สมาคมดาราศาสตร์ไทย

กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ “ทายาทสายตรง” ของฮับเบิล

กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ “ทายาทสายตรง” ของฮับเบิล

18 ธันวาคม 2564 โดย: วิมุติ วสะหลาย (wimut@hotmail.com)
ปรับปรุงครั้งล่าสุด 21 มกราคม 2565
ย้อนหลังไปเมื่อวันที่ 11 พฤษภาคม 2552 กระสวยอวกาศแอตแลนตีสได้ทะยานขึ้นสู่ท้องฟ้าจากศูนย์การบินอวกาศเคเนดี ภารกิจสำคัญของเที่ยวบินนี้คือ การซ่อมบำรุงกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล ซึ่งเป็นการซ่อมบำรุงครั้งที่ และครั้งสุดท้ายของกล้องโทรทรรศน์นี้ และเป็นเป็นเที่ยวบินสุดท้ายของแอตแลนติสด้วย นั่นหมายความว่า กล้องฮับเบิลที่ปฏิบัติภารกิจในวงโคจรมาตั้งแต่ปี 2533 ใกล้ถึงวาระต้องปลดระวางแล้ว 

ถึงขณะนี้ (2564) กล้องฮับเบิลผ่านใช้งานอย่างหนักมาแล้วถึง 31 ปี แม้จะยังไม่มีการกำหนดวันปลดระวางที่แน่นอน แต่ก็คาดว่าคงจะทำหน้าที่ต่อไปได้อีกจนถึงทศวรรษหน้าเป็นอย่างมาก หลังจากพ้นยุคของฮับเบิลไปแล้ว ก็จะเข้าสู่ยุคของกล้องโทรทรรศน์อวกาศกล้องใหม่ที่องค์การนาซาวางตัวไว้ให้เป็น “ทายาทฮับเบิล” กล้องนี้มีชื่อว่า กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ (James Webb Space Telescope) 

กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ 

โครงการนี้มีเป็นการร่วมมือกันขององค์การนาซา องค์การอีซา (องค์การอวกาศยุโรป) และองค์การอวกาศแคนาดา รวมประเทศที่มีส่วนร่วมในโครงการนี้ 15 ประเทศ 

ในช่วงเริ่มต้นโครงการกล้องนี้มีชื่อว่า เอ็นจีเอสที (Next Generation Space Telescope (NGST)) หรือ "กล้องโทรทรรศน์อวกาศยุคต่อไป" ต่อมาในปี 2545 จึงเปลี่ยนชื่อเป็น กล้องโทรทรรศน์เจมส์เว็บบ์ เพื่อเป็นเกียรติแก่ เจมส์ เอ็ดวิน เวบบ์ อดีตผู้อำนวยการองค์การนาซา 

เจมส์ เอ็ดวิน เวบบ์ 

วัตถุประสงค์หลัก

กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์มีภารกิจหลักสี่อย่างคือ 1. ค้นหาแสงที่ส่องมาจากดาวและดาราจักรรุ่นแรกของเอกภพ 2. เพื่อศึกษาการกำเนิดและวิวัฒนาการของดาราจักร 3. เพื่อทำความเข้าใจการกำเนิดดาวฤกษ์และระบบดาวเคราะห์ และ 4. เพื่อศึกษาระบบดาวเคราะห์กับกำเนิดสิ่งมีชีวิต 

เนื่องจากวัตถุเป้าหมายของเจมส์เวบบ์ส่วนใหญ่เป็นวัตถุอุณหภูมิต่ำ มักถูกบดบังโดยม่านของฝุ่นแก๊สหนาทึบ และยังอยู่ไกลมากจนถูกการขยายตัวของเอกภพดึงสเปกตรัมให้ยืดออกไปทางแดงมากขึ้น การสำรวจวัตถุเหล่านี้เมื่อศึกษาในย่านรังสีอินฟราเรดใกล้จะมีประสิทธิภาพมากกว่าสำรวจในย่านแสงขาวหรือแสงที่ตามนุษย์มองเห็น ด้วยเหตุนี้ กล้องเจมส์เวบบ์จึงเป็นกล้องอินฟราเรดขนานแท้ ไม่ใช่กล้องหลายย่านความถี่อย่างกล้องฮับเบิลที่สำรวจได้ตั้งแต่อินฟราเรดถึงอัลตราไวโอเลต  กล้องเจมส์เวบบ์มีความไวในย่านอินฟราเรดสูงกว่ากล้องฮับเบิลมาก มีย่านการใช้งานตั้งแต่ 0.6 ไมครอน (ใกล้เส้นแบ่งระหว่างสีแดงกับอินฟราเรดใกล้) จนถึง 28 ไมครอน 

ทำไมต้องอินฟราเรด?

รังสีอินฟราเรดเป็นรังสีที่มีช่วงความยาวคลื่นถัดจากช่วงแสงที่ตามองเห็นขึ้นไป การที่มีความยาวคลื่นมากกว่าแสงที่ตามองเห็น คลื่นที่มีความยาวคลื่นยาวกว่าจะทะลุทะลวงม่านหมอกได้ดีกว่า ในอวกาศมีก้อนแก๊สอยู่อย่างกระจัดกระจาย โดยเฉพาะบริเวณที่เป็นที่สนใจของนักดาราศาสตร์ก็มักมีก้อนแก๊สห้อมล้อมอยู่ เช่นบริเวณที่มีดาวฤกษ์กำลังก่อตัว ระบบสุริยะที่กำลังสร้างดาวเคราะห์ นิวเคลียสดาราจักรกัมมันต์ ดาวเคราะห์ต่างระบบ แม้เนบิวลาจะเป็นสิ่งดูสวยงาม แต่ก็เป็นความสวยงามที่ไม่พึงประสงค์สำหรับนักดาราศาสตร์ที่ต้องการศึกษาสิ่งที่อยู่ภายในหรือเบื้องหลังม่านหมอกเหล่านั้น ดังนั้นการศึกษาท้องฟ้าในย่านอินฟราเรดจะมองเห็นดาวมากกว่าการศึกษาในย่านแสงที่ตามองเห็นมาก 

นอกจากนี้ วัตถุที่อยู่ไกลมากจะมีสเปกตรัมเลื่อนไปทางแดงมากจนหลุดจากย่านแสงที่ตามองเห็นไปแล้ว ด้วยเหตุนี้ การมองด้วยตาอินฟราเรด จึงทำให้มองได้ไกลขึ้น ซึ่งก็หมายความว่ามองย้อนอดีตไปได้ไกลขึ้นด้วย 

ภาพท้องฟ้าบริเวณเดียวกัน ถ่ายโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลทั้งคู่ ภาพบนถ่ายในย่านแสงที่ตามองเห็น ภาพล่างถ่ายด้วยกล้อง WFC3 รุ่นปรับปรุง ซึ่งเป็นกล้องอินฟราเรด เห็นได้ชัดว่าภาพแสงขาวจะมองเห็นเนบิวลาซึ่งเป็นกลุ่มแก๊สชัดเจน แต่มองเห็นดาวฤกษ์ไม่มากนักเพราะชั้นฝุ่นบดบัง ส่วนภาพล่างเห็นเนบิวลาเพียงเลือนลาง แต่เผยดาวฤกษ์หลังม่านฝุ่นออกมามากมาย เนื่องจากแสงอินฟราเรดทะลุทะลวงม่านฝุ่นได้ดี 

ด้วยเหตุที่กล้องเจมส์เวบบ์เป็นกล้องรังสีอินฟราเรดและมีความไวสูงมาก บวกกับการที่มีแหล่งกำเนิดรังสีอินฟราเรดอยู่ใกล้ ๆ กล้องหลายแหล่ง โดยเฉพาะความร้อนจากตัวอุปกรณ์ในกล้องเองก็แผ่รังสีอินฟราเรด ดวงอาทิตย์ โลก และดวงจันทร์ ก็แผ่รังสีอินฟราเรด ดังนั้น อุปกรณ์ของกล้องจึงต้องทำงานอยู่ภายใต้อุณหภูมิต่ำมาก จึงต้องมีโล่แผ่นมหึมาทำหน้าที่บังแสงจากดวงอาทิตย์ โลก และดวงจันทร์ สร้างร่มเงาถาวรให้ให้แก่ตัวกล้องและชุดอุปกรณ์ บวกกับระบบทำความเย็นด้วยฮีเลียม ช่วยให้กล้องทำงานในสภาวะแช่แข็งที่อุณหภูมิต่ำถึง 40 เคลวิน (-230 องศาเซลเซียส) 

ลำดับขั้นตอนการคลี่คลายส่วนประกอบของกล้อง จากรูปตำแหน่งที่หดคุดคู้อยู่ในแคปซูลห้องสัมภาระของจรวดขนส่ง จนกระทั่งเป็นกล้องเต็มรูปแบบ 

กระจก

กระจกปฐมภูมิของเจมส์เวบบ์มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 6.5 เมตร พัฒนาโดยแอกซีสเทคโนโลยีส์ ประกอบขึ้นจากกระจกรูปหกเหลี่ยม 18 บานประกบกันทำหน้าที่เหมือนกระจกบานใหญ่บานเดียว กระจกแต่ละบานจะต้องพับเก็บตอนอยู่ในจรวด เมื่อขึ้นไปสู่อวกาศแล้วจึงคลี่ออก โดยมีเซนเซอร์ที่ควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ตรวจวัดตำแหน่งอย่างแม่นยำเพื่อให้แน่ใจว่ากระจกแต่ละบานอยู่ในตำแหน่งและมุมที่ถูกต้องจริง ๆ 

แม้กระจกปฐมภูมิของเจมส์เวบบ์จะกว้างกว่าของฮับเบิลสองเท่าครึ่ง และพื้นที่รับแสงมากกว่าฮับเบิลถึง เท่า แต่เหลือเชื่อที่น้ำหนักรวมกลับเบากว่ากระจกของฮับเบิลเสียอีก  

กล้องฮับเบิลมีช่วงคลื่นใช้งานไปถึงอัลตราไวโอเลต ซึ่งมีความยาวคลื่นสั้นถึง 0.1 ไมครอน ดังนั้นความโค้งของกระจกจะต้องผิดพลาดไม่เกิน 0.1 ไมครอนด้วย เพื่อให้กระจกรักษารูปร่างความโค้งได้ถูกต้อง จึงจำเป็นต้องทำกระจกให้หนา แต่กระจกที่หนาขึ้น ก็พาให้น้ำหนักมากขึ้นเป็นเงาตามตัว ด้วยเหตุนี้กระจกของฮับเบิลซึ่งทำจากแก้วจึงหนักถึง ตัน

กระจกของเจมส์เวบบ์บางกว่า ความโค้งก็ถูกต้องแม่นยำกว่ากระจกของฮับเบิล ทำจากเบริลเลียมน้ำหนักเบาฉาบทองคำ แต่ละบานยึดด้วยตัวปรับระยะที่ติดอยู่บนโครงอีกที น้ำหนักรวมของทั้งกระจกและโครงเพียง 625 กิโลกรัมเท่านั้น เบริลเลียมมีคุณสมบัติวิเศษหลายประการในการทำเป็นกระจก เป็นโลหะเบาที่แข็งแรงมาก หมองได้น้อยแม้สัมผัสอากาศ โลหะผสมเบริลเลียมมักมีสมบัติทนความร้อนสูงมาก ทนต่อการกัดกร่อน เป็นฉนวนความร้อนที่ดี และหล่อขึ้นรูปได้ดี จึงนิยมใช้ทำชิ้นส่วนในอากาศยานเหนือเสียงจำนวนมาก

เจมส์เวบบ์ไม่ใช่กล้องโทรทรรศน์อวกาศกล้องแรกที่ใช้กระจกเบริลเลียม กล้องโทรทรรศน์อวกาศสปิตเซอร์ ก็ใช้เบริลเลียมเป็นกระจกปฐมภูมิเช่นกัน 

เปรียบเทียบขนาดของกระจกปฐมภูมิระหว่างกล้องฮับเบิลกับกล้องเจมส์เวบบ์ กระจกของกล้องฮับเบิลมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 2.4 เมตร ส่วนเจมส์เวบบ์มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 6.5 เมตร และมีพื้นที่รับแสงมากกว่าเกือบ เท่า 

เวบบ์จะมีกำลังแยกภาพดีกว่า 0.1 พิลิปดาที่ความยาวคลื่น ไมครอน นั่นหมายความว่า ที่ความยาวคลื่นนี้ กล้องจะมองเห็นวัตถุที่มีขนาดเชิงมุม 0.1 พิลิปดาได้ ขนาดเชิงมุม พิลิปดา เทียบได้กับมองเห็นลูกฟุตบอลได้ที่ระยะ 550 กิโลเมตร ในด้านความไวแสง เจมส์เวบบ์มีความไวกว่าฮับเบิล 10-100 เท่า มองเห็นได้แม้กระทั่งดาวที่จางกว่าระดับที่ตาเปล่ามนุษย์มองเห็นได้ถึงหนึ่งหมื่นล้านเท่า 

วงโคจร

วงโคจรของเจมส์เวบบ์จะต่างจากของกล้องฮับเบิลมาก กล้องฮับเบิลโคจรรอบโลกเป็นวงที่เกือบกลมที่ความสูงประมาณ 560 กิโลเมตร ซึ่งจัดเป็นดาวเทียมประเภทวงโคจรต่ำ ส่วนกล้องเจมส์เวบบ์จะอยู่ประจำที่ตำแหน่งตรงข้ามกับดวงอาทิตย์ตลอดเวลา อยู่ห่างจากโลกออกไป 1,500,000 กิโลเมตร ใกล้กับจุดที่เรียกว่า จุดลากรันจ์แอล (Lagrange L2) วัตถุที่อยู่ที่จุดนี้จะโคจรรอบดวงอาทิตย์ไปพร้อม ๆ กับโลกได้อย่างมีเสถียรภาพ 

ปกติ วัตถุที่โคจรรอบดวงอาทิตย์อยู่นอกรัศมีวงโคจรของโลก จะมีคาบโคจรยาวกว่า ปี หรือเคลื่อนที่ช้ากว่า แต่หากวัตถุนั้นอยู่ที่จุดแอล จะมีความสมดุลขึ้นเนื่องจากได้รับแรงดึงดูดทั้งจากโลกและดวงอาทิตย์เสริมกัน ทำให้วัตถุนั้นเคลื่อนที่ไปพร้อมกับโลกได้ ยานใดที่มาอยู่ที่จุดนี้ก็จะเคลื่อนที่ไปพร้อมกับโลกได้เลยโดยไม่ต้องเพิ่มพลังขับ แต่ในความเป็นจริง ยานจะต้องมีจรวดบ้างเพื่อช่วยรักษาเสถียรภาพด้วย แต่ก็เป็นเพียงจรวดกำลังต่ำเท่านั้น

ที่ตำแหน่งแอล อาจเป็นตำแหน่งที่ดีสำหรับคนที่อยากเห็นสุริยุปราคาตลอดเวลา เพราะที่นั่น โลกจะอยู่หน้าดวงอาทิตย์พอดี แต่จะมีขนาดปรากฏเล็กกว่าดวงอาทิตย์ โลกจะบังดวงอาทิตย์ได้ประมาณร้อยละ 90 ดังนั้นที่ตำแหน่งนี้จึงเห็นได้เพียงสุริยุปราคาวงแหวนเท่านั้น อย่างไรก็ตามเจมส์เวบบ์ไม่ได้อยู่ที่ตำแหน่งแอล เสียทีเดียว หากแต่จะโคจรรอบจุดแอล ด้วยรัศมีวงโคจร 800,000 กิโลเมตร ซึ่งใหญ่พอที่จะพ้นเขตเงาอุปราคา ดังนั้น ที่ตำแหน่งของกล้องเจมส์เวบบ์จะไม่มีวันมองเห็นสุริยุปราคาเลยแม้แต่สุริยุปราคาบางส่วน และจะไม่มีโอกาสเห็นดวงจันทร์เต็มดวงด้วย แม้แต่ช่วงที่ดวงจันทร์ทำมุมห่างจากดวงอาทิตย์มากที่สุดก็จะเห็นดวงจันทร์ได้เป็นเพียงเสี้ยวบาง ๆ เท่านั้น

การที่ตำแหน่งของโลก ดวงอาทิตย์ และดวงจันทร์ อยู่ใกล้กันจากมุมมองของกล้อง ทำให้การออกแบบร่มเพื่อบังรังสีอินฟราเรดจากแหล่งกำเนิดใหญ่ทั้งสามทำได้ง่าย เพราะออกแบบให้บังเพียงด้านเดียวก็เพียงพอแล้ว
แต่การที่กล้องต้องไปอยู่ไกลถึงหนึ่งล้านห้าแสนกิโลเมตร หรือไกลกว่าดวงจันทร์ถึงสี่เท่า หมายความว่า การจัดภารกิจซ่อมบำรุงตามวาระอย่างที่ทำให้กล้องฮับเบิลจึงเป็นไปไม่ได้เลย ดังนั้น การออกแบบและทดสอบจึงต้องเป็นไปอย่างสมบูรณ์แบบไม่มีจุดบกพร่อง หากเกิดความผิดพลาดใด ๆ ขึ้น ก็จะไม่มีโอกาสแก้ตัว

อุปกรณ์หลัก

อุปกรณ์สำรวจต่าง ๆ ของกล้องจะติดตั้งอยู่ในหน่วยอุปกรณ์รวม หรือที่เรียกว่า ไอซิม (ISIM--Integrated Science Instrument Module) ซึ่งถือว่าเป็นหัวใจของกล้อง ประกอบด้วยอุปกรณ์สี่ตัว คือ เนียร์แคม (NIRCam--Near Infrared Camera) เป็นกล้องถ่ายภาพอินฟราเรด มีย่านความยาวคลื่นตั้งแต่ 0.6 ไมครอน (สีแดง) ไปจนถึง ไมครอน  (อินฟราเรดใกล้) สร้างโดยมหาวิทยาลัยแอริโซนากับล็อกฮีด-มาร์ติน เนียร์แคมจะทำงานร่วมกับอุปกรณ์อีกตัวหนึ่งคือ เนียร์สเปก (NIRSpec--Near Infrared Spectrograph) เป็นสเปกโทรกราฟที่สร้างโดยองค์การอีซา การสำรวจช่วงอินฟราเรดกลางจะเป็นหน้าที่ของ มีรี (MIRI--Mid InfraRed Instrument) ซึ่งจะมีทั้งกล้องถ่ายภาพและสเปกโทรมิเตอร์ ทำงานในช่วงคลื่นตั้งแต่ 5-27 ไมครอน อุปกรณ์อีกตัวหนึ่งคือ ไฟน์ไกแดนซ์เซนเซอร์ (FGS--Fine Guidance Sensor) เป็นอุปกรณ์สำหรับรักษาเสถียรภาพให้แก่ตัวกล้อง และยังใช้ถ่ายภาพในย่าน 1.5-5 ไมครอนได้ด้วย 

เจมส์เวบบ์ยังมีทีเด็ดอีกอย่างหนึ่ง นั่นคือไมโครชัตเตอร์จำนวน 62,000 ตัว แต่ละตัวมีขนาดประมาณ 100-200 ไมครอน อุปกรณ์นี้จะอยู่หน้าเนียร์สเปกขนาด เมกะพิกเซล ทำหน้าที่คล้ายการหรี่ตา ช่วยให้กล้องสามารถโฟกัสวัตถุจางที่อยู่ใกล้วัตถุที่สว่างจ้ามาก ๆ ได้

แบบจำลองขนาดเท่าจริงของกล้องเจมส์เวบบ์ ตั้งอยู่ที่ลานหน้าศูนย์การบินอวกาศกอดดาร์ด 

กล้องโทรทรรศน์เจมส์เวบบ์มีหน่วยงานรับผิดชอบมากมาย เจ้าของโครงการที่แท้จริงคือศูนย์การบินอวกาศกอดดาร์ดของนาซา มีนอร์ทร็อปกรัมแมนแอโรสเปซซิสเทมส์เป็นคู่สัญญาหลักในการพัฒนาและก่อสร้างกล้อง บอลล์แอโรสเปซเป็นผู้รับช่วงในการพัฒนาระบบทัศนศาสตร์ของกล้อง ส่วนกอดดาร์ดเองรับผิดชอบในส่วนของการสร้างไอซิม

เดิมทีเจมส์เวบบ์มีกำหนดปล่อยขึ้นสู่อวกาศในปี 2557 แต่โครงการก็ต้องเผชิญมรสุมปัญหามากมายจนต้องเลื่อนการส่งครั้งแล้วครั้งเล่า  จนในที่สุดก็ได้ขึ้นสู่อวกาศในวันที่ 25 ธันวาคม 2564 ที่ผ่านมา

นักดาราศาสตร์ทั่วโลกคาดหวังกับกล้องเจมส์เวบบ์เป็นอย่างมาก การค้นพบและงานวิจัยหลายฉบับที่เกิดขึ้นในช่วงหลายปีที่ผ่านมาได้ตั้งโจทย์ทิ้งไว้ให้กล้องเจมส์เวบบ์มาไขปัญหาต่อ เมื่อใดที่กล้องเจมส์เวบบ์เข้าประจำการ การศึกษาดาราศาสตร์จะต้องก้าวหน้าขึ้นอย่างก้าวกระโดดอีกระลอกหนึ่ง เหมือนกับที่ฮับเบิลเคยทำไว้ตลอดในสามทศวรรษที่ผ่านมา  

ที่มา

Astronomy, September 2010
http://en.wikipedia.org/wiki/James_Webb_Space_Telescope
http://www.jwst.nasa.gov/

หมายเหตุ
บทความนี้ตัดตอนและปรับปรุงมาจากบทความเรื่อง "รู้จักเจมส์เว็บ ทายาทฮับเบิล" ที่เผยแพร่ครั้งแรกในวารสารทางช้างเผือกฉบับ กุมภาพันธ์ 2554