ตออกมา กระจุกกาแล็กซีอื่นๆ ที่อยู่ถัดออกไปได้แก่ กระจุกโคมา (Coma Cluster) มีประชากรประมาณ 10,000 กาแล็กซี ที่ระยะห่าง 300 ล้านปีแสง และกระจุกเฮอร์คิวลิส (Hercules Cluster) ซึ่งอยู่ห่างออกไป 500 ล้านปีแสง
                     

ภาพที่ 2 กระจุกเวอร์โก

          กระจุกกาแล็กซีมิได้อยู่อย่างอิสระ หากแต่อยู่ร่วมกันเป็นสังคมขนาดใหญ่ซึ่งเรียกว่า “ซูเปอร์คลัสเตอร์” (Supercluster) ซูเปอร์ตครัสเตอร์หนึ่งๆ อาจมีขนาดใหญ่ครอบคลุมถึง 100 ล้านปีแสง ตัวอย่างเช่น กระจุกโคมาเป็นสมาชิกของซูเปอร์คลัสเตอร์ The Great Wall ซึ่งมีขนาดประมาณ 250 x 750 ล้านปีแสง นักดาราศาสตร์พยายามรวบรวมตำแหน่งของกาแล็กซีเพื่อทำแผนที่ของเอกภพ ดังแสดงในภาพที่ 3 แต่อุปสรรคที่ขวางกั้นก็คือ สสารภายในกาแล็กซีของเราเอง ซึ่งทำให้ไม่สามารถเก็บข้อมูลได้รอบทิศทาง

ภาพที่ 3 แผนที่เอกภพ

สสารมืด

          มีเหตุผลหลายประการที่ทำให้นักดาราศาสตร์เชื่อว่าต้องมี สสารมืด (Dark Matter) ซึ่งยังไม่สามารถตรวจจับได้ อยู่มากมายในเอกภพ ถ้าอวกาศเป็นเพียงสิ่งว่างเปล่า กระจุกกาแล็กซีทั้งหลายก็คงไม่สามารถรวมตัวอยู่ได้ จะต้องมีอะไรที่คอยประคับประคองให้กระจุกกาแล็กซีรักษารูปทรง ไม่แตกตัวไปจากกัน นักดาราศาสตร์เชื่อว่าในกระจุกที่มีกาแล็กซีอยู่หนาแน่น ยังคงมีมวลอีก 10 เท่าที่เรามองไม่เห็น
          ตัวกาแล็กซีเองก็เช่นกัน หากอวกาศว่างเปล่า ทำไมสสารทั้งหลายของกาแล็กซีไม่ยุบรวมกัน หรือกระจายตัวไปในอวกาศ เมื่อพิจารณาการหมุนรอบตัวเองของกาแล็กซีด้วยกฎของเคปเลอร์ข้อที่ 3 (p²/a³ = k) หากมวลส่วนใหญ่อยู่ที่ศูนย์กลางแล้ว ความเร็วที่ปลายแขนของกาแล็กซีควรจะมีความเร็วในวงโคจรช้ากว่าบริเวณใกล้กับศูนย์กลาง ในทำนองเดียวกับการที่ดาวเคราะห์ชั้นนอกมีความเร็วในวงโคจรช้ากว่าดาวเคราะห์ชั้นใน แต่ผลจากการศึกษากาแล็กซีกังหัน NGC 4378, NGC 3145, NGC 1620 และ NGC 7664 ในกราฟในภาพที่ 1 แสดงให้เห็นว่า ความเร็วในวงโคจรภายในแขนกังหันไม่ว่าจะอยู่ใกล้ หรือไกลจากศูนย์กลางไม่แตกต่างกันมากนัก แสดงให้เห็นว่ามีสสารมืดที่มองไม่เห็นโอบอุ้มแขนกังหันไว้

ภาพที่ 1 กราฟแสดงความเร็วของการหมุนรอบตัวเองของกาแล็กซีกังหัน

          กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลถ่ายภาพกระจุกกาแล็กซี 0024 + 1654 ที่อยู่ห่างไกล 5,000 ล้านปีแสง ได้ภาพกาแล็กซี 2 ชนิดคือ กระจุกกาแล็กซีสีเหลืองที่อยู่ด้านหน้า และกลุ่มกาแล็กซีสีน้ำเงินที่อยู่ด้านหลัง เรียงตัวเป็นอาร์ควงกลม อยู่ลึกเข้าไปอีกเป็นระยะทาง 2 เท่าตัว กาแล็กซีที่เรียงตัวเป็นอาร์ควงกลมมีสีน้ำเงินก็เพราะเป็นภาพย้อนอดีตขณะที่กาแล็กซีมีอายุน้อย (แสงต้องใช้เวลานานมากมาถึงโลก) จึงมีอุณหภูมิสูงแผ่รังสีคลื่นสั้น ส่วนกระจุกกาแล็กซีสีเหลืองเป็นภาพใหม่กว่า (อยู่ใกล้โลกมากกว่า แสงจึงใช้เวลาเดินทางมาถึงโลกน้อยกว่า) กาแล็กซีเย็นตัวลงแล้วจึงแผ่รังสีคลื่นยาวกว่า อย่างไรก็ตามสิ่งที่น่าสนใจในภาพนี้ก็คือ ระหว่างกลุ่มกาแล็กซีทั้งสองจะต้องมีสสารมืดที่มีความโน้มถ่วงสูงมาก ดึงให้อวกาศโค้ง ทำให้เรามองเห็นกลุ่มกาแล็กซีที่อยู่ด้านหลังโค้งเป็นอาร์ควงกลม ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า “เลนส์ความโน้มถ่วง” (Gravitational Lensing)

ภาพที่ 2 ปรากฏการณ์เลนส์ความโน้มถ่วง

กฎของฮับเบิล (Hubble law)

          ต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20 เอ็ดวิน ฮับเบิล ทำการศึกษาความสัมพันธ์ระยะทางของกระจุกกาแล็กซี
กับการเลื่อนทางแดง (Redshift) แล้วพบว่า “การเลื่อนทางแดงของกระจุกกาแล็กซีที่อยู่ห่างไกล แปรผันตามระยะทางระหว่างโลกถึงกระจุกกาแล็กซี” นั่นหมายความว่า กาแล็กซียิ่งอยู่ห่างไกลเท่าไร ปรากฏการณ์เลื่อนทางแดงก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ตัวอย่างในภาพที่ 1 แสดงให้เห็นว่า กระจุกกาแล็กซีเวอร์โก ซึ่งอยู่ห่างจากโลกประมาณ 50 – 70 ล้านปีแสง เคลื่อนที่ออกจากโลกด้วยความเร็ว 1,200 กิโลเมตรต่อวินาที ส่วนกระจุกกาแล็กซีไฮดราซึ่งอยู่ห่างเกือบพันล้านปีแสง เคลื่อนที่ออกจากโลกด้วยความเร็ว 61,000 กิโลเมตรต่อวินาที

ภาพที่ 1 กระจุกกาแล็กซียิ่งอยู่ห่างไกลเท่าไร ปรากฏการณ์เลื่อนทางแดงก็ยิ่งมากขึ้น

ทฤษฎีบิกแบง

          นักดาราศาสตร์ทำการสำรวจการเลื่อนแดงของกาแล็กซีที่อยู่ห่างไกลพบว่า กาแล็กซีกำลังเคลื่อนที่ออกห่างไกลจากโลกทุกๆ ทิศทาง จึงสันนิษฐานว่า เอกภพกำลังขยายตัวออกทุกทิศทาง คล้ายการเป่าลูกโป่งที่พื้นผิวมีลายจุด โดยเปรียบเทียบว่า ถ้าลูกโป่งคือเอกภพ และจุดบนผิวลูกโป่งคือกาแล็กซี เมื่อเราเป่าลูกโป่ง จุดแต่ละจุดบนผิวลูกโป่งจะมีระยะทางห่างจากกันมากขึ้น ดังนั้นหากเราทราบอัตราการแยกตัวของกาแล็กซี เราก็สามารถคำนวณกลับ หาเวลาเริ่มต้นที่กาแล็กซีทั้งหลายเคยเป็นหนึ่งเดียวกันได้ เราเรียกทฤษฎีนี้ว่า “บิกแบง” (Big Bang) โดยมีสมมติฐานว่า นี่คือจุดเริ่มต้นของเอกภพและกาลเวลา จุดที่เวลาของเอกภพ T = 0, สสารและพลังงานคือหนึ่งเดียว เรียกว่า “ซิงกูลาริตี้” (Singularity) คลิก เพื่อดูภาพเคลื่อนไหว

กำหนดให้ T₀ = เวลาเริ่มต้น กาแล็กซีทั้งหลายเคยเป็นหนึ่งเดียวกัน
             = ความเร็วในการถอยห่างของกาแล็กซี
           H = ค่าคงที่ของฮับเบิล = 71 km/s/Mpc
           d = ระยะทางจากโลกถึงกาแล็กซี
       
  สูตร     T₀ = d/
           T₀= d/H₀d = 1/ H₀
              = 1 / (71 km/s/Mpc)
              = (1/71)(Mpc-s/km) x (3.09 x 10¹⁹ km/1 Mpc) x (1 year / 3.156 x 10⁷ s)
              = 1.3 x 10¹⁰ ปี
ผลลัพธ์ที่ได้คือ เอกภพเกิดขึ้นเมื่อ 13,000 ล้านปีมาแล้ว

รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของเอกภพ           

          รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของเอกภพ (Cosmic Microwave Background Radiation) หรือเรียกสั้นๆ ว่า CMB (ควันหลงของ บิกแบง) เป็นสิ่งที่มีการเลื่อนทางแดงมากที่สุดในเอกภพ นั่นหมายความว่า CMB เป็นปรากฏการณ์ที่เก่าแก่มากที่สุดในเอกภพ และเป็นหลักฐานยืนยันทฤษฎีบิกแบง ในปี ค.ศ.1989 NASA ได้ส่งยานอวกาศ Cosmic Background Explorer (COBE) ขึ้นไปศึกษาพบว่า CMB ความยาวคลื่นเข้มสุด 1.06 mm จึงสามารถใช้กฎของเวนคำนวนหาอุณหภูมิของเอกภพได้ T = 0.0029 / _max = 0.0029 / 1 x 10^-9 = 2.726 K
          นี่คืออุณหภูมิที่เอกภพเย็นตัวลงนับจากตอนที่เอกภพมีอายุประมาณ 300,000 ปี ซึ่งปัจจุบันอุณหภูมิลดลงเหลือเพียง 2.726 K ยานอวกาศ COBE ได้ทำแผนที่แสดงอุณหภูมิของเอกภพ ในภาพที่ 1 สีแดงเป็นบริเวณที่อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิเฉลี่ย 10^-4 K สีฟ้าเป็นบริเวณที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิเฉลี่ย 10^-4 K แม้ว่าอุณหภูมิจะแตกต่างเพียงเล็กน้อย แต่ก็เป็นหลักฐานยืนยันว่า แต่ละอาณาบริเวณของเอกภพเย็นตัวลงไม่พร้อมกัน กาแล็กซีจึงก่อตัวเป็นหย่อมๆ เป็นกระจุก ไม่กระจายตัวเท่าๆ กันในเอกภพ

ภาพที่ 1 แผนที่อุณหภูมิของ CMB