อดีต ปัจจุบัน และอนาคตของกาแล็กซีทางช้างเผือก

ก่อนยุคฟื้นฟูศิลปวิทยาในคริสต์ศตวรรษที่ 15 มนุษย์เชื่อว่าโลกคือจุดศูนย์กลางของเอกภพที่มีดาวต่างๆ และดวงอาทิตย์โคจรไปรอบๆ จนกระทั่ง Nicolaus Copernicus พบว่า ดวงอาทิตย์ต่างหากที่เป็นศูนย์กลาง โดยมีโลกเป็นเพียงดาวบริวารดวงหนึ่งของระบบสุริยะ หลังจากนั้นผู้คนได้ปักใจเชื่อต่อว่า ดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางของเอกภพ และสุริยะระบบ โดยมีทางช้างเผือก (Milky Way) ห้อมล้อม จนกระทั่งถึงคริสต์ศตวรรษที่ 20 เมื่อ Edwin Hubble ได้พบว่า ทางช้างเผือกเป็นเพียงกาแล็กซีหนึ่ง ซึ่งประกอบด้วยดาวจำนวนแสนล้านดวงที่โคจรอยู่ใกล้กันเป็นหนึ่งระบบ ภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วง ในเวลาต่อมา Harlow Shapley ได้พบว่า ระบบสุริยะมิได้อยู่ที่จุดศูนย์กลางของทางช้างเผือก แต่อยู่ห่างจากศูนย์กลางเป็นระยะทางประมาณ 25,000 ปีแสง และใช้เวลาประมาณ 230 ล้านปีในการโคจรรอบจุดศูนย์กลางได้หนึ่งรอบ

เมื่อครั้งที่ Copernicus พบความจริงเกี่ยวกับระบบสุริยะนั้น ผู้คนทั่วไปและนักวิชาการต้องใช้เวลาร่วมศตวรรษจึงจะยอมรับ แต่เมื่อถึงยุคของ Shapley สังคมวิชาการใช้เวลาเพียง 3 ปีก็น้อมรับ การตรวจสอบในเวลาต่อมาทำให้เรารู้ว่าทางช้างเผือกมีขนาดใหญ่กว่าที่เคยคิดประมาณ 10 เท่า มีเส้นผ่านศูนย์กลางคิดเป็นระยะทาง 105 ปีแสง กำลังโคจรไปในอวกาศด้วยความเร็ว 300 กิโลเมตร/วินาที มุ่งหน้าสู่กลุ่มดาวหงส์ (Cygnus) นอกจากจะมีดาวฤกษ์ประมาณหนึ่งแสนล้านดวงแล้ว ยังมีฝุ่น อุกกาบาต ดาวหาง ดาวเคราะห์น้อย ดาวเคราะห์ และสสารมืดด้วย

การรู้ขนาด องค์ประกอบ และความเร็วของดาวแต่ละดวงอย่างเคร่าๆ รวมถึงการมีกฎฟิสิกส์ต่างๆ ทำให้นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์สนใจคือใคร่จะรู้ ที่มา และอนาคตของกาแล็กซีทางช้างเผือก ซึ่งรวมถึงอนาคตของโลกที่อยู่ในทางช้างเผือกด้วย ว่าถือกำเนิดอย่างไร มีขั้นตอนของการเป็นรูปร่างดังที่ปรากฏในทุกวันนี้ได้อย่างไร รวมถึงการต้องการจะรู้คำตอบของคำถามที่ว่า กาแล็กซีทางช้างเผือกจะถึงซึ่งจุดอวสานอย่างไร และเมื่อไร

สำหรับคำถามเรื่องขั้นตอนการถือกำเนิดทางช้างเผือกนั้น เทพนิยายโรมันได้บรรยายว่า เทพ Jupiter ทรงมีความสัมพันธ์กับนาง Alcmane ซึ่งเป็นปุถุชนคนธรรมดา จนนางได้ให้กำเนิดบุตรชื่อ Hercules ซึ่งเมื่อ Hercules หิวนม เทพ Jupiter จึงทรงฉวยโอกาสที่พระมเหสี Juno บรรทมหลับ นำทารก Hercules ไปดื่มพระกษิรธารา (น้ำนม) จากพระเต้าของ Juno ทำให้พระนางตกพระทัยตื่น และทรงสลัดพระเต้าจากปากของ Hercules จนพระกษิรธารากระจัดกระจายเป็นดาวและเดือนไปทั่วสวรรค์ กลายเป็นทางช้างเผือกให้เราเห็นจนทุกวันนี้ ด้านจิตรกรชาวเวนิสชื่อ Jacopo Tintoretto ก็ได้วาดภาพ “The Origin of the Milky way” ขึ้นเมื่อประมาณปี 1580 (ตรงกับรัชสมัยพระมหาธรรมราชาธิราช) ที่มีขนาด 148 x 165 เซนติเมตรนี้ ปัจจุบันติดประดับอยู่ที่พิพิธภัณฑ์ National Gallery ในกรุงลอนดอน ประเทศอังกฤษ

ตำนานฮินดูก็มีการกล่าวถึงแม่น้ำที่ไหลลงมาจากสรวงสวรรค์ตามเส้นทางทางช้างเผือก ผ่านลงที่พระเศียรของพระศิวะ ผู้ทรงประทับเหนือยอดเขาพระสุเมรุ จากนั้นน้ำได้ไหลลงตามพระเกศา (เส้นผม) แล้ว แยกออกเป็นแม่น้ำ 4 สาย ซึ่งหนึ่งในนั้นคือ แม่น้ำคงคา ที่นอกจากจะให้ชีวิตแก่ชาวอินเดียทุกคนแล้ว ยังเป็นสายน้ำที่สามารถล้างบาปให้ทุกคนได้ด้วย ถ้าคนนั้นได้ชำระตนในแม่น้ำ

ส่วนคนจีนเมื่อ 3,500 ปีก่อนเรียกทางช้างเผือกว่า แม่น้ำแห่งสวรรค์ และเชื่อว่าเป็นต้นกำเนิดของแม่น้ำเหลืองที่ไหลผ่านพื้นที่ทางตอนเหนือ อีกทั้งเป็นสายน้ำหลักที่ทำให้เกิดอารยธรรมจีน เทพนิยายจีนได้กล่าวถึงดาวฤกษ์ Vega และ Altair ว่าเป็นคนรักกัน โดยฝ่ายหญิงเป็นช่างทอผ้า และฝ่ายชายเป็นคนเลี้ยงสัตว์ในทุ่งหญ้า การพร่ำพรอดกันบ่อยทำให้งานที่คนทั้งสองทำบกพร่อง เทพมารดาจึงทรงบันดาลให้มีแม่น้ำเหลืองไหลผ่านสถานที่ทำงานของคนทั้งสอง ทำให้ไม่สามารถพบปะกันได้บ่อย และจะได้พบกันเฉพาะเวลาที่น้ำในแม่น้ำเหลืองแห้งขอดแล้วเท่านั้น

ตำรา Shih Chi ของจีนที่เรียบเรียงเมื่อ 2,100 ปีก่อนในยุคของราชวงศ์ฮั่น ได้กล่าวถึงบทบาทของทางช้างเผือกว่าได้ให้กำเนิดน้ำในทะเลและมหาสมุทรบนโลกด้วย

ในทวีปอเมริกาใต้มีชนเผ่า Quechua ที่อยู่ที่หมู่บ้าน Mismanay ซึ่งอยู่ห่างจากเมือง Cuzco ในเทือกเขา Andes ประมาณ 50 กิโลเมตร ตำนานของชนเผ่านี้ได้กล่าวถึงทางช้างเผือกว่าเป็นแม่น้ำในสวรรค์ที่มีสองสาย คือ สายฤดูร้อนกับสายฤดูหนาว และสายน้ำทั้งสองได้รับน้ำจากมหาสมุทรบนโลก ซึ่งไหลไปพบกัน ณ ตำแหน่งดาว Southern Cross ในท้องฟ้าทางซีกโลกใต้ จากนั้นได้ไหลผ่านท้องฟ้า แล้วตกมาเป็นฝน

เรื่องราวที่กล่าวมานี้เป็นเทพนิยายเรื่องกำเนิดทางช้างเผือก ซึ่งเป็นการบรรยายที่ไร้หลักการใดๆ ทางวิทยาศาสตร์ แต่เมื่อถึงวันนี้ นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ได้พยายามตอบคำถามว่า เหล่ากาแล็กซีที่เอกภพมีเป็นจำนวนแสนล้านกาแล็กซีนั้น ถือกำเนิดหลัง Big Bang อย่างไร และเหตุใดจึงมีรูปทรงแตกต่างกัน เช่น เป็นเกลียว ทรงไข่ ทรงกลม ทรง dumbbell และบิดเบี้ยว

ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีด้าน supercomputer รวมถึงความสามารถในการใช้ข้อมูลขนาดใหญ่ (big data) และการพัฒนาขั้นตอนวิธี (algorithm) ที่ทันสมัย ซึ่งใช้ในเทคนิค deep learning ทำให้ทฤษฎีการถือกำเนิดของกาแล็กซีที่นักดาราศาสตร์นำเสนอกำลังเป็นที่ยอมรับกันมากขึ้น ไม่ว่าจะเป็นเรื่องการอธิบายในประเด็นรูปร่าง การทำนายจำนวนดาวฤกษ์ที่มีในกาแล็กซีรูปทรงต่างๆ และการพยากรณ์อนาคตของกาแล็กซีเหล่านั้นด้วย

ในอดีต เวลานักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ต้องการจะศึกษาขั้นตอนการถือกำเนิดของกาแล็กซี เขาจำเป็นต้องรู้ข้อมูลทุกอย่างของกาแล็กซี เช่น จำนวนดาวฤกษ์ทั้งหมด ตำแหน่งที่ดาวฤกษ์เหล่านั้นอยู่ (ทั้งที่อยู่ห่างจากกัน และที่วัดจากศูนย์กลางของกาแล็กซี) สี อายุ มวลของดาว และความเร็วของดาวฤกษ์ทั้งหลายเพื่อใช้ในการสร้างขั้นตอนของวิวัฒนาการ นับตั้งแต่วินาทีแรกที่กลุ่มแก๊สขนาดใหญ่ได้มาจับกลุ่ม จนกลายเป็นกาแล็กซีดังที่เห็นในปัจจุบัน และถ้าแบบจำลองที่นำเสนอมีความถูกต้องและสมบูรณ์ แบบจำลองนั้นก็ต้องสามารถพยากรณ์เหตุการณ์ต่างๆ ที่จะเกิดในกาแล็กซีในอนาคตได้อย่างถูกต้องด้วย

ในการตอบคำถามเหล่านี้ นักฟิสิกส์จำต้องรู้ก่อนว่า องค์ประกอบของกาแล็กซีมีอะไรบ้าง และองค์ประกอบเหล่านั้นมีอันตรกริยาอะไรต่อกัน แต่ปัญหาที่นักวิจัยกำลังประสบ คือข้อมูลปัจจุบันระบุว่า เอกภพมีสสาร ที่ตาเห็นเพียง 5% เท่านั้นเอง แต่มีสสารมืด 26% ซึ่งสสารชนิดนี้มีอันตรกริยาโน้มถ่วงกับสสารรูปแบบอื่น และกับตัวมันเอง โดยยังไม่มีใครในโลกรู้ว่าสสารมืดประกอบด้วยอนุภาคอะไร และอยู่ที่ใดบ้าง หลายคนเชื่อว่า มันเป็นอนุภาคชนิดใหม่ที่ยังไม่มีใครรู้จัก ส่วนอีก 69% ขององค์ประกอบที่เหลือ เป็นพลังงานมืดที่มีบทบาทในการทำให้เอกภพขยายตัวด้วยความเร่ง นอกจากนี้นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ยังมีความรู้อีกว่า เอกภพถือกำเนิดจากการระเบิดครั้งยิ่งใหญ่ (Big Bang) จากจุดกำเนิดที่มีพลังงานสูงมากถึงอนันต์ แล้วพลังงานได้เปลี่ยนไปเป็นมวลของอนุภาคกับของปฏิอนุภาค (antiparticle) ซึ่งได้หักล้างกันภายในเวลาเศษเสี้ยวของวินาทีแรกที่เอกภพถือกำเนิด ทำให้ได้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แต่จะด้วยสาเหตุใดไม่ปรากฏ มีอนุภาคบางส่วนหลงเหลือ จากนั้นเอกภพได้ขยายตัวอย่างรวดเร็วแบบ exponential คือ เข้าสู่ภาวะเฟ้อ (inflation) จนทำให้มีขนาดมโหฬารมากภายในเวลาอันสั้น และในเวลาเดียวกัน บรรดาสสารมืดที่มีในเอกภพก็เริ่มดึงดูดอนุภาคให้เข้ามารวมกันป็นกลุ่มก้อน และเป็นสายใยเอกภพ (cosmic web) ปรากฏอยู่ทั่วไปในเอกภพ

อีก 500 ล้านปีต่อมา กาแล็กซีแรกของเอกภพได้เริ่มถือกำเนิด

จากนั้นอีก 13,000 ล้านปี กาแล็กซีที่มีจำนวนนับหมื่นล้าน ซึ่งต่างก็หมุนรอบตัวเองและโคจรไปในอวกาศในทิศต่างๆ เช่น เคลื่อนที่เข้าหากัน บ้างหนีจากกัน บ้างชนกัน แล้วรวมตัวกัน ฯลฯ

ทั้งหมดที่กล่าวมานี้เป็นการบรรยายเหตุการณ์อย่างรวบรัด (จะเรียกดำน้ำ หรือดั้นเมฆก็ได้) เพราะไม่ได้ระบุขั้นตอน และเวลาของการถือกำเนิด อีกทั้งยังไม่มีการตรวจสอบข้อสรุปที่ได้ ซึ่งถ้าเหตุผลกับการคำนวณถูกต้อง รูปทรงของกาแล็กซีปัจจุบันก็ต้องช่วยให้นักดาราศาสตร์สามารถพยากรณ์ได้ว่า อะไรจะเกิดขึ้นกับกาแล็กซีในอนาคต และถ้าเป็นไปได้ แบบจำลองที่เป็นที่ยอมรับก็ต้องสามารถบรรยายจุดจบของกาแล็กซีต่างๆ ได้ด้วย

เมื่อวันที่ 25 เมษายนที่ผ่านมานี้ นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จำนวนร่วมพันคนจากทั่วโลกได้รับของขวัญวันคริสต์มาสชิ้นใหญ่จากองค์การอวกาศแห่งยุโรป (European Space Agency ESA) เป็นข้อมูล Big Data ของดาวฤกษ์จำนวน 1,300 ล้านดวงในกาแล็กซีทางช้างเผือก โดยบอกตำแหน่งของดาวแต่ละดวง ความเร็วของการเคลื่อนที่ ความสว่าง และสีของดาว ซึ่งทางองค์การ ESA ได้เก็บรวบรวมมาตลอดเวลา 2 ปี โดยใช้ดาวเทียม Gaia มูลค่า 400,000 ล้านบาท ที่ถูกส่งขึ้นโคจรในอวกาศตั้งแต่ปี 2013 และ ESA คาดหวังว่า การวิเคราะห์ข้อมูลขนาดใหญ่จะทำให้เรารู้โครงสร้างและอนาคตของทางช้างเผือกได้

แต่ปัญหาเบื้องต้นของการทำวิจัยนี้ คือ การทำแผนที่ของทางช้างเผือกมิใช่เรื่องง่าย เพราะในอวกาศมีแก๊ส และเมฆฝุ่นที่บดบังดาวฤกษ์หลายดวง ทำให้นักดาราศาสตร์บนโลกเห็นดาวฤกษ์เหล่านั้นได้ไม่ชัด ดังนั้นการใช้ดาวเทียม Gaia ที่ถูกส่งขึ้นไปไกลในอวกาศทำให้นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์สามารถถ่ายภาพของดาวได้ชัดเจนขึ้น และสามารถวัดความเร็วของดาวได้ถูกต้องขึ้นด้วย เพราะการรู้ตำแหน่งปัจจุบันและความเร็วปัจจุบันของดาวทุกดวงจะช่วยให้นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์สามารถเดินทางย้อนเวลากลับไปจนถึงวินาทีแรกที่กาแล็กซีถือกำเนิด เมื่อ 13,000 ล้านปีก่อนได้ นอกจากนี้การรู้ข้อมูลความสว่าง และสีของแสงจากดาวฤกษ์ก็สามารถช่วยให้นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์สามารถจัดแยกประเภทของดาวฤกษ์ตามอายุได้ด้วย

ส่วนหนึ่งของข้อมูลที่ ESA ได้มาจากดาวเทียม Gaia คือ ข้อมูลของดาวเคราะห์น้อยจำนวน 14,000 ดวงที่มีในระบบสุริยะนั้น เป็นเพียง 2% ของดาวเคราะห์น้อยที่มีในระบบสุริยะ แต่มีความละเอียดยิ่งกว่าข้อมูลที่เคยมี ดาวเทียม Gaia ยังได้วัดระยะทางที่ดาวแปรแสง Cepheid ต่างๆ อยู่ห่างจากโลกด้วย ซึ่งข้อมูลนี้มีประโยชน์ในการทำให้เรารู้อัตราการขยายตัวด้วยความเร่งของเอกภพ และในอนาคตนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ได้คาดหวังว่า จะมีข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับดาวเคราะห์ที่อยู่นอกระบบสุริยะด้วย เพราะ Gaia ได้เห็นดาวฤกษ์จำนวนหมื่นขยับตัวไปมา ภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงของดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ที่โคจรรอบดาวฤกษ์เหล่านั้น

ในปี 2016 ดาวเทียม Gaia ได้เปิดเผยข้อมูลเกี่ยวกับดาวฤกษ์ จำนวนกว่า 1,000 ล้านดวงว่า มีเพียง 2 ล้านดวงเท่านั้นที่นักดาราศาสตร์ควรสนใจศึกษาอย่างจริงจัง และข้อมูลเบื้องต้นนี้ได้ทำให้เรารู้ว่า การกระจายตัวของดาวฤกษ์ในกาแล็กซีทางช้างเผือกมีลักษณะเป็นอย่างไร และยังได้พบว่าเมฆ Magellan ใหญ่ (Large Magellan Cloud LMC) มีมวลมากกว่าที่เคยรู้

เพราะข้อมูลที่ได้มีขนาดใหญ่มาก ทีมวิจัยในโครงการ Gaia จึงได้เชิญนักดาราศาสตร์จากทั่วโลกไปประชุมที่ New York เพื่อวางแผนศึกษาสิ่งที่ไม่เคยคิดว่าจะมีใครสามารถทำได้ เช่น จะศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างสีกับความสว่างของดาวแคระขาว ซึ่งจะบอกให้รู้ว่า หลังจากที่ดาวดับขันธ์ ซากดาวมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไร

ขณะนี้ดาวเทียม Gaia ที่หนัก 2 ตัน และกำลังโคจรอยู่ในอวกาศ ณ ตำแหน่งที่ไม่เปลี่ยนแปลงจากโลก ทำให้สามารถวัดระยะทางที่ดาวฤกษ์อยู่ห่างได้ดีมาก โดยใช้เทคนิค parallax ทีมวิจัยหวังว่าข้อมูลที่มีในปัจจุบัน และที่จะได้ในอนาคตจะบอกให้รู้ว่า ทางช้างเผือกเกิดจากการรวมตัวของกาแล็กซีที่มีขนาดเล็กกว่าหรือไม่ ถึงปี 2020 Gaia จะนำข้อมูลชุดใหม่ที่ได้จากการติดตามบรรดาดาวเคราะห์น้อยใกล้โลกว่าจะชนโลกในอนาคตหรือไม่ เพราะ Gaia มีเชื้อเพลิงเพียงพอจะทำงานได้จนถึงปี 2024 ดังนั้นถ้าไม่มีอุบัติเหตุใดๆ Gaia ก็จะมีข้อมูลมากพอจะบอกอนาคตของทางช้างเผือกได้ด้วย

ทว่าการจะรู้อนาคตอันไกลโพ้นของทางช้างเผือกอย่างถูกต้องก็ใช่ว่าเป็นเรื่องง่าย เช่น ถ้ามีใครถามเราว่า อะไรจะเกิดขึ้นกับเราในอีก 5 ปี การให้คำตอบอย่างมั่นใจคงเป็นไปได้ยาก ดังนั้นด้วยเหตุผลเดียวกันนี้ ถ้ามีการถามว่า อีก 5,000 ล้านปี โลก ดวงอาทิตย์ และมนุษย์จะเป็นอย่างไร หลังจากที่กาแล็กซีทางช้างเผือกได้ชนกับกาแล็กซี Andromeda แล้วชะตากรรมของดาวต่างๆ ในกาแล็กซีจะเป็นเช่นไร

คำตอบที่เป็นไปได้คือ ปัจจุบันโลกอยู่ห่างจากจุดศูนย์กลางของทางช้างเผือกค่อนข้างมาก ดังนั้นหลังการชน การคำนวณ และการจำลองสถานการณ์ที่เกิดขึ้นได้แสดงให้เห็นว่า เมื่อเป็นการชนกันเฉียงๆ กาแล็กซีทั้งสองจะเคลื่อนที่ผ่านกันและกันก่อน ต่อมาอีก 2,000 ล้านปี กาแล็กซีทั้งสองก็จะหวนกลับมารวมตัวกันใหม่ในอีก 5,000 ล้านปีเป็นกาแล็กซีใหม่ ชื่อ Milkomeda (จากคำ Milky Way + Andromeda) ที่มีทรงเป็นรูปไข่ แทนที่จะเป็นเกลียวเหมือนทางช้างเผือก และ Andromeda ในปัจจุบัน กระนั้นสุริยะระบบก็จะยังคงอยู่ แต่จะไม่มีสิ่งมีชีวิตใดๆ หลงเหลืออยู่บนโลก และระบบสุริยะจะอยู่ห่างจากจุดศูนย์กลางของ Milkomeda ประมาณ 65,000 ปีแสง

แต่ความแม่นยำในการทำนายเรื่องนี้ก็ยังมีความไม่แน่นอน (คือไม่ถูกต้อง) เพราะไม่มีใครมีข้อมูลของ Andromeda อย่างละเอียด ว่ามีอะไรอยู่ในกาแล็กซีนั้นบ้าง และดาวฤกษ์ต่างๆ มีความเร็วในทิศต่างๆ อย่างไร ก่อนที่จะชนกับทางช้างเผือกของเรา

อ่านเพิ่มเติมจาก The Edge of Infinity: Supermassive Black Holes in the Universe โดย Fulvio Melia จัดพิมพ์โดย Cambridge University Press ปี 2003

เกี่ยวกับผู้เขียน สุทัศน์ ยกส้าน

ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" จาก "ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน" ได้ทุกวันศุกร์