หน่วยที่ 6: ฟิสิกส์ดาราศาสตร์ (Astrophysics)
ฟิสิกส์ดาราศาสตร์เป็นสาขาหนึ่งของฟิสิกส์ที่ศึกษาเกี่ยวกับปรากฏการณ์และวัตถุในอวกาศ เช่น ดาวเคราะห์ ดวงดาว และกาแล็กซี การศึกษาเรื่องฟิสิกส์ดาราศาสตร์ช่วยให้เราเข้าใจการเคลื่อนที่ของวัตถุในอวกาศ แรงโน้มถ่วง และปรากฏการณ์ต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นนอกโลก ฟิสิกส์ดาราศาสตร์ยังมีความสำคัญในการทำความเข้าใจต้นกำเนิดและวิวัฒนาการของเอกภพ
ในหน่วยนี้ นักเรียนจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์และดวงดาว รวมถึงกฎทางฟิสิกส์ที่ควบคุมการเคลื่อนที่เหล่านี้ และการประยุกต์ใช้ความรู้ด้านฟิสิกส์เพื่ออธิบายปรากฏการณ์ในอวกาศ
6.1 การเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์และดวงดาว
การเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์และดวงดาวเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นจากแรงโน้มถ่วง ซึ่งเป็นแรงที่ดึงดูดวัตถุทุกชนิดในเอกภพให้เข้าหากัน การเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์และการเคลื่อนที่ของดวงดาวในกาแล็กซีสามารถอธิบายได้โดยกฎฟิสิกส์ที่ได้รับการพัฒนามาตั้งแต่ยุคของนิวตันจนถึงทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์
1. การเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์
การเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์สามารถอธิบายได้โดยกฎของเคปเลอร์ (Kepler's Laws of Planetary Motion) ซึ่งมีกฎหลักสามข้อ:
- กฎข้อที่ 1 (กฎวงโคจรรูปวงรี): ดาวเคราะห์ทุกดวงโคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นวงรี โดยที่ดวงอาทิตย์อยู่ที่หนึ่งในจุดโฟกัสของวงรี
- กฎข้อที่ 2 (กฎอัตราส่วนพื้นที่): เส้นเชื่อมระหว่างดาวเคราะห์และดวงอาทิตย์จะกวาดพื้นที่ในเวลาเท่ากัน กล่าวคือ เมื่อดาวเคราะห์อยู่ใกล้ดวงอาทิตย์มากขึ้น มันจะเคลื่อนที่เร็วขึ้น และเมื่ออยู่ห่างออกไป มันจะเคลื่อนที่ช้าลง
- กฎข้อที่ 3 (กฎความสัมพันธ์ระหว่างคาบเวลาและระยะทาง): กำลังสองของคาบเวลาในการโคจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์เป็นสัดส่วนโดยตรงกับกำลังสามของระยะทางเฉลี่ยจากดวงอาทิตย์ กล่าวคือ ยิ่งดาวเคราะห์อยู่ไกลจากดวงอาทิตย์มาก คาบเวลาในการโคจรก็จะยาวนานขึ้น
ตัวอย่างเช่น โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ในหนึ่งปี และอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ประมาณ 1 หน่วยดาราศาสตร์ (Astronomical Unit, AU) ในขณะที่ดาวพฤหัสอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ประมาณ 5.2 หน่วยดาราศาสตร์ ทำให้ใช้เวลาประมาณ 11.86 ปีในการโคจรรอบดวงอาทิตย์
2. การเคลื่อนที่ของดวงดาว
ดวงดาวในกาแล็กซีของเรา (ทางช้างเผือก) เคลื่อนที่รอบศูนย์กลางของกาแล็กซีด้วยความเร็วสูง การเคลื่อนที่นี้เกิดขึ้นเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของมวลรวมของกาแล็กซี เช่นเดียวกับดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ ดาวทุกดวงในกาแล็กซีก็โคจรรอบศูนย์กลางของกาแล็กซี
นอกจากนี้ ยังมีปรากฏการณ์ที่เรียกว่า "การเคลื่อนที่เฉพาะ" (Proper Motion) ซึ่งเป็นการเคลื่อนที่ของดวงดาวเมื่อมองจากโลก การวัดการเคลื่อนที่เฉพาะของดวงดาวช่วยให้นักดาราศาสตร์สามารถคำนวณความเร็วและทิศทางของดวงดาวที่อยู่ใกล้โลกได้
การประยุกต์ใช้ความรู้ในการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์และดวงดาว
การศึกษาเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์และดวงดาวช่วยให้นักดาราศาสตร์สามารถทำนายปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์ เช่น การเกิดสุริยุปราคาและจันทรุปราคา การคำนวณวงโคจรของดาวเคราะห์น้อยที่อาจเป็นอันตรายต่อโลก และการศึกษาวิวัฒนาการของระบบสุริยะและกาแล็กซี
สรุป:
- การเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์สามารถอธิบายได้โดยกฎของเคปเลอร์ ซึ่งอธิบายลักษณะของวงโคจร ความเร็ว และคาบเวลาในการโคจร
- ดวงดาวในกาแล็กซีเคลื่อนที่รอบศูนย์กลางของกาแล็กซีด้วยแรงโน้มถ่วงของมวลรวมของกาแล็กซี
- การเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์และดวงดาวมีความสำคัญในการทำนายปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์และการศึกษาเอกภพ
