ความหมายรังสีคอสมิก ประโยชน์และโทษของรังสีคอสมิก เทคโนโลยีรังสีคอสมิก กับปีระมิด

ความหมายรังสีคอสมิก ประโยชน์และโทษของรังสีคอสมิก เทคโนโลยีรังสีคอสมิก กับปีระมิด

 
คอสมิกไมโครเวฟแบ็กกราวน์ (Cosmic Microwave Background radiation)

 นักดาราศาสตร์เรียนรู้ การเกิด วิวัฒนาการ และลักษณะทางกายภาพของดวงดาวดวงหนึ่งๆ 
ได้จากการศึกษาแสงของดาวเหล่านั้นที่เดินทางมาถึงเขา ในทำนองเดียวกันนักจักรวาลวิทยา(Cosmologist) 
หรือผู้ที่ทำการศึกษาค้นคว้าเกี่ยวกับการเกิด และวิวัฒนาการของเอกภพก็ต้องอาศัยแสงเช่นเดียวกัน 
พวกเขากำลังศึกษาการกำเนิด และคุณสมบัติของเอกภพจากแสง แต่เป็นแสงที่มองไม่เห็นด้วยตา 
แสงนั้นมีชื่อว่าคลื่นคอสมิกไมโครเวฟแบ็กกราวน์ (Cosmic Microwave Background radiation 
หรือ CMB) คลื่นคอสมิกไมโครเวฟแบ็กกราวน์นี้เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่อยู่ในช่วง 
3 x 10⁸ ถึง 3 x 10¹¹ เฮิร์ต ซึ่งเป็นความถี่ย่านไมโครเวฟ 
คลื่นไมโครเวฟนี้ในปัจจุบันเป็นหลักฐานทางที่ช่วยให้เราศึกษาลักษณะของเอกภพย้อนอดีตไปได้ไกลที่สุด 
เนื่องจากว่าแสงนี้เกิดขึ้นเมื่อเอกภพมีอายุแค่ 300,000 ปีเท่านั้น ซึ่งนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าอาจจะอยู่ในช่วงเวลาหนึ่งถึงสองหมื่นล้านปีที่แล้ว 

Big Bang กำเนิดจักรวาล
คลื่นคอสมิกไมโครเวฟแบ็กกราวน์ถูกค้นพบโดยบังเอิญในปี ค.ศ.1965 โดยนักฟิสิกส์ชาวอเมริกันชื่อ 
อาร์โน เพนเซียส และ รอเบิร์ต วิลสัน ขณะกำลังทดสอบเครื่องรับสัญญาณไมโครเวฟความเร็วสูง 
พวกเขาพบคลื่นรบกวนที่มากกว่าที่คิด คลื่นนี้มีความแรงสม่ำเสมอเท่า ๆ กันในทุกทิศทางและเท่าเดิมตลอดทั้งปี 
พวกเขาจึงสรุปว่า คลื่นที่เขาพบก็คือคลื่นคอสมิกไมโครเวฟแบ็กกราวน์ ซึ่งหนึ่งในผู้บุกเบิกวิชาจักรวาลวิทยา
จอร์จ กามอฟ (George Gamow) ได้ทำนายเอาไว้ก่อนหน้านั้นไม่นานนัก

 เอกภพแรกเกิดและกำเนิดของ CMB

กราฟแสดงกฎของฮับเบิลแสดงจ ไมโครเวฟแบ็กกราวน์และเรดชิฟต์  การเกิดของคลื่นคอสมิกไมโครเวฟแบ็กกราวน์ นักจักรวาลวิทยาเชื่อว่าเอกภพช่วงแรกๆ (ในช่วงที่เอกภพมีอายุน้อยกว่า 300,000 ปี) มีอุณหภูมิสูงมาก สสารในเอกภพมีลักษณะเหมือนของไหลข้นที่เป็นเนื้อเดียวกันหมด เนื่องจากอุณหภูมิที่สูงเกินกว่าที่นิวเคลียสจะรวมตัวกับอิเล็กตรอนกลายเป็นอะตอมได้ ดังนั้นสสารในเอกภพเวลานี้จึงอยู่ในรูปของอนุภาคที่มีประจุที่เรียกว่า ไอออน ซึ่งเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอนเสียเป็นส่วนใหญ่ อนุภาคของแสงหรือโฟตอนในของไหลนั้นก็จะมีการชนกับไอออน(ส่วนใหญ่เป็นอิเล็กตรอน)แบบทอมสัน (Thomson scattering) ทำให้โฟตอนมีการเปลี่ยนทิศทางไปตลอด เราจึงไม่สามารถศึกษาเอกภพในยุคนี้ได้เนื่องจากว่าแสงจากตอนนั้นไม่สามารถเดินทางมายังเราได้ถ้ายังคงมีอิเล็กตรอนเเหลือให้มันชนและเปลี่ยนทิศทางไป แต่เมื่อเอกภพมีการขยายตัวและมีอุณหภูมิประมาณ 5,000 เคลวิน 99% ของโปรตอนและอิเล็กตรอนจะรวมตัวกันเป็นอะตอมของไฮโดรเจนซึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้าจึงไม่เกิดการชนกับโฟตอน กระบวนการการเกิดอะตอมนี้เรียกว่า รีคอมบิเนชัน(recombination) ซึ่งจะไปสิ้นสุดลงเมื่อเอกภพอายุ 300,000 ปีและอุณหภูมิลดลงเหลือประมาณ 3,000 เคลวิน เมื่อถึงตอนนี้โฟตอนก็จะไม่มีอิเล็กตรอนอิสระให้ชนอีกแล้ว จึงไม่มีการเปลี่ยนทิศทางในขณะที่มันเดินทางไปในเอกภพจนกระทั่งมาถึงเรา คลื่นนี้คือคลื่นคอสมิกไมโครเวฟแบ็กกราวน์นั่นเอง เนื่องจากเอกภพมีการขยายตัว(ค้นพบโดย เอ็ดวิน ฮับเบิล ในปี ค.ศ.1924) คลื่นคอสมิกไมโครเวฟแบ็กกราวน์จึงเกิดเรดชิฟต์ นั่นคือมีความยาวคลื่นมากขึ้น หรือความถี่ลดลงขณะที่เดินทาง โดยเราวัดคลื่นที่มาถึงเราได้ว่ามีความถี่อยู่ในย่านไมโครเวฟ

คุณสมบัติของคอสมิกไมโครเวฟแบ็กกราวน์

ลักษณะของคลื่นคอสมิกไมโครเวฟแบ็กกราวน์ที่วัดได้มีสเปกตรัมใกล้เคียงกับสเปกตรัมของวัตถุดำ และเป็นวัตถุในอุดมคติที่มีการรับและแผ่รังสีได้อย่างสมบูรณ์มาก มากกว่าสเปกตรัมที่ได้จากการทดลองใดๆบนโลกนี้ 

กราฟแสดง Black body radiation ที่วัดได้จากคอสมิกไมโครเวฟแบ็กกราวน์ คลื่นนี้มีความไอโซโทรปี (isotropy) คือเมื่อมองอย่างหยาบๆ คือมีอุณหภูมิเท่าๆ กันในทุกทิศทางประมาณ 2.7 เคลวิน แต่อย่างไรก็ตามอุณหภูมิของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไม่ได้คงที่เท่ากันหมดจริงๆ แต่มีความแตกต่างของอุณหภูมิในแต่ละทิศทางอยู่บ้าง ซึ่งเราเรียกว่า แอนไอโซโทรปี (anisotropy) โดยระดับของความแอนไอโซโทรปีคือหนึ่งในแสนหรือระดับ 10 ไมโครเคลวินซึ่งถือว่าน้อยมาก นอกจากนี้แล้วคลื่นคอสมิกไมโครเวฟแบ็กกราวน์ยังมีโพลาไรเซชันอีกด้วย ระดับของโพลาไรเซชันคือหนึ่งในล้านหรือ 10% ของแอนไอโซโทรปี สาเหตุที่คลื่นคอสมิกไมโครเวฟแบ็กกราวน์มีความแตกต่างของอุณหภูมิอยู่บ้างในแต่ละทิศทางนั้นสันนิษฐานว่าเกิดจากสิ่งรบกวน (perturbations) สามแบบคือ - ความหนาแน่นของมวลสารที่ไม่เท่ากันในแต่ละบริเวณ เมื่อสิ้นสุดกระบวนการรีคอมบิเนชัน โฟตอนที่เคลื่อนที่ผ่านบริเวณที่มีความหนาแน่นมวลสารมากก็จะเกิดเรดชิฟต์ ทำให้มีพลังงานลดลง และอุณหภูมิต่ำลงด้วย ในลักษณะเดียวกัน โฟตอนที่เคลื่อนที่ผ่านบริเวณที่มีความหนาแน่นมวลสารน้อยจะมีอุณหภูมิสูงกว่า นอกจากนี้ บริเวณที่มีความหนาแน่นสูงก็จะกลายเป็นจุดกำเนิดของโครงสร้างในเอกภพในปัจจุบัน - การหมุนวนของของไหล เมื่อสสารมีการหมุนวน ผู้สังเกตจะพบว่าโฟตอนในของไหลมีอุณหภูมิสูงกว่าที่แหล่งกำเนิดปล่อยออกมา ในกรณีที่แหล่งกำเนิดวิ่งเข้าหาผู้สังเกต (Doppler effect) ในทางตรงกันข้าม ผู้สังเกตจะพบว่าโฟตอนในของไหลมีอุณหภูมิต่ำว่าที่แหล่งกำเนิดปล่อยออกมา ในกรณีที่แหล่งกำเนิดวิ่งออกจากผู้สังเกต - คลื่นความโน้มถ่วง เมื่อมีคลื่นความโน้มถ่วงแผ่ไปใน space-time จะทำให้ space-time มีการอัดหรือขยายในทิศทางที่ตั้งฉากกับทิศการแผ่ของคลื่นความโน้มถ่วง ดังนั้น แสงที่เคลื่อนที่ผ่านบริเวณที่ space-time มีการบิดรูปไปก็จะมีความยาวคลื่นที่เปลี่ยนไปด้วยเช่นกัน ทำให้อุณหภูมิเปลี่ยนไปด้วย คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั้นจะมีทิศทางของสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าตั้งฉากซึ่งกันและกัน และตั้งฉากกับทิศทางที่มันแผ่ไป ถ้าแนวของสนามไฟฟ้านั้นเปลี่ยนแบบสุ่มตลอดเวลา แสงนั้นจะเป็นแสงไม่โพลาไรซ์ โพลาไรเซชันของคลื่นคอสมิกไมโครเวฟแบ็กกราวน์เป็นโพลาไรเซชันเชิงเส้น (linear polarization) คือสนามไฟฟ้ามีการเปลี่ยนแปลงขนาดและทิศทางอยู่ในแนวใดแนวหนึ่งเท่านั้น การเกิดโพลาไรเซชันในคลื่นนี้เกิดจาก สิ่งรบกวน (perturbations) ในเอกภพสามชนิดเช่นเดียวกับสิ่งรบกวนที่ส่งผลให้อุณหภูมิของคลื่นคอสมิกไมโครเวฟแบ็กกราวน์ไม่เท่ากัน นั่นคือเมื่อโฟตอนที่มีอุณหภูมิไม่เท่ากันมาชนกับอิเล็กตรอนตัวเดียวกันในทิศที่ตั้งฉาก(quadrupole anisotropy)กันแล้ว ผลที่ได้คือมีโพลาไรเซชันเชิงเส้น

ภาพแสดงโพลาไรเซชันของ คลื่นคอสมิกไมโครเวฟแบ็กกราวน์ แต่ละชนิดของสิ่งรบกวนจะทำให้ได้รูปแบบของโพลาไรเซชันที่แตกต่างกัน ทุกรูปแบบของโพลาไรเซชันสามารถเขียนได้เป็นผลรวมของสองรูปแบบดังนี้ - Electric-mode คือ รูปแบบโพลาไรเซชันที่แนวโพลาไรซ์ไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเปลี่ยนไปวัดในทิศทางตรงข้าม - Magnetic-mode คือ รูปแบบโพลาไรเซชันที่แนวโพลาไรซ์ตั้งฉากกับของเดิมเมื่อเปลี่ยนไปวัดในทิศทางตรงข้าม

 ประโยชน์ของ CMB

การค้นพบคลื่นคอสมิกไมโครเวฟแบ็กกราวน์ (CMB) ทำให้เราสามารถ
- ทราบลักษณะของเอกภพในขณะที่เอกภพมีอายุ 300,000 ปี การที่คลื่นนี้มีอุณหภูมิที่เท่าๆกันในทุกๆทิศทางแสดงถึงเอกภพในขณะนั้นมีการกระจายตัวของมวลสารเหมือนๆกันในแต่ละบริเวณ 
- การที่มีความแตกต่างอุณหภูมิของคลื่นคอสมิกไมโครเวฟแบ็กกราวน์ในแต่ละทิศทางเป็นสัดส่วนหนึ่งในแสนนั้นบอกถึงการมีอยู่ของจุดกำเนิดของโครงสร้างใหญ่ๆในปัจจุบันเช่น กาแล็กซีและกลุ่มก้อนของกาแล็กซี นั่นคือบริเวณที่มีมวลสารหนาแน่นกว่าบริเวณข้างเคียงในขณะที่เอกภพอายุ 300,000 ปี เมื่อเวลาผ่านไป แรงดึงดูดทางมวลสารที่มากกว่าก็จะดึงดูดมวลสารให้มารวมตัวมากขึ้น และใหญ่ขึ้นจนกลายเป็นกาแล็กซีในที่สุด 

- เมื่อกลุ่มวิจัยต่างๆ เช่น WMAP ทำการวัดอุณหภูมิของคลื่นคอสมิกไมโครเวฟแบ็กกราวน์ในทุกทิศทางแล้วนำมาทำแผนที่อุณหภูมิ ซึ่งบอกถึงตำแหน่งของจุดร้อน (แสงมีอุณหภูมิสูงเมื่อผ่านบริเวณความหนาแน่นมวลสารต่ำ) และจุดเย็น (แสงมีอุณหภูมิต่ำเมื่อผ่านบริเวณความหนาแน่นสูง) ขนาดของจุดร้อนและเย็นที่ปรากฎนั้นยืนยันได้ว่าเอกภพมีลักษณะแบนในสามมิติ

ความแบนของเอกภพนั้นบอกถึงปริมาณสสารทั้งหมดในเอกภพว่าไม่ได้มีปริมาณที่มากเกินไปจนกระทั่งแรงดึงดูดทางมวลสารเอาชนะการขยายตัวของเอกภพ ทำให้เอกภพยุบตัวลง และไม่ได้มีปริมาณสสารน้อยเกินไปจนแรงดึงดูดของมวลสารน้อยกว่าการขยายตัวของเอกภพมากจนไม่สามารถรวมตัวกันเกิดเป็นกาแล็กซีได้  - เมื่อกลุ่มวิจัยต่างๆ เช่น DASI ทำการวัดโพลาไรเซชันแบบ Electric-mode ของคลื่นคอสมิกไมโครเวฟแบ็กกราวน์ ทำให้สามารถทราบถึงลักษณะของ สิ่งรบกวน แต่ละแบบในขณะที่เอกภพมีอายุ 300,000 ปีได้ และการที่กราฟที่ได้สอดคล้องกับทฤษฎีอินเฟลชัน(ที่ว่าด้วยการขยายตัวด้วยความเร่งของเอกภพในขณะที่เอกภพมีอายุได้ประมาณ 10-43 วินาที และเป็นที่มาของจุดกำเนิดกาแล็กซีและคลื่นความโน้มถ่วง) โพลาไรเซชันของคลื่นนี้จึงเป็นอีกหลักฐานหนึ่งที่สนับสนุนทฤษฎีอินเฟลชัน จะเห็นได้ว่า การค้นพบคลื่นคอสมิกไมโครเวฟแบ็กกราวน์เป็นก้าวที่สำคัญอย่างยิ่งในการศึกษาเอกภพของเรา

แหล่งที่มา : vcharkarn.com