กล้องโทรทรรศน์กล้องแรกของโลกที่สร้างขึ้นเมื่อ 400 ปีก่อน มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเพียงไม่กี่เซนติเมตร ตลอดระยะเวลาหลายศตวรรษหลังจากนั้น นักวิทยาศาสตร์พยายามสร้างกล้องโทรทรรศน์ให้ใหญ่ขึ้น เพื่อขยายขอบเขตการเรียนรู้จักรวาลให้ไกลขึ้น ละเอียดขึ้น กล้องโทรทรรศน์ชั้นนำของโลกที่สร้างขึ้นใหม่ใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆ จากเป็นนิ้วเป็นระดับฟุต และต้องใช้เวลาถึง 180 ปี จึงเริ่มเข้าสู่พรมแดนของระดับเมตรเมื่อเฮอร์เชลสร้างกล้อง 40 ฟุตที่มีกระจกใหญ่ถึง 1.2 เมตรได้ ในปลายคริสต์ศตวรรษที่ 20 วิทยาการของการสร้างกล้องก็แตะระดับ 10 เมตรจนได้ เมื่อกล้องเคกสร้างเสร็จสมบูรณ์ด้วยขนาดกระจกปฐมภูมิที่ใหญ่ถึง 10 เมตร

ปัจจุบัน กล้องโทรทรรศน์เชิงแสงที่ใหญ่ที่สุดในโลก คือกล้องกรานเทคาน หรือ จีทีซี (Gran Telescopio Canarias) มีเส้นผ่านศูนย์กลางของกระจกปฐมภูมิ 10.4 เมตร ตั้งอยู่ที่หมู่เกาะคะเนรี สร้างเสร็จไปเมื่อปี 2551 นี้เอง





อย่าได้คิดไปว่า ขนาด 10 เมตรคือขีดจำกัดของกล้องโทรทรรศน์เชิงแสง เพราะภายในไม่เกินสิบปีต่อจากนี้ จะมีกล้องโทรทรรศน์เชิงแสงระดับ 25-40 เมตรสร้างเสร็จและพร้อมใช้งานถึงสามกล้อง กล้องทั้งสามจะเป็นผู้มาทำให้นิยามของคำว่ากล้องยักษ์ต้องเปลี่ยนไป กล้องยักษ์หลายกล้องที่เรียกขานกันในปัจจุบันอาจต้องกลายเป็นยักษ์แคระไปเมื่อถึงวันนั้น

ขณะนี้โครงการกล้องยักษ์ทั้งสามได้เริ่มการก่อสร้างไปแล้ว หากไม่มีอะไรเปลี่ยนแปลง ใน พ.ศ. 2563 กล้องจีเอ็มที ที่มีขนาดช่องรับแสง 25.48 เมตร และกล้องทีเอ็มทีที่มีขนาดช่องรับแสง 30 เมตรจะสร้างเสร็จ กล้องทีเอ็มทีจะครองแชมป์ไปอีกราว 4 ปี ก่อนที่จะต้องมอบตำแหน่งให้แก่กล้อง อี-อีแอลที ซึ่งมีขนาดกระจกปฐมภูมิใหญ่โตมหึมาถึง 39 เมตร

10 อันดับกล้องโทรทรรศน์เชิงแสงที่ใหญ่ที่สุดในโลกในปัจจุบัน

กล้องจีเอ็มที

กล้องจีเอ็มที (Giant Magellan Telescope) ตั้งอยู่ที่หอดูดาวลัสกัมปานัสบนยอดเขาชื่อเดียวกัน ประเทศชิลี กระจกปฐมภูมิประกอบด้วยกระจกแผ่นกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 8.4 เมตร 7 บานวางเรียงกัน ให้กำลังแยกภาพเทียบเท่ากระจกเดียวขนาด 24.5 เมตร มีพื้นที่รับแสง 368 ตารางเมตร เทียบเท่ากระจกเดี่ยวเส้นผ่านศูนย์กลาง 22 เมตร


แม้กระจกปฐมภูมิของจีเอ็มทีจะเป็นกระจกประกอบ แต่กระจกย่อยแต่ละบานของจีเอ็มทีก็ยังใหญ่ถึง 8.4 เมตร ซึ่งใหญ่กว่ากระจกปฐมภูมิของกล้องซุบะรุและวีแอลทีที่เป็นกล้องกระจกเดี่ยวที่ใหญ่ที่สุดเสียอีก แต่ละบานหนักถึง 20 ตัน ต้องใช้เวลาหล่อนาน 3 เดือน เมื่อขึ้นรูปแล้วก็ต้องรอให้เย็นอีกครึ่งปี ก่อนที่จะเริ่มฝนโค้งและขัดเงา ซึ่งต้องใช้เวลาอีก 6 ปีครึ่ง การทำกระจกของจีเอ็มทีจะซับซ้อนกว่าการทำกระจกของวีแอลทีหรือซุบะรุมาก เนื่องจากกระจกปฐมภูมิโค้งแบบไฮเพอร์โบลา ดังนั้นกระจก 6 บานที่อยู่ด้านนอกจะโค้งแบบไม่สมมาตร ทำให้การขัดเงาและการตรวจสอบทำได้ยากมาก

กล้องทีเอ็มที

กล้องทีเอ็มที มีชื่อที่บ่งบอกขนาดชัดเจนว่า The Thirty Meter Telescope ตั้งอยู่ที่เขามานาเคอา รัฐฮาวาย เจ้าของโครงการของทีเอ็มทีเป็นรัฐบาลจากประเทศยักษ์ใหญ่อย่าง สหรัฐอเมริกา จีน และญี่ปุ่น และอาจมีประเทศอื่นเข้าร่วมด้วยในอนาคต


เช่นเดียวกับกล้องยักษ์ทั้งหลายที่ใช้กระจกประกอบทำเป็นกระจกปฐมภูมิ กล้องทีเอ็มทีใช้กระจกบานเล็กรูปหกเหลี่ยมขนาด 1.44 เมตรจำนวนถึง 492 บานมาประกบกัน ส่วนกระจกทุติยภูมิมีขนาด 3 เมตร และมีกระจกตติยภูมิเป็นกระจกราบที่ทำหน้าที่สะท้อนลำแสงไปยังเครื่องมือที่ตั้งอยู่ในฐานยืดแบบเนสมิท รวมน้ำหนักกล้องและอุปกรณ์ทั้งหมดที่เคลื่อนไหวเกือบ 2,000 ตัน

กล้องทีเอ็มทีจะมีระบบปรับสภาพตามแสง ที่แม่นยำ ให้ความคมชัดดีกว่าภาพที่ได้จากกล้องฮับเบิลถึง 10 เท่า

กล้องอี-อีแอลที

กล้องอี-อีแอลที (The European Extremely Large Telescope (E-ELT)) ดำเนินงานโดยหอดูดาวยุโรปซีกใต้

ตั้งอยู่ที่เซอร์โรอาร์มาโซเนส ในทะเลทรายอะตากามา ทางตอนเหนือของชิลี กล้องนี้มีชื่อที่บอกลักษณะตัวเองได้ดีที่สุด ด้วยขนาดของกระจกปฐมภูมิถึง 39.3 เมตร ทำให้มีพื้นที่รับแสงรวมมากถึง 978 ตารางเมตร ซึ่งมากเกือบเท่ากับพื้นที่ของทีเอ็มทีกับจีเอ็มทีรวมกัน แม้แต่กระจกทุติยภูมิก็ยังมีขนาดถึง 4.2 เมตร กระจกปฐมภูมิประกอบด้วยกระจกย่อยรูปหกเหลี่ยมขนาด 1.45 เมตรจำนวน 798 บาน น้ำหนักของกล้องเฉพาะส่วนหลักประมาณ 2,800 ตัน


ก่อนหน้านี้ หอดูดาวยุโรปซีกใต้เคยริเริ่มโครงการสร้างกล้องที่มีขนาดใหญ่ถึง 100 เมตรมาก่อน มีชื่อว่าอาวล์ (OWL--Overwhelmingly Large Telescope) แม้แต่กระจกทุติยภูมิของกล้องนี้ก็ยังมีขนาดใหญ่เกือบเท่ากล้องอี-อีแอลที แต่เนื่องจากงบประมาณกับเทคโนโลยีในการสร้างอยู่ไกลเกินเอื้อม อีเอสโอจึงต้องยกเลิกโครงการอาว์ลไป แล้วหันมาสร้างกล้องอี-อีแอลทีแทน


ขนาดของกระจกสะท้อนแสงมีความสำคัญอย่างไรหรือ นักวิทยาศาสตร์จึงต้องพยายามหาวิธีสร้างกล้องที่ใหญ่ขึ้นอย่างไม่สิ้นสุด กระจกที่ใหญ่ขึ้นไม่ได้เพิ่มกำลังขยายภาพ แต่กระจกที่ใหญ่ขึ้น หมายถึงพื้นที่รับแสงดาวเพิ่มขึ้น กำลังรวมแสงก็เพิ่มขึ้น พื้นที่รับแสงเป็นสัดส่วนกำลังสองต่อเส้นผ่านศูนย์กลางของกระจก กล้องที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 2 เมตรมีกำลังรวมแสงมากกว่ากล้องที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 เมตร 4 เท่า กล้องอี-อีแอลทีซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางของกระจก 39.3 เมตร ใหญ่กว่ากล้องเคก 3.9 เท่า ก็จะมีกำลังรวมแสงมากกว่ากล้องเคกถึง 15.5 เท่า!

กล้องที่มีกำลังรวมแสงมาก ก็จะถ่ายภาพดาวที่มีแสงหรี่มากได้ดีขึ้น แสดงรายละเอียดของวัตถุที่แสงจางได้มากขึ้นด้วย ปริมาณแสงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการศึกษาสเปกตรัม กล้องอี-อีแอลทีที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางกระจกปฐมภูมิ 39.3 เมตร จะมองเห็นได้แม้แต่ดาวที่มีอันดับความสว่าง 36! ในขณะที่กล้องฮับเบิลมองเห็นได้จางที่สุดถึง 31.5 เท่านั้น

กระจกปฐมภูมิที่มีขนาดใหญ่ ยังมีผลต่อคุณสมบัติสำคัญของกล้องอีกอย่างหนึ่ง นั่นคือ กำลังแยกภาพ ตัวเลขนี้เป็นตัวบอกว่ากล้องนี้จำแนกรายละเอียดได้มากน้อยเท่าใด กำลังแยกภาพที่สูงจำเป็นสำหรับการสังเกตการณ์ที่ต้องการรายละเอียดสูง เช่น การสังเกตดาวคู่ การตรวจหาดาวเคราะห์ต่างระบบ

ด้วยสมบัติพื้นฐานด้านการเลี้ยวเบนของแสง ทำให้กำลังแยกภาพของกล้องถูกจำกัดด้วยขนาดของกระจก กระจกยิ่งใหญ่กำลังแยกภาพยิ่งสูง กำลังแยกภาพระบุด้วยขนาดเชิงมุมที่เล็กที่สุดที่กล้องแยกแยะได้ กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลมีกำลังแยกภาพ 0.05 พิลิปดา หมายความว่าวัตถุที่มีขนาดเชิงมุม 0.05 พิลิปดาจะกินพื้นที่ภาพ 1 พิกเซลในภาพที่ถ่ายโดยฮับเบิล แต่การเพิ่มขนาดกระจกจะไร้ประโยชน์หากกล้องตั้งอยู่ในบรรยากาศที่ปั่นป่วนพลิ้วไหวตลอดเวลา ความพลิ้วไหวของบรรยากาศเป็นศัตรูตัวสำคัญของนักดาราศาสตร์มาทุกยุคทุกสมัย จนถึงกับต้องมีแนวคิดในการเอากล้องโทรทรรศน์ไปไว้นอกชั้นบรรยากาศ เช่น กล้องฮับเบิล ไอแรส เคปเลอร์

นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาเทคโนโลยีระบบปรับสภาพตามแสง (adaptive optics) ขึ้นมาตั้งแต่ครึ่งศตวรรษก่อน เป็นวิธีแก้ไขความเพี้ยนของภาพดาวที่เกิดจากความพลิ้วไหวของบรรยากาศโดยการเพิ่มกระจกหรือเลนส์ที่บิดโค้งหรือหันเหต่อต้านสภาพอากาศได้ วิธีนี้ทำให้กล้องที่อยู่บนพื้นโลกสร้างภาพได้คมชัดไม่แพ้กล้องที่อยู่ในอวกาศเลยทีเดียว เทคโนโลยีระบบปรับสภาพตามแสงได้กลายมาเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในหอดูดาวสมัยใหม่ รวมถึงกล้องยักษ์ใหญ่ทั้งสามกล้องที่กล่าวถึงด้วย ด้วยระบบปรับสภาพตามแสงที่ทรงประสิทธิภาพ ทำให้นักดาราศาสตร์คาดว่าภาพจากอี-อีแอลทีจะคมชัดกว่าภาพที่ได้จากฮับเบิลถึง 15 เท่า

กล้องยักษ์ทั้งสามกล้องเป็นกล้องสะท้อนแสงแบบริตชีย์-เกรเตียง กล้องแบบริตชีย์-เกรเตียงเป็นชนิดที่ดัดแปลงมาจากแคสซิเกรน โดยทำให้ทั้งกระจกปฐมภูมิและทุติยภูมิเป็นกระจกโค้งไฮเพอร์โบลา ข้อดีของกล้องแบบนี้คือ ขจัดความคลาดแบบพู่ได้เกือบทั้งหมด ความคลาดแบบพู่คือความคลาดที่ทำให้ภาพดาวที่อยู่เยื้องไปจากกลางกรอบภาพมีรูปร่างเป็นทรงพู่ หรือคล้ายดาวหางที่หันหัวเข้าหากึ่งกลางภาพ ข้อดีอีกข้อหนึ่งก็คือ เป็นระบบที่ลำกล้องสั้น เมื่อเทียบกับกล้องแบบอื่นที่ความยาวโฟกัสปฐมภูมิเท่ากัน กล้องริตชีย์-เกรเตียงจะสั้นที่สุด กล้องที่สั้นลงหมายถึงน้ำหนักของกล้องที่ลดลง ขนาดของโดมหอดูดาวก็เล็กลง เป็นการลดค่าใช้จ่ายในการก่อสร้างได้อีกทางหนึ่ง ปัจจุบันกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ล้วนแต่เป็นกล้องระบบนี้ทั้งสิ้น



ในปี 2518 สหภาพโซเวียตได้เปิดใช้งานกล้องโทรทรรศน์บีทีเอ-6 ที่หอดูดาวบนเทือกเขาคอเคซัส ด้วยขนาดของกระจกปฐมภูมิถึง 6 เมตร ทำให้กล้องนี้เป็นกล้องมีขนาดใหญ่ที่สุดในโลก แซงหน้าแชมป์เก่าอย่างกล้องเฮลไปถึง 1 เมตร บีทีเอ-6 ครองตำแหน่งอยู่ 15 ปีก่อนที่จะถูกกล้องเคก-1 แซงหน้าไป กล้องบีทีเอ-6 อาจมีผลงานไม่โดดเด่นนักเมื่อเทียบกับกล้องอื่นในระดับเดียวกัน สาเหตุหนึ่งเนื่องจากคุณภาพของกระจกที่มีจุดบกพร่องหลายจุด ทำเลการตั้งกล้องที่ไม่เหมาะสม และการออกแบบโดมที่ใหญ่เกินจำเป็น แต่กล้องบีทีเอ-6 ได้สร้างนวัตกรรมอย่างหนึ่งที่กลายมาเป็นมาตรฐานของกล้องขนาดใหญ่ในยุคถัดมา นั่นคือ ฐานยึดมุมเงยมุมทิศ


ในโลกของนักดาราศาสตร์สมัครเล่นที่ใช้กล้องขนาดเล็ก ฐานยืดมุมเงยมุมทิศคือตัวเลือกสำหรับความประหยัด การปรับทิศทางของกล้องในระบบนี้ทำได้โดยการเปลี่ยนมุมราบและมุมเงย แต่เนื่องจากการกวาดกล้องในระบบนี้ไม่สอดคล้องกับการเคลื่อนของดาวที่เกิดจากการหมุนรอบตัวเองของโลก ฐานยึดระบบนี้จึงเป็นระบบที่ใช้ในงานดูดาวแบบไม่จริงจัง หรือดูดาวโดยไม่มีการถ่ายภาพหรือตรวจวัดเพื่องานศึกษาเบื้องลึก หากต้องมีการถ่ายภาพหรือการสังเกตการณ์อย่างมืออาชีพแล้ว จะต้องมีระบบติดตามดาวที่มีประสิทธิภาพดีกว่า ซึ่งก็คือฐานยึดระบบพิกัดศูนย์สูตร

ด้วยการบุกเบิกของกล้องบีทีเอ-6 ทำให้ฐานยึดพิกัดศูนย์สูตรไม่ใช่ทางเลือกสำหรับกล้องยักษ์ที่ระดับหลายเมตรอีกต่อไป ด้วยเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ที่ก้าวหน้า วิศวกรจึงเลือกที่จะให้กล้องยักษ์กลับมาหากลไกที่เรียบง่ายของฐานยึดมุมเงยมุมทิศอีกครั้ง ฐานยึดระบบนี้มีการเคลื่อนไหวกล้องที่เรียบง่าย โดมของกล้องจึงมีขนาดไม่ต้องใหญ่กว่ากล้องมากอย่างในอดีต เป็นการลดต้นทุนการก่อสร้างลงได้อีกมาก ส่วนการควบคุมการเคลื่อนที่ให้สอดคล้องกับการหมุนรอบตัวเองของโลก ปล่อยให้คอมพิวเตอร์ควบคุมแทนที่จะให้เป็นหน้าที่ของกลไก กล้องยักษ์ในรุ่นหลังจึงเลือกใช้ฐานยึดแบบมุมเงยมุมทิศเกือบทั้งหมด


นับแต่ที่เราเริ่มแหงนหน้าดูท้องฟ้า เราก็เริ่มตั้งคำถามว่า มีดาวเคราะห์แบบโลกที่ไหนอีกหรือเปล่า เราอยู่อย่างโดดเดี่ยวในเอกภพหรือไม่ มีใครอยู่ที่ดาวดวงนั้นไหม ในขณะที่นักเอกภพวิทยาตั้งคำถามว่าดาราจักรแรกในเอกภพเกิดขึ้นมาได้อย่างไร สสารมืดและพลังงานมืดคืออะไรกันแน่ ชะตาของเอกภพจะดำเนินไปอย่างไร ขอบเขตการเรียนรู้ที่เคยถูกจำกัดด้วยความสามารถของกล้องในปัจจุบันกำลังจะขยายออก คำถามคาใจเหล่านี้ของนักดาราศาสตร์อาจได้รับคำตอบเมื่อถึงวันที่กล้องยักษ์ทั้งสามกล้องสร้างเสร็จ ซึ่งจะเกิดขึ้นภายในหนึ่งทศวรรษข้างหน้านี้

* บทความเผยแพร่ครั้งแรกในวารสารทางช้างเผือก ฉบับกรกฎาคม-กันยายน พ.ศ. 2557