ภูเขาไฟระเบิด

ภูเขาไฟระเบิด

ภูเขาไฟ เป็นธรณีสัณฐาน ที่หินหนืด หินภายในโลกที่ถูกหลอมเหลวด้วยความดันและอุณหภูมิสูง ปะทุผ่านขึ้นมายังพื้นผิวของดาวเคราะห์ แม้ว่าเราจะสามารถพบภูเขาไฟได้หลายแห่งบนดาวเคราะห์หินและดาวบริวารในระบบสุริยะ แต่บนโลก ภูเขาไฟมักเกิดขึ้นใกล้กับแนวรอยต่อระหว่างแผ่นเปลือกโลก อย่างไรก็ตาม ยังมีภูเขาไฟที่เป็นข้อยกเว้น เรียกว่า ภูเขาไฟจุดร้อน
สาเหตุการระเบิดของภูเขาไฟ

ภูเขา ไฟระเบิด เกิดจาดหินหนืดที่อยู่ใต้เปลือกโลกมีอุณหภูมิ และความดันสูงมากถูกแรงดันอัดให้แทรกรอยแตกขึ้นมาสู่ผิวโลก โดยมีแรงปะทุหรือแรงระเบิดขึ้นหินหนืดที่พุ่งขึ้นมาจาการระเบิดของภูเขาไฟจะ ไหลลงสู่บริเวณที่อยู่ระดับต่ำกว่าและสร้างความเสียหายให้แก่มนุษย์สิ่งมี ชีวิตและสิ่งแวดล้อมเป็นอย่างมาก นอกจากหินหนืดแล้วยังมีสิ่งอื่นที่พุ่งออกจากปล่องภูเขาไฟ ได้แก่ ไอน้ำ ฝุ่นละออง เศษหิน และก๊าซต่างๆ เช่น ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ก๊าซคาบอนมอนอกไซด์ ก๊าซไนโตรเจน ก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ เป็นต้น ภูเขาไฟมักเกิดขึ้นที่บริเวณรอยต่อระหว่างแผ่นเปลือกโลก เช่น บริเวณของทวีปที่มีการมุดตัวของแผ่นเปลือกโลกใต้พื้นมหาสมุทรลงไปสู่ใต้ เปลือกโลกที่เป็นส่วนของทวีป เพราะแผ่นเปลือกโลกที่มุดตัวลงไปจะถูกหลอมกลายเป็นหินหนืดและแทรกตัวขึ้นมา ได้ง่ายกว่าบริเวณอื่นๆการเกิดภูเขาไฟในบริเวณที่ห่างจากรอยต่อระหว่างแผ่น เปลือกโลกก็มีโอกาสได้เช่นกัน แต่โอกาสเกิดขึ้นได้น้อย โดยอาจจะเกิดจากหินหนืดดันขึ้นตามรอยแตกในชั้นหินซึ่งรอยแตกนี้อยู่ห่างจาก แนวรอยต่อระหว่างแผ่นเปลือกโลก


วิธีป้องกันตัวขณะภูเขาไฟระเบิด

สวมเสื้อคลุม กางเกงขายาว ถุงมือเพื่อป้องกันเถ้าภูเขาไฟและความร้อนจากการระเบิด ใส่หน้ากากอนามัย แว่นตาทุกชนิดเพื่อป้องกันเถ้าภูเขาไฟ เตรียมเสบียง ยารักษาโรค เครื่องใช้ที่จำเป็นรวมทั้งเครื่องมือสื่อสารเช่นโทรศัพท์ วิทยุ ไม่ควรหลบอยู่ในอาคารสิ่งก่อสร้างเพราะอาจถล่มลงมาจากแผ่นดินไหวหรือเถ้าภูเขาไฟ
ผลกระทบจากการระเบิดของภูเขาไฟ

แรงสั่นสะเทือน มีทั้งการเกิดแผ่นดินไหวเตือน แผ่นดินไหวจริง และแผ่นดินไหวติดตาม ถ้าประชาชนไปตั้งถิ่นฐานอยู่ในเชินภูเขาไฟอาจหนีไม่ทันเกิดความสูญเสียชีวิต และทรัพย์สิน การเคลื่อนที่ของลาวา อาจไหลออกมาจากปากปล่องภูเขาไฟเคลื่อนที่รวดเร็วถึง 50 กิโลเมตรต่อชั่วโมง มนุษยและสัตว์อาจหนีภัยไม่ทันเกิดความสูญเสียอย่างใหญ่หลวง เกิดเถ้าภูเขาไฟ บอมบ์ภูเขาไฟ ระเบิดขึ้นสู่บรรยากาศ ครอบคลุมอาณาบริเวณใกล้ภูเขาไฟ และลมอาจพัดพาไปไกลจากแหล่งภูเขาไฟระเบิดหลายพันกิโลเมตร เช่น ภูเขาไฟพินาตูโบระเบิดที่เกาะลูซอนประเทศฟิลิปปินส์ เกิดคลื่นสึนามิ ขณะเกิดภูเขาไประเบิด โดยเฉพาะภูเขาไฟใต้ท้องมหาสมุทร คลื่นนี้จะโถมเข้าหาฝั่งสูงกว่า 30 เมตร หลังจากภูเขาไฟระเบิด เถ้าภูเขาไฟจะถล่มลงมา ทำให้พื้นที่ใกล้เคียงถูกทำลาย

แผ่นดินไหว

 แผ่นดินไหว

    เป็นปรากฏการณ์สั่นสะเทือนหรือเขย่าของพื้นผิวโลก เพื่อปรับตัวให้อยู่ในสภาวะสมดุล ซึ่งแผ่นดินไหวสามารถก่อให้เกิดความเสียหายและภัยพิบัติต่อบ้านเมือง ที่อยู่อาศัย สิ่งมีชีวิต ส่วนสาเหตุของการเกิดแผ่นดินไหวนั้นส่วนใหญ่เกิดจากธรรมชาติ โดยแผ่นดินไหวบางลักษณะสามารถเกิดจากการกระทำของมนุษย์ได้ แต่มีความรุนแรงน้อยกว่าที่เกิดขึ้นเองจากธรรมชาติ นักธรณีวิทยาประมาณกันว่าในวันหนึ่ง ๆ จะเกิดแผ่นดินไหวประมาณ 1,000 ครั้ง ซึ่งส่วนใหญ่จะเป็นแผ่นดินไหวที่มีการสั่นสะเทือนเพียงเบา ๆ เท่านั้น คนทั่วไปไม่รู้สึก

แผ่นดินไหวเป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของแผ่นเปลือกโลก (แนวระหว่างรอยต่อธรณีภาค) ทำให้เกิดการเคลื่อนตัวของชั้นหินขนาดใหญ่เลื่อน เคลื่อนที่ หรือแตกหักและเกิดการโอนถ่ายพลังงานศักย์ ผ่านในชั้นหินที่อยู่ติดกัน พลังงานศักย์นี้อยู่ในรูปคลื่นไหวสะเทือน

จุดศูนย์กลางการเกิดแผ่นดินไหว (focus) มักเกิดตามรอยเลื่อน อยู่ในระดับความลึกต่าง ๆ ของผิวโลก เท่าที่เคยวัดได้ลึกสุดอยู่ในชั้นแมนเทิล

ส่วนจุดที่อยู่ในระดับสูงกว่า ณ ตำแหน่งผิวโลก เรียกว่า "จุดเหนือศูนย์เกิดแผ่นดินไหว" (epicenter) การสั่นสะเทือนหรือแผ่นดินไหวนี้จะถูกบันทึกด้วยเครื่องมือที่เรียกว่า ไซสโมกราฟ โดยการศึกษาเรื่องแผ่นดินไหวและคลื่นสั่นสะเทือนที่ถูกส่งออกมา จะเรียกว่า "วิทยาแผ่นดินไหว" (อังกฤษ: Seismology)

การแปรสัณฐานแผ่นธรณีภาค

การแปรสัณฐานแผ่นธรณีภาค

ทฤษฎีทวีปเลื่อน (Continental Drift)
ได้มีผู้ตั้งข้อสงสัยเกี่ยวกับลักษณะของชายฝั่งทะเลที่น่าจะมีความสัมพันธ์กันอย่างใด

อย่างหนึ่งไว้นานหลายร้อยปีแล้ว อาทิ Francis Bacon ได้ตั้งข้อสังเกตไว้ในปี ค.ศ. 1620 ถึงการที่สองฟากมหาสมุทรแอตแลนติกมีลักษณะสอดคล้องกันอย่างยิ่ง ต่อมาในปี 1668 P. Placet จึงพยายามอธิบายว่าสองฟาก มหาสมุทรแอตแลนติกน่าจะเชื่อมกันมาก่อน แต่ยังไม่มีผู้ใดมีหลักฐานข้อมูลใดสนับสนุนนอกจากอาศัยลักษณะคล้ายคลึงสอดคล้องกันของชายฝั่งมหาสมุทรเท่านั้น ในปี 1858 Antonio Snider ได้อาศัยข้อมูลชั้นหินยุคคาร์บอนิเฟอรัสในทวีปยุโรปและอเมริกาเหนือมาเทียบสัมพันธ์กันจึงต่อแผ่นดินเหล่านี้เข้าเป็นผืนเดียวกัน แล้วให้แผ่นดินค่อยแยกออกจากกันในภายหลัง

ในปี 1908 Frank B. Taylor ได้อธิบายปรากฏการณ์ของการที่มหาทวีป 2 แห่ง ซึ่งเคยวางตัวอยู่ใกล้ขั้วโลกเหนือและใต้แตกแยกออกเป็นทวีปขนาดเล็กกว่าและเคลื่อนที่มาทางเส้นศูนย์สูตร นั่นคือมหาทวีปลอเรเซีย (Laurasia) ซึ่งอยู่ทางเหนือและมหาทวีปกอนด์วานา (Gondwanaland) ซึ่งอยู่ทางใต้ โดยเป็นการเคลื่อนที่เฉพาะของเปลือกโลกไซอัล และผลักดันตะกอนทำให้เกิดแนวเทือกเขาทางด้านหน้าที่ทวีปเคลื่อนที่ไปประกอบกับร่องรอยการแตกแยกของทวีปทางด้านหลัง สำหรับแรงที่ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของทวีปนั้นอธิบายว่ามาจากแรงดึงดูดของดวงจันทร์ซึ่งเข้ามาอยู่ใกล้ชิดโลกมากในยุคครีเทเชียส

ต่อมาในปี 1910 Alfred Wegener ได้สร้างแผนที่มหาทวีปใหม่เพียงแห่งเดียว โดยอาศัยรูปร่างแผนที่ของ Snider และตั้งชื่อว่ามหาทวีปพันเจีย ล้อมรอบอยู่ด้วยมหาสมุทรพันธาลาสซา (Panthalassa) แล้วจึงแตกออกและเคลื่อนที่ไปอยู่ ณ ตำแหน่งที่เห็นอยู่ในปัจจุบัน ขณะเคลื่อนที่ก็เกิดเทือกเขาด้านหน้า การแตกแยกด้านหลังเหมือนคำอธิบายของ Taylor นอกจากนี้ยังอธิบายว่ารอยชิ้นทวีปที่ขาดหล่นปรากฏเป็นเกาะแก่ง หรือรอยฉีกที่พบเป็นร่องลึกยังปรากฏอยู่บนพื้นมหาสมุทร เป็นต้น ขณะเดียวกับที่มีการแทรกดันขึ้นมาของเปลือกโลกไซมา ที่มีมวลตั้งต้นมาจากชั้นเนื้อโลก สำหรับแรงกระทำ กำหนดให้มาจากแรงดึงดูดของดวงอาทิตย์และดวงจันทร์ รวมกับแรงดึงดูดเนื่องจากแรงโน้มถ่วงภายในโลกประกอบกัน


ทฤษฎีแผ่นเปลือกโลกเคลื่อนที่ (Plate Tectonics)

การศึกษาสภาพธรณีวิทยาของพื้นผิวโลกทำให้ยืนยันได้ว่าผิวโลกต่อเนื่องลงไปถึงด้านล่าง ได้เกิดมีการเคลื่อนที่จริงๆ การเคลื่อนที่มีทั้งไปทางด้านข้างและขึ้นลงตามแนวดิ่ง แต่การแปรเปลี่ยนของผิวโลกตามทฤษฎีการแยกตัวของทวีปก็ยังเป็นที่ถกเถียงกันอยู่มากโดยมีทั้งผู้ที่เห็นด้วยและผู้ที่คัดค้าน ขณะเดียวกันก็มีการศึกษาหาความรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับโครงสร้างของโลกมากขึ้นอีก จุดหักเหของทฤษฎีเกี่ยวกับธรณีแปรสัณฐานเกิดขึ้นในช่วงประมาณ ค.ศ. 1960 เมื่อมีผู้นำเสนอทฤษฎีเกี่ยวกับการแยกตัวของพื้นมหาสมุทร (Seafloor spreading) เช่น B.C. Heezen, H.H. Hess และ R.S. Dietz เป็นต้น โดยทฤษฎีนี้มีใจความสำคัญมาจากการแยกตัวที่พื้นมหาสมุทรออกจากกันเป็นแนวยาวโดยมีวัสดุจากใต้ชั้นเปลือกโลกแทรกขึ้นมา เย็นตัวแข็งเกิดเป็นพื้นมหาสมุทรใหม่แล้วก็แยกจากกันออกไปอีกเรื่อย ๆ ในทิศทางตั้งฉากกับรอยแยกนี้ วัสดุที่แทรกขึ้นมานี้ทำให้เกิดเป็นโครงสร้างเทือกเขากลางสมุทร (Mid-Oceanic Ridge) การเคลื่อนที่ออกจากกันของพื้นมหาสมุทรถูกนำไปสัมพันธ์กับลักษณะของเปลือกโลกบริเวณร่องลึกที่พื้นมหาสมุทร (Trench) แนวภูเขาไฟรูปโค้ง (Volcanic arcs) และเทือกเขาสูงใกล้ขอบทวีปแล้วจึงทำให้เกิดเป็นแนวคิดต่อเนื่องว่าชั้นส่วนบนของโลกน่าจะมีลักษณะเป็นแผ่นประสานกัน แผ่นนี้มีทั้งส่วนที่เป็นทวีปและพื้นมหาสมุทร มีการเกิดขึ้นในบางส่วนของแผ่น มีการเคลื่อนที่และถูกทำลายไปในอีกส่วนหนึ่ง แผ่นเปลือกโลก (Plate) นี้ประกอบด้วยชั้นธรณีภาค (Lithophere) วางตัวอยู่บนชั้นฐานธรณีภาค (Asthenophere) ซึ่งภายในมีการเคลื่อนที่ของมวลเป็นกระแสหมุนวน (Convection current) ขึ้นลง กระแสนี้ช่วยพัดพาแผ่นเปลือกโลกให้เคลื่อนที่ไปขนานกับผิวโลก สำหรับขอบของแผ่นเปลือกโลกมักจะแสดงด้วยแนวโครงสร้างสำคัญคือเทือกเขากลางสมุทร ร่องลึกพื้นสมุทร และรอยเลื่อนเฉือนขนาดใหญ่ (Transform faults) และมีปรากฏการณ์ประกอบคือแนวของกลุ่มแผ่นดินไหวยุคปัจจุบันรวมกับปรากฏการณ์อื่น ได้แก่แนวเกาะภูเขาไฟหรือบริเวณแนวที่มีค่าความเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิตามความลึกของโลกสูงมาก จากแนวกำหนดนี้จึงทำให้ X. LePichon ระบุในปี 1968 ว่าแผ่นเปลือกโลกมีอยู่ 6 แผ่นใหญ่ แต่ในยุคต่อ ๆ มาได้มีความพยายามกำหนดแผ่นเปลือกโลกเพิ่มขึ้นอีกโดยอาศัยจุดกำเนิดแผ่นดินไหวที่สามารถกำหนดเป็นแนวได้ รวมทั้งการเทียบเคียงลักษณะทางธรณีวิทยาโครงสร้างต่างๆ ดังที่กล่าวถึงแล้ว ดังจะได้อธิบายรายละเอียดของโครงสร้างขนาดมหึมาต่าง ๆ ดังนี้



1. แนวเทือกเขากลางสมุทร (Mid-Oceanic Ridge)
มีลักษณะเป็นแนวเทือกเขาเตี้ยกว้างทอดยาวไปบนพื้นมหาสมุทรคล้ายกับเทือกเขา

สำคัญบนทวีป เทือกเขากลางสมุทรที่สำคัญได้แก่ Mid-Atlantic Ridge และ East Pacific Rise เป็นต้น กลางเทือกเขามีลักษณะพิเศษคือมีร่องลึกเกิดจากรอยเลื่อนทอดตัวตลอดความยาวของเทือกเขา ร่องนี้มีลักษณะคล้ายคลึงกับร่องหุบเขาที่ปรากฏอยู่บนแผ่นดินหลายแห่ง เช่น ร่องหุบเขาทางด้านตะวันออกของทวีปอาฟริกา หรือร่องหุบเขาบริเวณแม่น้ำไรน์ในยุโรป เป็นต้น บนเทือกเขากลางสมุทรมีการทะลักตัวขึ้นมาของหินหลอมละลายที่ระบุได้ว่ามาจากที่ลึกลงไปในชั้นเนื้อโลกทำให้เกิดเป็นหินอัคนีพุจำพวกบะซอลต์และอุลตราเมฟิก หินอัคนีพุเหล่านี้แสดงหลักฐานเป็นแถบบันทึกสนามแม่เหล็กโลกซึ่งเกิดขึ้นขณะที่หินหลอมละลายกำลังเย็นตัว แถบบันทึกนี้แสดงว่าสนามแม่เหล็กโลกได้เกิดการกลับขั้วไปมาตลอดเวลาด้วย นอกจากนี้ยังพบว่าแถบบันทึกสนามแม่เหล็กโลกนี้ปรากฏอยู่บนหินที่ประกอบเป็นพื้นมหาสมุทรทั้งสองฟากของเทือกเขากลางสมุทรด้วย และพบว่ายิ่งห่างออกไปจากแนวกลางของเทือกเขา หินเริ่มมีอายุแก่ขึ้นเรื่อย ๆ ดังนั้นจึงอธิบายว่าหินเหล่านี้เกิดขึ้นก่อนที่กลางเทือกเขาแล้วค่อยเคลื่อนที่ออกจากกันเรื่อย ๆ ตามกาลเวลา จากการคำนวณการเคลื่อนที่ทำให้กำหนดความเร็วของการแยกตัวได้ว่าอยู่ระหว่าง 1 ถึง 15 เซนติเมตรต่อปี

บริเวณเทือกเขากลางสมุทรใช้ระบุขอบของแผ่นเปลือกโลกในส่วนที่กำลังแยกตัวออก

จากกัน

2. รอยเลื่อนระนาบด้านข้าง (Transform Faults)

เป็นลักษณะของรอยเลื่อนแนวระดับ (Strike-slip fault) ซึ่งพบตัดแนวเทือกเขา

กลางสมุทรและทำให้แนวเทือกเขาเหลื่อมกันและจากข้อมูลแผ่นดินไหวพบว่า แนวรอยเลื่อนนี้อยู่ลึกไม่เกิน 300 กิโลเมตร รอยเลื่อนชนิดนี้ยังไม่รู้ถึงสาเหตุของการกำเนิดแต่สามารถใช้ระบุขอบของแผ่นโลกบางส่วนรวมทั้งบอกถึงการเคลื่อนตัวเฉียดผ่านกันของแผ่นเปลือกโลกที่อยู่ชิดกันด้วย

3. ร่องลึกก้นสมุทร (Trenches)

ร่องลึกนี้ถูกพบที่ใต้มหาสมุทรใกล้ขอบของทวีป บ่อยครั้งจะพบว่ามีแนวเกาะภูเขาไฟ

รูปโค้งประกอบอยู่ด้านหนึ่งของร่องลึก คือด้านที่อยู่ใกล้ขอบทวีป หินภูเขาไฟที่เกิดขึ้นตามแนวเกาะภูเขาไฟนี้เป็นจำพวกหินแอนดีไซต์ ซึ่งแตกต่างไปจากหินอัคนีที่เกิดบริเวณเทือกเขากลางสมุทร ซึ่งส่วนใหญ่เป็นหินบะซอลต์ นอกจากนี้บริเวณนี้ยังพบว่าเป็นบริเวณที่มีความร้อนพิภพสูงมากด้วย ส่วนในบริเวณร่องลึกได้พบการเกิดแผ่นดินไหวมากมาย เมื่อกำหนดตำแหน่งจุดกำเนิดแผ่นดินไหวได้ก็พบว่ามีลักษณะเอียงเทลงไปจากแนวร่องลึกลงไปถึงชั้นฐานธรณีภาค ที่ประมาณความลึกถึง 700 กิโลเมตร แนวแผ่นดินไหวเอียงเทนี้เรียกว่าเขตเบนนิออฟ (Benioff zones) จากการศึกษากลไกการเกิดแผ่นดินไหวที่พบในที่ลึกพบว่ามีแผ่นดินไหวจำนวนหนึ่งน่าจะเกิดจากรอยเลื่อนที่มีลักษณะสอดคล้องกับการเอียงของ Benioff zone โดยแสดงเป็นลักษณะของรอยเลื่อนย้อน ดังนั้นจึงทำให้เกิดเป็นสมมติฐานว่าบริเวณนี้แผ่นเปลือกโลกกำลังมุดตัวเอียงลง และถูกกลืนหายไปในชั้นฐานธรณีภาค ขณะเดียวกันแนวเกาะภูเขาไฟและเขตความร้อนพิภพสูงก็อธิบายว่าได้เกิดการหลอมตัวของแผ่นเปลือกโลกในที่ลึกจนกลายเป็นมวลหินหลอมเหลว ซึ่งมวลหินหลอมเหลวค่อยๆหาทางเคลื่อนที่ขึ้นข้างบนมาเย็นตัวเป็นมวลหินอัคนีทั้งหินอัคนีพุและหินอัคนีแทรกดัน นอกจากนี้ในบริเวณใกล้เคียงที่ขอบของแผ่นเปลือกโลกด้านใดด้านหนึ่งหรือทั้งสองด้านน่าจะเกิดการเข้าชนกันทำให้เกิดการคดโค้งโก่งงอพร้อมกับรอยเลื่อนย้อนมากมายจนทำให้วัสดุถูกยกตัวขึ้นเป็นแนวแคบยาวขนานไปตามแนวชนกันของขอบแผ่นเปลือกโลกนั่นคือการเกิดเป็นแนวเทือกเขานั่นเอง

โครงสร้างโลก

โครงสร้างภายในของโลก
 
       โลกมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางยาว 12,756 กิโลเมตร (รัศมี 6,378 กิโลเมตร) มีมวลสาร 6 x 10^24 กิโลกรัม และมีความหนาแน่นเฉลี่ย 5,520 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร (หนาแน่นกว่าน้ำ 5,520 เท่า) นักธรณีวิทยาทำการศึกษาโครงสร้างภายในของโลก โดยศึกษาการเดินทางของ “คลื่นซิสมิค” (Seismic waves) ซึ่งมี 2 ลักษณะ คือ

คลื่นปฐมภูมิ (P wave) เป็นคลื่นตามยาวที่เกิดจากความไหวสะเทือนในตัวกลาง โดยอนุภาคของตัวกลางนั้นเกิดการเคลื่อนไหวแบบอัดขยายในแนวเดียวกับที่คลื่นส่งผ่านไป คลื่นนี้สามารถเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางที่เป็นของแข็ง ของเหลว และก๊าซ เป็นคลื่นที่สถานีวัดแรงสั่นสะเทือนสามารถรับได้ก่อนชนิดอื่น โดยมีความเร็วประมาณ 6 – 8 กิโลเมตร/วินาที คลื่นปฐมภูมิทำให้เกิดการอัดหรือขยายตัวของชั้นหิน ดังภาพที่ 3

คลื่นทุติยภูมิ (S wave) เป็นคลื่นตามขวางที่เกิดจากความไหวสะเทือนในตัวกลาง โดยอนุภาคของตัวกลางเคลื่อนไหวตั้งฉากกับทิศทางที่คลื่นผ่าน มีทั้งแนวตั้งและแนวนอน คลื่นชนิดนี้ผ่านได้เฉพาะตัวกลางที่เป็นของแข็งเท่านั้น ไม่สามารถเดินทางผ่านของเหลว คลื่นทุติยภูมิมีความเร็วประมาณ 3 – 4 กิโลเมตร/วินาที คลื่นทุติยภูมิทำให้ชั้นหินเกิดการคดโค้ง

โครงสร้างภายในของโลกแบ่งตามองค์ประกอบทางเคมี
นักธรณีวิทยา แบ่งโครงสร้างภายในของโลกออกเป็น 3 ส่วน โดยพิจารณาจากองค์ประกอบทางเคมี ดังนี้ (ภาพที่ 5)
เปลือกโลก (Crust) เป็นผิวโลกชั้นนอก มีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นซิลิกอนไดออกไซด์ และอะลูมิเนียมออกไซด์

แมนเทิล (Mantle) คือส่วนซึ่งอยู่อยู่ใต้เปลือกโลกลงไปจนถึงระดับความลึก 2,900 กิโลเมตร มีองค์ประกอบหลักเป็นซิลิคอนออกไซด์ แมกนีเซียมออกไซด์ และเหล็กออกไซด์

แก่นโลก (Core) คือส่วนที่อยู่ใจกลางของโลก มีองค์ประกอบหลักเป็นเหล็ก และนิเกิล

เทคโนโลยีอวกาศ

การโคจรของดาวเทียมและกล้องโทรทรรศน์อวกาศ

ปัจจุบันความก้าวหน้าด้านวิทยาศาสตร์เทคโนโลยีด้านการโคจรภายใต้แรงดึงดูดระหว่างมวล ถูกนำมาประยุกต์ใช้เพื่อช่วยพัฒนาองค์ความรู้ต่างๆ ทั้งทางด้านวิทยาศาสตร์ เศรษฐกิจ สังคม อุตุนิยมวิทยา ภูมิศาสตร์ หรือแม้แต่ช่วยอำนวยความสะดวกด้านการติดต่อสื่อสารอย่างทั่วถึงและรวดเร็ว ดังเช่นในยุคข้อมูลไร้พรมแดนอย่างทุกวันนี้ ตัวอย่างของวัตถุที่มีการโคจรภายใต้แรงดึงดูดระหว่างมวล เช่น ดาวเทียม กล้องโทรทรรศน์อวกาศ สถานีอวกาศ เป็นต้น พื้นฐานของการโคจรภายใต้แรงดึงดูดระหว่างมวลจำเป็นต้องอาศัยความรู้เกี่ยวกับเรขาคณิตของเส้นโค้งซึ่งเป็นรูปร่างของเส้นทางการเคลื่อนที่ โดยเฉพาะเรขาคณิตของวงรี ซึ่งได้กล่าวไว้คร่าวๆ แล้วในบทที่ 4 เส้นทางการเคลื่อนที่แบบวงรีสามารถอธิบายได้ด้วยกฎของเคปเลอร์ 3 ข้อ ดังต่อไปนี้ คือ

1. ดาวเคราะห์ทั้งหมดจะมีเส้นทางการเคลื่อนที่เป็นวงรี โดยมีดวงอาทิตย์อยู่ที่ตำแหน่งจุดโฟกัสจุดหนึ่งของวงรี

2. ถ้าลากเส้นตรงเชื่อมระหว่างดาวเคราะห์กับดวงอาทิตย์แล้ว เส้นตรงดังกล่าวจะกวาดพื้นที่ได้ค่าเท่ากันเมื่อช่วงเวลาที่ใช้เท่ากัน

3. สำหรับวงโคจรแบบวงรีของวัตถุท้องฟ้าภายใต้แรงโน้มถ่วงระหว่างกัน คาบการโคจรกับระยะครึ่งแกนยาวจะมีความสัมพันธ์กันโดยที่ คาบการโคจรของวัตถุท้องฟ้า (หน่วยปี) ยกกำลังสอง จะมีค่าเท่ากับระยะครึ่งแกนยาว (ในหน่วย AU) ยกกำลังสาม

กฎของเคปเลอร์ในเบื้องต้นใช้อธิบายเส้นทางการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์ ซึ่งเกิดจากแรงดึงดูดระหว่างมวลของดวงอาทิตย์กับดาวเคราะห์ แต่เนื่องจากแรงดังกล่าวเป็นแรงชนิดเดียวกับแรงดึงดูดระหว่างมวลของโลกกับดาวเทียม โลกกับสถานีอวกาศ ดวงอาทิตย์กับยานอวกาศ ฯลฯ จึงสามารถใช้กฎของเคปเลอร์ในการอธิบายเส้นทางการเคลื่อนที่ของวัตถุเหล่านี้ได้

- ดาวเทียม

ปัจจุบันดาวเทียมถูกมนุษย์ส่งไปโคจรรอบโลกจำนวนนับไม่ถ้วน ด้วยประโยชน์ต่างๆมากมาย สามารถแบ่งประเภทของดาวเทียมตามหน้าที่ต่างๆ ได้ดังนี้

(ก) ดาวเทียมสื่อสาร

(ข) ดาวเทียมอุตุนิยมวิทยา

(ค) ดาวเทียมสำรวจทรัพยากร

(ง) ดาวเทียมทางทหาร

(จ) ดาวเทียมสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์

ดาวเทียมถูกส่งขึ้นไปจากโลกโดยยานขนส่งอวกาศ และสามารถโคจรรอบโลกได้อาศัยหลักการโคจรตามแรงดึงดูดระหว่างมวล ซึ่ง ณ ระดับความสูงจากผิวโลกระดับหนึ่ง ดาวเทียมจะต้องมีความเร็วเพียงค่าหนึ่งเท่านั้นจึงสามารถจะโคจรรอบโลกอยู่ได้โดยไม่หลุดจากวงโคจร โดยความเร็วดังกล่าวจะอยู่ในช่วง 7.6-11.2 กิโลเมตรต่อวินาที (รูปแบบการโคจรแบบวงกลมจนกระทั่งถึงรูปแบบการโคจรแบบพาราโบลา) ดังรูปที่ 1 ความเร็วดังกล่าวนี้ถูกควบคุมตั้งแต่เริ่มต้นปล่อยดาวเทียมเข้าสู่วงโคจรเพื่อให้เส้นทางการโคจรของดาวเทียมไม่ซ้อนทับกันกับดาวเทียมดวงอื่นๆ ดังนั้นแม้จะมีดาวเทียมอยู่มากมายแต่ดาวเทียมเหล่านี้จะไม่โคจรชนกันเลย เนื่องจากดาวเทียมแต่ละดวงจะมีสมบัติการเคลื่อนที่เฉพาะตัว

- กล้องโทรทรรศน์อวกาศ

ในการสังเกตการณ์วัตถุท้องฟ้าทางดาราศาสตร์ซึ่งอยู่ไกล นักดาราศาสตร์จำเป็นต้องใช้กล้องโทรทรรศน์ จึงมีกล้องโทรทรรศน์กระจายอยู่ทั่วทุกมุมโลก แต่เนื่องจากกว่าที่แสงจากวัตถุท้องฟ้าเหล่านั้นจะเข้ามาสู่กล้องโทรทรรศน์บนโลกได้ต้องผ่านชั้นบรรยากาศโลกซึ่งมีบางช่วงความยาวคลื่นที่ถูกดูดกลืนหรือกระเจิงออกไปทำให้ผลการสังเกตการณ์ต้องคิดถึงค่าการรบกวนจากชั้นบรรยากาศ จึงมีแนวความคิดในการส่งดาวเทียมซึ่งติดตั้งกล้องโทรทรรศน์สังเกตการณ์ในอวกาศ และในปี พ.ศ. 2533 องค์การนาซาได้ส่งกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล (Hubble Space Telescope) ขึ้นไปประจำในวงโคจรรอบโลกที่ความสูง 600 กิโลเมตรเหนือผิวโลก บรรยากาศที่ความสูงดังกล่าวนี้เบาบางเทียบได้กับสภาวะสุญญากาศ ในการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ที่ระดับความสูงดังกล่าวจึงไม่มีผลกระทบจากบรรยากาศ

กำเนิดระบบสุริยะ

กำเนิดสุริยะจักรวาล

จักรวาลของเราที่มีดวงอาทิตย์ เป็นศูนย์กลางนั้นได้ ถือกำเนิดมาจากกลุ่มแก๊สร้อนกลุ่มหนึ่ง ของทางช้างเผือก เมื่อประมาณ 5,000 ล้านปีมาแล้ว จักรวาลนี้เป็นจักรวาลที่มีความไม่ธรรมดา อยู่หลายประการ เช่น มีสิ่งมีชีวิต มีวงโคจรของดาวเคราะห์บริวารของจักรวาลนี้ ที่แทบจะอยู่ในระนาบเดียวกันหมด นอกจากนี้ดาวเคราะห์ส่วนมาก จะหมุนรอบตัวเองในทิศทางเดียวกัน ยกเว้นดาวศุกร์และพลูโต ซึ่งหมุนสวนทิศกับดาวดวงอื่นๆ ที่แปลกสุดแปลกคือดาวมฤตยูนั้น จะตะแคงตัวหมุน ครั้นเมื่อนักดาราศาสตร์ เปรียบเทียบความเร็วในการโคจร ของดาวเคราะห์และดวงอาทิตย์แล้ว เขาก็พบว่าดวงอาทิตย์ของเรา หมุนช้าอย่างแทบไม่น่าเชื่อ แค่นี้ยังไม่พอ นักวิทยาศาสตร์ก็ยังรู้แปลก ที่ยังตอบไม่ได้ว่าเหตุใดดวงจันทร์ ของโลกและดวงจันทร์ของดาวพลูโตจึงมีขนาดใหญ่เมื่อเปรียบเทียบกับดาวแม่ ในขณะที่ดวงจันทร์ของดาวเคราะห์อื่นๆ นั้นเล็กนิดเดียว และดวงจันทร์เหล่านั้นมาจากไหน เหตุใดดาวเคราะห์ที่อยู่ใกล้ดวงอาทิตย์จึงประกอบด้วยธาตุหนัก แต่เหล่าดาวที่อยู่ไกลจึงมีองค์ประกอบที่เป็นธาตุเบา เหตุใด เหตุใด และเหตุใดทฤษฎีใดๆ ของสุริยจักรวาลที่ถูกต้อง และสมบูรณ์จะต้องอธิบายและตอบคำถามต่างๆ ที่กล่าวมาข้างต้นนี้ได้หมด

ในอดีตเมื่อประมาณ 200 ปีมาแล้ว นักดาราศาสตร์เคยวาดฝันเกี่ยวกับกำเนิดของสุริยจักรวาลว่าได้มีดาวฤกษ์ดวงใหญ่อีกหนึ่งดวงโคจรมาใกล้ดวงอาทิตย์ของเรา และแรงดึงดูดอันมหาศาลของดวงดาวนั้นได้ดึงดูดแก๊สร้อนจากดวงอาทิตย์ให้หลุดปลิวลอยไปในอวกาศ เมื่อแก๊สนั้นเย็นลง มันจึงจับตัวแข็งเป็นดาวเคราะห์ แต่หลักฐานต่างๆ ในปัจจุบันส่อแสดงให้เห็นแล้วว่า ดวงอาทิตย์และดาวเคราะห์ต่างๆ นั้นเกิดมาพร้อมๆ กัน ดังนั้นทฤษฎีนี้จึงต้องตกไป

ส่วนนักปราชญ์ชื่อ Kant และนักฟิสิกส์ชื่อ Laplace นั้นเคยเชื่อว่า สุริยจักรวาลเกิดจากกลุ่มแก๊สที่หมุนรอบตัวเองจนมีลักษณะเป็นจานกลมเมื่อส่วนต่างๆ ของขอบจานเย็นลงมันจะหดตัวและจับตัวรวมกันเป็นดาวเคราะห์ต่างๆ แต่ถ้าทฤษฎีนี้เป็นจริง เมื่อดาวเคราะห์ต่างๆ ถือกำเนิดขึ้นมาแล้ว ดวงอาทิตย์ก็ควรจะหมุนเร็วขึ้น แต่กลับปรากฏว่าดวงอาทิตย์นั้นหมุนช้ามาก ทฤษฎีนี้จึงต้องมีการปรับปรุง

นักดาราศาสตร์แบ่งเขตพื้นที่ของระบบสุริยะออกเป็น 4 เขต โดยใช้ลักษณะการก่อตัวของบริวารของดวงอาทิตย์เป็นเกณฑ์ คือ
1. เขตดาวเคราะห์ชั้นในหรือดาวเคราะห์หิน เป็นดาวเคราะห์ที่มีพื้นผิวแข็งหรือเป็นหินเหมือนโลก บางครั้งจึงเรียกว่า ดาวเคราะห์แบบโลก ได้แก่ ดาวพุธ ดาวศุกร์ โลก และดาวอังคาร เชื่อกันว่าดาวเคราะห์ชั้นในเกิดจากมวลสารของเนบิวลาที่อยู่ถัดออกมาจากบริเวณใจกลาง ที่ไม่ได้เคลื่อนที่ไปรวมกับมวลสารที่เกิดดวงอาทิตย์ แต่เคลื่อนที่รอบดวงอาทิตย์และมีอุณหภูมิพอเหมาะที่จะเกิดเป็นก้อนหินขนาดต่างๆ กันจำนวนมาก ก้อนใหญ่จะดึงก้อนเล็กเข้าหาด้วยแรงโน้มถ่วงพอกพูนกลายเป็นดาวเคราะห์ที่มีความหนาแน่นสูง ดาวเคราะห์ชั้นในจะใช้เวลาในการเกิดประมาณ 100 ล้านปี


2. เขตดาวเคราะห์น้อย เป็นมวลสารที่อยู่ระหว่างวงโคจรของดาวอังคารและดาวพฤหัสบดี คาดว่ามี การก่อตัวเช่นเดียวกับวัตถุที่ก่อกำเนิดเป็นดาวเคราะห์ชั้นใน เศษที่เหลือของการสร้างดาวเคราะห์หินถูกแรงรบกวนของดาวพฤหัสบดีที่มีขนาดใหญ่และเกิดพร้อมดวงอาทิตย์ ทำให้มวลสารในบริเวณแถบดาวเคราะห์น้อยจับตัวเป็นก้อนขนาดใหญ่ไม่ได้ จึงกลายเป็นดาวเคราะห์น้อยที่มีขนาดเล็กจำนวนมาก


3. เขตดาวเคราะห์ชั้นนอกหรือดาวเคราะห์ยักษ์ เป็นดาวเคราะห์ที่มีขนาดใหญ่ องค์ประกอบหลักเป็นแก๊สไฮโดรเจนและแก๊สฮีเลียม ได้แก่ ดาวพฤหัสบดี ดาวเสาร์ ดาวยูเรนัส และดาวเนปจูน เกิดจากมวลสารของเนบิวลาที่อยู่ถัดออกมาจากดาวเคราะห์หิน ดาวเคราะห์ยักษ์เกิดจากการสะสมของแก๊สและสารที่ระเหยง่าย เช่น น้ำ เข้าไว้เป็นก้อนใหญ่ แก๊สส่วนใหญ่หลุดจากดวงอาทิตย์ และบริเวณชั้นในของระบบสุริยะที่ดวงอาทิตย์ส่งแรงดันของการแผ่รังสีผลักแก๊สเหล่านี้ออกไปไกล รวมกันเป็นดาวเคราะห์ชั้นนอกซึ่งมีความหนาแน่นต่ำ ดาวเคราะห์ชั้นนอกบางดวงมีความหนาแน่นน้อยมาก เช่น ดาวเสาร์มีความหนาแน่น 0.70 ซึ่งต่ำกว่าความ หนาแน่นของน้ำ เป็นต้น


4. เขตของดาวหาง อยู่บริเวณขอบนอกของระบบสุริยะ ดาวหางเกิดจากเศษที่เหลือจากการสร้าง ดาวเคราะห์ยักษ์ ดาวหางเป็นวัตถุท้องฟ้าที่ประกอบด้วยน้ำและแก๊สที่เย็นจัด รวมตัวกันเป็นก้อนน้ำแข็ง โดยมีฝุ่นและแร่ธาตุต่างๆ มารวมตัวกัน เมื่อดาวหางโคจรมาใกล้ดวงอาทิตย์ จะดูดพลังงานจากดวงอาทิตย์ในรูปของพลังงานความร้อนและรังสี ทำให้ก้อนน้ำแข็งกลายเป็นไอกระจายออกไป ประกอบกับลมสุริยะผลักดันให้แก๊สและฝุ่นในส่วนหัวพุ่งไปในทิศทางตรงกันข้ามกับดวงอาทิตย์ ปรากฏเป็นหางยาวและมีแสงสว่างจ้า ซึ่งเกิดจากการสะท้อนแสงของแก๊สในดาวหาง หางของดาวหางจะยาวขึ้นเมื่อโคจรใกล้ดวงอาทิตย์มากขึ้นดวงอาทิตย์ส่งแรงโน้มถ่วงไปยังดาวเคราะห์ ทำให้ดาวเคราะห์แต่ละดวงเคลื่อนที่ไปรอบๆ ดวงอาทิตย์ด้วยความเร็วต่างกัน แรงโน้มถ่วงที่ดวงอาทิตย์กระทำต่อดาวเคราะห์แต่ละดวงจะต่างกันด้วย ถ้าดาวเคราะห์ไม่เคลื่อนที่หรือเคลื่อนที่ช้าลง ดวงอาทิตย์จะดึงดูดดาวเคราะห์ด้วยแรงโน้มถ่วง ทำให้ดาวเคราะห์ตกลงบนดวงอาทิตย์ ได้ตำแหน่งของดาวเคราะห์ในระบบสุริยะที่เหมาะสมต่อการเกิดสิ่งมีชีวิต เป็นตำแหน่งที่มีวงโคจรห่างจากดวงอาทิตย์ประมาณ 1002300 ล้านกิโลเมตร เพราะตำแหน่งนี้มีช่วงอุณหภูมิที่พอเหมาะ คือ อยู่ในช่วงที่ไม่สูงถึงจุดน้ำเดือด และต่ำกว่าจุดเยือกแข็งของน้ำเล็กน้อย และมีมวลที่พอเหมาะ มวลของดาวเคราะห์มีผลต่อการเกิดสิ่งมีชีวิตเช่นกัน มวลที่น้อยเกินไปจะมีแรงโน้มถ่วงน้อยจนไม่สามารถกักเก็บน้ำและบรรยากาศไว้ได้ เนื่องจากน้ำเป็นสิ่งที่ทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีในสิ่งมีชีวิต และเป็นตัวทำละลายแร่ธาตุจนสามารถซึมเข้าภายในเซลล์ได้ ส่วนบรรยากาศประกอบด้วยอากาศที่ใช้ในการหายใจ โดยเฉพาะออกซิเจนที่ช่วยในการเผาผลาญให้เกิดพลังงาน และบรรยากาศยังช่วยป้องกันรังสีบางชนิดไม่ให้ลงสู่พื้นโลกมากเกินไปจนเป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตด้วย ดาวเคราะห์ดวงอื่นที่อยู่ในตำแหน่งที่ไม่น่าจะมีสิ่งมีชีวิตที่เหมือนกับสิ่งมีชีวิตบนโลก แต่อาจจะมีสิ่งมีชีวิตรูปแบบ อื่นที่มีลักษณะแตกต่างไป ลักษณะของสิ่งมีชีวิตในดาวเคราะห์จะเหมาะสมกับสภาพแวดล้อมของดาวเคราะห์ดวงนั้น

วิวัฒนาการของดาวฤกษ์

ดาวฤกษ์ทั้งหลายเกิดจากการยุบรวมตัวของ เนบิวลา หรือกล่าวได้อีกอย่างว่าเนบิวลาเป็นแหล่งกำเนิดของดาวฤกษ์ทุกประเภท แต่จุดจบของดาวฤกษ์จะต่างกัน ขึ้นอยู่กับมวลสาร

วิวัฒนาการของดาวฤกษ์ที่มีมวลสารต่างๆกัน วาระสุดท้ายของดาวฤกษ์มวลสารมากกว่าดวงอาทิตย์มากๆจะเป็นหลุมดำมวลสารมากกว่าดวงอาทิตย์มาก จะกลายเป็นดาวนิวตรอน และวาระสุดท้ายดาวฤกษ์มวลสารน้อย เช่น ดวงอาทิตย์ จะกลายเป็นดาวแคระ

ดาวฤกษ์ที่มีมวลน้อย เช่น ดวงอาทิตย์มีแสงสว่างไม่มากจะใช้เชื้อเพลิงในอัตราที่น้อย จึงมีชีวิตยาว และจบลงด้วยการไม่ระเบิด แต่จะกลายเป็นดาวแคระขาว สำหรับดาวฤกษ์ ที่มีมวลพอๆกับดวงอาทิตย์ จะมีช่วงชีวิตและการเปลี่ยนแปลงแบบเดียวกับดวงอาทิตย์

ดาวฤกษ์ที่มีขนาดใหญ่ มีมวลมาก สว่างมากจะใช้เชื้อเพลิงอย่างสิ้นเปลืองในอัตราสูงมากจึงมีช่วงชีวิตสั้นกว่า และจบชีวิตด้วยการระเบิดอย่างรุนแรง

จุดจบของดาวฤกษ์ที่มวลมาก คือการระเบิดอย่างรุนแรง ที่เรียกว่า ซูเปอร์โนวา (supernova) แรงโน้มถ่วง จะทำให้ดาวยุบตัวลงกลายเป็นดาวนิวตรอนหรือหลุมดำ ในขณะเดียวกันก็มีแรงสะท้อนที่ทำให้ส่วนภายนอกของดาวระเบิดเกิดธาตุหนักต่างๆ เช่น ยูเรนียม ทองคำ ฯลฯ ซึ่งถูกสาด กระจายออกสู่อวกาศกลายเป็นส่วนประกอบของเนบิวลารุ่นใหม่ และเป็นต้นกำเนิดของดาวฤกษ์รุ่นต่อไป เช่นระบบสุริยะก็เกิดจากเนบิวลารุ่นหลัง ดวงอาทิตย์และบริวารจึงมีธาตุต่างๆทุกชนิด เป็นองค์ประกอบ ดังนั้น เนบิวลา ดาวฤกษ์ การระเบิดของดาวฤกษ์ ดาวเคราะห์ โลกของเรา สารต่างๆและชีวิตบนโลก จึงมีความสัมพันธ์กันอย่างลึกซึ้ง

ดาวฤกษ์

ดาวฤกษ์ คือ วัตถุท้องฟ้าที่เป็นก้อนพลาสมาสว่างขนาดใหญ่ที่คงอยู่ได้ด้วยแรงโน้มถ่วง ดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้โลกมากที่สุด คือ ดวงอาทิตย์ ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานหลักของโลก เราสามารถมองเห็นดาวฤกษ์อื่น ๆ ได้บนท้องฟ้ายามราตรี หากไม่มีแสงจากดวงอาทิตย์บดบัง ในประวัติศาสตร์ ดาวฤกษ์ที่โดดเด่นที่สุดบนทรงกลมท้องฟ้าจะถูกจัดเข้าด้วยกันเป็นกลุ่มดาว และดาวฤกษ์ที่สว่างที่สุดจะได้รับการตั้งชื่อโดยเฉพาะ นักดาราศาสตร์ได้จัดทำบัญชีรายชื่อดาวฤกษ์เพิ่มเติมขึ้นมากมาย เพื่อใช้เป็นมาตรฐานในการตั้งชื่อดาวฤกษ์



ระยะห่างของดาวฤกษ์

ดาวฤกษ์ส่วนใหญ่ที่นักเรียนเห็นบนท้องฟ้าอยู่ไกลมาก ดวงอาทิตย์และดาวพรอก ซิมาเซนเทอรีเป็นเพียงดาวฤกษ์สองดวงในบรรดาดาวฤกษ์หลายแสนล้านดวงที่ประกอบกันเป็นกาแล็กซี (Galaxy) กาแล็กซีหลายพันล้านกาแล็กซีรวมอยู่ในเอกภพ นักดาราศาสตร์จึงคิดค้นหน่วยวัดระยะทางที่เรียกว่า ปีแสง (light-year) ซึ่งเป็นระยะทางที่แสงใช้เวลาเดิน ทางเป็นเวลา 1 ปี แสงเดินทางด้วยความเร็วประมาณ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที ดังนั้น ระยะทาง 1 ปีแสงจึงมีค่าเท่ากับ 9.5 ล้านล้านกิโลเมตร

ทฤษฎีบิ๊กแบง

หลังจากได้มีการค้นพบกฎการขยายตัวของเอกภพโดย เอ็ดวิน ฮับเบิล (Edwin Hubble) ทำให้เกิดความคิดว่าเอกภพที่กำลังขยายตัวอยู่ในปัจจุบันจะมีลักษณะเป็นเช่นไรในอดีต แนวคิดที่สอดคล้องกับสามัญสำนึกของเราคือ เอกภพมีการขยายตัวเมื่อทิศทางของเวลาเดินไปข้างหน้า ดังนั้นถ้าเราย้อนทิศทางของเวลากลับไปยังอดีตเอกภพก็ควรจะหดเล็กลงเรื่อยๆ จนกระทั่งอาจเหลือเพียงแค่ปริมาตรที่เล็กมากๆ ปริมาตรหนึ่งในความว่างเปล่า
ถ้าเราลำดับทิศทางของเวลาตั้งแต่เริ่มต้นจนถึงปัจจุบัน วิวัฒนาการของเอกภพจึงควรเริ่มมาจากปริมาตรที่เล็กมากๆแต่มีสสารอยู่อย่างอัดแน่น จู่ๆ ก็มีการระเบิดออกอย่างรุนแรง ทำให้ปริมาตรเล็กๆ นั้นขยายตัวออกมาเป็นเอกภพดังเช่นในปัจจุบัน ทฤษฎีดังกล่าวจึงกำลังจะบอกเราว่าเอกภพควรจะมีจุดเริ่มต้นในอดีตกำลังวิวัฒนาการไปสู่อนาคตโดยการขยายตัวจากการระเบิดออกอย่างรุนแรง ซึ่งแนวคิดดังกล่าวต่างจากทฤษฎีแบบจำลองเอกภพแบบสถานะคงตัวโดยสิ้นเชิง

ทฤษฎีบิ๊กแบงถูกเสนอโดย จอร์จส เลอแมท์ร (Georges Lemaitre) เมื่อปีพ.ศ.2470 (ค.ศ.1927) ต่อมาทฤษฎีดังกล่าวถูกพัฒนาโดย จอร์จ กามอฟ ( George Gamow) และนักคิดอีกหลายท่าน โดยกล่าวว่าในช่วงเริ่มต้นของเอกภพ สสารทุกอย่างจะอยู่รวมตัวกันอย่างหนาแน่นมากๆ จนความหนาแน่นของเอกภพมีค่าเป็นอนันต์ ในปริมาตรที่เล็กมากๆ ปริมาตรหนึ่ง เรียกว่า ซิงกูลาริตี้ (singularity)

ในบริเวณซิงกูลาริตี้นั้นมีพลังงานสูงมากจนมีอุณหภูมิมหาศาล กฎเกณฑ์ต่างๆทางฟิสิกส์ ที่ใช้อธิบายปรากฏการณ์ต่างๆ ไม่สามารถ อธิบายเอกภพในช่วงนั้นได้ รามไปถึงเวลาที่ถูกกำหนดเป็นศูนย์ ทันทีทันใดนั้นการระเบิดอย่างรุนแรงของซิงกูลาริตี้ ทำให้สสารที่รวมอยู่ในปริมาตรเล็กๆ นั้นเกิดการกระจายตัวออก และเริ่มต้นนับเวลาตั้งแต่การระเบิดสิ้นสุดลง

ภายหลังจากการระเบิดครั้งใหญ่ของเอกภพ การกระจายตัวออกของสสารจะทำให้ความหนาแน่น และอุณหภูมิมีค่าต่ำลงเรื่อยๆ เมื่อเวลาผ่านไป ภาพของเอกภพในช่วงแรกเริ่ม (Early universe) จึงสามารถแบ่งได้ตามเวลาที่เริ่มนับตั้งแต่เกิดบิ๊กแบงไปเรื่อยๆ โดยสถานะของสสารในช่วงเวลาผ่านไปประมาณ 10-43 วินาที (เท่ากับ 0.0000000000000000000000000000000000000000001 วินาที) เอกภพร้อนจัดและมีความหนาแน่นสูงมาก

ต่อมาเอกภพได้เกิดการพองตัวออกอย่างรวดเร็ว (inflation) การพองตัวออกนี้เป็นสาเหตสำคัญที่ทำให้เอกภพที่เราเห็นในปัจจุบันมีความใหญ่โตมโหฬาร และดูเหมือนว่า จะมี ความหนาแน่นพอ ๆ กันในทุก ๆ ตำแหน่ง (homogeneous) และทุก ๆ ทิศทาง (isotropic) ซึ่งทำให้เอกภพตามแบบจำลองทฤษฎีบิ๊กแบงมีความสอดคล้องกับหลักสองข้อของเอกภพ ภายหลังจากการพองตัว เอกภพยังคงร้อนจัดและมีความหนาแน่นสูงอยู่ ดังนั้นสถานะของสสารขณะนั้นจึงอยู่ในรูปของ “พลาสมา” (plasma) ซึ่งเป็นสถานะที่สสารมีพลังงานสูงมาก มีการแผ่รังสีอย่างหนาแน่น จึงเรียกเอกภพลักษณะดังกล่าวว่า ยุคแห่งการแผ่รังสีของเอกภพ (Radiation Era)

ยุคแห่งการแผ่รังสีจะเริ่มต้นตั้งแต่ที่เอกภพพองตัวออกอย่างรวดเร็วไปจนกระทั่งเมื่อเวลาผ่านไปประมาณ 10-12 วินาที จึงเริ่มต้นเกิดอนุภาควิ่งพล่านไปทั่วเอกภพ โดยเอกภพในขณะนั้นจะมีอุณหภูมิประมาณ 1015 เคลวิน เรียกเอกภพในลักษณะดังกล่าวว่าอยู่ในยุคแห่งอนุภาค (Particle Era) หลังจากนั้นควากซ์แต่ละชนิดจะประกอบกันกลายเป็นโปรตอน นิวตรอน ในช่วงระยะเวลา 3 นาทีแรกหลังจากบิ๊กแบง แต่กว่าที่อุณหภูมิจะลดต่ำลงจนพอเหมาะที่จะทำให้ โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอนฟอร์มตัวกลายเป็นอะตอม ในครั้งแรกจะต้องใช้เวลาถึงประมาณ 300,000 ปี โดยอุณหภูมิขณะนั้นลดลงมาอยู่ที่ประมาณ 4000 เคลวิน เอกภพในช่วงเวลาดังกล่าวจะมีความโปร่งมากขึ้น

เนื่องจากการเกิดอะตอมทำให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าถูกดูดกลืนได้น้อยและกว่าที่อะตอมทั้งหลายจะฟอร์มตัวเป็นกาแลกซี่จำเป็นต้องใช้เวลาไปอีกหนึ่งพันล้านปี กาแลกซี่แรกที่เกิดขึ้นมาประกอบขึ้นมาจากกลุ่มก๊าซไฮโดรเจนรวมตัวกันเป็นดาวฤกษ์ขนาดมหึมาหลายล้านดวง จากนั้นธาตุที่หนักกว่าไฮโดรเจนจึงกำเนิดขึ้นมาอีกทีภายหลังจากผ่านช่วงวิวัฒนาการของดาวฤกษ์ไปแล้ว และกลายมาเป็นเอกภพที่กำลังขยายตัวอยู่ในปัจจุบัน ซึ่งถ้านับเวลาตั้งแต่เพิ่งเริ่มเกิดบิ๊กแบงจนถึงตอนนี้ พบว่าใช้เวลาถึง 15-20 พันล้านปี ในขณะที่มนุษย์ชาติเพิ่มเริ่มเกิดเมื่อประมาณ 50,000 ปีที่แล้วเท่านั้น

ยุคที่มนุษย์อาศัยอยู่นี้ เป็นช่วงเวลาแค่เพียงเสี้ยวเล็กๆ แห่งมหกรรมการกำเนิดเอกภพ ในช่วงชีวิตของมนุษยชาตินั้นอยู่บนเอกภพที่กำลังวิวัฒนาการในยุคแห่งดวงดาว (Stelliferous Era) ซึ่งเป็นยุคที่วิวัฒนาการต่อมาจากยุคแห่งอนุภาค ดาวฤกษ์ทั้งหลายถือกำเนิดมาจากกลุ่มก๊าซ มีการฟอร์มตัวกันเป็นกาแลกซี่ โดยกาแลกซี่ในช่วงแรกๆ ยังคงหมุนเร็วและประกอบด้วยดาวฤกษ์สีน้ำเงินร้อนจัด ปรากฏการณ์ที่น่าสนใจในช่วงนั้นคือกาแลกซี่ทั้งหลายยังคงอยู่รวมกันเป็นกระจุกกาแลกซี่ และมีการชนกันระหว่างกาแลกซี่เกิดขึ้นสม่ำเสมอ หลังจากนั้นกาแลกซี่ต่างก็วิ่งห่างออกจากกันเนื่องจากการขยายตัวของเอกภพ

ดาวที่เกิดขึ้นในรุ่นแรกเมื่อหมดอายุขัยต่างก็วิวัฒนาการกลายเป็นซากดาวและกลุ่มก๊าซ รอคอยให้ดาวรุ่นที่สองและรุ่นถัดมาวิวัฒนาการเรื่อยๆ เมื่อเวลาผ่านไป ดาวฤกษ์สีน้ำเงินซึ่งเป็นดาวฤกษ์ที่มีพลังงานสูงจะค่อยๆ มีจำนวนลดลง จำนวนของดาวฤกษ์สีแดงที่มีพลังงานต่ำจะยิ่งมีมากขึ้น คาดว่าความหนาแน่นของกลุ่มก๊าซที่ก่อกำเนิดเป็นดาวฤกษ์จะลดลงเรื่อยๆ เนื่องจากการขยายตัวของเอกภพจะทำให้อนุภาคต่างๆ ยิ่งห่างออกจากกัน จนไม่สามารถยุบตัวเป็นดาวฤกษ์ได้อีก ยุคแห่งดวงดาวจะสิ้นสุดลงเมื่อเอกภพมีอายุราว 1014 ปี

อย่างไรก็ตามภายหลังจากที่ยุคแห่งดวงดาวสิ้นสุดลงแล้ว ถ้าหากเอกภพยังจะขยายตัวต่อไปเรื่อยๆ อีก (หรือเรียกว่า “เอกภพเปิด” : ดูรายละเอียดในเรื่อง “การขยายตัวของเอกภพ”) นักดาราศาสตร์คาดว่าหลังจากนั้นเอกภพจะเข้าสู่ยุคมืด (Dark Era) เนื่องจากความหนาแน่นของกลุ่มก๊าซจะน้อยมากและอุณหภูมิกำลังเข้าใกล้อุณหภูมิศูนย์องศาสัมบูรณ์ ซึ่งตามทฤษฎีทางฟิสิกส์เชื่อว่า สสารจะไม่เกิดพลังงานจลน์เลย กลายเป็นยุคที่หนาวเย็นและไม่มีจุดจบ เรียกว่า “บิ๊กชิลล์” (Big Chill)

แต่ถ้าในกรณีที่เอกภพเกิดหยุดขยายตัวและเริ่มหดตัวลงเนื่องจากแรงจากการระเบิดครั้งใหญ่ในทฤษฎีบิ๊กแบงไม่สามารถเอาชนะแรงโน้มถ่วงที่ดึงดูดกาแลกซี่ต่างๆ ให้เข้ามารวมกันแล้ว เอกภพก็จะหดตัวลงเช่นลูกโป่งที่ปล่อยลมออก (หรือเรียกว่า “เอกภพปิด” : ดูรายละเอียดในเรื่อง “การขยายตัวของเอกภพ”) นักดาราศาสตร์ก็คาดว่าเอกภพจะมีแนวโน้มยุบตัวรวมกัน หรือเรียกว่า “บิ๊กครั๊นช์” (Big Crunch)

แม้เอกภพจะดูเป็นเรื่องใหญ่และไกลตัวเราเกินไป แต่ความก้าวหน้าของวิทยาศาสตร์เทคโนโลยีในปัจจุบัน ทำให้สามารถเก็บข้อมูลในทางดาราศาสตร์ได้ดียิ่งขึ้น โดยข้อมูลดังกล่าวมีแนวโน้มจะสนับสนุนแบบจำลองของเอกภพตามทฤษฎีบิ๊กแบง หนึ่งในข้อมูลดังกล่าวเช่น การสังเกตการณ์พบคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงคลื่นไมโครเวฟทั่วทุกทิศทาง หรือเรียกว่าคลื่นไมโครเวฟพื้นหลัง (Cosmic-microwave background radiation : CBR) ซึ่งเป็นข้อมูลที่ยืนยันว่าทฤษฎีบิ๊กแบงน่าจะเป็นแบบจำลองเอกภพที่ถูกต้อง

กำเนิดเอกภพ

ทฤษฎีกำเนิดเอกภพ ที่ได้รับความเชื่อถือมาก ในหมู่นักดาราศาสตร์ คือ ทฤษฎีระเบิดใหญ่ หรือ Big Bang เป็นการระเบิดครั้งยิ่งใหญ่ จากพลังงานบางอย่าง สาดกระจายมวลสารทั้งหลาย ออกไปทุกทิศทาง แล้วเริ่มเย็นตัวลง จับกลุ่มเป็น ก้อนก๊าซ ขนาดใหญ่ จนยุบตัวลงเป็น กาแล็กซี และดาวฤกษ์ ได้ก่อรูปขึ้นมาในกาแล็กซีเหล่านั้น ประมาณหนึ่งหมื่นล้านปี หลังจากการระเบิดใหญ่ ที่เกลียวของของ กาแล็กซีทางช้างเผือก ดวงอาทิตย์ โลก และดาวเคราะห์ดวงอื่น ได้ถือกำเนิดขึ้นเป็นระบบสุริยะ

บิกแบงต้นตอ

บิกแบง (อังกฤษ: Big Bang หรือ the Big Bang หมายถึง การระเบิดครั้งใหญ่) คือ แบบจำลองของการกำเนิดและการวิวัฒนาการของเอกภพในวิชาจักรวาลวิทยาซึ่งได้รับการสนับสนุนจากหลักฐานทางวิทยาศาสตร์และจากการสังเกตการณ์ที่แตกต่างกันจำนวนมาก นักวิทยาศาสตร์โดยทั่วไปใช้คำนี้สำหรับกล่าวถึงแนวคิดการขยายตัวของเอกภพหลังจากสภาวะแรกเริ่มที่ทั้งร้อนและหนาแน่นอย่างมากในช่วงเวลาจำกัดระยะหนึ่งในอดีต และยังคงดำเนินการขยายตัวอยู่จนถึงในปัจจุบัน

จอร์จ เลอแมตร์ นักวิทยาศาสตร์และพระโรมันคาทอลิก เป็นผู้เสนอแนวคิดการกำเนิดของเอกภพ ซึ่งต่อมารู้จักกันในชื่อ ทฤษฎีบิกแบง ในเบื้องแรกเขาเรียกทฤษฎีนี้ว่า สมมติฐานเกี่ยวกับอะตอมแรกเริ่ม (hypothesis of the primeval atom) อเล็กซานเดอร์ ฟรีดแมน ทำการคำนวณแบบจำลองโดยมีกรอบการพิจารณาอยู่บนพื้นฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์

ต่อมาในปี ค.ศ. 1929 เอ็ดวิน ฮับเบิลค้นพบว่า ระยะห่างของดาราจักรมีสัดส่วนที่เปลี่ยนแปลงสัมพันธ์กับการเคลื่อนไปทางแดง การสังเกตการณ์นี้บ่งชี้ว่า ดาราจักรและกระจุกดาวอันห่างไกลกำลังเคลื่อนที่ออกจากจุดสังเกต ซึ่งหมายความว่าเอกภพกำลังขยายตัว ยิ่งตำแหน่งดาราจักรไกลยิ่งขึ้น ความเร็วปรากฏก็ยิ่งเพิ่มมากขึ้น หากเอกภพในปัจจุบันกำลังขยายตัว แสดงว่าก่อนหน้านี้ เอกภพย่อมมีขนาดเล็กกว่า หนาแน่นกว่า และร้อนกว่าที่เป็นอยู่ แนวคิดนี้มีการพิจารณาอย่างละเอียดย้อนไปจนถึงระดับความหนาแน่นและอุณหภูมิที่จุดสูงสุด และผลสรุปที่ได้ก็สอดคล้องอย่างยิ่งกับผลจากการสังเกตการณ์ ทว่าการเพิ่มของอัตราเร่งมีข้อจำกัดในการตรวจสอบสภาวะพลังงานที่สูงขนาดนั้น หากไม่มีข้อมูลอื่นที่ช่วยยืนยันสภาวะเริ่มต้นชั่วขณะก่อนการระเบิด ลำพังทฤษฎีบิกแบงก็ยังไม่สามารถใช้อธิบายสภาวะเริ่มต้นได้ มันเพียงอธิบายกระบวนการเปลี่ยนแปลงของเอกภพที่เกิดขึ้นหลังจากสภาวะเริ่มต้นเท่านั้น

เอ็ดวิน ฮับเบิลพิมพ์แผนภาพที่มีชื่อเสียง แสดงดาราจักรเกือบทั้งหมดเคลื่อนที่ห่างจากดาราจักรของเรา ด้วยความเร็วถอยห่าง เป็นสัดส่วนกับระยะทางปัจจุบัน หรือดาราจักรไกลกว่าก็เคลื่อนที่เร็วกว่าดาราจักรใกล้ๆ แม้แต่ฮับเบิลเองตอนแรกก็ปฏิเสธความคิดเช่นนี้ ข้อมูลเหล่านี้บอกว่า เอกภพทั้งหมดกำลังขยายตัวจากการยืดของอวกาศระหว่างดาราจักร เมื่อเอกภพขยายตัว มันหนาแน่นน้อยลงและเย็นตัวมากขึ้น การมองย้อนกลับไปในอดีตสรุปได้ว่าเอกภพมีการเริ่มต้นแน่นอน ตอนนั้นมันอยู่ในสภาวะที่ถูกบีบอัดและร้อนมาก จากจุดเริ่มต้นหนาแน่น มีการบวมตัวที่รู้จักในสภาพบิกแบง (Big Bang)

คำว่า “บิกแบง” ที่จริงเป็นคำล้อเลียนที่เกิดจากนักดาราศาสตร์ชื่อ เฟรด ฮอยล์ จากการออกอากาศทางวิทยุครั้งหนึ่งในปี ค.ศ. 1949 ซึ่งเขาดูหมิ่นและตั้งใจจะทำลายความน่าเชื่อถือของทฤษฎีที่เขาเห็นว่าไม่มีทางเป็นจริง ในเวลาต่อมา ฮอยล์ได้ช่วยศึกษาผลกระทบของนิวเคลียร์ในการก่อเกิดธาตุมวลหนักที่ได้จากธาตุซึ่งมีมวลน้อยกว่า อย่างไรก็ดี การค้นพบรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาลในปี ค.ศ. 1964 ยิ่งทำให้นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ไม่สามารถปฏิเสธทฤษฎีบิกแบงได้

เอกภพขยายตัวยังไม่มีนิยามของจุดเริ่มต้นดีพอ มีแต่การขยายตัวตลอดเวลา ความหนาแน่นเฉลี่ยยังคงเหมือนเดิม เพราะมีการสร้างมวลต่อเนื่อง เฟรด ฮอยล์ , เฮอร์แมนน์ บอนดิ และ ทอมัส โกลด์ เสนอทฤษฎีสภาวะคงที่(steady – state theory)ในค.ศ.1948 แม้มีความสุนทรีในสายตานักดาราศาสตร์บางคน แต่ทฤษฎีสภาวะคงที่ก็ไม่ได้รับการสนับสนุนอย่างเดียวกับเอกภพบิกแบง ในค.ศ. 1965 อาร์โน เพนเซียส์ และโรเบิร์ต วิลสัน ล้มทฤษฎีสภาวะคงที่จากการค้นพบรังสีฉากหลังไมโครเวฟคอสมิค(CMB: cosmic microwave backgroud) ที่เป็นรังสีเรืองจางหลงเหลือจากอดีตร้อนไกล ทฤษฎีสภาวะคงที่ไม่มีเหตุผลอธิบายรังสีแบบนี้ แต่แบบจำลองบิกแบงอธิบายได้ ยิ่งกว่านั้น ทฤษฎีสภาวะคงที่ไม่สามารถอธิบายจำนวนไฮโดรเจนธรรมดา(โปรตอน) ไฮโดรเจนหนัก(ดิวเธอเรียม) ฮีเลียม และลิเธียม ในก้อนกาซระหว่างดาราจักร ที่ไม่ได้รับผลใดๆจากขบวนการวิวัฒนาการในดาว ภายในไม่กี่นาทีแรกหลังบิกแบง ความหนาแน่นและอุณหภูมิของเอกภพ เป็นตัวทำให้เกิดธาตุเบาในก้อนกาซเริ่มแรก ที่สอดคล้องกับที่วัดในก้อนกาซดั้งเดิมเหล่านี้ นักวิทยาศาสตร์เกือบทั้งหมดเชื่อแล้วว่า ทฤษฎีสภาวะคงที่ไม่ถูกต้อง