นักดาราศาสตร์วัดระยะห่างของดวงดาวต่าง ๆ ได้ยังไง?

23 กรกฎาคม 2568

เอกภพของเราประกอบด้วยไปเทหวัตถุต่าง ๆ มากมายจำนวนนับไม่ถ้วนที่รอคอยการค้นพบ ไม่ว่าจะเป็นหลุมดำขนาดมหึมา ไปจนถึงดาวเคราะห์ที่อาจมีสิ่งมีชีวิตอยู่ได้ในระบบดาวห่างไกลอย่างไรก็ตามวัตถุต่าง ๆ ในอวกาศนี้อาจอยู่ห่างไกลและมีขนาดที่ใหญ่มากเสียจนเราคาดไม่ถึง

ยกตัวอย่าง เช่น ทางช้างเผือกที่ปรากฏบนท้องฟ้า หากดูเผิน ๆ ก็อาจจะคิดว่ามีความกว้างหลักล้านกิโลเมตร แต่ในความจริงแล้วทางช้างเผือกกลับมีความกว้างมากกว่า 100,000 ปีแสงหรือประมาณ 9.461 เพตะเมตร หรือ 9.461 ล้านล้านกิโลเมตรเลยทีเดียว

แล้วนักดาราศาสตร์วัดระยะทางของดวงดาวต่าง ๆ ได้อย่างไร ? พวกเขามีไม้บรรทัดยักษ์ หรือใช้เทคนิคแบบไหนในการวัดความยิ่งใหญ่ของเอกภพกันแน่ ?

การวัดระยะทางดาราศาสตร์

ดวงจันทร์เป็นวัตถุบนท้องฟ้าที่ใกล้โลกมากที่สุด ซึ่งอยู่ห่างออกไปประมาณ 384,400 กิโลเมตรด้วยระยะทางเท่านี้เราต้องใช้เวลามากกว่า 3-4 วันในการเดินทางไปให้ถึง ดังนั้นเราไม่ต้องคิดถึงระยะทางจากโลกไปยังสุดขอบของระบบสุริยะ เราจำเป็นจะต้องใช้เลขศูนย์ 0 มากขนาดไหนเพื่อบรรยายถึงระยะทางที่แสนไกลนี้

เพราะฉะนั้นแล้วนักดาราศาสตร์จึงจำเป็นต้องคิดหน่วยทางดาราศาสตร์ที่จะมาช่วยให้การอธิบายความกว้างใหญ่ และระยะทางพวกนี้ให้ง่ายขึ้น โดยแรกเริ่ม นักดาราศาสตร์เริ่มจากหน่วยที่เล็กที่สุดทางดาราศาสตร์อย่าง 1 หน่วยดาราศาสตร์ ซึ่งเป็นระยะทางจากโลกมาดวงอาทิตย์ที่เท่ากับ 150 ล้านกิโลเมตร

ด้วยหน่วยที่คิดขึ้นมาใหม่นี้ช่วยให้การศึกษาดาวเคราะห์ในระบบสุริยะของเราเป็นไปได้ง่ายขึ้น เราไม่ต้องเขียนตัวเลขยาวเหยียดเพื่อบรรยายว่าดาวเคราะห์วงนอกนั้นอยู่ไกลแค่ไหน แต่ว่าในความจริงเรามิได้อยู่อย่างโดดเดี่ยวท่ามกลางห้วงอวกาศ แต่มีระบบดาวและกาแล็กซีอื่น ๆ อีกมากมายที่อยู่ไกลมาก ๆ จนหน่วยดาราศาสตร์เองก็อาจเล็กเกินไป

นักดาราศาสตร์ได้คิดวิธีใหม่ รวมถึงหน่วยใหม่ขึ้นมา ในขั้นแรกพวกเขาเริ่มจากวิธีการง่าย ๆ อย่างการส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าพุ่งไปยังวัตถุเป้าหมายเพื่อจับเวลาที่สัญญาณเดินทางไปกลับมาคำนวณระยะทาง ซึ่งวิธีนี้ช่วยให้เราสามารถคำนวณระยะของวัตถุที่อยู่ใกล้ ๆ ได้ ขณะเดียวกันวิธีการนี้ทำให้เกิดการคิดค้นหน่วยใหม่ที่เรียกว่า ปีแสง ที่หมายถึงระยะทางที่แสงเดินทางได้ใน 1 ปี หรือ 9.4 ล้านล้านกิโลเมตร ที่ครอบคลุมระยะทางที่ยาวมากกว่าหน่วยดาราศาสตร์

หน่วยปีแสงถูกใช้อย่างแพร่หลายในงานวิจัยต่าง ๆ จนกระทั่งพวกเราตระหนักได้ว่าระบบดาวฤกษ์ที่ใกล้ที่สุดอย่าง Proxima Centauri นั้นอยู่ห่างจากพวกเราถึง 4.2 ปีแสง ซึ่งนี่ยังไม่ถึงแม้แต่กระทั่ง 1% ของทางช้างเผือก ที่เป็นดาราจักรที่พวกเราอาศัยอยู่เสียด้วยซ้ำ ดังนั้นแล้วแสงที่เราคิดว่าเร็วที่สุดนั้นอาจเดินทางได้สั้นมากเมื่อเทียบกับขนาดของเอกภพจริง ๆ ที่รอคอยการค้นพบ อีกทั้งการที่เราจะใช้วิธีเดิม ๆ อย่างการส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อนับเวลานั้น เราอาจต้องใช้เวลารอหลายชั่วอายุคน

พารัลแลกซ์

จากที่ได้กล่าวไปว่า ปีแสงนั้นยังใหญ่ไม่เพียงพอที่จะใช้ได้จริง เนื่องจากระยะทางของวัตถุต่าง ๆ บนอวกาศอาจห่างกันหลายปีแสง และไม่ได้อยู่ในระนาบเดียวกันทั้งหมด ดังนั้นนักดาราศาสตร์จึงได้คิดค้นระบบพารัลแลกซ์ขึ้น ซึ่งมีความแม่นยำมากกว่าเมื่อใช้กับวัตถุที่อยู่ห่างมาก ๆ

การวัดระยะด้วยวิธีพารัลแลกซ์นั้นอาศัยหลักการที่คุณเองก็สามารถทำได้ โดยคุณอาจวางสิ่งของสักอย่างไว้ตรงหน้า แล้วมองของชิ้นนั้นโดยการปิดตาข้างใดข้างหนึ่ง และทำแบบนี้กับตาอีกข้างหนึ่งก็จะพบว่าวัตถุที่เรามองจากตาทั้งสองข้างจะเขยื้อนไปจากตำแหน่งเดิมเล็กน้อย มุมองศาที่เขยื้อนนี้เราเรียกว่า ‘มุมพารัลแลกซ์’ ซึ่งนักดาราศาสตร์ใช้คุณสมบัตินี้ในการหาระยะทางของวัตถุที่อยู่ไกลมาก ๆ โดยแทนที่ดวงตาของเราเป็นตำแหน่งของโลกที่เปลี่ยนไปในทุก 6 เดือนก่อนที่จะคำนวณทางตรีโกณมิติเพื่อให้ได้ระยะทางของดาวที่สนใจ

แม้พารัลแลกซ์จะช่วยให้เราสามารถวัดระยะทางที่ไกลแสนไกลในระดับกาแล็กซีได้ ปัญหาอย่างหนึ่งของวิธีนี้คือ ยิ่งระยะทางไกลเท่าไหร่ มุมพารัลแลกซ์ที่เปลี่ยนไปจะยิ่งน้อยลงมาก ๆ จนแทบจะไม่เปลี่ยนเลยในระยะที่ไกลมาก ๆ ดังนั้นนักดาราศาสตร์จึงต้องอาศัยเทคนิคใหม่ที่จะมาทำหน้าที่แทนพารัลแลกซ์

เทียนไขมาตรฐาน

เชื่อว่าหลายคนน่าจะเคยไปในชนบทที่ห่างไกลความเจริญ แสงสว่างตอนค่ำคืนมีเพียงเทียนไขหรือตะเกียงที่แขวนตามกำแพงหรือเสาบ้าน อย่างไรก็ตามเมื่อเราค่อย ๆ เดินห่างจากตะเกียงออกไปเรื่อย ๆ เราจะพบว่าความสว่างของตะเกียงจะน้อยลงไปตามระยะทาง จากความสัมพันธ์นี้เอง นักดาราศาสตร์ได้ใช้เป็นหลักการในการบอกระยะห่างของดาวดวงต่าง ๆ บนฟากฟ้า โดยอาศัยดาวบางประเภททำหน้าที่คล้ายหลักกิโลเมตรที่ใช้บอกระยะห่างจากโลก

แต่ในความจริง ไม่ใช่ว่าดาวทุกดวงที่เหมาะที่จะเป็นเทียนไขมาตรฐานได้ เนื่องจากเทียนไขที่นักดาราศาสตร์ต้องการนั้นต้องมีความสว่างที่แทบจะคงที่ หรือมีคาบการเปลี่ยนแปลงความสว่างกับกำลังส่องสว่างสัมบูรณ์ที่แน่นอน ดังนั้นในเอกภพของเราจึงมีเพียงดาวฤกษ์ 2 ประเภทเท่านั้นที่มีคุณสมบัติดังกล่าว คือ ‘ดาวแปรแสงเซฟิอีด’ ที่มีคาบการเปลี่ยนแปลงที่แน่นอน ซึ่งถูกใช้ในระยะทางไม่เกิน 50 ล้านพาร์เซก และ ‘ซูเปอร์โนวาชนิด Ia’ ที่มีความสว่างแทบจะคงที่ โดยถูกใช้ในระยะทางหลายร้อยล้านปีแสง

เทคนิคเทียนไขมาตรฐานนี้ช่วยให้เราขยายวงการสำรวจจากระดับไม่กี่ปีแสงขึ้นไปจนถึงหลายร้อยล้านปีแสงได้ ถึงอย่างนั้นเอกภพก็ยังกว้างเกินไปเสียจนซูเปอร์โนวาชนิด Ia ก็ยังไม่เพียงพอที่จะพาเราวัดความกว้างของเอกภพได้

การวัดดาราจักรที่อยู่ไกลลิบ

นับตั้งแต่ ‘Bigbang’ เอกภพของเราได้ข้ามผ่านกาลเวลาและขยายตัวอย่างต่อเนื่องนั้น ส่งผลให้ดาราจักรที่อยู่ห่างไกลจากพวกเราหลายแห่งกำลังถอยห่างออกไปเรื่อย ๆ ส่งผลให้แสงที่เดินทางข้ามผ่านห้วงอนธการก่อนที่จะมาถึงโลกมีความยาวคลื่นที่เปลี่ยนไป การเปลี่ยนแปลงของความยาวคลื่นจากการถอยห่างของกาแล็กซีช่วยให้นักดาราศาสตร์ยืนยันได้ว่า เอกภพของเรากำลังขยายตัว และดาราจักรต่าง ๆ กำลังเคลื่อนที่เข้าหากัน หรือออกห่างจากกัน โดยเราเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า การเลื่อนไปทางแดง ซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (ในที่นี้คือแสง) เคลื่อนที่ผ่านอวกาศในระยะทางที่ยาวไกลมาก ๆ จนเกิดปรากฏการณ์ด็อพเพอร์ที่ส่งผลให้ผู้สังเกตได้รับรังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับแหล่งกำเนิด โดยความเร็วในการถอยห่างจะแปรผันตรงกับระยะทางตามกฎของฮับเบิล

รูปที่ 2 การวัดระยะทางดาราศาสตร์ ภาพจาก NASA

กฎของฮับเบิล ถือเป็นเครื่องมือที่สำคัญในการวัดระยะทางของดาราจักรที่อยู่ไกลมาก ๆ เนื่องจากบริเวณนั้น อิทธิพลของการขยายตัวมีมากกว่าแรงโน้มถ่วงระหว่างดาราจักร อย่างไรก็ตาม ค่าคงที่ของฮับเบิลที่ใช้ในการคำนวณเพื่อหาระยะทางตามกฎของฮับเบิลนั้นยังคงเป็นข้อถกเถียงในแวดวง เนื่องจากความแตกต่างเล็กน้อยระหว่างค่าที่ได้จากวิธีการวัดที่แตกต่างที่เรียกว่า ‘Hubble Tension’

การวัดระยะทางทางดาราศาสตร์เป็นสิ่งหนึ่งที่ตอกย้ำความยิ่งใหญ่ของเอกภพ และเป็นเครื่องการันตีความเป็นไปได้ที่สักเสี้ยวหนึ่งของเอกภพอาจมีดาวเคราะห์อีกดวงที่เหมาะสมสำหรับการมีสิ่งมีชีวิตที่ทรงภูมิปัญญา แม้ปัจจุบันเราจะยังไม่พบดาวดวงนั้น แต่เชื่อได้ว่าในอนาคตเราอาจพบเจอใครบางคนท่ามกลางความยิ่งใหญ่ของห้วงอนธการแห่งนี้

อ้างอิง