เปิดหน้าประวัติศาสตร์ 13,700 ล้านปี จากบิกแบง สู่การขยายตัวเร่งของเอกภพ

ภาพนี้เป็นเสมือนแผนผังการเดินทางอันยาวนานและน่าทึ่งของเอกภพของเรา ตั้งแต่จุดกำเนิดอันเป็นปริศนาเมื่อ 13,700 ล้านปีก่อน จวบจนถึงปัจจุบันที่เอกภพยังคงขยายตัวและเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา ข้อมูลจาก NASA และทีมวิทยาศาสตร์ WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) ได้เปิดเผยรายละเอียดอันน่าสนใจเกี่ยวกับแต่ละช่วงเวลาสำคัญในการวิวัฒนาการของเอกภพ

จุดเริ่มต้นแห่งสรรพสิ่ง “บิกแบง” การระเบิดครั้งใหญ่ (The Big Bang)

ณ จุดเริ่มต้น เอกภพไม่ได้ดำรงอยู่ในสภาพที่เราคุ้นเคย มันเป็นสภาวะที่ร้อนจัด หนาแน่นยิ่งกว่าสิ่งใดที่เราจินตนาการได้ ทุกสรรพสิ่ง สสาร พลังงาน เวลา และแม้แต่ปริภูมิ-เวลา หรือ spacetime (โครงสร้างสี่มิติของเอกภพที่เป็นพื้นฐานของการทำความเข้าใจแรงโน้มถ่วงและการเคลื่อนที่ของวัตถุในจักรวาล) ล้วนถูกบีบอัดอยู่ในจุดเล็กๆ ที่เรียกว่า “ซิงกูลาริตี” (Singularity) นักวิทยาศาสตร์ยังคงศึกษาและพยายามทำความเข้าใจถึงสภาวะเริ่มต้นนี้อย่างลึกซึ้ง แต่ทฤษฎีที่ได้รับการยอมรับมากที่สุดคือ “ทฤษฎีบิกแบง” ซึ่งอธิบายว่าเอกภพถือกำเนิดขึ้นจากการขยายตัวอย่างรวดเร็วของซิงกูลาริตีนี้เอง

Inflation ยุคของการขยายตัวอย่างรวดเร็ว

ในช่วงเวลาเพียงเสี้ยววินาทีหลังบิกแบง เอกภพได้เผชิญกับปรากฏการณ์อันน่าทึ่งที่เรียกว่า Inflation ซึ่งเป็นการขยายตัวอย่างรวดเร็วแบบทวีคูณ ด้วยอัตราที่สูงยิ่งกว่าอัตราการขยายตัวในปัจจุบันมากนัก ในช่วงเวลานี้ ขนาดของเอกภพได้ขยายตัวจากขนาดเล็กกว่าอะตอม ไปสู่ขนาดใหญ่ ช่วง Inflation นี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการอธิบายความเรียบและความเป็นเนื้อเดียวกันของเอกภพในระดับใหญ่ที่เราสังเกตได้ รวมถึงเป็นต้นกำเนิดของความผันผวนควอนตัมขนาดเล็ก ซึ่งต่อมาได้เติบโตขึ้นเป็นโครงสร้างขนาดใหญ่ เช่น กาแล็กซีและกระจุกกาแล็กซี

ยุคมืด เอกภพในเงามืด

หลังสิ้นสุดช่วง Inflation เอกภพยังคงขยายตัวและเย็นตัวลงอย่างต่อเนื่อง สสารส่วนใหญ่ในยุคนี้อยู่ในรูปของก๊าซไฮโดรเจนและฮีเลียมที่เป็นกลาง ซึ่งยังไม่เปล่งแสงออกมา ทำให้ช่วงเวลานี้ถูกเรียกว่า “ยุคมืด” (Dark Ages) แม้ว่าจะไม่มีแสงดาวสว่างไสว แต่เอกภพในยุคนี้ก็ไม่ได้ว่างเปล่า ความผันผวนของความหนาแน่นของสสารที่เกิดขึ้นในช่วง Inflation เริ่มที่จะดึงดูดสสารรอบข้างด้วยแรงโน้มถ่วง ซึ่งเป็นเมล็ดพันธุ์ของการก่อตัวของโครงสร้างในเวลาต่อมา

แสงแรกแห่งจักรวาล รังสีไมโครเวฟพื้นหลัง (Cosmic Microwave Background)

เมื่อเอกภพมีอายุประมาณ 380,000 ปี อุณหภูมิได้เย็นตัวลงจนอิเล็กตรอนสามารถรวมตัวกับนิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจนและฮีเลียมได้เป็นกลาง แสงที่เคยถูกสสารร้อนยุคแรกเริ่มกักไว้ ก็สามารถเดินทางได้อย่างอิสระทั่วเอกภพ แสงนี้เองคือ #รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล (Cosmic Microwave Background: CMB) ซึ่งเป็นเสมือนภาพถ่ายทารกของเอกภพ มันแสดงให้เห็นถึงอุณหภูมิและความหนาแน่นที่แตกต่างกันเล็กน้อยในเอกภพยุคแรก ซึ่งเป็นร่องรอยของความผันผวนควอนตัมที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ การศึกษา CMB อย่างละเอียดโดยยาน WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) และภารกิจอื่นๆ ได้ให้ข้อมูลอันล้ำค่าเกี่ยวกับอายุ องค์ประกอบ และเรขาคณิตของเอกภพ

การก่อกำเนิดดวงดาวและกาแล็กซี

ภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วง ความหนาแน่นที่แตกต่างกันเล็กน้อยในเอกภพยุคแรกเริ่มได้ค่อยๆ ดึงดูดสสารเข้ามารวมตัวกันมากขึ้น เมื่อกลุ่มก๊าซไฮโดรเจนและฮีเลียมมีมวลมากพอ แรงโน้มถ่วงจะทำให้เกิดการยุบตัวลง และเมื่ออุณหภูมิและความดันที่แกนกลางสูงถึงระดับหนึ่ง ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันก็จะเริ่มต้นขึ้น ก่อให้เกิด “ดาวฤกษ์ดวงแรก” (1^st Stars) เมื่อประมาณ 400 ล้านปีหลังบิกแบง แสงจากดาวฤกษ์เหล่านี้ได้ส่องสว่างยุคมืด และให้กำเนิดองค์ประกอบที่หนักกว่าไฮโดรเจนและฮีเลียมผ่านกระบวนการนิวเคลียร์สังเคราะห์

ดาวฤกษ์เหล่านี้รวมตัวกันเป็นกลุ่มที่ใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ กลายเป็นกาแล็กซี (Galaxies) ซึ่งเป็นระบบที่ประกอบด้วยดาวฤกษ์นับล้านถึงนับล้านล้านดวง ก๊าซ ฝุ่น และสสารมืด แรงโน้มถ่วงยังคงมีบทบาทสำคัญในการรวมกาแล็กซีเข้าด้วยกันเป็นกระจุกกาแล็กซี (Galaxy Clusters) และโครงสร้างขนาดใหญ่อื่นๆ ในเอกภพ

การขยายตัวที่เร่งขึ้น พลังงานมืดผู้ลึกลับ

เป็นเวลานานที่นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าการขยายตัวของเอกภพที่เริ่มต้นจากบิกแบงจะค่อยๆ ช้าลงเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของสสารทั้งหมดในเอกภพ อย่างไรก็ตาม ในช่วงปลายศตวรรษที่ 20 การสังเกตการณ์ซูเปอร์โนวาชนิด Ia ที่อยู่ไกลโพ้นได้เปิดเผยสิ่งที่น่าประหลาดใจ นั่นคือ การขยายตัวของเอกภพไม่ได้ช้าลง แต่กลับกำลัง “เร่งตัวขึ้น”

สาเหตุของการเร่งตัวนี้ยังคงเป็นปริศนา แต่ทฤษฎีที่เป็นที่ยอมรับมากที่สุดคือการมีอยู่ของพลังงานมืด (Dark Energy) ซึ่งเป็นรูปแบบของพลังงานที่ไม่รู้จัก มีคุณสมบัติในการผลักดันและต่อต้านแรงโน้มถ่วง พลังงานมืดคิดเป็นสัดส่วนประมาณ 68% ของพลังงานทั้งหมดในเอกภพ ในขณะที่สสารมืด (Dark Matter) ซึ่งเป็นสสารที่ไม่ทำปฏิกิริยากับแสง คิดเป็นประมาณ 27% และสสารที่เรามองเห็นได้ (ดาวฤกษ์ กาแล็กซี ก๊าซ ฝุ่น) มีเพียงประมาณ 5% เท่านั้น การทำความเข้าใจธรรมชาติของพลังงานมืดจึงเป็นหนึ่งในความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในวงการดาราศาสตร์และจักรวาลวิทยาในปัจจุบัน

บทสรุปแห่งการเดินทางอันยาวไกล

ภาพนี้ได้สรุปการเดินทางของเอกภพ ตั้งแต่จุดเริ่มต้นที่ร้อนระอุและหนาแน่น ผ่านยุคของการขยายตัวอย่างรวดเร็ว ยุคมืด การกำเนิดแสงแรก การก่อตัวของโครงสร้าง และในที่สุด การกลับมาเร่งตัวของการขยายตัวอันเนื่องมาจากพลังงานมืด การศึกษาเอกภพและการสร้างภาพจำลองเช่นนี้ ช่วยให้เราเข้าใจถึงที่มา ที่ไป และอาจรวมถึงอนาคตของบ้านอันกว้างใหญ่ไพศาลของเราได้ดียิ่งขึ้น แม้ว่าจะมีคำถามอีกมากมายที่รอคำตอบ แต่ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่อง จะนำพาเราไปสู่ความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับจักรวาลที่เราอาศัยอยู่นี้อย่างแน่นอน

ข้อมูลอ้างอิง: NASA Science
– Early Universe
– Cosmic History