ดาราจักร
*เรื่องนอกกรอบ: เรื่องนี้อยู่นอกกรอบของสารานุกรมนี้ จะมีข้อมูลพื้นฐานเพียงบางส่วนเท่านั้น
ดาราจักร คือ โครงสร้างที่มีดาวหลายล้านดวงกระจุกอยู่รวมกัน
[ภาพจาก ESO 0932a]
ดาราจักรทางช้างเผือก (Milky way galaxy) มีลักษณะเป็นแผ่นทรงกระบอก หนาประมาณ 2 พันปีแสง และมีเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 100 พันปีแสง โดยศูนย์กลางเป็นหลุมดำที่ Sagittarius A* ห่างจากระบบสุริยะ 27 พันปีแสง
ดาราจักรทางช้างเผือกมีรูปร่างเป็นก้นหอย แต่เนื่องจากระบบสุริยะอยู่ภายในดาราจักร จึงมองเห็นเป็นแถบของดาวล้อมรอบ เมื่อมองจากโลก
ดาราจักรขนาดใหญ่ที่ใกล้ที่สุดคือ ดาราจักรแอนโดรเมดา (M31) ขนาด 200 พันปีแสง อยู่ห่างไป 2.5 ล้านปีแสง และดาราจักรไทรแอนกูลัม (M33) ขนาด 60 พันปีแสง อยู่ห่างไป 2.7 ล้านปีแสง เป็นวัตถุที่ไกลที่สุดที่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า
นอกจากนี้ยังมีดาราจักรขนาด 0.1-30 พันปีแสง อีกกว่าร้อยแห่ง ในระยะ 3 ล้านปีแสง ซึ่งมักเกาะกลุ่มอยู่กับดาราจักรทางช้างเผือกและดาราจักรแอนโดรเมดา
การหมุนของดาราจักร ไม่สอดคล้องกับกฎแรงโน้มถ่วงของนิวตันเมื่อคำนวณจากมวลของดาว แต่เสมือนว่ามีมวลที่ไม่เปล่งหรือดูดกลืนแสงกระจายอยู่ด้วย จึงเรียกมวลสมมุตินี้ว่า สสารมืด
จำนวนของดาราจักรในจักรวาลที่มองเห็นได้ คาดว่ามีประมาณ 1011 แห่ง
แต่ละดาราจักรมีดาวประมาณ 1011 ดวง
นั่นคือมีดาวประมาณ 1022 ดวง ในจักรวาลที่มองเห็นได้
จักรวาล
เมื่อมองออกไปไกลขึ้น พบว่าดาราจักรไม่ได้กระจายอยู่ทั่วทุกทิศทาง แต่อยู่เป็นกระจุกในบางทิศทาง ในระยะราว 10-1000 ล้านปีแสง
ที่ระยะไกลกว่าพันล้านปีแสง ดาราจักรมีจำนวนค่อนข้างสม่ำเสมอทุกทิศทาง และกำลังเคลื่อนที่ออกไปด้วยความเร็ว \(v\) แปรผันตรงกับระยะห่าง \(d\) \[ v = H_0 d \] เรียกความสัมพันธ์นี้ว่า กฎของฮับเบิล
โดยค่าคงที่ของฮับเบิล \[ H_0 = 70\ \mathrm{km/s/Mpc} \] ถ้าหากสมมติว่าค่าคงที่ของฮับเบิลคงที่มาตลอด จะประมาณเวลาที่จักรวาลเริ่มจากจุดที่มีขนาดเป็นศูนย์ได้ \[ \frac{d}{t} = H_0 d \] \[ t = 1/H_0 = \frac{1}{70\ \mathrm{km/s/Mpc}} \frac{31\times10^{18}\ \mathrm{km/Mpc}}{31\times10^6\ \mathrm{s/y}} = \frac{10^{12}}{70}\ \mathrm{y} = 14\ \mathrm{Gy} \] นั่นคือ จักรวาลมีอายุราว 14 พันล้านปี
ความเร็วที่จักรวาลขยายออกทำให้ความยาวคลื่นยาวขึ้น เรียกว่า การเลื่อนทางแดง (Redshift)
ซึ่งพบว่าทุกทิศทางมีคลื่นไมโครเวฟฉากหลัง (Cosmic microwave background) ที่อุณหภูมิ 2.725 K = 0.235 meV
คลื่นนี้มาจากความร้อนหลังจากจุดเริ่มต้นของจักรวาล ซึ่งคาดว่ามีอุณหภูมิประมาณ 3000 K = 0.26 eV
ที่อุณหภูมินี้เย็นพอที่จะทำให้อิเล็กตรอนและโปรตอนจับตัวกันเป็นอะตอมของไฮโดรเจนด้วยพลังงาน 13.6 eV
จากอุณหภูมิของคลื่นไมโครเวฟฉากหลัง จะได้ว่า จักรวาลขยายตัว หรือ คลื่นมีการเลื่อนทางแดง ประมาณ
z = 3000/2.725 - 1 = 1100 เท่า นับตั้งแต่การจับตัวกันเป็นอะตอมของไฮโดรเจน
คลื่นไมโครเวฟฉากหลังเท่ากันทุกด้าน แต่มีการเปลี่ยนแปลงในระดับ 0.001 หรือ 3 mK ในลักษณะขั้วคู่ (dipole)
ซึ่งเกิดจากที่โลกเคลื่อนที่สัมพัทธ์กับคลื่นไมโครเวฟฉากหลัง ด้วยความเร็ว 370 km/s = 0.0012c ไปทางกลุ่มดาวสิงโต (Leo)
[ภาพจาก ESA Planck telescope]
เมื่อหักลบผลจากการเคลื่อนที่ออกไป จะเหลือการเปลี่ยนแปลงในระดับ 0.3 mK ดังภาพ
การกระจายตัวของอุณหภูมิของคลื่นไมโครเวฟฉากหลัง สอดคล้องกับแบบจำลองว่า จักรวาลแบนและประกอบด้วยสสาร 5% สสารมืด 25% และพลังงานมืด 70%
โดยพลังงานมืด เป็นปริมาณที่อธิบายการเร่งของการขยายตัวของจักรวาล ตรงข้ามกับผลจากมวลของสสารที่ดึงดูดกัน