สารานุกรมไทยสำหรับเยาวชนฯ / เล่มที่ ๑ / เรื่องที่ ๓ ท้องฟ้ากลางคืน / บทนำ

ผู้ที่อยู่ในชนบทล้อมรอบด้วยทุ่งนาราบ หรืออยู่ริมทะเล หรือในที่ใดซึ่งอาจมองเห็นแผ่น ฟ้ากว้าง ไม่ถูกบังด้วยตึกรามบ้านช่อง หรือพุ่มไม้ใหญ่ มักจะมีโอกาสได้เห็นสภาพของท้องฟ้ายาม ใกล้ค่ำอยู่เสมอ ในขณะเช่นนั้น ถ้าเราใช้เวลานานพอ เพื่อเฝ้าดูการเปลี่ยนแปลงบนท้องฟ้า ซึ่งดำเนินไปอย่างรวดเร็ว แต่เงียบเชียบ ก็จะเกิดความประทับใจอย่างมากมาย โดยความน่าอัศจรรย์ และความงดงามของธรรมชาติเช่นนั้น

สมมุติว่า เราเลือกเฝ้าดูท้องฟ้าในพลบค่ำหนึ่ง ของฤดูที่ท้องฟ้าแจ่มใส ปราศจากเมฆ เป็นค่ำของวันข้างขึ้นอ่อน เมื่อดวงอาทิตย์เพิ่งจะลับทิวไม้ไกลๆ ที่ขอบฟ้าตะวันตกไป ขณะนี้ท้องฟ้า มืดคล้ำลงโดยรวดเร็ว ดวงจันทร์ปรากฏเป็นเสี้ยวบาง มีส่วนโค้งนูน หันสู่ทิศตะวันตก ใกล้ๆ กับ ดวงจันทร์นั้นมีดาวดวงหนึ่งปรากฏสุกสว่าง นวลสกาว ดาวดวงนี้คือ ดาวประจำเมือง หรือดาวศุกร์ ส่วนดาวอื่น ยังไม่ปรากฏให้เห็นบนท้องฟ้า ซึ่งยังไม่มืดสนิท

เราอาจทำการบันทึกการเคลื่อนที่ของดวงดาวบนท้องฟ้าไว้ เพื่อการศึกษาและวินิจฉัยได้ โดยไม่ยากนัก ทั้งนี้โดยการใช้กล้องถ่ายรูปธรรมดาถ่ายภาพท้องฟ้าเอาไว้ ฟิล์มถ่ายรูปที่ใช้ในการถ่ายรูปทั่วไปในปัจจุบัน มีความไวพอที่จะบันทึกแสงดาวเอาไว้ได้ วิธีการโดยสังเขปก็คือตั้งกล้อง บนฐานที่มั่นคง การเปิดหน้ากล้องรับแสงดาว ก็ใช้เวลาให้ยาวนาน เป็นต้นว่า ๑๐ นาที หรือมาก กว่านั้น ดาวแต่ละดวงซึ่งค่อยๆ เคลื่อนที่ไปบนท้องฟ้า จะปรากฏเป็นเส้นสว่างเส้นหนึ่งบนภาพที่ได้ เมื่อเราทดลองตั้งกล้องเช่นนี้ ถ่ายภาพท้องฟ้าด้านตะวันตก เมื่อท้องฟ้ามืดสนิทพอแล้ว ก็จะพบว่า เส้นสว่างของดาวต่างๆ ปรากฏเป็นเส้นขนานกันพุ่งลงสู่ขอบฟ้าตะวันตก ดังภาพ

เมื่อทำการถ่ายภาพท้องฟ้าทางทิศเหนือบ้าง โดยวิธีการเดียวกัน เราก็จะพบว่า ดาวบนฟ้าทางทิศนั้น แสดงลักษณะการเคลื่อนที่แตกต่างจากดาวทางท้องฟ้าทิศตะวันตก สมมุติว่า เราถ่ายภาพ โดยเปิดหน้ากล้องนานประมาณ ๓๐ นาที เราจะได้ภาพ ซึ่งดาวแต่ละดวงปรากฏเป็นเส้นสว่าง ส่วนโค้งของวงกลม ซึ่งมีจุดศูนย์กลางร่วมกัน จุดศูนย์กลางร่วมนี้อยู่ใกล้ดาวค่อนข้างสว่างดวงหนึ่ง จากภาพที่ได้ เราสรุปได้ว่า ดาวบนท้องฟ้าทางทิศเหนือ ปรากฏเคลื่อนที่เป็นวงกลมรอบจุดคงที่ ผู้ที่อยู่บริเวณใกล้กรุงเทพมหานคร จะเห็นดาวที่อยู่ใกล้จุดคงที่นี้ สูงจากขอบฟ้าประมาณ ๑๔° และ คล้ายกับว่าอยู่คงที่บนท้องฟ้าไม่เคลื่อนที่ไปและอยู่ทางทิศเหนือเกือบจะพอดี อาศัยใช้เป็นหลักบอกทิศได้ เมื่อคุ้นกับท้องฟ้าและจำได้ดีแล้ว ดาวดวงนี้จึงได้รับชื่อเรียกโดยทั่วไปว่า ดาวเหนือ (polestar หรือ Polaris)

ถ้าเราเดินทางขึ้นไปทางทิศเหนือ และคอยสังเกตดูดาวดวงนี้ก็จะพบว่า ดาวดวงนี้ค่อยสูง ขึ้นเรื่อยจากขอบฟ้า ที่จังหวัดแพร่ ดาวเหนือจะอยู่สูงจากขอบฟ้าทิศเหนือประมาณ ๑๘°ตรงกัน ข้าม ถ้าเราเดินทางลงไปทางใต้ ดาวดวงนี้ก็จะปรากฏลดต่ำลง จนเมื่อเราไปถึงเส้นศูนย์สูตรของโลก เช่น ที่เกาะสิงคโปร์ ดาวดวงนี้จะลงอยู่ที่ขอบฟ้าพอดี และไม่อาจมองเห็นได้โดยง่าย

ถ้าเกิดความสงสัยว่า ความยาวสั้นของเส้นสว่างโค้งแสดงการเคลื่อนที่ของดาวในภาพ มีความสัมพันธ์ต่อกันอย่างไร และมีความสัมพันธ์ต่อเวลาที่เปิดหน้ากล้องถ่ายอย่างไร เราอาจทำการวิเคราะห์อย่างง่ายเพื่อตอบปัญหานี้ได้ โดยการกำหนดจุดศูนย์กลางร่วมของส่วนโค้งเหล่านี้ให้ได้แน่นอน แล้วลากเส้นตรงจากปลายสองข้างของเส้นโค้งแต่ละเส้น มายังจุดศูนย์กลางร่วมนี้ ในการนี้เราอาจเลือกเฉพาะเส้นส่วนโค้งบางเส้นที่มีระยะทางห่างจากจุดศูนย์กลางต่างๆ กัน ขั้นต่อไป เราก็ทำการวัดมุมระหว่างเส้นรัศมีที่ต่อปลายเส้นโค้งเป็นคู่ๆ ไป ดังภาพล่างขวา เราจะ พบว่ามุมแต่ละมุมมีค่าเท่ากันหมด ซึ่งเป็นเหตุให้เส้นโค้งที่อยู่ห่างจุดศูนย์กลาง มีความยาวมากกว่า เส้นโค้งที่อยู่ใกล้จุดศูนย์กลาง ผลจากการวิเคราะห์ดังกล่าวมานี้ ทำให้สรุปในขั้นต้นนี้ได้ว่าท้องฟ้าทางทิศเหนือ ปรากฏต่อผู้สังเกตการณ์ เสมือนทรงกลมใหญ่ ที่กำลังหมุนรอบตัว แกนหมุนของทรงกลมนี้เป็นเส้นตรงที่ลากผ่านผู้สังเกตการณ์ ไปยังจุดคงที่จุดหนึ่งบนท้องฟ้า ที่อยู่ใกล้กับดาวเหนือ ดาวทุกดวงที่เราเห็น อยู่นั้น เป็นเสมือนจุดสว่างติดอยู่กับผิวภายในของทรงกลมนี้
ถ้าเราทำการทดลองถ่ายภาพท้องฟ้าทางทิศเหนือเช่นนี้หลายๆ ภาพ โดยกำหนดเวลาเปิดให้แสงผ่านเข้าเลนส์หน้ากล้องนานต่างกัน แล้วนำภาพที่ได้มาพิจารณาเทียบเคียงกัน ก็จะพบว่า มุมที่เส้นโค้งสว่างของดาว กระทำที่จุดศูนย์กลางร่วมนั้น มีค่ามากน้อยเป็นปฏิภาคโดยตรงกับเวลา ที่ใช้เปิดหน้ากล้อง เช่น ถ้าเราเปิดหน้ากล้องนาน ๑๕, ๓๐, ๖๐ และ ๑๒๐ นาที ตามลำดับ มุม ที่ได้จะเป็น ๓° ๗๕, ๗° ๕; ๑๕°และ ๓๐° ตามลำดับด้วย หมายความว่า ท้องฟ้าหมุนไปรอบ แกนที่ผ่านผู้สังเกตการณ์ด้วยอัตราคงที่ชั่วโมงละ ๑๕° ดังนั้น ในเวลา ๒๔ ชั่วโมง หรือ ๑ วัน ท้องฟ้าจะปรากฏหมุนไปครบ ๑ รอบ หรือ ๓๖๐° พอดี
เมื่อเราดำเนินการสำรวจการเคลื่อนที่ของดาวบนท้องฟ้าทิศตะวันออกบ้าง โดยวิธีการเดียว กัน ก็จะได้ผลคล้ายคลึงกับทางท้องฟ้าทิศตะวันตก ดาวต่างๆ จะปรากฏเคลื่อนที่เป็นเส้นขนาน อย่างไรก็ตาม ในกรณีนี้ การเคลื่อนที่ของดาว จะเป็นการเคลื่อนที่ขึ้นจากขอบฟ้าตะวันออก
สำหรับทางท้องฟ้าทิศใต้นั้น เราได้ผลคล้ายคลึงกับท้องฟ้าทางทิศเหนือ แต่เมื่อเราวิเคราะห์ ภาพที่ได้ดู จะพบว่าในกรณีนี้ จุดศูนย์กลางร่วมของวงกลมอยู่ต่ำกว่าระดับขอบฟ้า แสดงว่า แกน หมุนของทรงกลมผ่านผู้สังเกตการณ์ และจุดซึ่งอยู่ตรงข้ามกับจุดศูนย์กลางร่วมทางฟ้าภาคเหนือ เมื่อเรานำผลจากท้องฟ้าทิศใต้ มาพิจารณาร่วมกับภาพของท้องฟ้าทิศเหนือ ก็จะสรุปได้ว่า ท้องฟ้าทั้งหมดปรากฏเป็นทรงกลมใหญ่ มีจุดศูนย์กลางอยู่ที่ผู้สังเกตการณ์ทรงกลมใหญ่นี้ หมุนรอบแกน ซึ่งลากผ่านผู้สังเกตการณ์นี้