คลัสเตอร์ของกาแล็กซี่ สสารมืดและ cosmic web

Visits:368

กาแล็กซี่ส่วนใหญ่จะรวมกันเป็นกลุ่มเรียกว่า “คลัสเตอร์(cluster)” ซึ่งเกิดจากแรงโน้มถ่วงระหว่างกาแล็กซี่ด้วยกันเองแต่ก็ต้องสู้กับการสเปซขยายตัวที่พยายามดีดให้กาแล็กซี่ดีดห่างออกจากกัน โครงสร้างแบบคลัสเตอร์เกิดขึ้นได้เพราะว่าแรงโน้มถ่วงชนะการขยายตัวของสเปซซึ่งส่วนใหญ่เป็นอำนาจแรงโน้มถ่วงลึกลับที่อยู่ภายในกาแล็กซี่ที่เชื่อว่ามาจากบางสิ่งที่ยังไม่รู้ที่เรียกว่า “สสารมืด(dark matter)” การขยายตัวของสเปซ คลัสเตอร์ของกาแล็กซี่และสสารมืดร่วมกันทำให้เกิดโครงสร้างที่คล้ายใยแมงมุมที่เรียกว่า “cosmic web”

หลังปี 1929 นักฟิสิกส์เชื่อว่าการที่กาแล็กซี่ดีดห่างกันออกไปตามที่นักดาราศาสตร์อเมริกันเอ็ดวิน ฮับเบิ้ล (Edwin Hubble) ค้นพบจริงๆแล้วก็คือการขยายตัวของสเปซระหว่างกาแล็กซี่ไม่ใช่การเคลื่อนของกาแล็กซี่ไปในสเปซตามปกติ การขยายตัวหรือหดตั​วของสเปซไม่ใช่เรื่องใหม่เป็นสิ่งที่มีอยู่ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่เสนอโดยไอน์สไตน์มาตั้งแต่ปี 1915 ไอน์สไตน์เอาทฤษฎีของเขามาสร้างแบบจําลองแรกของจักรวาลในปี 1917 แต่ก็ถูกตีตกไปหลังการค้นพบของฮับเบิ้ล เพราะแบบจําลองของเขาตั้งอยู่บนสมมติฐานว่าสเปซไม่ยืดไม่หด

การขยายตัวของสเปซซึ่งตอนแรกๆเชื่อกันว่าเป็น “แบบหน่วง” ทฤษฎีของเขา(ซึ่งวิเคราะห์โดยคนอื่น)ทํานายว่าสเปซจะหดตัวจนกระทั่ง “ไม่มีสเปซ” นักปรัชญามักกล่าวว่าจะมี Something เกิดจาก Nothing ไม่ได้ จักรวาลอาจเป็นข้อยกเว้น


การขยายตัวด้วยความเร่งทำให้กาแล็กซี่รอบๆดีดห่างออกนอกเส้นขอบฟ้าอนาคตในที่สุด

และปี 1998, Big Surprise ก็เกิดขึ้นอีกเมื่อพบว่าจริงๆแล้วจักรวาลกําลังขยายตัว “แบบเร่ง” ซึ่งในอนาคตอีกหลายหมื่นหรือแสนล้านปีข้างหน้ากาแล็กซี่ทุกแห่งในจักรวาลจะถูกโดดเดี่ยว กาแล็กซี่รอบๆจะถูกดีดห่างออกไปนอกเส้นขอบฟ้า มองไปบนท้องฟ้าก็จะเห็นแต่ดาวในกาแล็กซี่เดียวกัน อาจไม่เหลือหลักฐานใดๆมาบอกอารยธรรมในอนาคตว่า “จักรวาลกําลังขยายตัว !”

1. การขยายตัวของสเปซมีทฤษฎีรองรับอยู่แล้ว

เริ่มแรกไอน์สไตน์ไม่ได้คิดทฤษฎีใหม่ขึ้นมาเพื่ออธิบายจักรวาลหรือการเคลื่อนที่ของกาแล็กซี่(ซึ่งตอนนั้นยังไม่แน่ใจว่ามีหรือไม่) เขาต้องการแก้ไขข้อบกพร่องของกฏแรงดึงดูดระหว่างมวลของนิวตันที่อนุญาตให้แรงจากดาวดวงหนึ่งส่งไปยังอีกดาวดวงหนึ่งในทันทีทันใดโดยไม่ต้องใช้เวลาซึ่งเป็นสิ่งที่ยอมรับไม่ได้เพราะเขาเชื่อว่าทุกอย่างถูกจํากัดด้วยความเร็วแสงซึ่งเป็นความเร็วสูงสุด

แรงดึงดูดระหว่างดวงดาวจะต้องมีผลในเวลาที่ไม่เกินกว่าความเร็วแสงด้วยตามกฏของนิวตันถ้ามีดาวหางชนดวงจันทร์แล้วทําให้ดวงจันทร์มีมวลมากขึ้นโลกจะรับรู้ถึงแรงดึงดูดที่มากขึ้นในทันทีทันใด สําหรับไอน์สไตน์โลกจะรับรู้ได้เร็วที่สุดประมาณ 1+1/3 วินาทีไม่เกินไปกว่าเวลาที่แสงใช้เดินทางระหว่างโลกและดวงจันทร์

ทฤษฎีของเขามีหลักง่ายๆว่า “สเปซเสมือนกับเป็นสิ่งๆหนึ่ง” ที่มีความสัมพันธ์กับมวลสารและพลังงานที่อยู่ในสเปซบริเวณนั้นในลักษณะที่ไปทําให้สเปซเปลี่ยนรูปทรงไปจากปกติ ตามทฤษฎีนี้สเปซที่ใกล้ผิวของดาวจะถูกยืดออกตามแนวรัศมี รูปทรงของสเปซที่ต่างจากปกติไม่ได้เกิดขึ้นในทันทีทันใดแต่ค่อยๆพัฒนาขึ้นในขณะที่ดวงดาวก่อตัวเมื่อดาวก่อตัวจนนิ่งรูปทรงสเปซรอบๆที่บิดเบี้ยวไปจากปกติก็นิ่ง

** การบิดเบี้ยวของสเปซเป็นครึ่งหนึ่งของทฤษฎีนี้อีกครึ่งหนึ่งคือการบิดเบี้ยวของ “เวลา” ซึ่งฟังดูไม่คุ้นเช่นกันแต่ยังไม่ใช่เรื่องจําเป็นในตอนนี้ **

สเปซตามปกติคือสเปซที่มีคุณสมบัติตามที่เราเรียนกันมาตั้งแต่เด็กๆเช่น เส้นขนานสองเส้นจะขนานกันตลอดไป, มุมภายในสามเหลี่ยมรวมกันได้ 180 องศา, กฏสามเหลี่ยมมุมฉากไพธากอรัส, เส้นรอบวงเท่ากับ 2×3.1416xรัศมี เป็ นต้น สเปซที่มีคุณสมบัตินี้เรียกว่าเป็นแบบราบเรียบหรือ flat space

สมมติว่าเรามีก้อนยางใสๆที่เราวาดรูปทรงเรขาคณิตเอาไว้ที่ผิวหรือภายในหากเราออกแรงยืดหรือบิดก้อนยางให้บิดเบี้ยวจากปกติรูปทรงที่วาดก็จะบิดเบี้ยวไปด้วย ซึ่งทําให้กฏทางเรขาคณิตที่เราคุ้นเคยใช้ไม่ได้หากเราอยู่ในสเปซที่บิดเบี้ยวนี้


วิชาเรขาคณิตที่เราเรียนมาใช้กับสเปซที่บิดเบี้ยวไม่ได้

ตามทฤษฎีนี้หากวัตถุอยู่ใน flat space ก็จะอยู่ในสภาพเฉื่อยคือหยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสม่ําเสมอ(เมื่อถูกสังเกตโดยคนที่อยู่ในสภาพเฉื่อยเหมือนกัน) แต่หากสเปซถูกยืดออกอย่างง่ายๆตามรูปวัตถุจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วไม่สม่ำลเสมอไปตามแนวการยืดของสเปซ


คล้ายกับลูกปิงปองที่อยู่นิ่งบนแผ่นยางแต่พอแผ่นยางถูกยืดลูกปิงปองก็เคลื่อนที่

ทฤษฎีนี ้ “ไม่มีแรงโน้มถ่วง” แรงนี้เป็นเพียงภาพมายา โลกไม่ได้ส่งแรงดึงดูดไปยังแอปเปิ้ลแต่โลกทําให้สเปซรอบๆโลกยืดออก แต่ระดับการยืดไม่เท่ากันในแต่ละตําแหน่งจึงทําให้แอปเปิ้ลไหลไปตามแนวการยืดหรือรัศมีของโลกทําให้เห็นราวกับว่ามีแรงดึงดูดแอปเปิ้ลให้ตกลงพื้น


สเปซรอบมวลสารทรงกลมมีการยืดออกจากแนวรัศมี ใกล้ศูนย์กลางมากยืดมากและยืดน้อยลงหากห่างออกไปจนแทบไม่ยืดเลย

แรงโน้มถ่วงจากดาวที่พล่านไปทั่วจักรวาลโดยไม่ใช้เวลาจึงถูกแทนที่ด้วยการเปลี่ยนรูปทรงของสเปซรอบดาวและเป็นกระบวนการที่ต้องใช้เวลาซึ่งถูกจํากัดด้วยความเร็วแสง ที่เข้าใจว่าเป็นแรงโน้มถ่วงจริงๆแล้วเป็นปรากฏการณ์จากการยืดหรือหดหรือการบิดเบี้ยวของสเปซ

ไอน์สไตน์ทดสอบทฤษฎีของเขากับเส้นทางการเคลื่อนที่อันแปลกประหลาดของดาวพุธที่กฏแรงโน้มถ่วงของนิวตันอธิบายไม่ได้ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าในสถานการณ์ที่แรงโน้มถ่วงมีค่าสูงมากๆเช่นบริเวณใกล้ดาวที่มีมวลมากอย่างเช่นดวงอาทิตย์กฏของนิวตันมีความคลาดเคลื่อน

ทฤษฎีของเขาถูกนักฟิสิกส์หลายคนนําไปต่อยอดเช่นการอธิบายการยืดหดของสเปซรอบดาวที่กล่าวมาก่อนหน้า หลังจากสร้างทฤษฎีนี้สําเร็จในปี 1915 สองปี ต่อมาเขาเอาทฤษฎีนี้มาแก้ปัญหาทางคณิตศาสตร์ที่เกิดจากสมมติฐานว่าต้องมีดาวกระจายไปทั่วจักรวาลเพื่อป้องกันการยุบตัวเนื่องจากแรงโน้มถ่วงตามกฏของนิวตัน (อ่าน “จักรวาลไม่มีขอบเขตแต่มีขอบฟ้า“)

เขาแก้ปัญหานี้ได้โดยการสมมติว่าสเปซโค้งเข้าหาตัวเองจนไม่มีขอบเขตคล้ายกับที่ผิวโลกโค้งจนม้วนเป็นทรงกลมที่ไม่มีขอบเขตเช่นกัน และร่วมกับสมมติฐานที่ว่าสเปซไม่มีการยืดหรือหดตามเวลา (มีการยืดหรือหดได้แต่นิ่งอยู่อย่างนั้น) แต่ต้องแลกด้วยการแก้ไขสมการดั้งเดิมของเขาเล็กน้อย

ไม่ใช่ไอน์ไตน์คนเดียวที่เอาทฤษฎีของเขามาใช้อธิบายจักรวาล ในปีเดียวกันก็มีคนอื่นเสนอโมเดลอื่นแข่งเหมือนกัน แต่โมเดลที่สําคัญเกิดขึ้นในปี 1922 และ1927 ซึ่งทํานายว่าคําตอบของสมการที่กว้างขวางกว่าของไอน์สไตน์ก็คือ “จักรวาลไม่ขยายตัวก็หดตัว” แต่สําหรับไอน์ไตน์เป็นคําตอบที่เขาปฏิเสธ

แม้ว่าจะมีข้อมูลที่อาจตีความได้ว่าจักรวาลมีการขยายตัวมาก่อนหลายปี แต่การประกาศของฮับเบิ้ลในปี 1929 ก็ถือว่าเป็นจุดเริ่มต้นของการค้นพบว่าจักรวาลมีการขยายตัวจริงซึ่งสอดคล้องกับทฤษฎีของไอน์สไตน์ ซึ่งเจ้าตัวก็ต้องยอมรับในที่สุด

2. ลักษณะการขยายตัวของจักรวาล

สเปซในระดับจักรวาลยืดออกในลักษณะที่ต่างจากรอบดวงดาวทุกจุดในสเปซเป็นศูนย์กลางของการยืดออกไปรอบทิศทางด้วยอัตราเดียวกันแล้วดันกาแล็กซี่รอบๆให้ดีดห่างออกไปและเหมือนกันทุกจุด ในแต่ละช่วงเวลาที่เท่ากันกันจํานวนเท่าในการขยายอาจจะเท่ากันหรือไม่เท่ากันก็ได้ เช่นถ้ารัศมีเพิ่มขึ้น 2 เท่าทุกๆช่วงเวลาภาษา math เรียกว่าเพิ่มแบบเอ็กโปเนนเชียลฐาน 2 หรือถ้าเพิ่มขึ้น 2.718 เท่าก็จะเรียกว่าแบบเอ็กโปเนนเชียลฐาน e สเปซที่ขยายตัวแบบนี้จะเพิ่มปริมาตรได้อย่างรวดเร็วในช่วงเวลาสั้นๆ


สเปซขยายตัวจากทุกจุดและทุกทิศทางด้วยอัตราเดียวกัน

ย้ําว่าต้องจินตนาการว่าสเปซ “ยืดหรืองอก” ออกมารอบทิศทางและดันทุกสิ่งรอบๆให้ดีดห่างออกไปซึ่งในที่นี้ก็คือกาแล็กซี่ ในความเป็นจริงทุกอย่างจะถูกดีดห่างออกไปหมดเช่นถ้าสเปซในก๊าซขยายตัวแต่ละอนุภาคของก๊าซก็จะห่างกันออกไป(อนุภาคเองก็เคลื่อนที่ในสเปซที่ขยายตัวด้วย) การขยายตัวของสเปซไม่ใช่การขยายตัวแบบลูกโป่งเพราะไม่ใช่เป็นการขยายของพื้นที่ผิวแต่เป็นการผุดขึ้นมาใหม่ของสเปซท่ามกลางสเปซเดิมตลอดเวลา

อีกมุมมองหนึ่งคือมองว่าเป็นการขยายตัวของทุกๆคิวบิคของสเปซที่ทุกด้านขยายด้วยอัตราเดียวกัน ทุกๆคิวบิคจะมีคิวบิคอื่นๆล้อมรอบนับไม่ถ้วนรวมกันเป็นสเปซของจักรวาลที่ไร้ขอบเขตซึ่งต่างก็ขยายตัวแบบเดียวกัน


บางครั้งการมองว่าสเปซเป็นลูกคิวบิคที่ขยายทุกด้านเท่ากันก็ช่วยให้มองภาพได้ง่ายขึ้น

มุมมองแบบทรงกลมตรงกับธรรมชาติของการขยายตัวมากกว่า แต่ในการอธิบายบางครั้งเปลี่ยนมามองในมุมนี้จะทําให้มองภาพได้ง่ายขึ้น ผมจะใช้มุมมองทั้งสองนี้ตามแต่สถานการณ์

ระดับจักรวาลอะไรทําให้สเปซยืดขยาย? คําตอบคือรังสีและมวลสารรวมของทั้งจักรวาลที่กระจายกันอย่างสม่ําเสมอไปทั่วซึ่งจะทําให้เกิดการขยายตัว “แบบหน่วง” (หรือมีการหดตัวแทรกอยู่) และอีกสาเหตุหนึ่งคือมี “พลังงานมืด” อยู่ในจักรวาลแต่พลังงานนี้จะทําให้สเปซขยาย “แบบเร่ง” ซึ่งรายละเอียดยังไม่กล่าวถึงตอนนี้

3. สเปซที่โอบอุ้มกาแล็กซี่ไม่ขยายตัว

สเปซตาม Common Sense ของเราคือที่ว่างธรรมดาที่มีดวงดาวและกาแล็กซี่เคลื่อนที่ผ่าน


การเคลื่อนที่ในสเปซตาม common sense ของเรา

สเปซตาม Modern Cosmology สเปซคล้ายกับเป็นสิ่งๆหนึ่งที่ยืดได้(หดได้)แล้วดันสิ่งที่อยู่ระหว่างสเปซให้แยกจากกัน


ถ้าไม่นับการเคลื่อนที่เนื่องจากแรงโน้มถ่วง กาแล็กซี่อยู่นิ่งในขณะที่สเปซระหว่างกาแล็กซี่ยืดออก

รูปนี้คือการขยายตัวแบบในแบบทรงกลมแต่มองแบบคิวบิคแทนเพื่อให้มองเห็นภาพว่าสเปซที่โอบอุ้มกาแล็กซี่ไม่ขยายตัว

4. การขยายตัวของสเปซ vs แรงโน้มถ่วง *

โดยหลักการสเปซมีการขยายตัวทุกจุดพร้อมๆกันดังนั้นในระยะหรือสเกลที่ยาวมากการขยายตัวก็จะมีอํานาจมาก สมมติว่าเราสามารถ “เนรมิต” ให้มีแผ่นกระเบื้องแทรกตัวขึ้นมาระหว่างรอยต่อของกระเบื้องได้ในทุกๆช่วงเวลาหนึ่งซึ่งหากมีจํานวนกระเบื้องมากจํานวนรอยต่อก็ยิ่งมาก

เมื่อเกิดกระเบื้องแทรกตัวขึ้นมาพร้อมกันที่ทุกๆรอยต่อ คนที่ยืนอยู่บนกระเบื้องที่ปลายทั้งสองด้านจะถูกดีดห่างจากกันออกไปอย่างรวดเร็วแปรตามจํานวนรอยต่อของกระเบื้อง การขยายตัวของสเปซก็มีลักษณะคล้ายกันคือยิ่งห่างกันมากก็ยิ่งถูกดีดจากกันออกไปเร็วมากเพราะว่ามีจํานวนจุดของการขยายตัวเพิ่มขึ้นตลอดเวลา


ทุกจุดของสเปซขยายตัวพร้อมกัน ดังนั้นยิ่งไกลจากกันมากก็ยิ่งดีดห่างเร็วมากในขณะที่แรงโน้มถ่วงยิ่งลดอำนาจลง

ในขณะเดียวกันก็มีแรงดึงดูดระหว่างมวลสารที่ทําให้เกิดการเคลื่อนที่สวนกับทิศการขยายตัวของสเปซ การที่ต่างฝ่ายจะเห็นคู่ของตัวเองเคลื่อนที่เข้าหาหรือดีดห่างออกไปขึ้นอยู่กับว่าอิทธิพลของแรงโน้ มถ่วงมากกว่าหรือน้อยกว่าการขยายตัวของสเปซ

* การขยายตัวของสเปซกับแรงโน้มถ่วงอยู่คนละทฤษฎี คําอธิบายนี้อาจไม่รัดกุมนักแต่ก็ช่วยให้มองเห็นภาพได้ดี *

จะเห็นได้ว่าการขยายตัวของสเปซและแรงโน้มถ่วงเป็นสิ่งที่ตรงข้ามกัน


อำนาจของแรงโน้มถ่วงและการขยายตัวของสเปซกลับกัน

แรงโน้มถ่วงจะมีอํานาจมากเมื่อมวลสารอยู่ใกล้กันยิ่งไกลยิ่งลดอํานาจลงอย่างรวดเร็ว ดังนั้นแรงโน้มถ่วงจะชนะการยืดออกของสเปซในระยะสั้นๆ แต่การยืดออกของสเปซจะทําให้ต่างฝ่ายดีดห่างออกไปเร็วขึนเมื่อระยะไกลมากขึ้นหรือชนะแรงโน้มถ่วงในระยะไกลๆ สรุปง่ายๆว่าหากกาแล็กซี่ใกล้กันระยะหนึ่งแรงโน้มถ่วงจะชนะ หากไกลกันระยะหนึ่งการขยายตัวจะชนะ

หากการขยายตัวชนะก็แสดงว่ากาแล็กซี่จะยิ่งดีดห่างกันออกไปเร็วยิ่งขึ้นๆ ต่างฝ่ายจะเห็นอีกฝ่ายเร็วขึนจนเกินความเร็วแสงได้ไหม? คําตอบคือไม่มีข้อห้ามการที่บอกว่าความเร็วแสงเป็นความเร็วสูงสุดหมายความว่า “ไม่มีผู้สังเกตใดที่จะเห็นวัตถุเคลื ่อนที่ในสเปซด้วยความเร็วเกินกว่าความเร็วแสง” แต่การที่เราเห็นสิ่งใดดีดห่างออกเราไปอันเนื่องมาจากการขยายตัวของสเปซไม่ใช่เป็นเพราะสิ่งนั้นเคลื่อนที่ในสเปซแต่เป็นเพราะสเปซระหว่างกลางต่างห่างที่ยืดออกมาในขณะที่สิ่งที่เราสังเกตนั้นอยู่นิ่ง

ทําไมสเปซในกาแล็กซี่ถึงไม่ขยายตัว? ทําไมกาแล็กซี่จึงถูกการขยายตัวผลักออกห่างจากกันไปทั้งก้อน?

5. กาแล็กซี่ คลัสเตอร์กาแล็กซี่และสสารมืด

ดาวฤกษ์ไม่ได้กระจัดกระจายอย่างอิสระไปทั่วจักรวาล หากฟอร์มตัวใกล้กันก็จะมีแรงโน้ มถ่วงระหว่างกันที่ทําให้มารวมเป็ นกลุ่มก้อนซึ งเรียกว่ากาแล็กซี่ กาแล็กซี่เองก็ไม่ได้กระจัดกระจายไปอย่างอิสระ ที่ฟอร์มตัวใกล้กันก็จะรวมกันเป็นกลุ่มด้วยแรงโน้มถ่วงระหว่างกันอีกชั้นเรียกว่าคลัสเตอร์(Cluster)


ทั้งกาแล็กซี่และกลุมกาแล็กซี่มีสสารมืดทำหน้าที่เป็นกาวเชื่อมให้รวมอยู่กันเป็นก้อน

กาแล็กซี่ถูกห่อหุ้มด้วยด้วยสสารบางอย่างเรียกว่า “สสารมืด หรือ Dark Matter” เชื่อว่าสสารนี้กระจายอยู่ทั่วไปในจักรวาลและหนาแน่นมากในกาแล็กซี่และคลัสเตอร์ของกาแล็กซี่ แทรกซึมไปทุกแห่งรวมทั้งรอบตัวเรา

มวลรวมของสสารมืดทั้งจักรวาลมากกว่าของสสารปกติหลายเท่า โดยพื้นฐานสสารนี้ไม่แสดงอะไรให้สังเกตได้นอกจากมีแรงดึงดูดกับมวลสารปกติและไม่ปลดปล่อยแสงหรือดูดกลืนแสง ลักษณะเบื องต้นของสสารนี้จึงมืดในระดับดาราศาสตร์สสารนี้ทําหน้าที่คล้าย “กาว” ที่เชื่อมดวงดาวภายในกาแล็กซี่และกาแล็กซี่ภายในคลัสเตอร์ไม่ให้ปลิวออกไปจากการเคลื่อนที่อันรวดเร็ว ในระดับจักรวาลสสารมืดช่วยก่อให้เกิดบริเวณที่เป็นคลัสเตอร์ของกาแล็กซี่ซึ่งนําไปสู่การสร้างกาแล็กซี่และดวงดาวภายในพร้อมๆกับการต้านการขยายตัวของสเปซ

หากไม่นับพลังงานมืด มากกว่า 80% ของมวลสารภายในจักรวาลเป็นสสารมืด ที่เหลือเป็นสสารปกติที่เรารู้จัก

6. สสารมืดช่วยให้เกิดโครงสร้างในจักรวาล

จักรวาลเริ่มแรกมีอนุภาคมูลฐานที่จะกลายมาเป็ นดาวและกาแล็กซี่ในเวลาต่อมากระจายอย่างสม่ําเสมอและมี(อนุภาค?)สสารมืดกระจายอยู่ด้วยเช่นกันแต่มวลสารรวมของสสารมืดมากกว่า


จักรวาลเริ่มจากพลาสม่าของอนุภาคมูลฐาน

จะต้องมีความไม่สม่ําเสมอเล็กน้อยเป็นหย่อมๆฝังตัวอยู่ตั้งแต่ตอนเริ่มต้นจักรวาลจึงจะทําให้มีการพัฒนามาเป็นโครงสร้างต่างๆในจักรวาลได้ บริเวณเหล่านี้จะก่อตัวหนาแน่นเพิ่มขึ นตามเวลาและสร้างบริเวณที่มีแรงโน้มถ่วงสูงรอไว้เป็นหย่อมๆ


มีสสารมืดที่ยังไม่รู้ว่าอยู่ในสภาพอะไรก่อตัวเป็นหย่อมๆ

มวลสารปกติจะหล่นลงไปในสนามแรงโน้มถ่วงที่สสารมืดสร้างไว้และยุบตัวหลอมรวมกันเป็นดวงดาว, กาแล็กซี่และกลุ่มกาแล็กซี่ในเวลาต่อมา (สสารมืดมีมวลแต่โปร่ง ไม่เป็นองค์ประกอบของดวงดาวและกาแล็กซี่รวมทั้งสสารทุกชนิดรวมทั้งตัวเราด้วย)


สสารปกติจะตกเข้าไปสนามแรงโน้มถ่วงที่สสารมืดก่อตัวหนาแน่น

สเปซขยายตัวตลอดเวลาทําให้ความหนาแน่นของอนุภาค/สสารมืดเจือจางลงในรูปไม่ได้แสดงไว้ชัดเจน

* จุดเป็นตัวแทนฝุ่นอนุภาคที่กระจายไปทั่วจักรวาลไม่ใช่ดาว

7. แรงโน้มถ่วงทําให้เกิดโครงสร้างที่ใหญ่ขึ้นไปอีก

กาแล็กซี่เกิดขึ้นใกล้กันจะมีแรงโน้มถ่วงซึ่งกันและกันทำให้เข้าไปอยู่รวมกันเป็น group หรือ cluster ซึ่งในสเกลไม่เกิน 10 Mpc จะยึดกันแน่นหนาพอที่ต้านการขยายตัวของสเปซ(แต่ยังคงมีการเคลื่อนที่ภายในด้วยอำนาจแรงโน้มถ่วง)


Cluster ของกาแล็กซี่มีขนาดประมาณ 10 Mpc ซึ่งยึดกันด้วยแรงโน้มถ่วง

Group หรือ Cluster ที่ก่อตัวใกล้กันจะมีแรงโน้มถ่วงต่อกันอีกชั้นหนึ่งทำให้เกิดโครงสร้างหลวมๆที่เรียกว่า Supercluster ที่หลวมก็เพราะว่าระหว่างคลัสเตอร์ยังคงมีการขยายตัวของสเปซอยู่


ในสเกลระหว่าง 10-100 Mpc แรงโน้มถ่วงกับการขยายตัวของสเปซมีการสู้กันอยู่

8. Supercluster เป็นโครงสร้างที่ใหญ่ที่สุดที่สำรวจได้แต่ไม่ได้ยึดกันแน่นหนา

เชื่อว่า supercluster เกิดขึ้นชั่วคราวจากแรงโน้มถ่วงระหว่างคลัสเตอร์ของกาแล็กซี่ที่ฟอร์มตัวใกล้กันแต่สุดท้ายก็จะถูกการขยายตัวของสเปซลากให้แยกออกจากกัน โครงสร้างนี้เป็นไปได้ประมาณช่วง 10-100 Mpc* ส่วนใหญ่จะถือเอาระยะที่เกินกว่า 100 Mpc ขึ้นไปเป็นสเกลที่บอกว่าการขยายตัวของสเปซมีอำนาจเหนือแรงโน้มถ่วงซึ่งทำให้โครงสร้างที่ใหญ่เกินสเกลนี้เกิดขึ้นไม่ได้

นอกจาก supercluster ยังมีโครงสร้างอีกแบบเรียกว่า voids มีลักษณะคล้ายเป็นโพรงกลวงๆที่ภายในแทบไม่มีกาแล็กซี่ บางทีจัดว่าเป็นโครงสร้างขนาดใหญ่ด้วย supercluster และ cluster มักจะกระจายตัวคล้ายเป็นเส้นใยรอบๆ voids มองแล้วคล้ายใยแมงมุมเรียกว่า cosmic web

เช่นกาแล็กซี่ทางช้างเผือกของเราอยู่ในคลัสเตอร์ขนาดเล็กที่เรียกว่า local group (คลัสเตอร์ที่มีสมาชิกประมาณ 50 กาแล็กซี่จะเจียมตัวเรียกว่า group) มีขนาดประมาณ 3 Mpc** กาแล็กซี่อื่นที่อยู่ในระยะนี้จะไม่ได้รับอิทธิพลจากการขยายตัวของสเปซ แต่หากมองห่างออกไป 100 Mpc ขึ้นไปก็จะเห็นกาแล็กซี่อื่นนอก local group ถอยห่างออกไป


กาแล็กซี่ของเราเป็นสมาชิกใน local group(cluster) และกำลังถูกดูดเข้าหา คลัสเตอร์ Virgo(กลุ่มหญิงสาว) และกำลังดีดห่างจากคลัสเตอร์ Coma ที่อยู่ห่างไปประมาณ 100 Mpc

(* เป็นเกณฑ์แบบคร่าวๆ แรงโน้มถ่วงและการขยายตัวสู้กันในสเกลช่วงนี้ ,
** ขอบเขตของกาแล็กซี่และคลัสเตอร์ไม่ได้เด่นชัดเหมือนกับรูปที่วาด มองไปข้างนอกเห็นแต่กาแล็กซี่กระจายเต็มไปหมด ,
1 Mpc = 3.26 ล้านปีแสง)

คลัสเตอร์ขนาดใหญ่ที่อยู่ใกล้เราคือ Virgo cluster มีสมาชิกประมาณ 1,000 กาแล็กซี่และเป็นศูนย์กลางของ supercluster ที่ local group ของเราเป็นสมาชิกอยู่ที่มีชื่อเดียวกับคลัสเตอร์นี้ว่า Virgo supercluster คลัสเตอร์หรือ local group ขนาดเล็กของเราเคลื่อนที่เข้าหาหาคลัสเตอร์นี้ซึ่งห่างออกไปประมาณ 17 Mpc ในขณะเดียวกันก็มีการขยายตัวของสเปซต้านด้วย

คลัสเตอร์ที่อยู่ไกลออกไปแห่งหนึ่งมีชื่อว่า Coma cluster มีสมาชิกหลักพันเช่นกันและอยู่ใน supercluster ชื่อเดียวกัน ห่างจากกาแล็กซี่ทางช้างเผือกของเราไปประมาณ 100 Mpc ซึ่งเป็นสเกลที่การขยายตัวของสเปซเหนือกว่าแรงโน้มถ่วงเราจึงเห็นกาแล็กซี่ในคลัสเตอร์นี้ดีดห่างออกไป คลัสเตอร์นี้เหมาะเป็นห้องทดลองที่ใช้ศึกษาการขยายตัวของสเปซ ในอดีตการสังเกตการเคลื่อนที่ของกาแล็กซี่ในคลัสเตอร์นี้ทำให้เกิดความเชื่อว่ามีสสารมืดในคลัสเตอร์และกาแล็กซี่


http://www.atlasoftheuniverse.com/nearsc.html

9. ในสเกล 100 Mpc ขึ้นไปถือว่าและเชื่อว่ามวลสารกระจายอย่างสม่ำเสมอ

แม้ว่ากาแล็กซี่จะกระจายอย่างไม่สม่ำเสมอจนเห็นความแตกต่างแต่มวลสารเฉลี่ยในสเกลระดับ 100 Mpc ขึ้นไปใกล้เคียงกัน จึงเชื่อกันว่ามีความสม่ำเสมอในสเกลระดับนี้ขึ้นไปทั้งจักรวาลและหลักจักรวาล(ไม่มีตำแหน่งใดทิศใดพิเศษกว่ากัน)ก็เป็นจริงในสเกลระดับนี้ขึ้นไปด้วย

นักทฤษฎีจะมองรวมๆว่าคลัสเตอร์และกาแล็กซี่เป็น “จุด” ที่กระจายอย่างสม่ำเสมอและมองความไม่สม่ำเสมอที่เกิดขึ้นเป็นหย่อมๆว่าเป็นผลมาจากวิวัฒนาการของการกระเพื่อมเล็กๆที่มีอยู่ก่อนแล้วตอนที่จักรวาลเริ่มต้นแล้วพัฒนาจนเป็นโครงสร้างที่ใหญ่ขึ้นในปัจจุบัน


เมื่อเฉลี่ยมวลสารทุกๆคิวบิคด้านละ 100 Mpc หรือทรงกลมรัศมีเดียวกันขึ้นไปแล้วไม่ต่างกัน

** ก่อนจบ ส่วนใหญ่พูดแต่การขยายตัว แม้ว่าข้อมูลจากการสังเกตจะบอกว่าจักรวาลกำลังขยายตัวแต่การหดตัวก็ไม่ขัดกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป **

10. จักรวาลอาจเป็น cosmic web ในสเกลที่เกินกว่าที่สังเกตได้

แม้ว่าข้อมูลที่สำรวจได้อยู่ในสเกลไม่เกิน 300 Mpc แต่ก็เชื่อกันว่าในสเกลที่เกินไปกว่านี้จักรวาลก็เป็นเส้นใยแบบนี้ซ้ำๆกัน การจำลองด้วย supercomputer แสดงให้เห็นการกระจายตัวของกาแล็กซี่จนถึงสเกลระดับ 1,000 Mpc พบว่าสอดคล้องกับสมมติฐานนี้ และยิ่งสเกลใหญ่มากจักรวาลก็ยิ่งดูสม่ำเสมอมากซึ่งสอดคล้องกับหลักจักรวาลด้วย

Facebook Comments