Frontpage Slideshow | Copyright © 2006-2011 JoomlaWorks Ltd.

การวัดระยะทาง ทางดาราศาสตร์ (ตอนที่1)

Share

เชื่อว่าหลาย ๆ คนคงสงสัยมานานแล้วว่านักดาราศาสตร์รู้ได้อย่างไรว่าดวงดาวต่าง ๆ บนท้องฟ้าอยู่ห่างจากเรามากแค่ไหน ทั้ง ๆ ที่คงไม่มีใครนำไม้บรรทัดหรือตลับเมตรไปวัดได้ แต่ถึงอย่างนั้นนักดาราศาสตร์ก็เคยวัดระยะห่างระหว่างโลกกับดวงจันทร์ได้โดยการยิงแสงเลเซอร์กำลังสูงไปสะท้อนกระจกที่วางอยู่บนดวงจันทร์กลับมายังโลก เมื่อจับเวลาที่แสงเลเซอร์เดินทางจากโลกไปยังดวงจันทร์มาคำนวนร่วมกับอัตราเร็วแสงก็จะรู้ระยะห่างได้โดยง่าย  แต่หากจะนำวิธีการนี้ไปวัดระยะห่างของวัตถุที่อยู่ไกลออกไปก็คงจะเป็นเรื่องยากมาก ต่อให้เราสามารถเอากระจกไปวางไว้ที่ไหนในเอกภพได้ก็ตาม  เพราะอย่างน้อย ๆ ถ้าจะวัดระยะห่างของดาวฤกษ์ที่ใกล้โลกมากที่สุด ก็ต้องนั่งต้องนอนจับเวลากันยาวนานถึง 8 ปี ยังไม่รวมถึงอีกหลายร้อยหลายพันวัตถุบนท้องฟ้าที่แสงต้องใช้เวลาเดินทางกว่า 1,000 ปี เลยทีเดียว แล้วอย่างนี้ นักดาราศาสตร์ที่เฝ้ามองดวงดาวบนท้องฟ้าจะมีวิธีการอย่างไร ในการศึกษาระยะห่างระหว่างโลกและจุดสว่างเล็กๆเหล่านั้น ?

ทำไมต้องนักดาราศาสตร์ต้องรู้ระยะทาง ?

ในอดีตมนุษย์เคยเชื่อว่าเอกภพประกอบด้วยวัตถุในระบบสุริยะที่ถูกครอบปิดด้วยทรงกลมขนาดใหญ่ และมีดวงดาวเสมือนจุดสว่างเล็กๆติดบนพื้นผิวไว้ทั่วทั้งทรงกลม ทำให้วิชาดาราศาสตร์ในช่วงเวลานั้น เป็นเพียงการสังเกตการณ์ดาวเคราะห์หรือวัตถุท้องฟ้าที่มีการเคลื่อนที่บนท้องฟ้าแตกต่างจากจุดสว่างของดวงดาวพื้นหลัง แต่ความเข้าใจเกี่ยวกับระยะห่างของดาวบนท้องฟ้าที่มากขึ้นในปัจจุบัน นอกจากจะเปลี่ยนมุมมองของมนุษย์ต่อขนาดที่กว้างใหญ่ไม่สิ้นสุดของเอกภพแล้ว ยังเป็นประโยชน์ต่อนักดาราศาสตร์ในการศึกษาและทำความเข้าใจพฤติกรรมต่าง ๆ ของดวงดาวที่สัมพันธ์กับระยะทางที่ห่างจากโลก ทั้งการหามวลของดาวฤกษ์ การวัดค่าพลังงานที่ถูกปลดปล่อยจากดาว ลักษณะการเคลื่อนที่ของดาวในอวกาศ รวมไปถึงการขยายตัวของเอกภพ

 

แล้วจะหาระยะทางได้อย่างไร ?

วิธีหาระยะห่างของดวงดาวมีมากมายหลายวิธี  แต่มีวิธีที่รู้จักกันโดยทั่วไป 2 แบบด้วยกันคือ “วิธีแพรัลแลกซ์” ซึ่งใช้สำหรับวัตถุที่มีระยะห่างจากโลกนัก (ส่วนใหญ่ไม่เกิน 1000 พาร์เซ็ก หรือประมาณ 3,260 ปีแสง) ส่วนวัตถุที่ไกลกว่านั้นจะอาศัยความสัมพันธ์ความสว่างที่เปลี่ยนไปตามระยะทางจากวัตถุอ้างอิงที่ทราบค่าความสว่างแน่นอนไม่ว่าจะเป็นดาวเซเฟอิดหรือซุปเปอร์โนวาชนิด Ia วิธีการนี้เรียกว่า “วิธีวัดเทียบกับเทียนมาตรฐาน”

 

แพรัลแลกซ์

วิธีการวัดแพรัลแลกซ์เป็นการสังเกตการเปลี่ยนตำแหน่งของวัตถุเทียบกับฉากพื้นหลังจากมุมมองที่แตกต่างกัน เช่นการสังเกตนิ้วมือที่อยู่นิ่ง ๆ ใกล้กับใบหน้ามีการขยับเมื่อมองด้วยตาซ้ายและขวาสลับกันทีละข้างดังภาพ 1 และถ้าเลื่อนนิ้วมืออยู่ใกล้หน้ามากเท่าไหร่ จะสังเกตเห็นนิ้วมือมีการขยับมากขึ้น ในทำนองเดียวกัน จะสังเกตเห็นนิ้วมือขยับน้อยลงเมื่อยื่นมือห่างออกจากใบหน้ามากขึ้นเรื่อย ๆ

 

ภาพที่ 1 แสดงการแพรัลแลกซ์ของนิ้วมือที่เกิดจากมองผ่านตาซ้าย-ขวา สลับกัน

 

ใช้แพรัลแลกซ์วัดระยะห่างจากดวงดาวอย่างไร?

นักดาราศาสตร์ใช้หลักการข้างต้น แต่เปลี่ยนการสังเกตผ่านระยะห่างจากตาทั้งสองข้าง เป็นการสังเกตจากสองตำแหน่งของโลกที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ จากระยะห่างไม่กี่เซนติเมตรระหว่างดวงตามนุษย์ เพิ่มเป็นระยะห่างกว่า 300,000,000 กิโลเมตร จากเส้นผ่านศูนย์กลางวงโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์ โดยระยะห่างของมุมมองผู้สังเกตที่เพิ่มขึ้น จะทำให้นักดาราศาสตร์สังเกตการแพรัลแลกซ์ของดวงดาวที่อยู่ห่างไกลได้มากขึ้น 

 

ภาพที่ 2 แสดงค่ามุมแพรัลแลกซ์ที่เกิดจากการสังเกตบนโลกขณะโคจรรอบดวงอาทิตย์

หมายเหตุ จากภาพ ค่ามุมแพรัลแลกซ์ที่ใช้คำนวณจะมีค่าเพียงครึ่งหนึ่งของค่าจริง ตามสมการความสัมพันธ์ทางตรีโกณมิติ

 

จากภาพที่ 2 

ภาพ A ผู้สังเกตบนโลกในช่วงเดือนมกราคมมองเห็นดวงดาวสีส้มอยู่บริเวณด้านขวามือของภาพ

ภาพ B ผู้สังเกตบนโลกในช่วงเดือนกรกฎาคมมองเห็นดวงดาวสีส้มเลื่อนไปอยู่บริเวณด้านซ้ายมือของภาพ

ภาพ C เมื่อนำภาพจาก 2 มุมมองมาเทียบกัน จะสังเกตเห็นดวงดาวสีส้มมีการเปลี่ยนตำแหน่งเมื่อเทียบกับดาวพื้นหลัง โดยมุมแพรัลแลกซ์มีค่าเป็นครึ่งหนึ่งของระยะห่างเชิงมุมของดาวสีส้มที่วัดได้จากภาพ

 

มองให้ลึกอีกหน่อย 

วิธีแพรัลแลกซ์จะวัดค่ามุมแพรัลแลกซ์ในหน่วย ฟิลิปดา (arcseconds) และคำนวณเพื่อหาค่าระยะทางระหว่างโลกกับดวงดาวโดยใช้ความสัมพันธ์ของตรีโกณมิติ จะได้สมการในรูปของ

d=1/p

โดยที่ d  คือ ค่าระยะทางระหว่างโลกกับดวงดาว มีหน่วยเป็น พาร์เซ็ก (1 พาร์เซ็ก = 3.26 ปีแสง)

p  คือ ค่ามุมแพรัลแลกซ์ มีหน่วยเป็น ฟิลิปดา (arcseconds)

 

ข้อจำกัดของแพรัลแลกซ์

เนื่องจากขนาดของมุมแพรัลแลกซ์สัมพันธ์กับระยะห่างระหว่างโลกกับดวงดาว  กล่าวคือ วัตถุที่อยู่ใกล้จะปรากฏมุมแพรัลแลกซ์ที่มีค่ามาก วัตถุที่อยู่ไกลออกไปมุมแพรัลแลกซ์จะมีค่าน้อยลง แต่ถ้าวัตถุท้องฟ้าอยู่ไกลจากโลกมาก ๆ มุมแพรัลแลกซ์จะมีค่าน้อยเกินกว่าที่อุปกรณ์จะสามารถตรวจวัดการแพรัลแลกซ์ของวัตถุได้ ทำให้ไม่สามารถตรวจวัดระยะทางด้วยวิธีแพรัลแลกซ์

 

ถึงแม้ว่าเราจะไม่สามารถหาระยะห่างของวัตถุท้องฟ้าที่ไม่ปรากฏค่ามุมแพรัลแลกซ์ได้ แต่ดาวเหล่านั้นจะถูกใช้ เป็นดาวอ้างอิงเพื่อนำมาเทียบและสังเกตการเลื่อนของดวงดาวที่อยู่ใกล้โลกพอจะเกิดการแพรัลแลกซ์ ซึ่งช่วยให้นักดาราศาสตร์นำค่าที่ได้มาคำนวณหาระยะห่างระหว่างโลกและวัตถุท้องฟ้าดังกล่าวต่อไป

 

แหล่งภาพอ้างอิง : 

http://www.joyceproject.com/notes/episode_8_images/images/Parallax6.gif

http://www.parallaxperspective.com/wp-content/uploads/2012/04/parallax-finger.jpg

 

เรียบเรียง : นายเจษฎา  กีรติภารัตน์

เจ้าหน้าที่สารสนเทศดาราศาสตร์

สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ