การแผ่รังสีคอสมิก-ไมโครเวฟพื้นหลัง

เนื่องจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความเร็วจำกัดที่ 3 x 108 เมตรต่อวินาที ดังนั้นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากดาวฤกษ์ที่อยู่ห่างไกลนั้นต้องอาศัยเวลาในการเดินทาง เราจึงเห็นภาพดาวในอดีตบนท้องฟ้า ยกตัวอย่างเช่นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากดาวซิริอุสในกลุ่มดาวสุนัขใหญ่ที่เราเห็นคืออดีตของมันเมื่อ 8 ปีที่แล้วเนื่องจากดาวซิริอุสอยู่ห่างจากเราเป็นระยะทาง 8 ปีแสง เช่นเดียวกับกาแลกซี่แอนโดรเมดาที่อยู่ห่างไปประมาณ 2.9 ล้านปีแสงก็คือภาพในอดีตเมื่อประมาณ 2.9 ล้านปีล่วงมาแล้ว แม้แต่ดวงอาทิตย์เองก็เป็นภาพเมื่อ 8 นาทีก่อน จากความรู้นี้ประกอบกับทฤษฎีบิ๊กแบงที่กล่าวว่าเอกภพมีจุดเริ่มต้นและมีอายุจำกัด
ที่ประมาณ 14,000 ล้านปี ดังนั้นเวลาที่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าใช้ในการเดินทางมายังโลกจะต้องไม่มากไปกว่า 14,000 ล้านปี นักฟิสิกส์เรียกระยะทาง14,000 ล้านปีแสงนี้ว่า \"ขอบฟ้าของจักรวาล \" (Cosmic Horizon) ถ้าเราสามารถสังเกตการณ์คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าดังกล่าวได้ก็จะสามารถไขปัญหาเรื่องกำเนิดเอกภพ แต่ความเป็นจริงแล้วคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เก่าแก่ที่สุดที่มนุษย์สามารถตรวจวัดได้ถูกปลดปล่อยออกมาเมื่อเอกภพมีอายุ 300,000 ปีหลังกำเนิดเอกภพ มนุษย์ไม่สามารถสังเกตการณ์คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เก่าแก่กว่านั้นได้ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าดังกล่าวถูกเรียกว่า CMB หรือ Cosmic-microwave Background Radiation



แผนภาพแสดงการแตกตัวสมมาตร (Symmetric Breaking)

จากทฤษฎีสนามรวม (Grand Unification Theory : GUT) ซึ่งกล่าวว่าเอกภพประกอบด้วยอันตรกริยาทั้งหมดสี่แรงคือ แรงทางแม่เหล็กไฟฟ้า, แรงนิวเคลียร์แบบเข้ม, แรงนิวเคลียร์แบบอ่อน และแรงโน้มถ่วง โดยแรงทั้งสี่ชนิดจะเป็นอันตรกริยารวมทั้งหมดที่พลังงานสูงมากๆ เรียกว่า Supergavity หลังจากที่พลังงานต่ำลงจาก  \"การขยายตัวออกอย่างรุนแรงของเอกภพ \" (inflation) อันตรกริยารวมทั้งหมดได้แยกออกจากกันจนมาเป็นอันตรกริยาทั้งสี่เช่นในปัจจุบันดังรูป

พบว่าแรงทางแม่เหล็กไฟฟ้าเริ่มแยกตัวออกมาเมื่อประมาณ 
10-10 วินาทีหลังจากบิ๊กแบง แต่เอกภพที่มีอายุประมาณ 300,000 ปีหลังบิ๊กแบงนั้นมีความหนาแน่นมากจนกระทั่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามี \\เส้นทางเดินอิสระเฉลี่ย\\ (Mean free path) ต่ำมาก ดังรูป หมายความว่าก่อนหน้านั้นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ยังไม่สามารถหลุดออกจากเอกภพในยุคนั้นได้เลย
ทฤษฎี CMB มีการศึกษาครั้งแรกในปี 1948 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียชื่อ จอร์จ กามอฟ (George Gamow) ได้เสนอภาพของเอกภพในช่วงต้น (Early Universe) มีอุณหภูมิและความหนาแน่นสูงมากทำให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าขณะนั้นอยู่ในช่วงรังสีคอสมิก แต่เนื่องจากเอกภพมีการขยายตัว ทำให้ความยาวคลื่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่หลงเหลืออยู่ในปัจจุบันถูกยืดออกให้มีความยาวคลื่นในช่วงไมโครเวฟ ซึ่งสอดคล้องกับการคำนวณอุณหภูมิของเอกภพโดยกามอฟได้ประมาณ 2.7 เคลวิน

ดังนั้นเมื่อสังเกตการณ์จากโลกในปัจจุบันก็ควรจะตรวจพบคลื่นไมโครเวฟกระจายเต็มเอกภพในทุกทิศทุกทาง การสังเกตการณ์ CMB ได้เริ่มขึ้นในปี ค.ศ. 1965 โดยอาร์โน เพนเซียส (Arno Penzias) และโรเบิร์ต วิลสัน (Robert Wilson) ได้สังเกตพบแหล่งกำเนิดคลื่นไมโครเวฟจากทุกทิศทุกทางโดยใช้สายอากาศขนาดใหญ่ติดกับดาวเทียม เพนเซียสและวิลสันสามารถคำนวณอุณหภูมิของเอกภพในปัจจุบันได้ 2.73 เคลวิน ต่อมาในปี 1991 องค์การนาซาได้ส่งดาวเทียม COBE (Cosmic Background Explorer) ขึ้นไปวัด CRB ด้วยอุปกรณ์ที่ดีกว่าและคำนวณได้อุณหภูมิ 2.725 เคลวิน



ภาพถ่ายของเพนเซียสและวิลสัน ซึ่งได้ค้นพบแหล่งกำเนิดคลื่นไมโครเวฟจากทั่วทุกทิศ

สเปกตรัมของ CRB ที่ได้จากข้อมูลการสังเกตการณ์ของดาวเทียม COBE มีลักษณะเป็นเส้นโค้งการแผ่รังสีของวัตถุดำที่อุณหภูมิ 2.725 เคลวิน ซึ่งเกิดจากแหล่งกำเนิดแสงความยาวคลื่นในช่วงไมโครเวฟ สอดคล้องกับการคำนวณที่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าถูกยืดออกจากความยาวคลื่นเดิมจากการขยายตัวของเอกภพไม่มีการขยายตัว
เส้นโค้งการแผ่รังสีของวัตถุดำที่สังเกตการณ์ได้ดังกล่าวจะไม่ถูกยืดออก และสามารถวัดอุณหภูมิของแหล่งกำเนิดแสงได้ค่ามากกว่า 3,000 เคลวิน ซึ่งสอดคล้องกับแหล่งกำเนิดแสงความยาวคลื่นในช่วงรังสีคอสมิก ทำให้นักฟิสิกส์สามารถทำนายได้ว่าเอกภพในช่วงรอยต่อที่เวลา 300,000 ปีหลังจากเกิดบิ๊กแบงมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไรแม้ว่าจะไม่สามารถตรวจวัดแสงก่อนหน้ายุคนั้นได้เลย



แสดงสเปกตรัมของ CMB ซึ่งเป็นลักษณะสเปกตรัมการแผ่รังสีของวัตถุดำ



ภาพวาดแสดงการสังเกตุการณ์ของดาวเทียม COBE เพื่อค้นหาความลับของเอกภพ

แบบจำลองอันหนึ่งที่เป็นไปได้สำหรับเอกภพในช่วงก่อนหน้าเวลา 300,000 ปีหลังจากเกิดบิ๊กแบงคือแบบจำลองที่เอกภพในเวลานั้นประกอบไปด้วยก๊าซที่มีสถานะร้อนจัดจนอิเล็กตรอนแยกออกมาจากอะตอมไฮโดรเจน เรียกสถานะดังกล่าวว่า พลาสมา (Plasma) ซึ่งเป็นสถานะที่ไม่มีอะตอมที่เป็นกลางทางไฟฟ้า มีแต่ประจุของก๊าซไฮโดรเจนและอิเล็กตรอนอิสระที่มีความหนาแน่นมากจนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าถูกดูดกลืนตลอดเวลาและ มี เส้นทางเดินอิสระเฉลี่ยของโฟตอน (Mean free path of photon) ต่ำมาก แต่เมื่ออุณหภูมิของ
เอกภพต่ำลงเรื่อยๆ จนมาถึงช่วงรอยต่อที่เวลา 300,000 ปีหลังจากเกิดบิ๊กแบงแล้ว ทำให้พลังงานรวมของเอกภพต่ำลงจนประจุของก๊าซไฮโดรเจนและอิเล็กตรอนอิสระฟอร์มตัวกันกลายเป็นอะตอมของก๊าซไฮโดรเจนที่เป็นกลางทางไฟฟ้าดังปฏิกริยา

โปรตอน + อิเล็กตรอน <---> ไฮโดรเจน เรียกปฏิกริยาดังกล่าวว่า รีคอมบิเนชั่น(Recombination) 



สถานะของก๊าซก่อนรีคอมบิเนชั่น



ภายหลังจากรีคอมบิเนชั่นแล้วมีการฟอร์มตัวเป็นอะตอม

หลังจากประจุของก๊าซไฮโดรเจนและอิเล็กตรอนอิสระฟอร์มตัวจนกลายเป็นก๊าซไฮโดรเจนที่เป็นกลางทางไฟฟ้าทั่วไปในเอกภพแล้ว จะทำให้อิเล็กตรอนอิสระมีจำนวนน้อยลง โฟตอนจึงมีเส้นทางเดินอิสระเฉลี่ยมากขึ้นเนื่องจากไม่ค่อยถูกอิเล็กตรอนอิสระดูดกลืนอีก เป็นเหตุให้มีโฟตอนหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหลงเหลือมาในโลกปัจจุบันและถูกยืดความยาวคลื่นออก (เนื่องจากเอกภพมีการขยายตัว) จนกลายเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงคลื่นไมโครเวฟ

 


หน้าแรก

 

กลับหน้าแรกโฮมเพจฟิสิกส์ราชมงคล