:: กระทู้ดาราศาสตร์ :: ดาวเทียมสำรวจรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของเอกภพ (CMB)

กระทู้สนทนา

สวัสดีปีใหม่ครับ เพื่อน ๆ พี่ ๆ และ น้อง ๆ หว้ากอทุกท่าน

วันนี้  ผมขอเสนอเนื้อหาดาราศาสตร์เรื่อง ดาวเทียมสำรวจรังสี Microwave พื้นหลังของเอกภพ
หรือ  Cosmic Microwave Background (CMB) ครับ   และหากเราจะพูดถึงเรื่องของ CMB นี้
ก็จะต้องเริ่มที่เรื่องของทฤษฏี Big Bang กันก่อนครับ .....

ภาพนี้  เป็นภาพของ Big Bang Timeline ที่เราคุ้นเคยกันดีครับ  เมื่อเกิด Big bang ขึ้นมาแล้ว
มันคือการระเบิดครั้งใหญ่ที่สุดของกาลเวลา  ทำให้เกิด ความร้อน อย่างมหาศาล  และเมื่อเวลาผ่านไป
นานประมาณ 375,000 ปี  ความร้อนของ Big bang นั้นได้ลดลงจนเหลือเประมาณ 3,000 Kelvin เท่านั้น
จากภาพนี้  เราจะเห็นลำดับขั้นของเอกภพที่เป็นไปหลังจาก Big bang ครับ  ก็คือ 375,000 ปี ผ่านไป
จะเหลือเพียงความร้อน 3,000 Kelvin .... ต่อไปก็คือ Dark age  ซึ่งเป็นความมืดอันว่างเปล่า .... และต่อไป
ก็จะเริ่มมีการกำเนิดดาวฤกษ์ชุดแรก ๆ ของเอกภพ .... และรวมตัวกันไปเป็นแกแลคซี่ต่าง ๆ ถึงปัจจุบัน

อีกภาพหนึ่งของ Cosmoc Timeline

ภาพนี้ คือคำอธิบายว่า คลื่น หรือ Photon ของ CMB ได้กำเนิดมาช่วงใดของ Big bang

และจากวรรคบน .... การที่บอกว่า 375,000 ปี หลัง Big bang จะเหลือเพียงความร้อนเพียง 3,000 Kelvin นั้น
ก็คือที่มาของเรื่องนี้ มันมาจากการที่นักดาราศาสตร์ในสมัยปี 1960 ได้ตั้งสมมุติฐาน และ ทดลองวัดค่าในอวกาศ
โดยใช้อุปกรณ์รับคลื่นในย่าน Microwave ที่มีหน้าตาโบราณแบบนี้ครับ ภาพนี้คือ Holmdel Horn Antenna
ซึ่งใช้วิเคราะห์คลื่นวิทยุย่าน Microwave ที่รับได้จากอวกาศ

นักดาราศาสตร์สมัยนั้นได้วิเคราะห์ออกมาสรุปได้ว่า  จากอุณหภูมิของเอกภพประมาณ 3,000 Kelvin นั้น
เมื่อเวลาผ่านไปนานแสนนานจนถึงปัจจุบัน  photon ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเหล่านั้นได้วิ่งออกไปตามการ
ขยายตัวของเอกภพ  จนเกิด Red shift จนเหลือความยาวคลื่นประมาณ 1 มิลลิเมตร  และนี่คือ Effective
temperature ที่ประมาณ 2.7 Kelvin ในปัจจุบันนี่เองครับ

การที่นักดาราศาสตร์ทราบได้ว่ายังมีอุณหภูมิในอวกาศที่สูงกว่า 0 Kelvin นั้น  ทราบโดยการวิเคราะห์
ตามหลักการของ Black Body Radiation (การแผ่รังสีของวัตถุดำ) ครับ  ผมจะขออธิบายง่าย ๆ คือ
วัตถุใด ๆ ที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 0 Kelvin  มันจะแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาเสมอ  ตัวอย่างง่ายสุดก็คือ
หากเรามองไปที่ ก้อนหิน 1 ก้อน  เราจะไม่รู้ว่ามันร้อนเท่าใด  แต่ .... หากเราใช้ sensor บางอย่าง
ส่องไปที่ก้อนหินก้อนนั้น  เราจะเห็นทันทีว่ามันกำลังแผ่รังสี (คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า) ในย่าน Infrared อยู่ครับ
ซึ่งก็คือมันกำเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในย่าน แสง Infrared ออกมานั่นเอง  มันคือปรากฏการณ์ในระดับ Atom
ที่มีพลังงานจากความร้อนอยู่ในวัตถุนั้น  ทำให้เกิดการเปลี่ยนชั้นพลังงานของ Electron และกำเนิด Photon
ออกมาในย่านต่าง ๆ ตามความร้อนของวัตถุก้อนนั้น .... ดังนั้น  เราก็สามารถทราบอุณหภูมิของวัตถุใด ๆ ก็ได้
จากการใช้ IR sensor ส่องไปที่มัน  (นี่คือหลักการของ Thermometer แบบ Infrared นั่นเอง)

ทีนี้ .... หากเรามองไปในอวกาศ  วัตถุในอวกาศ และ ความร้อนที่เหลือจาก Big bang ที่เรากำลังพูดถึงนี้
มันก็จะแผ่รังสีตามหลักการ  Black Body Radiation เหมือนกันทุกประการ  แต่ ...เนื่องจากมัน เย็นจัดมากครับ
มันจึงแผ่รังสีออกมาในย่านความถี่ต่ำกว่าแสง Infrared  นั่นก็คือลงไปถึงย่านคลื่นวิทยุย่าน Microwave นั่นเอง
จากภาพนี้  คือ Spectrum ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า  คำอธิบายในภาพนี้ก็คือหลักการที่ผมกล่าวไปนี้เอง

นี่คือกราฟแสดง ความถี่ ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าพื้นหลังเอกภพ  ซึ่งจะมีความถี่
ที่ตรวจจับได้จากดาวเทียมสำรวจ CMB  โดยความความถีที่รับได้จะโดดเด่นที่ความถี่ 160.23 GHz
เทียบเท่าอุณหภูมิของเอกภพที่ 2.72548  (+- 0.00057) Kelvin ครับ

ต่อมา .... ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีก็ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถวิเคราะห์ CMB
อย่างจริงจังได้ครับ  โดยสร้างดาวเทียมเพื่อสำรวจ CMB โดยเฉพาะ  ดาวเทียมที่สร้างขึ้นมานี้
มี 3 ดวง  ดวงแรกสุด คือ COBE  ดวงที่ 2 ชื่อว่า WMAP  และดวงล่าสุด คือ Planck  ทั้ง 3 ดวงนี้
มีหน้าที่สำรวจ CMB เพื่อสร้างแผนที่ของอุณหภูมิในเอกภพ  และสำรวจด้านอื่นที่เกี่ยวข้องกับ CMB ได้
ภาพล่างนี้คือการเปรียบเทียบแผนภาพอุณหภูมิของโลกเรา กับ แผนภาพของอุณหภูมิเอกภพ  จะเห็นว่า
การ สื่อความหมาย ใช้แบบเดียวกันเลย  แต่อุณหภูมิของเอกภพจากการเรืองของรังสี Microwave พื้นหลัง
(จากความร้อนเหลือจาก Big bang) นั้น .... จะมี Range ที่ต่างกันน้อยมาก ๆๆๆ  แต่ดาวเทียมที่มีความละเอียดสูง
ก็สามารถจับได้ และสร้าง MAP ออกมาได้ครับ

นี่คือภาพของดาวเทียมตรวจจับ CMB 3 ดวงครับ  เรียงจากเก่าไปหาใหม่  ทั้ง 3 ดวง
ปลดระวางไปหมดแล้ว  ดวงเก่าอย่าง COBE ก็มีความละเอียดของ CMB map น้อยมาก
ดวง WMAP ก็ดีขึ้นมามาก  และสุดท้าย ดวง Planck ก็จะได้ CBM map ที่ละเอียดที่สุดครับ
_{- COBE ย่อมาจาก Cosmic Background Explorer

- WMAP ย่อมาจาก Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP)

  โดยชื่อ Wilkinson นำมาใส่ทีหลัง  เพื่อเป็นเกียรติแก่ Dr David Wilkinson

  ผู้อยู่ในโครงการศึกษา CMB มาตั้งแต่แรกเริ่ม

- ส่วน PLANCK  ก็ใช้ชื่อตามนักฟิสิกส์ผู้ยิ่งใหญ่ Max Planck  ผู้บุกเบิกทฤษฏี Quantum physics}

วงโคจรของดาวเทียม WMAP ที่จุด L2 Lagrangian point .... บริเวณเดียวกับที่เราจะปล่อย
กล้องโทรทรรศน์อวกาศ James Webb ขึ้นไปวางตัวนั่นเอง

ส่วนประกอบคร่าว ๆ ของดาวเทียม WMAP

จากภาพข้างบนนี้  ดาวเทียม WMAP ก็เป็นเสมือนเครื่องรับคลื่นย่าน Microwave
ในย่านความถี่สูงมาก ๆ นั่นเองครับ  ย่านทำการนั้นสูงมากถึง 20 - 90 GHz
หากเทียบแล้วสูงกว่าความถี่ที่ใช้กันในดาวเทียม หรือ RADAR ทางทหารถึงหลายสิบเท่า
ที่ตัวดาวเทียมก็จะมีจาน Parabola เพื่อสะท้อนคลื่น 2 ช่วง  และมี Feed horn สำหรับ
รับคลื่น Microwave จากอวกาศไกลแสนไกล  ดู ๆ ไปแล้วมันก็เหมือน จานดาวเทียม ตามบ้าน
เรานี่เอง  แต่ใช้ในย่านความถี่สูงกว่า  และที่สำคัญ คือ มันถูกสร้างด้วยอุปกรณ์เกรดสูงสุด ดีที่สุดในโลกแล้ว

WMAP จะมีอุปกรณ์ที่เรียกว่า Feed horn  ซึ่งก็คือ ท่อรับคลื่น ที่สะท้อนมาจากจาน Parabola
โดยจะมี Feed horn แยก 6 ชุดตามย่านความถี่ของ Microwave  และที่จุดนี้เองที่มันถูกออกแบบ
ให้มีความละเอียด (Resolution) ในการรับคลื่นจากทรงกลมเอกภพ  และสร้างออกมาเป็นภาพ
ที่เราเห็นกันบ่อย คือภาพล่างนี้ครับ

คลิปนี้  คือการทำงานของดาวเทียม Planck (ซึ่งดาวเทียม WMAP และ COBE ก็ทำงานแบบนี้)
คือมันจะ หมุนรอบตัวเอง แบบช้า ๆ และกวาดจานสายอากาศรับคลื่น Microwave จากอวกาศ
ไปจนครบเป็นทรงกลม  ในคลิบจะเห็นเหมือน ลำแสง .... นั่นมิใช่ว่าดาวเทียมยิงลำแสงออกไปนะครับ
แต่เป็นการสื่อว่ามัน รับคลื่นเข้ามา เป็น Beam ที่ค่อนข้างแคบ  เพื่อจะได้สร้างภาพที่มี Resolution สูงได้ครับ

ภาพ MAP ในคลิป  เราจะเห็นเป็นแถบสีแดงตรงกลาง  นั่นก็คือ อุณหภูมิ ที่สูงกว่าส่วนอื่นใน MAP
เกิดจากส่วนของแกนกลางทางช้างเผือก  ที่มีความหนาแน่นของดาวฤกษ์มากกว่าปกติครับ

เราได้อะไรจากดาวเทียม WMAP และ Planck ในการศึกษา CMB บ้าง ?
ตลอดเวลา 10 ปีของภารกิจดาวเทียม WMAP  และ 6 ปีของดาวเทียม Planck
เราได้สิ่งที่มีประโยชน์มหาศาลในวงการจักรวาลวิทยา ครับ  เนื่องจากความสามารถ
ในการวัดค่าความถี่ Microwave ได้อย่างละเอียดยิบ  นำมาซึ่งความสามารถในการแยกแยะ
ความแตกต่างของอุณหภูมิได้ละเอียดมากถึง 5 - 10 ส่วนล้าน องศา C  ซึ่งความแตกต่าง
ของอุณหภูมิแบบนี้บนโลกจะถือว่าไม่มีนัยสำคัญ  แต่ในเรื่องจักรวาลวิทยา แล้ว ....
ค่าความแตกต่างนี้กลับมีนัยสำคัญอย่างมากในเรื่องของความหนาแน่นของเอกภพส่วนนั้นครับ

ตัวอย่างภาพขององค์ประกอบเอกภพปัจจุบันนี้  กับเมื่อ 380,000 ปี หลัง Big bang
สิ่งเหล่านี้ได้มาจากการวิเคราะห์ CMB ทั้งสิ้นครับ

สุดท้าย ... ขอปิดท้ายด้วยคลิปนี้ครับ  ในคลิปจะแสดงถึงการทำงานที่ละเอียด และ ทรงประสิทธิภาพ
ของดาวเทียม Planck .... Planck จะ scan รับคลื่น Microwave ในอวกาศเป็นทรงกลมด้วยความถี่ต่าง ๆ กัน
มากถึง 9 ความถี่  เพื่อทำให้ทีมงานสามารถ remove เอา MAP ที่เป็นอุณหภูมิของแกนกลางทางช้างเผือกออกไปได้
จนเหลือเพียง MAP ที่ต้องการ  ก็คือเฉพาะ CMB นั่นเองครับ .... นอกจากนี้  ยังสามารถตรวจหาการ form ของดาวฤกษ์
เกิดใหม่ได้  ,  ตรวจหาแกแลคซี่จำนวนมากได้  และยังสามารถหาได้ถึง Galaxy cluster เพื่อทำ MAP ของ Cosmic web ได้
และยังหาความ Distortion ของคลื่นจากอิทธิพลของ Gravitational Lensing ได้ด้วย  ทำให้นักดาราศาสตร์สามารถ
ศึกษาเรื่องของ Dark matter , Dark energy ได้มากขึ้นครับ