ถาม: วัดจักรวาลทั้งหมดโดยไม่ต้องใช้ไม้บรรทัด
ไม้บรรทัดก็เพียงพอที่จะวัดสิ่งของในชีวิตประจำวันของเรา แต่เมื่อบางสิ่งมีขนาดเล็กเกินไปเราจำเป็นต้องมีอุปกรณ์พิเศษเช่นกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนและสเกลการวัดใหม่เพื่อคำนวณความยาวของเซลล์หรือไวรัสเช่น แต่เมื่อไหร่ที่วัตถุที่จะทำการวัดขนาดใหญ่มาก?
และระวัง: ใหญ่ที่นี่เป็นสิ่งที่ใหญ่กว่าไทเป 101 ซึ่งเป็นอาคารที่สูงเป็นอันดับสามของโลก เรากำลังพูดถึงบางสิ่งที่ยิ่งใหญ่จนยากที่จะจินตนาการแม้ในจินตนาการ เรากำลังพูดถึงขนาดและระยะทางของจักรวาลของเรา “ ของเรา” เพราะอาจมีมากกว่าหนึ่ง
น่าเสียดายที่เราไม่มีไม้บรรทัดที่สามารถวัดสิ่งที่เป็นปีแสงจากที่นี่นั่นคือมันอยู่ไกลมากหากเราเดินทางด้วยความเร็วแสงมันจะใช้เวลาเป็นปีกว่าจะถึงจุดมุ่งหมายของการศึกษา ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงสามารถแก้ไขปัญหานี้ได้โดยใช้แนวคิดทางกายภาพและคณิตศาสตร์ที่เป็นที่ยอมรับ
Parallax: ดวงดาวอยู่ไกลแค่ไหน?
ตามที่อธิบายไว้ในวิดีโอด้านบน parallax เป็นหนึ่งในรูปแบบที่ทุกคนต้องการใช้เพื่อวัดระยะทางของดาวที่นี่จากโลก เพื่อให้เข้าใจแนวคิดที่อยู่เบื้องหลังวิธีการนี้ได้ดีขึ้นมีตัวอย่างการสอนที่นำเสนอในภาพยนตร์ที่ผลิตโดยหอดูดาวของกรีนวิทช์
เมื่อคุณขับรถคุณจะเห็นว่าต้นไม้และทุกสิ่งที่อยู่ใกล้ทางหลวงจะผ่านคุณไปอย่างรวดเร็ว แต่สิ่งที่อยู่ไกลออกไปเช่นภูเขาที่อยู่ไกลออกไปบนขอบฟ้า นี่เป็นเพราะผลกระทบที่รู้จักกันในชื่อพารัลแลกซ์และโชคดีที่เราสามารถใช้มันเพื่อประเมินระยะทาง
ลองจินตนาการว่าคุณต้องการทราบว่าต้นไม้มาจากรถยนต์ของคุณกี่เมตร อันดับแรกจำเป็นต้องถ่ายรูปต้นไม้โดยมีภูเขาเป็นฉากหลัง จากนั้นไปตามทางหลวงหมายเลขถัดไปให้จับภาพต้นไม้และภูเขาที่คล้ายกันอีกภาพหนึ่ง แต่อยู่ในตำแหน่งที่ต่างออกไป
จากนั้นด้วยความช่วยเหลือของคณิตศาสตร์โดยเฉพาะตรีโกณมิติเป็นไปได้ที่จะคำนวณความแตกต่างในตำแหน่งที่ชัดเจนของต้นไม้ในภาพสองภาพและจากนั้นเพื่อค้นหาระยะทางจากช่างภาพไปยังต้นไม้
เทคนิคเดียวกันนี้สามารถใช้ในการคำนวณระยะทางจากเราไปยังดาวที่ใกล้ที่สุดยกเว้นว่าแทนที่จะเดินไปตามถนนเพื่อให้ได้ภาพที่สองเราใช้การเคลื่อนที่ของโลกรอบดวงอาทิตย์ เดือนต่อมาเมื่อคุณดูดาวดวงเดียวกันคุณจะเห็นว่ามัน“ ขยับ” เมื่อเทียบกับดาวที่อยู่ไกลกว่า
เทียนมาตรฐาน: ระยะทางคำนวณโดยความส่องสว่าง
แต่อย่างที่เราพูดไปก่อนหน้านี้มีดวงดาวที่ห่างไกลไม่มีตำแหน่งที่แตกต่างกัน ในกรณีนี้พารัลแลกซ์ก็ไม่ได้ช่วยอะไร แต่โชคดีที่มีวิธีอื่นในการประมาณระยะทางนี้และเพื่อให้ชัดเจนเรามาดูตัวอย่างการสอนอื่น
ลองนึกภาพคุณอยู่ในสวนสาธารณะและดูไฟถนน เมื่อคุณย้ายออกไปแสงก็เริ่มจางและเมื่อคุณเข้าใกล้ก็จะสว่างขึ้น ที่น่าสนใจคือเมื่อทราบถึงความสว่างของหลอด - บอกว่า 40 W - เป็นไปได้ที่จะประมาณระยะทางจากสปอตไลท์ไปยังผู้ชม
อย่างไรก็ตามมีหลอดไฟที่สามารถดูสว่างมากเมื่อพวกเขาอยู่ไกลและไม่แข็งแรงดังนั้นเมื่อพวกเขาอยู่ใกล้ วัตถุเหล่านี้ที่มีความส่องสว่างที่รู้จักกันจะเรียกว่า "เทียนมาตรฐาน" และมีเพียงพวกเขาเท่านั้นที่สามารถใช้ในการประมาณระยะทาง
ในจักรวาลมีหลายศพที่สามารถใช้เป็นเทียนมาตรฐานได้ ตัวอย่างหนึ่งคือ cephew stars, supergiants สีเหลืองที่เพิ่มและลดความสว่างในช่วงเวลาปกติ จากความส่องสว่างนี้เราสามารถคำนวณระยะทางจากโลกถึงพวกมันและแม้กระทั่งกาแลคซีที่พวกมันอยู่
Redshift: การวัดจุดจบของจักรวาล
แม้ว่าในทางปฏิบัติวิธีการแล่นมาตรฐานก็มีข้อ จำกัด เช่นกัน ยกตัวอย่างเช่นเป็นไปได้ว่าวัตถุที่จะทำการวัดในระยะไกลนั้นถูกบล็อกโดยวัตถุท้องฟ้าอื่นและไม่สามารถสังเกตความสว่างของวัตถุนั้นได้ นอกจากนี้อาจยังไม่มีกาแลคซีใบเรือมาตรฐานที่จะทำการวัด ในกรณีเช่นนี้อาจใช้วิธีที่สาม
The Doppler Effect ต้องได้รับความนิยมอย่างมากเมื่อมันเป็นแม่แบบแฟนตาซีที่เชลดอนใช้ในตอนแรกของทฤษฎีบิ๊กแบง สำหรับผู้ที่ไม่ทราบว่านี่เป็นผลกระทบที่เกิดจากการบิดเบือนที่เกิดขึ้นกับเสียงของไฟและเสียงไซเรนของตำรวจ
นี่เป็นเพราะคลื่นเสียงที่เปล่งออกมาจากยานพาหนะนั้นอยู่ใกล้กับด้านหน้าของมันมากกว่าที่ด้านหลังของรถและสิ่งนี้ส่งผลโดยตรงต่อความถี่ไซเรน: เมื่อยานพาหนะใกล้เข้ามาเสียงดังขึ้นและ ในขณะที่คุณออกห่างจากตัวคุณมันจะกลายเป็นจริงจังมากขึ้น
ที่น่าสนใจเอฟเฟกต์นี้ยังกระทบวัตถุแสงที่เคลื่อนไหวยกเว้นว่าคลื่นสั้นจะสั้นกว่าแทนที่จะเปลี่ยนเป็นสีฟ้าในขณะที่เสียงเบสที่ยาวกว่าจะเปลี่ยนเป็นสีแดง จากการเปลี่ยนแปลงสีน้ำเงินหรือสีแดงเราสามารถศึกษาการเคลื่อนที่ของวัตถุท้องฟ้าในอวกาศ
ยิ่งสีแดงยิ่งไกล
ดังนั้นโดยการสังเกตกาแลคซีที่มีใบเรือมาตรฐานนักดาราศาสตร์ก็พบว่าพวกมันมีการเปลี่ยนสีแดงและกาแลคซีที่อยู่ไกลออกไปก็จะยิ่งมีการเปลี่ยนแปลงมากขึ้นเท่านั้น
วันนี้เรารู้ว่านี่เป็นเพราะจักรวาลของเรากำลังขยายตัวนั่นก็คือเมื่อกาแลคซีเหล่านี้เคลื่อนที่ไปไกลกว่าและไกลออกไปจากเรา แต่นั่นไม่ใช่แค่เหตุผลที่เราสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงสีแดงนี้
ความจริงก็คือช่องว่างระหว่างกาแลคซีเหล่านี้และโลกของเรากำลังยืดเยื้อเช่นเดียวกับคลื่นแสงที่มาถึงเรา ดังนั้นให้ดูว่าการเปลี่ยนสีแดงนี้รุนแรงแค่ไหนเพื่อคำนวณระยะทางจากเทห์ฟากฟ้าถึงเรา
น่าสนใจว่าวิธีการวัดเหล่านี้เกี่ยวข้องกันทั้งหมด มันเป็นเพียงเพราะเรารู้ขนาดของระบบสุริยะของเราและระยะทางจากโลกถึงดวงอาทิตย์ที่เราสามารถทำได้เช่นวัดระยะทางของดาวผ่านทางพารัลแลกซ์
และถ้าเรารู้ระยะทางของเทียนมาตรฐานโดยพารัลแลกซ์เราสามารถใช้มันเพื่อวัดดวงดาวที่ห่างไกลมากขึ้นโดยการเปรียบเทียบเทียนเหล่านี้ และสุดท้ายด้วยการใช้ใบเรือมาตรฐานเพื่อศึกษาการเคลื่อนที่ของกาแลคซีเราสามารถคำนวณการวัดตามเรดชิฟต์ได้ น่าสนใจใช่ไหม
ที่มา: Royal Observatory Greenwich / Vimeo
