Light seconds, light years, light centuries: How to measure extreme distances - Yuan-Sen Ting

เราจะวัดระยะทางในอวกาศได้อย่างไร - หยวน เซิน ถิง (Yuan-Sen Ting)

Translator: Phatthrawat Jansamechot Reviewer: Pattapon Kasemtanakul

Light is the fastest thing we know.

แสงเป็นสิ่งที่รวดเร็วที่สุดที่เรารู้จัก

It's so fast that we measure enormous distances

มันเคลื่อนที่เร็วมาก ซึ่งทำให้เราวัดระยะทางได้ไกลขึ้น

by how long it takes for light to travel them.

โดยวัดระยะเวลาที่แสงเคลื่อนที่ถึงพวกมัน

In one year, light travels about 6,000,000,000,000 miles,

ในระยะเวลา 1 ปี แสงสามารถเดินทางได้ระยะทาง ประมาณ 6,000,000,000,000 ไมล์

a distance we call one light year.

เราเรียกระยะทางนี้ว่า 1 ปีแสง

To give you an idea of just how far this is,

เพื่อให้เห็นภาพถึงความไกลนี้

the Moon, which took the Apollo astronauts four days to reach,

ดวงจันทร์ที่ยานอวกาศอพอลโล ใช้เวลาถึง 4 วันในการเดินทาง

is only one light-second from Earth.

แสงใช้เวลาเพียงแค่ 1 วินาที

Meanwhile, the nearest star beyond our own Sun is Proxima Centauri,

ขณะที่ ดาวที่ใกล้ดวงอาทิตย์ของเรามากที่สุด คือ พร็อกซิมาเซ็นเทารี (Proxima Centauri)

4.24 light years away.

ซึ่งห่างออกไป 4.24 ปีแสง

Our Milky Way is on the order of 100,000 light years across.

กาแล็กซีทางช้างเผือกของเรากว้าง ถึงหลัก 100,000 ปีแสง

The nearest galaxy to our own, Andromeda,

กาแล็กซีที่ใกล้เรามากที่สุด คือ แอนโดรมีดา (Andromeda)

is about 2.5 million light years away

ห่างออกไปประมาณ 2.5 ล้านปีแสง

Space is mind-blowingly vast.

อวกาศใหญ่กว้างเกินกว่าที่เราจิตนาการถึง

But wait, how do we know how far away stars and galaxies are?

แต่เดี๋ยวก่อน พวกเรารู้ระยะห่างของ ดวงดาวและกาแล็กซีได้อย่างไร

After all, when we look at the sky, we have a flat, two-dimensional view.

นอกจากนี้ เวลาที่เรามองดูท้องฟ้า เราเห็นมันเป็นแผ่นเรียบๆ 2 มิติ

If you point you finger to one star, you can't tell how far the star is,

ถ้าคุณชี้นิ้วไปที่ดาวซักดวง คุณไม่สามารถบอกได้เลยว่ามันไกลเท่าไร

so how do astrophysicists figure that out?

แล้วบรรดานักฟิสิกส์ดาราศาสตร์รู้ได้อย่างไร

For objects that are very close by,

สำหรับวัตถุที่ใกล้

we can use a concept called trigonometric parallax.

เราสามารถใช้แนวคิดที่เรียกว่า trigonometric parallax

The idea is pretty simple.

ไอเดียของมันธรรมดามาก

Let's do an experiment.

มาทดลองกันดู

Stick out your thumb and close your left eye.

ชูนิ้วโป้งออกไปแล้วหลับตาซ้าย

Now, open your left eye and close your right eye.

ตอนนี้ลองลืมตาซ้ายและหลับตาขวา

It will look like your thumb has moved,

ดูเหมือนกับว่านิ้วโป้งของคุณได้เคลื่อนที่

while more distant background objects have remained in place.

แต่พื้นหลังของวัตถุที่ไกลออกไปคงยังอยู่ที่เดิม

The same concept applies when we look at the stars,

แนวคิดเดียวกันนี้ถูกนำมาใช้เมื่อเรามองที่ดวงดาว

but distant stars are much, much farther away than the length of your arm,

แต่ระยะทางนั้นไกลว่าแขนของคุณมากๆ

and the Earth isn't very large,

และโลกก็ไม่ได้ใหญ่มากนัก

so even if you had different telescopes across the equator,

ถึงแม้ว่าคุณจะมีกล้องโทรทัศน์ที่ตั้งไว้คนละด้านของโลก

you'd not see much of a shift in position.

คุณจะไม่เห็นตำแหน่งที่เปลี่ยนไปมากนัก

Instead, we look at the change in the star's apparent location over six months,

เราจึงดูการเปลี่ยนแปลงของตำแหน่ง ของดาวเป็นเวลา 6 เดือน

the halfway point of the Earth's yearlong orbit around the Sun.

ระยะทางครึ่งหนึ่งของโลกที่โคจรรอบดวงอาทิตย์

When we measure the relative positions of the stars in summer,

เมื่อเราทราบความสัมพันธ์ของ ตำแหน่งของดวงดาวในฤดูร้อน

and then again in winter, it's like looking with your other eye.

และอีกครั้งในฤดูหนาว มันเหมือนกันตอนที่ที่ใช้ตาอีกข้างหนึ่ง

Nearby stars seem to have moved against the background

ดวงดาวที่อยู่ใกล้ดูเหมือนเคลื่อนที่เทียบกับพื้นหลัง

of the more distant stars and galaxies.

ที่เป็นดาวหรือกาแล็กซีซึ่งไกลกว่า

But this method only works for objects no more than a few thousand light years away.

แต่วิธีนี้ใช้ได้ดีสำหรับวัตถุที่ไกลไม่เกินกว่า พันสองพันปีแสง

Beyond our own galaxy, the distances are so great

สำหรับวัตถุนอกกาแลกซีของเรา ระยะทางนั้นจะไกลมากจน

that the parallax is too small to detect with even our most sensitive instruments.

ตำแหน่งภาพที่เปลี่ยนไปนั้นเล็กเกินไปที่จะตรวจพบ แม้ว่าจะใช้เครื่องมือวัดที่ละเอียดที่สุดก็ตาม

So at this point we have to rely on a different method

ณ จุดนี้เราต้องพึ่งวิธีอื่น

using indicators we call standard candles.

ใช้ตัวชี้วัดที่เราเรียกว่า ดวงไฟมาตรฐาน (standard candle)

Standard candles are objects whose intrinsic brightness, or luminosity,

ดวงไฟมาตรฐาน คือวัตถุที่เรารู้ถึง ความสว่างหรือความเรืองแสงจริงของมัน

we know really well.

เป็นอย่างดี

For example, if you know how bright your light bulb is,

ตัวอย่างเช่น ถ้าคุณรู้ความสว่างของหลอดไฟของคุณ

and you ask your friend to hold the light bulb and walk away from you,

และคุณให้เพื่อนของคุณที่ถือหลอดไฟและเดินออกห่างจากคุณ

you know that the amount of light you receive from your friend

ความสว่างที่คุณได้รับทั้งหมดจากเพื่อนของคุณ

will decrease by the distance squared.

จะลดลงเป็นสัดส่วนกับระยะทางกำลังสอง

So by comparing the amount of light you receive

โดยการเปรียบเทียบความสว่างทั้งหมดที่คุณได้รับ

to the intrinsic brightness of the light bulb,

กับความสว่างจริงของหลอดไฟ

you can then tell how far away your friend is.

คุณก็จะบอกระยะห่างของเพื่อนได้

In astronomy, our light bulb turns out to be a special type of star

ในดาราศาสตร์ หลอดไฟของเรา เปลื่ยนเป็นดาวชนิดพิเศษ

called a cepheid variable.

เรียกว่าดาวแปรแสงชนิดเซฟีด (Cepheid variable)

These stars are internally unstable,

ดวงดาวเหล่านี้จะไม่ค่อยเสถียร

like a constantly inflating and deflating balloon.

เหมือนกับบอลลูนที่พองๆ แฟบๆ

And because the expansion and contraction causes their brightness to vary,

และเพราะการขยายตัวหรือการหดตัวมีผลกับความสว่างของมัน

we can calculate their luminosity by measuring the period of this cycle,

เราสามารถคำนวณความสว่างของมันได้จากระยะเวลาของวงจรนี้

with more luminous stars changing more slowly.

กับดาวที่สว่างกว่าและเปลี่ยนแปลงช้ากว่ามาก

By comparing the light we observe from these stars

โดยการเปรียบเทียบแสงที่เราเห็นได้จากดาวเหล่านั้น

to the intrinsic brightness we've calculated this way,

กับความสว่างจริงๆ ที่เราคำนวณได้ด้วยวิธีนี้

we can tell how far away they are.

เราสามารถตอบได้ว่ามันอยู่ไกลเท่าไร

Unfortunately, this is still not the end of the story.

แต่น่าเสียดายที่นี้ยังไม่ใช่ตอนจบของเรื่องนี้

We can only observe individual stars up to about 40,000,000 light years away,

เราสามารถวัดระยะห่างของดาวแต่ละดวง เพิ่มขึ้นถึงแค่ประมาณ 40,000,000 ปีแสง

after which they become too blurry to resolve.

ถ้าห่างกว่านี้มันจะมัวจนไม่สามารถสังเกตได้

But luckily we have another type of standard candle:

แต่โชคดีคือ เรามีหลอดไฟมาตรฐานอีกแบบหนึ่ง

the famous type 1a supernova.

ซูเปอร์โนวา แบบ 1a ที่โด่งดัง

Supernovae, giant stellar explosions are one of the ways that stars die.

ซูเปอร์โนวา คือ การระเบิดสว่างไสวครั้งใหญ่ เป็นวิธีหนึ่งที่ดวงดาวจะตายลง

These explosions are so bright,

การระเบิดนั้นสว่างมากๆ

that they outshine the galaxies where they occur.

สว่างกว่าความสว่างของทั้งกาแล็กซีที่มันเกิด

So even when we can't see individual stars in a galaxy,

ถึงแม้ว่าเราจะไม่ได้เห็นดาวโดดๆ ในกาแล็กซี

we can still see supernovae when they happen.

เรายังคงเห็นซูเปอร์โนวาตอนที่มันเกิดขึ้น

And type 1a supernovae turn out to be usable as standard candles

และบังเอิญว่า ซุปเปอร์โนวาชนิด 1a นั้น สามารถใช้เป็นหลอดไฟมาตรฐานได้

because intrinsically bright ones fade slower than fainter ones.

เพราะซูเปอร์โนวาที่สว่างกว่าจะจางหายช้ากว่า

Through our understanding of this relationship

ด้วยความเข้าใจความสัมพันธ์ทั้งหมดนี้

between brightness and decline rate,

ระหว่างความสว่างและอัตราที่ความสว่างลดลง

we can use these supernovae to probe distances

เรายังสามารถใช้ซูเปอร์โนวาเหล่านี้หาระยะทางได้

up to several billions of light years away.

เพิ่มขึ้นถึงได้เป็นหลายพันล้านปีแสง

But why is it important to see such distant objects anyway?

แล้วทำไมการรู้ระยะห่างของพวกมันถึงสำคัญนัก

Well, remember how fast light travels.

จำได้ไหมว่าแสงเร็วแค่ไหน

For example, the light emitted by the Sun will take eight minutes to reach us,

ตัวอย่างเช่น แสงที่มาจากดวงอาทิตย์ ใช้เวลา 8 นาทีกว่าจะถึงเรา

which means that the light we see now is a picture of the Sun eight minutes ago.

นั่นหมายความว่าแสงที่เราเห็นตอนนี้ เป็นภาพของดวงอาทิตย์เมื่อ 8 นาทีที่แล้ว

When you look at the Big Dipper,

เมื่อคุณมองดูที่กลุ่มดาวกระบวยตักน้ำใหญ่ (Big dipper)

you're seeing what it looked like 80 years ago.

คุณจะเห็นมันเมื่อ 80 ปีที่แล้ว

And those smudgy galaxies?

และกาแล็กซีจางๆ เหล่านั้น

They're millions of light years away.

พวกนั้นห่างจากเราเป็นล้านปีแสง

It has taken millions of years for that light to reach us.

ใช้เวลาเป็นล้านปีกว่าที่แสงจะเดินทางมาถึงเรา

So the universe itself is in some sense an inbuilt time machine.

ในบางมุมมองจักรวาลเองก็เปรียบเสมือนกับ เครื่องย้อนเวลา

The further we can look back, the younger the universe we are probing.

ยิ่งเรามองไปได้ไกลเท่าไร ยิ่งทำให้เรามองดูจุดกำเนิดของจักรวาลมากขึ้นเท่านั้น

Astrophysicists try to read the history of the universe,

นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์พยายามที่จะ ศึกษาประวัติศาสตร์ของจักวาล

and understand how and where we come from.

และเพื่อเข้าใจว่าเรามาจากไหนและอย่างไร

The universe is constantly sending us information in the form of light.

จักรวาลส่งข้อมูลให้เราอย่างสม่ำเสมอในรูปของแสง

All that remains if for us to decode it.

ทุกอย่างยังคงอยู่และรอให้เราไขปริศนา