1เอกภพและกาแล็กซี

ทมี่ ารปู : สถาบนั วจิ ยั ดาราศาสตรแ์ ห่งชาติ เอกภพและกาแล็กซี Universe and Galaxies

บทท่ี 1 เอกภพและกาแล็กซี 1.1 การกาเนิดและววิ ัฒนาการของเอกภพ 1.2 หลักฐานท่ีสนบั สนนุ ทฤษฎบี กิ แบง 1.2.1 การขยายตัวของเอกภพ 1.2.2 ไมโครเวฟพนื้ หลังจากอวกาศ 1.3 กาแลก็ ซีและกาแล็กซีทางชา้ งเผือก

เราร้อู ะไรบา้ งเก่ยี วกับเอกภพ

เอกภพกาเนดิ มาไดอ้ ยา่ งไร

1.1 การกาเนดิ และวิวฒั นาการของเอกภพ

คาถาม 1.1 การกาเนิดและววิ ัฒนาการของเอกภพ 1. หลังจากเกดิ บกิ แบง อณุ หภูมขิ องเอกภพมีการเปลี่ยนแปลงหรือไม่ อย่างไร แนวคาตอบ เปลีย่ นแปลง ในแต่ละช่วงเวลาอณุ หภูมิของเอกภพลดลง 2. หลังบิกแบง ขนาดของเอกภพมีการเปลีย่ นแปลงหรือไม่ อยา่ งไร แนวคาตอบ เปลีย่ นแปลง โดยเอกภพมีขนาดใหญ่ขน้ึ

1.1 การกาเนดิ และวิวัฒนาการของเอกภพ 3. เร่ิมพบอนภุ าคมูลฐานเมื่อเวลาใด แนวคาตอบ เวลาประมาณ 10-43 วินาที 4. เริม่ เกิดข้ึนในระยะเวลาหา่ งจากช่วงเวลาท่ีพบอนภุ าคมลู ฐาน ประมาณเทา่ ใด แนวคาตอบ ประมาณ 0.00000099 วนิ าที หรอื 10-6 วินาที (คดิ จาก10-6 – 10-43 )

1.1 การกาเนดิ และวิวัฒนาการของเอกภพ 5. เอกภพในชว่ งทีพ่ บ โปรตอน และนิวตรอนมอี ุณหภมู ิต่างจากช่วงพบอนุภาคมูลฐาน หรือไม่ อย่างไร แนวคาตอบ ต่างกนั ช่วงท่พี บโปรตอนและนวิ ตรอน อุณหภูมขิ องเอกภพลดลงจาก ช่วงที่พบอนุภาคมูลฐาน

1.1 การกาเนิดและวิวฒั นาการของเอกภพ 6. นิวเคลยี สของไฮโดรเจนและนวิ เคลยี สของฮเี ลยี มเกิดพร้อมกนั หรือไม่ อย่างไร และสัมพันธก์ บั อุณหภูมขิ องเอกภพอย่างไร แนวคาตอบ ไมพ่ ร้อมกัน โดยนวิ เคลยี สของไฮโดรเจนเกดิ ก่อนนวิ เคลยี สของ ฮเี ลยี ม และในชว่ งเวลาท่ีเกดิ นิวเคลยี สของไฮโดรเจนอุณหภมู ขิ องเอกภพสูง กว่าชว่ งเวลาท่ีเกิดนิวเคลยี สของฮีเลียม

1.1 การกาเนดิ และววิ ฒั นาการของเอกภพ 7. ในช่วงเวลาที่เกิดอะตอมของไฮโดรเจนและอะตอมของฮีเลียม อณุ หภูมมิ ีความ แตกตา่ งกับในช่วงเวลาท่เี กิดนวิ เคลียสของไฮโดรเจนและนวิ เคลยี สของฮีเลยี มหรอื ไม่ อยา่ งไร และใช้ระยะเวลาหา่ งกันประมาณเทา่ ใด แนวคาตอบ แตกต่างกัน โดยขณะเกดิ อะตอมของไฮโดรเจนและฮเี ลียม น้นั อณุ หภูมติ ่า กว่าช่วงที่เกิดนิวเคลียสของไฮโดรเจนและฮีเลยี ม โดยมรี ะยะเวลาห่างกันประมาณ 300,000 ปี

1.1 การกาเนดิ และววิ ัฒนาการของเอกภพ สรุป ระหว่างวิวฒั นาการเอกภพจะมีการ เปลี่ยนแปลงทัง้ สสาร อณุ หภูมิ และขนาด โดย อณุ หภมู ขิ องเอกภพลดลง ขนาดของเอกภพ เพม่ิ ขน้ึ เกิดสสารต่าง ๆ ในเอกภพ ตอ่ จากนั้น สสารในเอกภพจะรวมตวั กนั จนเกิดเป็น กาแลก็ ซี

1.1 การกาเนดิ และวิวฒั นาการของเอกภพ สรปุ องคค์ วามรู้และขยายความรู้

ววิ ฒั นาการของเอกภพ 1.1 การกาเนิดและวิวฒั นาการของเอกภพ ชว่ งเวลา 10-43 – 10-32 วนิ าที หลังจากบิกแบงประมาณ 10-43 วินาที อุณหภูมขิ องเอกภพลดลงเกดิ อนภุ าคมลู ฐาน ช่วงเวลา 10-43 – 10-32 วินาที

ววิ ฒั นาการของเอกภพ 1.1 การกาเนดิ และววิ ัฒนาการของเอกภพ ชว่ งเวลา 10-32 – 10-6 วินาที ควารก์ และแอนตคิ วารก์ เกดิ การ รวมตัวกนั เกดิ กระบวนการประลยั (anihilation)ทาใหท้ ง้ั อนภุ าค และปฏอิ นภุ าคกลายเป็น พลงั งาน

ววิ ัฒนาการของเอกภพ 1.1 การกาเนดิ และวิวัฒนาการของเอกภพ ชว่ งเวลา 10-4 – 3 นาที ควาร์กรวมตัวกันเปน็ โปรตอนหรือ นวิ เคลียสของไฮโดรเจน และ นิวตรอน

ผลการทากจิ กรรม 1.1 การกาเนดิ และววิ ฒั นาการของเอกภพ ช่วงเวลา 3 นาที – 300,000 แสนปี จะเริ่มเกิดนิวเคลยี สของธาตุฮีเลยี ม ซงึ่ เกดิ จากการรวมตัวกนั ของ โปรตอน และนวิ ตรอน

ววิ ัฒนาการของเอกภพ 1.1 การกาเนดิ และวิวัฒนาการของเอกภพ ชว่ งเวลา 300,000 ปี – 1,000 ล้านปี อณุ หภูมิของเอกภพลดลงเหลือ ประมาณ 5,000 เคลวนิ อเิ ลก็ ตรอนมี พลังงานจลนล์ ดลง ทาให้นิวเคลยี ส ของไฮโดรเจนและนวิ เคลียสฮีเลยี มดงึ อิเล็กตรอนเข้ามาอย่รู วมกนั ดว้ ยแรง แมเ่ หล็กไฟฟ้า เกดิ เป็นอะตอม ไฮโดรเจนและอะตอมฮเี ลยี ม

ววิ ัฒนาการของเอกภพ 1.1 การกาเนิดและววิ ัฒนาการของเอกภพ ช่วงเวลา 1,000 ลา้ นปี – 13,800 ล้านปี อะตอมของธาตไุ ฮโดรเจนและธาตุ ฮีเลียมรวมตวั กันด้วยแรงโนม้ ถว่ ง เกิดเป็นเนบิวลารนุ่ แรกทจ่ี ะ ก่อกาเนิดเป็นดาวฤกษร์ ุน่ แรกและ กาแลก็ ซีร่นุ แรก

วิวัฒนาการของเอกภพ 1.1 การกาเนดิ และวิวัฒนาการของเอกภพ หลงั เกิดบกิ แบงเอกภพมีการ เปล่ยี นแปลงขนาด อุณหภมู ิและ สสาร ในชว่ งเวลาตา่ ง ๆ ตาม วิวัฒนาการของเอกภพ โดย อณุ หภูมขิ องเอกภพจะลดลง และ ขนาดของเอกภพจะขยายตัวเพ่ิม มากขน้ึ พลงั งาน พลงั งาน พลงั งาน พลังงาน พลังงาน พลงั งาน

1.1 การกาเนดิ และวิวฒั นาการของเอกภพ

1.2 หลักฐานที่สนบั สนนุ ทฤษฎบี ิกแบง 1.2 หลกั ฐานทสี่ นบั สนุนทฤษฎบี ิกแบง 1.2.1 การขยายตัวของเอกภพ 1.2.2 ไมโครเวฟพ้นื หลังจากอวกาศ

1.2 หลกั ฐานที่สนบั สนนุ ทฤษฎบี ิกแบง 1.2.1 การขยายตัวของเอกภพ

1.2 หลักฐานท่ีสนับสนนุ ทฤษฎบี ิกแบง เราทราบไดอ้ ย่างไรวา่ เอกภพกาลงั ขยายตัว

1.2 หลกั ฐานท่ีสนับสนนุ ทฤษฎบี ิกแบง คาถาม 1. หลงั จากเป่าลูกโป่งใหม้ ีขนาดใหญ่ข้นึ ระยะทางระหวา่ งกาแลก็ ซีจาลอง บนผิวลูกโป่ง กบั กาแล็กซอี ้างอิงมีการเปลย่ี นแปลงอย่างไร แนวคาตอบ ระยะทางระหวา่ งกาแลก็ ซีจาลองกบั กาแล็กซอี ้างอิงเพมิ่ มากขนึ้ 2. กาแล็กซจี าลองใดเคลอ่ื นที่เร็วทส่ี ุดและกาแล็กซีนน้ั อย่หู า่ งจากกาแลก็ ซี อา้ งองิ เปน็ อยา่ งไรเม่ือเทยี บกับกาแลก็ ซอี นื่ แนวคาตอบ กาแล็กซี… เคลือ่ นที่เร็วทสี่ ุดและอย่หู ่างจากกาแลก็ ซอี ้างองิ มาก ทีส่ ุด 3. กาแล็กซีจาลองใดเคล่ือนท่ชี า้ ทีส่ ดุ และกาแล็กซนี ้ันอยู่หา่ งจากกาแล็กซี อา้ งอิงเป็นอยา่ งไรเม่ือเทยี บกับกาแล็กซอี นื่ แนวคาตอบ กาแลก็ ซ…ี เคลื่อนท่ชี า้ ทสี่ ดุ และอยู่หา่ งจากกาแลก็ ซอี า้ งอิง นอ้ ยท่สี ุด

1.2 หลกั ฐานทสี่ นบั สนนุ ทฤษฎบี ิกแบง คาถาม 4. ระยะทางระหว่างกาแล็กซีมีความสัมพนั ธ์กับความเรว็ ในการเคล่อื นท่ี ของกาแล็กซีจาลองอยา่ งไร แนวคาตอบ ความเร็วในการเคล่ือนทขี่ องกาแลก็ ซจี าลองต่าง ๆ แปรผนั ตาม ระยะทางของกาแลก็ ซจี าลองทอ่ี ยหู่ า่ งจากกาแลก็ ซีอา้ งองิ 5. ขอ้ มูลใดท่นี ามาใช้ในการอธบิ ายการขยายตัวของเอกภพ แนวคาตอบ ระยะทางระหว่างกาแลก็ ซีต่าง ๆ และกาแล็กซีอา้ งองิ ที่ เพมิ่ มากขน้ึ

เปรยี บเทยี บกราฟที่ไดก้ ับกฎฮับเบลิ 1.2 หลักฐานท่สี นับสนนุ ทฤษฎบี ิกแบง v D กาแล็กซ ี ก กาแล็กซ ี กาแล็กซขี ค กาแล็กซี กาแล็กซี จ ง กฏฮบั เบิล-เลอแมทร์ v = H₀ D V คือ ความเร็วในการเคลื่อนที่ออกจากกันหรอื ความเร็วถอยหา่ ง H₀ คือ คา่ คงที่ของฮับเบลิ D คือ ระยะหา่ งของกาแลก็ ซจี ากผสู้ ังเกต

1.2 หลกั ฐานทส่ี นับสนนุ ทฤษฎบี ิกแบง 1.2.2 การคน้ พบไมโครเวฟพื้นหลงั จากอวกาศ

1.2 หลักฐานทส่ี นับสนนุ ทฤษฎบี ิกแบง เอกภพในยุคแรก 10-32 วนิ าทีหลังบิกแบง มี โฟตอนจานวนมากและมี พลังงานสงู มาก ซงึ่ ขณะน้ันเอกภพยังมขี นาด ไม่ใหญม่ ากทาใหโ้ ฟตอน ทาอันตรกริ ิยากบั อนภุ าค มลู ฐาน ทาใหม้ ีพลังงาน ลดลง

1.2 หลักฐานท่ีสนับสนนุ ทฤษฎบี ิกแบง จนกระทัง่ ทเี่ วลาประมาณ 300,000ปี เอกภพ ขยายตัวจนอณุ หภมู ลิ ดลง เหลอื ประมาณ 5000 K อนภุ าครวมตวั กันเปน็ อะตอมทาใหเ้ กิดชอ่ งวา่ ง และไมม่ อี นภุ าคใหโ้ ฟตอน ทาอนั ตรกริ ยิ า โฟตอนจงึ ค้างอยูใ่ นชอ่ งวา่ งนัน้ และ พลังงานลดลงอยใู่ นชว่ ง คลืน่ ไมโครเวฟจนถึง ปจั จุบนั

1.2 หลกั ฐานทสี่ นบั สนุนท การค้นพบไมโครเวฟพนื้ หลังจากอวกาศ อารโ์ น เพนเซยี ส รอเบริ ต์ วลิ สนั จนกระท่งั พ.ศ. 2508 อาร์โน เพนเซยี ส และรอเบิร์ต วิลสนั ไดท้ ดสอบ ระบบเครอื่ งรบั สญั ญาณของกลอ้ งโทรทรรศน์วทิ ยุ และบงั เอิญพบ สัญญาณรบกวนในชว่ งคลน่ื ไมโครเวฟจากทุกทิศทกุ ทาง จากนนั้ จงึ ได้ส่งดาวเทียมโคบี ดาวเทยี ม WMAP และ ดาวเทียม Planck ขน้ึ ไปสารวจ พบการกระจายตัวของคลืน่ ไมโครเวฟ และยนื ยัน การค้นพบไมโครเวฟพน้ื หลงั จากอวกาศ

1.2 หลักฐานทส่ี นับสนนุ ทฤษฎบี ิกแบง ทราบไดอ้ ยา่ งไรวา่ ไมโครเวฟทีต่ รวจพบมาจากบกิ แบง ตามทฤษฎีบิกแบง ไมโครเวฟที่ เหลือจากการขยายตัวของเอกภพ เปรียบเสมอื นรังสีท่ีแผ่จากวัตถดุ าท่ี อณุ หภมู ิ 2.73 เคลวนิ เมื่อเปรียบเทียบผลการค้นพบ กับแบบจาลองตามทฤษฎีบิกแบง ดังกราฟ ทาให้สรุปได้ว่าไมโครเวฟ ที่ค้นพบเป็นไมโครเวฟท่ีหลงเหลือ ท่ีมารูป wikipedia อยู่จากการขยายตัวของเอกภพ

1.2 หลักฐานท่ีสนบั สนนุ ทฤษฎบี ิกแบง โลกและกาแล็กซีของเราเก่ยี วข้องกับการกาเนิดเอกภพหรอื ไม่ อย่างไร

1.3 กาแล็กซีและกาแลก็ ซที างช้างเผอื ก

1.3 กาแลก็ ซีและกาแล็กซที างชา้ งเผือก ทมี่ ารูป นาซา กาแลก็ ซีแตล่ ะกาแลก็ ซีเหมอื นกนั หรือไมอ่ ยา่ งไร

1.3 กาแลก็ ซีและกาแลก็ ซีทางช้างเผือก Credit: Zsolt Frei, Institute of Physics, Eötvös University, Budapest



• • • •

1.3 กาแลก็ ซีและกาแล็กซที างชา้ งเผอื ก ตั้งสมมติฐาน กาแล็กซที างชา้ งเผือกมลี ักษณะเป็นอยา่ งไร

1.3 กาแล็กซีและกาแลก็ ซีทางชา้ งเผอื ก 123 4 56 ทมี่ ารปู นาซา

1.3 กาแล็กซแี ละกาแลก็ ซีทางชา้ งเผอื ก กจิ กรรมเสนอแนะ โครงสร้างกาแล็กซที างชา้ งเผอื ก จดุ ประสงค์ ระบแุ ละอธิบายลกั ษณะโครงสรา้ งของกาแลก็ ซที างช้างเผือก วธิ ีการทากิจกรรม 1. ศกึ ษาเอกสารความรู้ โครงสร้างกาแล็กซที างช้างเผอื ก 2. ระบโุ ครงสร้างของกาแล็กซีทางชา้ งเผอื กลงในแบบบันทึกกิจกรรม 3. สรุปและนาเสนอผลการทากจิ กรรม

คาถามทา้ ยกจิ กรรม 1.3 กาแล็กซแี ละกาแลก็ ซที างชา้ งเผอื ก ฮาโล จาน นวิ เคลยี ส

1.3 กาแล็กซีและกาแล็กซที างชา้ งเผอื ก ท่มี ารูป นาซา

1.3 กาแลก็ ซแี ละกาแล็กซที างช้างเผอื ก 2. นาคาท่ีกาหนดให้ขา้ งตน้ เติมในชอ่ งว่างหนา้ ข้อความให้สอดคลอ้ งกับคาอธิบาย ก. ………ฮ…าโ…ล ……บริเวณทอ่ี ยรู่ อบนอกสดุ ของกาแลก็ ซที างชา้ งเผอื ก ข. ……น…วิ เ…คล…ีย…ส..บริเวณท่ีมจี านวนดาวฤกษร์ วมตวั กันอย่างหนาแนน่ ค. ………จ…าน………บรเิ วณทมี่ องเหน็ เปน็ เกลยี วคล้ายกังหันและเป็น ตาแหนง่ ท่อี ยขู่ องระบบสรุ ยิ ะ

1.3 กาแลก็ ซีและกาแลก็ ซที างช้างเผอื ก กาแล็กซที างช้างเผือก เราจะมองเห็นกาแลก็ ซที างชา้ งเผอื กทง้ั หมดหรอื ไม่ อยา่ งไร และจะเหน็ บริเวณใดชดั เจนท่สี ดุ

1.3 กาแลก็ ซีและกาแลก็ ซที างชา้ งเผือก ที่มารูป: นาซา ชว่ งเดอื นใดท่เี ราสามารถมองเห็นทางชา้ งเผอื กในประเทศไทยไดช้ ดั เจนที่สุด

1.3 กาแลก็ ซแี ละกาแล็กซีทางชา้ งเผอื ก การใช้แผนที่ดาวในการศกึ ษาการมองเหน็ ทางชา้ งเผอื กของคนบนโลก

1.3 กาแลก็ ซแี ละกาแลก็ ซีทางชา้ งเผอื ก การอา่ นแผนท่ดี าว เลือ่ นแผนที่ดาวโดยให้เวลา 24.00 น. ตรงกับวนั ที่ 25 เมษายน จะ เห็นกลุ่มดาวอะไรอยกู่ ลางทอ้ งฟา้

1.3 กาแล็กซีและกาแล็กซีทางชา้ งเผอื ก การดูทางช้างเผอื กโดยใช้แผนท่ดี าว 1. หาใจกลางกาแล็กซี (กลมุ่ ดาวแมงป่อง/กลมุ่ ดาวคนยงิ ธน)ู บนแผนทด่ี าว 2. ถ้าต้องการดูบรเิ วณใจกลางทางช้างเผือกชว่ งเวลา 24.00 น. จะสามารถดไู ดใ้ น ช่วงเวลาใดของปี

ถาม- ตอบ