ปีแสง, พาร์เซก, และการวัดระยะทางในอวกาศ
ดาวเคราะห์น้อย 2020 QG บินเฉียดเข้าใกล้โลกมากที่สุดตั้งแต่มีการบันทึก! ในระยะเพียง 2,950 กิโลเมตร
ระทึก! ดาวเคราะห์น้อย 2020 QG บินเฉียดเข้าใกล้โลกมากที่สุด นับตั้งแต่มีการบันทึก! ในระยะเพียง 2,950 กิโลเมตร
สิงหาคม 19, 2020
ชีวิตบนดาวศุกร์
ชีวิตบนดาวศุกร์ | ดาวศุกร์ก็เคยมีมหาสมุทรเหมือนกับโลก | ค้นพบฟอสฟีน เบาะแสของสิ่งมีชีวิต
กันยายน 26, 2020
ปีแสง, พาร์เซก, และการวัดระยะทางในอวกาศ

เปรียบเทียบเนบิวลาตาแมว และ บาร์นาร์ด 68 ภายในระยะทางหนึ่งปีแสง ภาพโดย Paul Stansifer, User:84user, ESA, NASA and ESO

ปีแสง (Light-year) เป็นหน่วยของความยาวสำหรับการวัดระยะทางในทางดาราศาสตร์ โดยเป็นที่เข้าใจกันคือมีค่าความยาวอยู่ที่ประมาณ 9.46 ล้านล้านกิโลเมตร (9.46 x 1012 กม.) หรือ 5.88 ล้านล้านไมล์ (5.88 x 1012 ไมล์) ตามกำหนดโดยสหพันธ์ดาราศาสตร์สากล (IAU) นั้นกล่าวว่า “หนึ่งปีแสง” คือระยะทางที่แสงเดินทางไปในสุญญากาศเป็นระยะเวลา 365.25 วัน หรือหนึ่งปีในปฏิทินจูเลียน (Julian year) แต่เนื่องจากมีคำว่า “ปี” อยู่ในหน่วยของความยาวด้วย ดังนั้นคำว่า “ปีแสง” จึงอาจทำให้หลายๆ คนจำสับสนได้ และเข้าใจผิดว่ามันเป็นหน่วยของเวลา

หน่วยวัดปีแสง มักถูกใช้กันโดยทั่วไปเพื่อแสดงให้เห็นถึงระยะห่างระหว่างดวงดาว รวมไปถึงระยะห่างในระดับดาราจักร แต่สำหรับหน่วยวัดที่ถูกใช้กันมากที่สุดในวงการดาราศาสตร์ระดับมืออาชีพก็คือ ‘พาร์เซก’ (parsec ตัวย่อคือ pc) ซึ่งจะมีค่าอยู่ที่ประมาณ 3.26 ปีแสง

พาร์เซก (parsec ย่อมาจาก “parallax of one arc second”) คือหน่วยของความยาวที่ใช้สำหรับวัดระยะทางของวัตถุทางดาราศาสตร์นอกระบบสุริยะ โดย 1 พาร์เซกมีค่าเท่ากับระยะทางประมาณ 31 ล้านล้านกิโลเมตร (19 ล้านล้านไมล์) หรือ 210,000 หน่วยดาราศาสตร์ หรือราว 3.3 ปีแสง โดย 1 พาร์เซกวัดจากการใช้พารัลแลกซ์และตรีโกณมิติตามค่ากำหนดของ ระยะทางจากโลกถึงดวงอาทิตย์ที่ 1 หน่วยดาราศาสตร์ ทำมุมตั้งฉากกับมุมส่วนโค้งของ 1 วินาที (หนึ่งอาร์ควินาที (one arcsecond)) หรือให้เข้าใจกันในอีกความหมายหนึ่งก็คือ 1 พาร์เซก มีค่าเท่ากับความสูงของสามเหลี่ยมมุมฉากที่มีเส้นฐานยาว 1 หน่วยดาราศาสตร์ และมีมุมยอด 1 พิลิปดา (หรือ arcsecond)

ประวัติ

การวัดระยะทางของดาวฤกษ์นอกระบบสุริยะประสบความสำเร็จเป็นครั้งแรกโดยนักดาราศาสตร์ชาวเยอรมัน ‘ฟรีดริช เบสเซล’ (Friedrich Bessel) ในปี ค.ศ. 1838 ภายหลังจากนั้นเพียงไม่กี่ปีหน่วยปีแสงก็ปรากฏขึ้น 

เบสเซล เป็นนักดาราศาสตร์คนแรกที่กำหนดค่าที่เชื่อถือได้ไว้สำหรับการวัดระยะทางจากดวงอาทิตย์ถึงดาวดวงอื่นด้วยวิธีการพารัลแลกซ์ (ความหมายจากวิกิ ‘พารัลแลกซ์’ (Parallax) ก็คือลักษณะการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งปรากฏ หรือความแตกต่างของตำแหน่งของวัตถุเมื่อมองผ่านมุมมองที่แตกต่างกัน สามารถวัดได้จากมุมของความเอียงระหว่างเส้นสังเกตทั้งสองเส้น คำนี้มีที่มาจากภาษากรีก παράλλαξις (parallaxis) หมายถึง “การเปลี่ยนแปลง”)

ภาพเคลื่อนไหวแสดงตัวอย่างของพารัลแลกซ์ เมื่อผู้สังเกตเคลื่อนจากด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่ง วัตถุที่อยู่ไกลกว่าจะดูเหมือนเคลื่อนที่ช้ากว่าวัตถุที่อยู่ใกล้ๆ (ภาพจาก wiki/Nathaniel Domek)

พารัลแลกซ์ คือมุมย่อระหว่างเส้นสองเส้นบนจุด ในภาพบน แสดงให้เห็นว่าโลกโคจรรอบดวงอาทิตย์พร้อมกับกวาดทำมุมกับดวงอาทิตย์ ส่วนภาพล่างแสดงให้เห็นว่ามุมมีค่าเท่ากันเมื่อดวงอาทิตย์อยู่ในแบบจำลองที่คล้ายกัน
ภาพนี้แสดงให้เห็นถึงวิธีการสแกนเชิงพื้นที่ๆ เรียกว่า “พารัลแลกซ์ทางดาราศาสตร์” ด้วยวิธีการนี้จึงทำให้กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลสามารถวัดระยะห่างของดาวฤกษ์ในอวกาศได้อย่างมีความแม่นยำถึง 10,000 ปีแสง นี้คือตัวอย่างของการวัดระยะห่างของดาวแปรแสงชนิดเซเฟอิด (Cepheid variable) ที่ห่างไกลออกไปประมาณ 7,500 ปีแสง ทางตอนเหนือของกลุ่มดาวสารถี (constellation Auriga) เมื่อวันที่ 10 เมษายน ปี ค.ศ. 2014 ซึ่งเป็นการวัดพารัลแลกซ์ของดาวฤกษ์ที่อยู่ลึกที่สุดภายในดาราจักรของเรา และต้องอาศัยความแม่นยำอย่างถึงที่สุดเพื่อทำการวัดค่าของมุมพารัลแลกซ์ (โดยปกติวิธีการวัดมุมพารัลแลกซ์นี้ จะขาดความเที่ยงตรงเมื่อดาวฤกษ์อยู่ห่างไกลเกิน 100 พาร์เซก) – ภาพจาก NASA/ESA, A.Feild/STScI

สำหรับดาวฤกษ์นอกเหนือจากดวงอาทิตย์ดวงแรกที่ถูกวัดระยะทางได้สำเร็จมีชื่อว่า ‘61 ซิกนี’ (61 Cygni) โดย ‘ฟรีดริช เบสเซล’ (Friedrich Bessel) ในปี ค.ศ. 1838 โดยเขาใช้เครื่องวัดอย่าง ‘เฮลิโอมิเตอร์’ (heliometer) ขนาด 6.2 นิ้ว (160 มม.) ที่ได้รับการออกแบบโดยช่างทำเลนส์ที่เก่งกาจที่สุดแห่งยุค ‘โยเซฟ ฟอน ฟรอนโฮเฟอร์’ (Joseph von Fraunhofer) มาช่วยเหลือในงานนี้ 

ในขณะนั้นหน่วยวัดระยะทางในอวกาศที่ใหญ่ที่สุดก็คือ รัศมีวงโคจรของโลก หรือระยะทางจากโลกไปถึงดวงอาทิตย์ซึ่งมีค่าอยู่ที่ 1.50×108 กิโลเมตร (150 ล้านกิโลเมตร) ที่ต่อมาเป็นที่รู้จักกันดีในหน่วยของ AU หรือ ‘หน่วยดาราศาสตร์’ (Astronomical Unit)

ในแง่ดังกล่าวแล้วการคำนวณตรีโกณมิติโดยอาศัยพารัลแลกซ์ของดาว 61 Cygni ที่มุม 0.314 พิลิปดา (arcseconds) จะแสดงให้เห็นว่าดาวดวงนี้มีระยะห่าง ไกลถึง 660,000 หน่วยดาราศาสตร์เลยทีเดียว! ตีเป็นระยะทางในหน่วยกิโลเมตรได้ที่ 99 ล้านล้าน กิโลเมตร Bessel จึงเสริมว่า ดังนั้นแล้วหากเราใช้ความเร็วแสงเพื่อจะไปสำรวจดาวดวงนี้ก็ต้องใช้เวลานานถึง 10.3 ปี ในขณะผู้อ่านงานเขียนของเขาก็รู้สึกเพลิดเพลินไปกับจิตนาการล่องลอยไปในอวกาศที่มีระยะทางไกลจนแสงต้องใช้เวลาเดินทางเป็นปีๆ  (จึงกล่าวได้ว่า นี่คือหลักฐานสำคัญแรกๆ ของที่มาของคำว่า “ปีแสง” นั่นเอง) อย่างไรก็ตามโดยส่วนตัวแล้ว Bessel ไม่ค่อยชอบหน่วยของระยะทางเป็นปีแสงสักเท่าไหร่ เนื่องจากมองว่าอาจทำให้การวัดค่าพารัลแลกซ์ของดาวเกิดมีความแม่นยำที่ลดลงได้ หากนำไปคูณกับค่าพารามิเตอร์ที่ไม่แน่นอนของความเร็วแสงในเวลานั้น

ในยุคคริสต์ศตวรรษที่ 19 ช่วงต้นไปจนถึงช่วงกลาง ความเร็วของแสงยังมีค่าที่ไม่คงที่และเปลี่ยนแปลงไปได้ตลอด (เนื่องจากขาดความแม่นยำในการวัด) เช่นในปี ค.ศ. 1849 นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส ‘อีปอลิต ฟีโซ’ (Hippolyte Fizeau) วัดค่าความเร็วแสงออกมาได้ที่ 313,300 กิโลเมตรต่อวินาที ซึ่งคลาดเคลื่อนไปจากความจริงราว 5% ต่อมาในปี ค.ศ. 1862 นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส ‘เลอง ฟูโก’ (Léon Foucault) จึงประสบผลสำเร็จในการวัดค่าความเร็วแสงได้อย่างมีความแม่นยำและมีความคลาดเคลื่อนเพียง 0.6% ซึ่งได้ค่าความเร็วแสงออกมาที่ 298,000 กิโลเมตรต่อวินาที (เมื่อเทียบกับค่าของจริงที่ 299,792.458 กิโลเมตรต่อวินาที)

อยากไรก็ตามแม้นักวิทยาศาสตร์ในยุคนั้นต่างพยายามกันวัดค่าแสงออกมา แต่ค่าดังกล่าวก็ยังไม่เป็นที่ยอมรับในยุคนั้นเพราะมองว่ามันยังไม่ใช่ค่าคงที่พื้นฐานของจักรวาล เนื่องจากยังมีข้อเคลือบแคลงใจเกี่ยวกับการเดินทางของแสงในอีเธอร์ (aether) ที่สมัยนั้นพิจารณาว่าแสงเดินทางผ่านตัวกลางดังกล่าว และอาจมีความเร็วที่ผันแปรไปตามทิศทางการเคลื่อนที่ของโลกในอวกาศที่มีอีเธอร์อยู่ล้อมรอบ ต่อมาแนวคิดเกี่ยวกับ อีเธอร์ ในอวกาศได้ถูกยกเลิกไปโดย อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ที่มองว่าแสงนั้นมีความเร็วคงที่ในสุญญากาศ และเป็นคือค่าคงที่ของจักรวาลในทุกกรอบอ้างอิง

ในปี ค.ศ. 1851 หน่วยของปีแสงก็ถูกเขียนขึ้นมา และปรากฎอยู่ในบทความดาราศาสตร์ยอดนิยมของเยอรมันโดย ‘อ็อตโต อูเล่’ (Otto Ule) ที่เขาให้ข้อสังเกตว่ามันเป็นหน่วยวัดที่แปลกดีที่หน่วยเวลาอย่าง “ปี” อยู่ในหน่วยของความยาวด้วย ต่อมาในปี ค.ศ. 1868 วารสารภาษาอังกฤษได้มีการระบุคำว่า ‘ปีแสง’ (Light-year) เข้ามา เช่นเดียวกับที่ถูกใช้กันโดยชาวเยอรมันในก่อนหน้านี้

สำหรับนักดาราศาสตร์นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ‘อาเทอร์ เอ็ดดิงตัน’ (Arthur Eddington) ผู้มีชื่อเสียง เรียกปีแสงว่าเป็นหน่วยที่ไม่สะดวก และเป็นหน่วยที่ไม่เกี่ยวข้องกัน สำหรับนำมาใช้กันในทางดาราศาสตร์ อย่างไรก็ตามแม้ว่านักดาราศาสตร์สมัยใหม่มักชอบใช้หน่วยของพาร์เซกในการพรรณนาถึงระยะห่างระหว่างดวงดาว แต่ขณะเดียวกันหน่วยของปีแสงกลับได้รับความนิยมมากกว่าสำหรับคนทั่วไปอย่างเราๆ เพื่อไว้ใช้สำหรับจิตนาการให้เห็นถึงความกว้างใหญ่ไพศาลของจักรวาล ไปพร้อมๆ กับระยะเวลาอันยาวนานของการท่องอวกาศได้เป็นอย่างดี

วิธีการวัดระยะทางในอวกาศ 

การวัดระยะทางในอวกาศนั้นไม่ใช่เรื่องง่าย เพราะโดยปกติแล้ว ดวงดาวต่างๆ ในจักรวาลนั้นอยู่ห่างไกลกันเป็นอย่างมาก แน่นอนว่าเราไม่สามารถใช้เครื่องมือวัดในทางฟิสิกส์ทั่วไปอย่างเช่นไม้บรรทัด หรือตลับเมตรเพื่อยืดให้ไกลไปให้ถึงดวงดาวเป้าหมายเพื่อวัดระยะทางได้ ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์ จึงจำเป็นต้องสร้างสเกลให้เข้าใจกันโดยทั่วไปออกมาอ้างอิงที่เรียกว่า ‘บันไดระยะห่างของจักรวาล’ (Cosmic distance ladder) ในอีกนัยหนึ่งแล้ว นักดาราศาสตร์ได้ใช้วิธีการต่างๆ เพื่อมากำหนดระยะทางไปถึงเป้าหมาย ซึ่งวิธีการใช้ก็จะขึ้นอยู่กับว่า เป้าหมายที่ต้องการวัดนั้นอยู่ห่างไกลแค่ไหน อย่างไรก็ดี วิธีการวัดระยะทางทั้งหมด ก็มีความสวยงามเป็นอย่างยิ่งในโลกของวิทยาศาสตร์และคณิตศาสตร์ ต่อไปนี้เราจะมาดูวิธีการวัดระยะทางกันในแบบต่างๆ ว่ามีอะไรกันบ้าง

  • เรดาร์ (Radar) นี่คือวิธีการวัดระยะทางสมัยใหม่ ซึ่งอิงอยู่บนความจริงพื้นฐานของการเคลื่อนที่ของแสงในอวกาศ ที่ความเร็วประมาณ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที ดังนั้นระยะทางก็จะได้เท่ากับ ความเร็วของแสง คูณเข้ากับระยะเวลาที่ใช้ไปในการเดินทาง การวัดด้วยวิธีการเรดาร์นี้ จึงสามารถทำให้เราเข้าใจถึงขนาดโครงสร้างของระบบสุริยะได้อย่างมีความแม่นยำ
ระยะทาง (d) = ความเร็ว (v) x เวลา (t) โดยใช้ความเร็วแสงที่มีค่าอยู่ที่ประมาณ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที ในสูตรการคำนวณนี้ใช้สำหรับการยิงสัญญาณไปยังพื้นที่เป้าหมายทางเดียว
เนื่องจากความเร็วแสงนั้นคงที่จึงทำให้ได้ระยะทางไปกลับเท่ากับ 2d
  • พารัลแลกซ์ (Parallax) โดยส่วนมากนักดาราศาสตร์จะใช้วิธีการนี้ สำหรับการวัดระยะทางของดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้ที่สุด โดยทั่วไปคือในระยะ 100 ปีแสง โดยวิธีการนี้จะใช้หลักวิเคราะห์ทางเรขาคณิต และมุม เพื่อมาอธิบายถึงในลักษณะวงโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์ และตำแหน่งของดาวฤกษ์บนท้องฟ้าในปรากฏการณ์ที่เรียกว่า “พารัลแลกซ์” เพื่อให้เข้าใจอย่างง่ายในปรากฏการณ์นี้ก็คือ ให้คุณลองยื่นนิ้วหัวแม่มือออกไปสุดแขน ไปยังพื้นหลังที่เป็นผนังห้อง หน้าต่าง หรือต้นไม้ จากนั้นก็ลองมองดูนิ้วหัวแม่มือด้วยตาข้างใดข้างหนึ่งสลับกันไปมา แล้วคุณก็จะพบว่า ความสัมพันธ์ระหว่างตำแหน่งนิ้วหัวแม่มือ กับวัตถุพื้นหลัง นั้นมีการเปลี่ยนแปลงไป ทั้งๆ ที่นิ้วมือของคุณไม่ได้ขยับไปไหนเลย ซึ่งนี่เป็นวิธีการสาธิตให้เข้าใจผลที่เกิดจากพารัลแลกซ์อย่างง่าย ซึ่งมีสูตรการคำนวณทั่วไปในทางคณิตศาสตร์ว่า ระยะทางวัตถุ เท่ากับ ความยาวครึ่งหนึ่งของเส้นฐาน หารด้วยแทนเจนต์มุมแอลฟาส่วนสอง ดังนั้นเมื่อนำสูตรทางคณิตศาสตร์อย่างง่ายนี้มาแปลงให้เข้าใจในทางดาราศาสตร์ก็จะได้ว่า ระยะห่างของดาวฤกษ์เป้าหมายมีค่าเท่ากับ ระยะห่างของโลกและดวงอาทิตย์ (1 AU) หารด้วยแทนเจนต์มุมแอลฟาส่วนสองนั่นเอง 
ระยะทาง (d) เท่ากับ ความยาวครึ่งหนึ่งของเส้นฐาน (b) หารด้วยแทนเจนต์มุมแอลฟา (α) ส่วนสอง
การประยุกต์ใช้ในทางดาราศาสตร์ ของการหาระยะทางระหว่างดาวฤกษ์กับดวงอาทิตย์ และแสดงให้เห็นถึงปรากฏการณ์พารัลแลกซ์ ของตำแหน่งดาวบนท้องฟ้า
  • เซเฟอิด (Cepheids) วิธีการวัดนี้จำเป็นต้องใช้ ดาวแปรแสงชนิดเซเฟอิด (Cepheid variable) มาช่วยในการประเมินหาระยะทางในอวกาศ โดยดาวแปรแสงนั้นก็คือดาวที่มีความสว่าง และลดลงเป็นคาบ ด้วยวิธีการนี้ ทำให้นักดาราศาสตร์สามารถ ใช้เป็นมาตรวัดของจักรวาล ในระยะทางได้ไกลถึง 10 ล้านปีแสง
  • ซูเปอร์โนวา (Supernovae) สำหรับวิธีการวัดโดยอาศัยการระเบิดของดาวฤกษ์อย่างฉับพลันและรุนแรงนี้ จะช่วยให้นักดาราศาสตร์ ทราบถึงระยะทางในอวกาศที่อยู่ห่างไกลออกไปได้ถึง 1 พันล้านปีแสง ซึ่งระยะทางใน 1 พันล้านปีแสงนั้น การใช้วิธีการวัดแบบ เซเฟอิด หรือ พารัลแลกซ์ นั้นจะมีข้อจำกัดในข้อมูล เช่นหากใช้วิธีการแบบ พารัลแลกซ์ มุมของดวงดาวเป้าหมาย จะเล็กมาก จนต้องใช้เครื่องมือที่มีความละเอียดสูงขึ้นไปอีก ซึ่งจะทำให้ค่าที่ได้ของมุมที่วัดได้มีความคลาดเคลื่อน ซึ่งจะนำไปสู่ระยะทางที่ผิดเพี้ยนไปจากเดิมเป็นอย่างมาก ส่วนในวิธีแบบ เซเฟอิด ต้องอาศัยการแปรแสงของดาวฤกษ์ ซึ่งในระยะห่างในระดับพันล้านปีแสงนั้น แสงของดาวฤกษ์ก็จะเล็กมากจนสังเกตเห็นได้ยาก ดังนั้นวิธีการที่ดีที่สุด สำหรับการวัดระยะทางของกาแล็กซี่ที่อยู่ห่างไกลเป็นพันล้านปีแสง จึงจำเป็นต้องอาศัย ความรุนแรงของการระเบิดของดาวฤกษ์มวลมาก ซึ่งจะให้ค่าความส่องสว่างวาบออกมามากกว่ากาแล็กซี่ทั้งกาแล็กซี
  • การเลื่อนไปทางแดง และ กฎของฮับเบิล (Redshift and Hubble’s Law) สำหรับระยะทางในอวกาศที่ไกลเกินกว่า 1 พันล้านปีแสง จะไม่มีวิธีการแบบไหนข้างต้นจะสามารถวัดค่าได้ ดังนั้นนักดาราศาสตร์จึงต้องอาศัยการสำรวจกาแลคซี่โดยตรง ร่วมกับทฤษฎีที่มีอยู่ ซึ่งทฤษฎีกำหนดระยะทางขนาดใหญ่มากๆ ในจักรวาลนี้ จะอิงจากการค้นพบของ เอ็ดวิน ฮับเบิล (Edwin Hubble) ในเรื่องของการขยายตัวของจักรวาล ในปี ค.ศ. 1929 ฮับเบิล ประกาศว่า กาแล็กซีเกือบทุกกาแล็กซีดูเหมือนกำลังเคลื่อนหนีห่างไปจากเรา ในความเป็นจริงของการค้นพบในครั้งนี้ก็คือ จักรวาลกำลังขยายตัวออก ซึ่งสังเกตได้จากหลักฐานของการเปลี่ยนแปลงของสเปกตรัมที่ส่งออกมาจากกาแล็กซี่ในหลายๆ แห่ง โดยสีของแต่ละแห่ง นั้นเลื่อนออกไปในทางแดง อีกทั้งฮับเบิลยังพบว่า ยิ่งกาแล็กซีอยู่ห่างไกลจากโลกมากเท่าไหร่ มันก็ยิ่งมีความเร็วถอยห่างไปจากโลกเร็วขึ้นเท่านั้น ซึ่งจากแนวโน้มของข้อมูลที่ค้นพบนี้ ก็ทำให้นักดาราศาสตร์สามารถแสดงความเร็วของกาแล็กซีออกมาอยู่ในรูปแบบของคณิตศาสตร์ได้ โดยมีสูตรว่า  v = H x d โดย v คือความเร็วแนวรัศมีของกาแล็กซีที่มีทิศทางพุ่งออก d คือระยะห่างของกาแล็กซีจากโลก และ H คือค่าคงที่ของฮับเบิล

แหล่งข้อมูล

  1. Light-year
  2. How far is a light-year?
  3. Parsec, พาร์เซก
  4. Parallax
  5. How do we measure the distances to things in space?
Sci Ways
Sci Ways
นักเดินทางข้ามกาลเวลา
Facebook
กลับสู่บนสุด