ท้องฟ้ากลางคืน - อ่านสารานุกรมไทย

           ผู้ที่อยู่ในชนบทล้อมรอบด้วยทุ่งนาราบ หรืออยู่ริมทะเล หรือในที่ใดซึ่งอาจมองเห็นแผ่นฟ้ากว้าง ไม่ถูกบังด้วยตึกรามบ้านช่อง หรือพุ่มไม้ใหญ่ มักจะมีโอกาสได้เห็นสภาพของท้องฟ้ายามใกล้ค่ำอยู่เสมอ ในขณะเช่นนั้น ถ้าเราใช้เวลานานพอ เพื่อเฝ้าดูการเปลี่ยนแปลงบนท้องฟ้า ซึ่งดำเนินไปอย่างรวดเร็ว แต่เงียบเชียบ ก็จะเกิดความประทับใจอย่างมากมาย โดยความน่าอัศจรรย์และความงดงามของธรรมชาติเช่นนั้น
           สมมุติว่า เราเลือกเฝ้าดูท้องฟ้าในพลบค่ำหนึ่งของฤดูที่ท้องฟ้าแจ่มใสปราศจากเมฆ เป็นค่ำของวันข้างขึ้นอ่อน เมื่อดวงอาทิตย์เพิ่งจะลับทิวไม้ไกลๆ ที่ขอบฟ้าตะวันตกไป ขณะนี้ท้องฟ้ามืดคล้ำลงโดยรวดเร็ว ดวงจันทร์ปรากฏเป็นเสี้ยวบาง มีส่วนโค้งนูนหันสู่ทิศตะวันตก ใกล้ๆ กับดวงจันทร์นั้น มีดาวดวงหนึ่งปรากฏสุกสว่างนวลสกาว ดาวดวงนี้คือดาวประจำเมืองหรือดาวศุกร์ส่วนดาวอื่นยังไม่ปรากฏให้เห็นบนท้องฟ้าซึ่งยังไม่มืดสนิท
          เรานั่งพิจารณาดูต่อไปอีก ท้องฟ้าเป็นสีเข้มขึ้น ทั้งเดือนและดาวเคลื่อนคล้อยลงใกล้ขอบฟ้าตะวันตก ดาวอื่นที่สุกสว่างน้อยกว่าค่อยปรากฏให้เห็นเพิ่มขึ้นทีละดวงสองดวง ต่างก็มีการเคลื่อนที่ตามกันสู่ขอบฟ้าตะวันตก นับว่า ทั้งดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ และดาวทั้งหลายทางท้องฟ้าด้านตะวันตก มีการเคลื่อนที่ปรากฏคล้ายคลึงกัน คือสู่ขอบฟ้าตะวันตก เราจะได้พิจารณาการเคลื่อนที่ของดาวที่อยู่ทางท้องฟ้าด้านอื่นอีกต่อไป
          เราอาจทำการบันทึกการเคลื่อนที่ของดวงดาวบนท้องฟ้าไว้ เพื่อการศึกษาและวินิจฉัยได้โดยไม่ยากนัก ทั้งนี้โดยการใช้กล้องถ่ายรูปธรรมดาถ่ายภาพท้องฟ้าเอาไว้ ฟิล์มถ่ายรูปที่ใช้ในการถ่ายรูปทั่วไปในปัจจุบันมีความไวพอที่จะบันทึกแสงดาวเอาไว้ได้ วิธีการโดยสังเขปก็คือตั้งกล้องบนฐานที่มั่นคง การเปิดหน้ากล้องรับแสงดาวก็ใช้เวลาให้ยาวนาน เป็นต้นว่า ๑๐ นาที หรือมากกว่านั้น ดาวแต่ละดวงซึ่งค่อยๆ เคลื่อนที่ไปบนท้องฟ้าจะปรากฏเป็นเส้นสว่างเส้นหนึ่งบนภาพที่ได้ เมื่อเราทดลองตั้งกล้องเช่นนี้ ถ่ายภาพท้องฟ้าด้านตะวันตกเมื่อท้องฟ้ามืดสนิทพอแล้วก็จะพบว่า เส้นสว่างของดาวต่างๆ ปรากฏเป็นเส้นขนานกันพุ่งลงสู่ขอบฟ้าตะวันตก ดังภาพซ้าย
          เมื่อทำการถ่ายภาพท้องฟ้าทางทิศเหนือบ้างโดยวิธีการเดียวกัน เราก็จะพบว่าดาวบนฟ้าทางทิศนั้น แสดงลักษณะการเคลื่อนที่แตกต่างจากดาวทางท้องฟ้าทิศตะวันตก สมมุติว่าเราถ่ายภาพโดยเปิดหน้ากล้องนานประมาณ ๓๐ นาที เราจะได้ภาพซึ่งดาวแต่ละดวงปรากฏเป็นเส้นสว่าง ส่วนโค้งของวงกลม ซึ่งมีจุดศูนย์กลางร่วมกัน จุดศูนย์กลางร่วมนี้อยู่ใกล้ดาวค่อนข้างสว่างดวงหนึ่งจากภาพที่ได้เราสรุปได้ว่าดาวบนท้องฟ้าทางทิศเหนือ ปรากฏเคลื่อนที่เป็นวงกลมรอบจุดคงที่ ผู้ที่อยู่บริเวณใกล้กรุงเทพมหานคร จะเห็นดาวที่อยู่ใกล้จุดคงที่นี้สูงจากขอบฟ้าประมาณ ๑๔° และคล้ายกับว่าอยู่คงที่บนท้องฟ้าไม่เคลื่อนที่ไปและอยู่ทางทิศเหนือเกือบจะพอดี อาศัยใช้เป็นหลักบอกทิศได้ เมื่อคุ้นกับท้องฟ้าและจำได้ดีแล้ว ดาวดวงนี้จึงได้รับชื่อเรียกโดยทั่วไปว่า ดาวเหนือ(polestar หรือ Polaris)
          ถ้าเราเดินทางขึ้นไปทางทิศเหนือ และคอยสังเกตดูดาวดวงนี้ก็จะพบว่า ดาวดวงนี้ค่อยสูงขึ้นเรื่อยจากขอบฟ้า ที่จังหวัดแพร่ ดาวเหนือจะอยู่สูงจากขอบฟ้าทิศเหนือประมาณ ๑๘°ตรงกันข้าม ถ้าเราเดินทางลงไปทางใต้ ดาวดวงนี้ก็จะปรากฏลดต่ำลง จนเมื่อเราไปถึงเส้นศูนย์สูตรของโลกเช่น ที่เกาะสิงคโปร์ ดาวดวงนี้จะลงอยู่ที่ขอบฟ้าพอดี และไม่อาจมองเห็นได้โดยง่าย
           ถ้าเกิดความสงสัยว่า ความยาวสั้นของเส้นสว่างโค้งแสดงการเคลื่อนที่ของดาวในภาพของหน้าที่แล้วมา มีความสัมพันธ์ต่อกันอย่างไร และมีความสัมพันธ์ต่อเวลาที่เปิดหน้ากล้องถ่ายอย่างไรเราอาจทำการวิเคราะห์อย่างง่ายเพื่อตอบปัญหานี้ได้ โดยการกำหนดจุดศูนย์กลางร่วมของส่วนโค้งเหล่านี้ให้ได้แน่นอน แล้วลากเส้นตรงจากปลายสองข้างของเส้นโค้งแต่ละเส้นมายังจุดศูนย์กลางร่วมนี้ ในการนี้เราอาจเลือกเฉพาะเส้นส่วนโค้งบางเส้นที่มีระยะทางห่างจากจุดศูนย์กลางต่างๆ กันขั้นต่อไปเราก็ทำการวัดมุมระหว่างเส้นรัศมีที่ต่อปลายเส้นโค้งเป็นคู่ๆ ไป ดังภาพล่างขวา เราจะพบว่ามุมแต่ละมุมมีค่าเท่ากันหมด ซึ่งเป็นเหตุให้เส้นโค้งที่อยู่ห่างจุดศูนย์กลาง มีความยาวมากกว่าเส้นโค้งที่อยู่ใกล้จุดศูนย์กลาง
          ผลจากการวิเคราะห์ดังกล่าวมานี้ ทำให้สรุปในขั้นต้นนี้ได้ว่าท้องฟ้าทางทิศเหนือ ปรากฏต่อผู้สังเกตการณ์เสมือนทรงกลมใหญ่ที่กำลังหมุนรอบตัว แกนหมุนของทรงกลมนี้เป็นเส้นตรงที่ลากผ่านผู้สังเกตการณ์ไปยังจุดคงที่จุดหนึ่งบนท้องฟ้าที่อยู่ใกล้กับดาวเหนือ ดาวทุกดวงที่เราเห็นอยู่นั้น เป็นเสมือนจุดสว่างติดอยู่กับผิวภายในของทรงกลมนี้

          ถ้าเราทำการทดลองถ่ายภาพท้องฟ้าทางทิศเหนือเช่นนี้หลายๆ ภาพ โดยกำหนดเวลาเปิดให้แสงผ่านเข้าเลนส์หน้ากล้องนานต่างกัน แล้วนำภาพที่ได้มาพิจารณาเทียบเคียงกันก็จะพบว่ามุมที่เส้นโค้งสว่างของดาวกระทำที่จุดศูนย์กลางร่วมนั้น มีค่ามากน้อยเป็นปฏิภาคโดยตรงกับเวลาที่ใช้เปิดหน้ากล้อง เช่น ถ้าเราเปิดหน้ากล้องนาน ๑๕, ๓๐, ๖๐ และ ๑๒๐ นาที ตามลำดับ มุมที่ได้จะเป็น ๓.° ๗๕, ๗° ๕; ๑๕° และ ๓๐° ตามลำดับด้วย หมายความว่า ท้องฟ้าหมุนไปรอบแกนที่ผ่านผู้สังเกตการณ์ด้วยอัตราคงที่ชั่วโมงละ ๑๕° ดังนั้น ในเวลา ๒๔ ชั่วโมง หรือ ๑ วันท้องฟ้าจะปรากฏหมุนไปครบ ๑ รอบ หรือ ๓๖๐° พอดี
          เมื่อเราดำเนินการสำรวจการเคลื่อนที่ของดาวบนท้องฟ้าทิศตะวันออกบ้าง โดยวิธีการเดียวกัน ก็จะได้ผลคล้ายคลึงกับทางท้องฟ้าทิศตะวันตก ดาวต่างๆ จะปรากฏเคลื่อนที่เป็นเส้นขนานอย่างไรก็ตาม ในกรณีนี้การเคลื่อนที่ของดาวจะเป็นการเคลื่อนที่ขึ้นจากขอบฟ้าตะวันออก
          สำหรับทางท้องฟ้าทิศใต้นั้น เราได้ผลคล้ายคลึงกับท้องฟ้าทางทิศเหนือ แต่เมื่อเราวิเคราะห์ภาพที่ได้ดู จะพบว่าในกรณีนี้ จุดศูนย์กลางร่วมของวงกลมอยู่ต่ำกว่าระดับขอบฟ้า แสดงว่า แกนหมุนของทรงกลมผ่านผู้สังเกตการณ์ และจุดซึ่งอยู่ตรงข้ามกับจุดศูนย์กลางร่วมทางฟ้าภาคเหนือเมื่อเรานำผลจากท้องฟ้าทิศใต้มาพิจารณาร่วมกับภาพของท้องฟ้าทิศเหนือก็จะสรุปได้ว่า ท้องฟ้าทั้งหมดปรากฏเป็นทรงกลมใหญ่ มีจุดศูนย์กลางอยู่ที่ผู้สังเกตการณ์ ทรงกลมใหญ่นี้หมุนรอบแกนซึ่งลากผ่านผู้สังเกตการณ์นี้

          สมมุติว่า นักบินอวกาศผู้หนึ่งเดินทางออกไปลอยอยู่นิ่งๆ ในที่ซึ่งห่างจากโลก ดวงจันทร์ดาวฤกษ์ หรือดาวเคราะห์ใดๆ เมื่อเขามองไปโดยรอบนั้นอวกาศอันกว้างใหญ่ไพศาลซึ่งมีดวงดาวแผ่กระจายอยู่ลิบลับจนเห็นเป็นเพียงจุดสว่าง จะปรากฏต่อเขาประดุจทรงกลมมหึมาห่อหุ้มเขาไว้โดยรอบ ดาวฤกษ์ที่เป็นจุดสว่างนั้น จะปรากฏสว่างมากน้อยตามความสว่างแท้จริงและระยะทางไกลของดาวนั้นๆ ประกอบกัน ถ้าเขาอยู่นิ่งจริงๆ ไม่มีการเคลื่อนที่หรือหมุนตัวใดๆ ทรงกลมท้องฟ้าที่ปรากฏต่อเขาก็จะปรากฏนิ่งอยู่ตลอดไป ดังแสดงไว้ในภาพ ก และ ข
          ถ้านักบินอวกาศนั้นแกว่งแขนขา หรือเคลื่อนไหวร่างกายในลักษณะที่ทำให้เขาเริ่มหมุนรอบตัวเอง หลักของการเคลื่อนที่สัมพันธ์จะทำให้เขาไม่รู้สึกว่าตนเองหมุนไป แต่เขาจะกลับเห็นเหมือนกับว่า ทรงกลมท้องฟ้าซึ่งมีดาวเป็นจุดสว่างติดอยู่นั้นหมุนไปรอบตัวเขา ในทิศทางตรงข้ามกับที่เขามีการหมุนรอบตัวอยู่ ดังที่แสดงในภาพ ค และ ง
          หลักเกณฑ์ดังกล่าวนี้ นำไปใช้อธิบายการที่ท้องฟ้าปรากฏหมุนไปรอบๆ ผู้สังเกตการณ์ที่ยืนอยู่บนพื้นโลกได้ว่า เนื่องจากการหมุนรอบตัวเองของโลกนั่นเอง เราได้ทราบกันอยู่แล้วว่า โลกของเรามีสัณฐานเกือบเป็นทรงกลม ซึ่งมีรัศมีเฉลี่ย ๖,๓๗๑ กิโลเมตร มนุษย์และสิ่งมีชีวิตทั้งหลายอุบัติขึ้นและดำเนินชีวิตอยู่บนพื้นผิวของทรงกลมนี้ ผู้สังเกตการณ์ยืนดูท้องฟ้าโดยตัวเองตั้งอยู่ในแนวสู่จุดศูนย์กลางของโลก (แนวดิ่ง) ตามรูปบนสุด การหมุนรอบตัวเองประจำวันของโลกจะพาผู้สังเกตการณ์หมุนไปรอบแกนของโลกด้วย ผู้สังเกตการณ์จะถือว่าตัวเองและพื้นดินที่ตนยืนอยู่ไม่มีการเคลื่อนที่ เพราะเป็นสิ่งที่ยากที่จะสังเกตและคิดเอาได้โดยตรง เขาจึงเห็นเป็นว่าทรงกลมท้องฟ้าหมุนรอบตัวเขา และแกนซึ่งผ่านเขาและขนานกับแกนหมุนของโลก เท่ากับอัตราที่โลกหมุนรอบตัวเอง แต่ในทิศทางตรงกันข้าม ตามรูปบน