ทางช้างเผือก

        กาแล็กซี (Galaxy) หรือ ดาราจักร หมายถึง อาณาจักรของดาว กาแล็กซีหนึ่งๆ ประกอบด้วยแก๊ส ฝุ่น และดาวฤกษ์และดาวเคราะห์หลายแสนล้านดวง  กาแล็กซีมีขนาดประมาณหมื่นล้านถึงแสนล้านปีแสง กาแลกซีของเราชื่อ “ทางช้างเผือก” (The Milky Way Galaxy) ที่มีชื่อเช่นนี้เป็นเพราะ คนไทยถือว่ากษัตริย์เป็นเทวดาซึ่งอวตารมาจากสรวงสวรรค์​ ช้างเผือกเป็นสัตว์คู่บุญบารมีของกษัตริย์ ทางช้างเผือกจึงปรากฎอยู่บนท้องฟ้าซึ่งเป็นที่อยู่ของเทวดาและนางฟ้า  ส่วนชาวตะวันตกก็มีตำนานเกี่ยวกับเทพเจ้าเช่นกัน จึงมองเห็นเป็นทางน้ำนมไหลพาดผ่านท้องฟ้า ปัจจุบันเราอนุมานว่า กาแล็กซีทางช้างเผือกมีขนาดประมาณหนึ่งแสนปีแสง เนื่องจากโลกของเราอยู่ภายในทางช้างเผือก จึงมองเห็นทางช้างเผือกเป็นทางสว่างพาดผ่านท้องฟ้าเป็นฝ้าสีขาวดังภาพที่ 1  การศึกษาโครงสร้างของทางช้างเผือก จำเป็นต้องศึกษาจากภายในออกมา จึงทำให้มองเห็นภาพรวมได้ยาก ดังนั้นการศึกษากาแล็กซีอื่นๆ ซึ่งอยู่ภายนอก จึงช่วยให้เราเข้าใจกาแล็กซีของตัวเองมากขึ้น

ภาพที่ 1 ทางช้างเผือก

        แต่โบราณกาลมนุษย์เข้าใจว่า ทางช้างเผือกเป็นปรากฏการณ์ภายในบรรยากาศโลกเช่นเดียวกับเมฆ หมอก และรุ้งกินน้ำ จนกระทั่งคริสตศตวรรษที่ 18 ได้มีการสร้างกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่จึงทราบว่า ทางช้างเผือกประกอบด้วยดวงดาวจำนวนมากมายมหาศาล  เซอร์วิลเลียม เฮอร์เชล (Sir William Herschel) นักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษ ผู้ค้นพบดาวยูเรนัส ได้ทำการสำรวจความหนาแน่นของดาวบนท้องฟ้าและวาดภาพว่า ดวงอาทิตย์อยู่ตรงใจกลางของทางช้างเผือก ดังตำแหน่งสามเหลี่ยมในภาพที่ 2 

ภาพที่ 2 ภาพวาดทางช้างเผือกของเฮอร์เชล

         หนึ่งศตวรรษต่อมา ฮาร์โลว์ แชพลีย์ (Harlow Shapley) ทำการวัดระยะทางของ กระจุกดาวทรงกลมซึ่งห่อหุ้มกาแล็กซี โดยใช้ความสัมพันธ์คาบ-กำลังส่องสว่างของดาวแปรแสงแบบ RR Lyrae ที่อยู่ในกระจุกดาวทรงกลมทั้งหลาย เขาพบว่ากระจุกดาวเหล่านี้อยู่ห่างไปจากโลกนับหมื่นปีแสง กระจายตัวอยู่รอบล้อมส่วนป่องของกาแล็กซี ดังนั้นดวงอาทิตย์ไม่น่าจะอยู่ตรงใจกลางของทางช้างเผือก แต่อยู่ที่ระยะห่าง 3 ใน 5 ของรัศมีกาแล็กซี ดังแสดงในภาพที่ 3

ภาพที่ 3 โครงสร้างของกาแล็กซีทางช้างเผือก

        กาแล็กซีทางช้างเผือก เป็นกาแล็กซีแบบกังหัน มีดาวฤกษ์ประมาณแสนล้านดวง มีมวลรวมประมาณ 9 หมื่นล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ แบ่งเป็น 3 ส่วน ดังนี้

• • จาน (Disk) ประกอบด้วยแขนของกาแล็กซี มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 100,000 ปีแสง ความหนา 1,000 – 2,000 ปีแสง มีดาวฤกษ์ประมาณ 400,000 ล้านดวง องค์ประกอบหลักเป็นฝุ่น แก๊สและประชากรดาวประเภทหนึ่ง (Population I) ซึ่งมีสเปคตรัมของโลหะอยู่มาก

  • ส่วนโป่ง (Bulge) คือบริเวณใจกลางของกาแล็กซี มีขนาดประมาณ 6,000 ปีแสง มีฝุ่นและแก๊สเพียงเล็กน้อย องค์ประกอบหลักเป็นประชากรดาวประเภทหนึ่งที่เก่าแก่ และประชากรดาวประเภทสอง (Population II) ซึ่งเป็นดาวเก่าแก่แต่มีโลหะเพียงเล็กน้อย

  • เฮโล (Halo) อยู่ล้อมรอบส่วนโป่งของกาแล็กซี มีองค์ประกอบหลักเป็น “กระจุกดาวทรงกลม” (Global Cluster) ดังในภาพที่ 4 อยู่เป็นจำนวนมาก กระจุกดาวทรงกลมแต่ละกระจุกประกอบด้วยดาวฤกษ์นับล้านดวง ซึ่งล้วนเป็นประชากรดาวประเภทสองซึ่งมีอายุมาก นักดาราศาสตร์สันนิษฐานว่า กระจุกดาวทรงกลมเป็นโครงสร้างเก่าแก่ของกาแล็กซี โคจรขึ้นลงผ่านส่วนโป่งของกาแล็กซี

ภาพที่ 4 กระจุกดาวทรงกลม

        การศึกษาทางช้างเผือกทำจากด้านในออกไป จึงยากที่จะเข้าใจภาพรวมว่า กาแล็กซีของเรามีรูปร่างหน้าตาอย่างไร นอกจากนั้นระนาบของทางช้างเผือกยังหนาแน่นไปด้วยดาว ฝุ่น และแก๊ส เป็นอุปสรรคกีดขวางการสังเกตการณ์ว่า อีกด้านหนึ่งของกาแล็กซีเป็นอย่างไร อุปกรณ์ที่ใช้ศึกษาโครงสร้างของกาแล็กซีได้ดีที่สุดก็คือ กล้องโทรทรรศน์อินฟราเรด (ภาพที่ 5) เนื่องจากเป็นคลื่นยาวซึ่งสามารถเดินทางผ่านกลุ่มแก๊สและฝุ่นได้

ภาพที่ 5 ภาพถ่ายอินฟราเรดของกาแล็กซีทางช้างเผือก

        ปัจจุบันเชื่อกันว่า ดวงอาทิตย์อยู่ห่างจากศูนย์กลางของกาแล็กซีประมาณ 30,000 ปีแสง และหมุนรอบศูนย์กลางไปตามแขนนายพราน ด้วยความเร็ว 220 กิโลเมตรต่อวินาที หนึ่งรอบใช้เวลา 240 ล้านปี ดวงอาทิตย์มีอายุ 4,600 ล้านปี จึงโคจรรอบกาแล็กซีมาแล้วเกือบ 20 รอบ นักดาราศาสตร์ใช้กฎเคปเลอร์ข้อที่ 3 คำนวณหามวลรวมของทางช้างเผือกภายในวงโคจรของดวงอาทิตย์ได้ 9 x 1010 เท่าของดวงอาทิตย์ จากนั้นทำการตรวจวัดมวลของกาแล็กซีด้านนอกของวงโคจรดวงอาทิตย์เพิ่มเติม โดยใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุพบว่า มวลทั้งหมดของกาแล็กซีทางช้างเผือกควรจะเป็น 7.75 x 1011 เท่าของดวงอาทิตย์ ในจำนวนนี้เป็นดาวฤกษ์ ดาวเคราะห์ แก๊ส และฝุ่น ที่สังเกตได้โดยตรงด้วยแสงเพียง 10% ฉะนั้นมวลสารส่วนใหญ่ของกาแล็กซีอีก 90% เป็นสิ่งที่ไม่สามารถมองเห็นได้ซึ่งอาจจะเป็นหลุมดำขนาดเล็ก ดาวที่เย็นมาก หรืออนุภาคขนาดเล็กจำนวนมาก นักดาราศาสตร์จึงเรียกวัตถุเหล่านี้โดยรวมว่า “สสารมืด” (Dark Matter)

        ภาพที่ 6 อธิบายว่าแขนกังหันของกาแล็กซีทางช้างเผือกประกอบด้วยฝุ่น แก๊ส และดาวอายุน้อยอุณหภูมิสูง สเปกตรัม O และ B ซึ่งทำให้มองดูสว่างเป็นสีน้ำเงินกว่าบริเวณโดยรอบ แขนกังหันทำหน้าที่เหมือนไม้กวาด ปัดรวบรวมดาว ฝุ่น และแก๊สไว้ด้วยกัน ทำให้เกิดคลื่นความหนาแน่น กระตุ้นให้เกิดการก่อตัวของดาวดวงใหม่ ดังที่แสดงในภาพที่ 6

ภาพที่ 6 การเคลื่อนที่ของแขนกังหันของกาแล็กซี