กล้องโทรทรรศน์
วิมุติ วสะหลาย (wimut@hotmail.com) 5 มกราคม 2548

ในการสังเกตการณ์ดาราศาสตร์นั้น กล้องโทรทรรศน์เป็นสิ่งที่จำเป็นต้องใช้แทบจะขาดมิได้ เนื่องจากวัตถุท้องฟ้า ไม่ว่าจะเป็นดวงดาว กาแล็กซี หรือเนบิวลาต่าง ๆ ล้วนอยู่ห่างจากโลกเราหลายปีแสง และมักมีความสว่างน้อยนิด จึงจำเป็นต้องใช้กล้องโทรทรรศน์เพื่อดึงภาพของวัตถุเหล่านั้นให้เหมือนกับว่ามาอยู่ใกล้ ๆ เพื่อศึกษารายละเอียดได้สะดวก และรวมแสงให้สว่างพอให้ตามองเห็น นอกจากการดึงภาพให้เข้ามาใกล้แล้ว กล้องโทรทรรศน์ยังมีประโยชน์อื่น ๆ อีก เช่น ช่วยให้เราได้สามารถศึกษาวัตถุท้องฟ้าในย่านสเปกตรัมอื่น ๆ ที่ตาเรามองไม่เห็นอีก ทั้งนี้เนื่องจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มาจากดวงดาวและวัตถุท้องฟ้าต่าง ๆ นั้นมีย่านความถี่ที่กว้างมาก ตั้งแต่ความถี่วิทยุ ไมโครเวฟ รังสีอินฟราเรด แสงขาว (สีแดงถึงสีม่วง) รังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์ จนถึงรังสีแกมมา ตาของมนุษย์นั้นสามารถมองเห็นได้เฉพาะแสงขาวเท่านั้น การสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ในย่านแสงขาวเพียงย่านเดียว จึงดูเป็นการสังเกตการณ์ในขอบเขตที่แคบมาก ๆ สัญญาณบางอย่างที่ปลดปล่อยมาจากดวงดาวและวัตถุท้องฟ้า มักจะอยู่ในย่านความถี่ที่ตามองไม่เห็นเสียมาก เช่น หากสังเกตมองควอซาร์ด้วยกล้องโทรทรรศน์ธรรมดาที่ทำงานในยานแสงขาว จะมองเห็นไม่ต่างกับดาวฤกษ์ธรรมดาดวงหนึ่งเลย และเมื่อถ่ายภาพควอซาร์ในย่านอินฟราเรดแล้ว จะพบว่ามันมีลักษณะแตกต่างจากดาวฤกษ์โดยสิ้นเชิง นอกจากนี้ กล้องโทรทรรศน์ยังมีประโยชน์ในการถ่ายและบันทึกภาพของดวงดาวได้อีกด้วย

กล้องโทรทรรศน์โดยทั่วไปแบ่งออกเป็นชนิดใหญ่ ๆ ตามย่านความถี่ที่ทำงาน เช่นกล้องโทรทรรศน์อินฟราเรด (Infrared telescope) กล้องโทรทรรศน์วิทยุ (Radio Telescope) เป็นต้น กล้องโทรทรรศน์ที่พบเห็นและรู้จักกันมากที่สุดก็คือ กล้องโทรทรรศน์ที่ทำงานในย่านความถี่ที่ตามองเห็นหรือ Optical telescope ในที่นี้จะกล่าวถึงกล้องโทรทรรศน์แบบหลังนี้เท่านั้น

ชนิดของกล้องโทรทรรศน์

กล้องโทรทรรศน์อาจแบ่งได้ตามหลักการสร้างภาพได้เป็น 2 ชนิดใหญ่ ๆ ได้ดังนี้

กล้องแบบหักเหแสง

กล้องแบบหักเหแสงใช้เลนส์นูนอย่างน้อยสองชิ้นประกอบด้วยกัน ชิ้นหนึ่งเรียกว่า เลนส์วัตถุ อยู่ทางด้านหน้าของตัวกล้อง อีกชิ้นหนึ่งเรียกว่า เลนส์ตา อยู่ตำแหน่งใกล้ตา อัตราขยายของกล้องชนิดนี้สามารถหาได้จาก

กำลังขยาย = ความยาวโฟกัสของเสนส์วัตถุ / ความยาวโฟกัสของเลนส์ตา



หอสังเกตการณ์เยอร์คิส์ (Yerkes Observatory) ที่ตั้งของกล้องโทรทรรศน์หักเหแสงที่ใหญ่ที่สุดในโลก

กล้องแบบสะท้อนแสง

กล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสงประกอบด้วยกระจกเว้าโค้งแบบพาราโบลาเรียกว่า กระจกหลัก (primary mirror) กับเลนส์ตาอีกอันหนึ่ง กำลังขยายของกล้องแบบสะท้อนแสงหาได้จาก

กำลังขยาย = ความยาวโฟกัสของกระจกหลัก / ความยาวโฟกัสของเลนส์ตา

เมื่อเปรียบเทียบกล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสงกับกล้องโทรทรรศน์หักเหแสงแล้ว กล้องแบบสะท้อนแสงเหมาะกับกล้องขนาดใหญ่มากกว่ากล้องแบบหักเหแสง เนื่องจากกระจกสะท้อนแสงสามารถสร้างให้มีขนาดใหญ่ และมีโครงสร้างเสริมหนุนอยู่ด้านหลังกระจกเพื่อรักษาความโค้งเอาไว้ได้ ในขณะที่กล้องหักเหแสงสามารถยึดติดกับสิ่งอื่นได้เฉพาะที่ขอบเลนส์เท่านั้น จึงมีขีดจำกัดอยู่ที่เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1 เมตรเท่านั้น หากสร้างกระจกใหญ่กว่านี้ น้ำหนักของเลนส์จะถ่วงให้กระจกมีรูปร่างบิดเบี้ยวจนภาพที่ได้มีความเพี้ยนมากเกินไป ปัจจุบันกล้องโทรทรรศน์หักเหแสงที่ใหญ่ที่สุดตั้งอยู่ที่หอสังเกตการณ์เยอร์คิส์ มีเส้นผ่านศูนย์กลางของเลนส์ 1 เมตร กล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสงยังมีชนิดย่อย ๆ อีกหลายชนิด เช่น

กล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสงแบบนิวตัน (Newtonian Reflecter)

มีกระจกเว้าอยู่ท้ายกระบอก ที่ด้านหน้าใกล้กับปากกระบอกกล้องมีกระจกเฉียง 45 องศาเพื่อสะท้อนแสงออกไปทางด้านข้างลำตัวกล้องซึ่งมีเลนส์ตาติดอยู่ เวลาส่องดูจึงต้องส่องดูข้าง ๆ ลำตัวกล้อง ชื่อของกล้องชนิดนี้ตั้งขึ้นเพื่อเป็นเกียรติแก่นิวตัน ผู้ออกแบบกล้องชนิดนี้

กล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสงแบบแคสสิเกรน (Cassigrain Reflecter)

มีกระจกนูนชิ้นเล็ก ๆ เรียกว่ากระจกรอง (secondary mirror) อยู่ที่ด้านหน้าของตัวกล้อง กระจกชิ้นนี้สะท้อนแสงจากกระจกหลักผ่านรูที่อยู่ตรงกลางของกระจกหลัก ซึ่งเลนส์ตาจะติดอยู่ที่ด้านหลังของกระจกหลัก เนื่องจากกระจกรองช่วยย่นความยาวของกระบอกกล้อง กล้องชนิดนี้จึงมักมีรูปร่างสั้นป้อม



กล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสงแบบชมิดท์แคสสิเกรน

กล้องโทรทรรศน์แบบชมิดท์ แคสสิเกรน คล้ายกับกล้องแบบแคสสิเกรน แต่มีกระจกปรับความโค้ง (correcter plate) ปิดอยู่ด้านหน้าของตัวกล้อง ส่วนกระจกหลักโค้งแบบทรงกลม กล้องชนิดนี้มักจะสั้นป้อมกว่าแบบแคสสิเกรนเล็กน้อย เป็นชนิดที่นักดูดาวใช้กันมาก

กล้องโทรทรรศน์แบบมักซูตอฟนี้ คล้ายกับแบบชมิดท์แคสสิเกรน แต่ความโค้งกระจกด้านหน้าต่างกัน กระจกปรับความโค้งของกล้องชนิดนี้ดูคล้ายกับเป็นเลนส์เว้า เลนส์ซูเปอร์เทโลโฟโต้ชนิดรีเฟล็กซ์สำหรับถ่ายภาพทั่วไปมักใช้โครงสร้างของเลนส์เป็นแบบมักซูตอฟนี้



กล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสงแบบมักซูตอฟ

เอฟเรโช (f ratio)

ดังได้กล่าวมาแล้วว่า กล้องโทรทรรศน์นอกจากมีหน้าที่ขยายภาพให้ใหญ่ขึ้นหรือให้เหมือนกับวัตถุอยู่ใกล้เข้ามา นอกจากนี้ยังมีอีกหน้าที่หนึ่งก็คือ ขยายแสงหรือการรวมแสงให้สว่างมากขึ้นนั่นเอง บางครั้งวัตถุท้องฟ้าที่เราต้องการส่องนั้นมีขนาดไม่เล็กเลย แต่ว่าจางมากจนมองไม่เห็น ดังนั้นการขยายทางแสงจึงเป็นปัจจัยที่สำคัญไม่น้อยไปกว่าการขยายขนาดภาพเลย ในขณะที่กำลังขยายภาพของกล้องโทรทรรศน์ถูกกำหนดด้วยความยาวโฟกัสของเลนส์หรือกระจก กำลังขยายทางแสงจะขึ้นกับขนาดความกว้างของกระจกและเลนส์เป็นสำคัญ ซึ่งบอกด้วยตัวเลขที่เรียกว่า เอฟเรโช

เอฟเรโช เป็นค่าที่บอกความสามารถในการรวมแสงของเลนส์วัตถุ มีความหมายเดียวกันกับเอฟเรโชของเลนส์กล้องถ่ายรูป (หรือกระจก ในกรณีของกล้องสะท้อนแสง) ค่าเอฟเรโชหาได้จาก ความยาวโฟกัสของเลนส์หารด้วยเส้นผ่านศูนย์กลางของเลนส์ เช่นกล้องโทรทรรศน์หักเหแสงเส้นผ่านศูนย์กลางเลนส์วัตถุ 110 มม. ความยาวโฟกัส 1100 มม. ก็จะมีค่าเอฟเรโชเป็น 1100/110 = 10 หรือเขียนว่า f/10 ค่าเอฟเรโชยิ่งต่ำจะยิ่งมีกำลังรวมแสงมาก

ฐานตั้งกล้อง

ฐานตั้งกล้องมีหน้าที่ยึดจับและรับน้ำหนักของกล้องโทรทรรศน์ ฐานตั้งกล้องสำหรับกล้องโทรทรรศน์มีความจำเป็นมาก เนื่องจากกล้องโทรทรรศน์นั้นมักมีกำลังขยายสูงและมีขนาดใหญ่ และหนัก ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะใช้กล้องโทรทรรศน์โดยปราศจากฐานตั้งกล้อง นอกจากนี้ในฐานตั้งกล้องบางระบบยังมีหน้าที่หันทิศทางกล้องเพื่อติดตามจับภาพดวงดาวให้คงที่อีกด้วย เนื่องจากดวงดาวนั้นมีการเคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลาอันเกิดจากการหมุนรอบตัวเองของโลก หากเราซื้อกล้องโทรทรรศน์มาชุดหนึ่ง มักพบว่าราคาในส่วนของฐานตั้งกล้องนั้นจะสูงกว่าส่วนตัวกล้องเสียอีก มีนักดูดาวบางคนถึงกับกล่าวว่า "ใช้กล้องคุณภาพธรรมดากับฐานตั้งกล้องดี ๆ ยังดีกว่าใช้กล้องคุณภาพดีแต่ฐานตั้งกล้องไม่มีคุณภาพ"

ฐานตั้งกล้องพอจะแบ่งได้เป็น 2 ชนิดใหญ่ ๆ ตามลักษณะของแกนหมุนคือ

แบบอัลตาซิมุท (Altazimuth)

ฐานตั้งกล้องระบบนี้เป็นระบบที่เรียบง่ายที่สุด มีแกนหมุนสองแนวคือแนวราบ (azimuth) และแนวตั้ง (altitude) ฐานตั้งกล้องถ่ายรูปทั่ว ๆ ไปก็เป็นฐานตั้งกล้องแบบอัลตาซิมุทนี้นั่นเอง ฐานตั้งกล้องแบบนี้มีราคาถูก สร้างง่าย แต่ไม่เหมาะกับงานทางดาราศาสตร์นัก เนื่องจากทิศทางการหมุนของแกนนั้นไม่สอดคล้องกับทิศทางการเคลื่อนที่ของดวงดาว แต่จะเหมาะการถ่ายภาพดาราศาสตร์บางอย่าง โดยเฉพาะภาพที่อิงขอบฟ้าโลก เช่นภาพปรากฏการณ์คอนจังก์ชันที่ขอบฟ้า ภาพดาวเคลื่อนที่เป็นเส้นยาว หรือภาพซึ่งใช้เวลาการเปิดหน้ากล้องค่อนข้างสั้น เช่น ภาพดวงอาทิตย์ ภาพดวงจันทร์ ภาพสุริยุปราคา หรือภาพจันทรุปราคา เป็นต้น

แบบอิเควตอเรียล

ฐานตั้งกล้องแบบอิเควตอเรียลจะมีแกนหมุนสองแกน แกนหนึ่งชี้ไปที่ขั้วท้องฟ้า (บริเวณใกล้ดาวเหนือ) เรียกว่าแกนขั้วฟ้า (Polar axis) แกนนี้จึงหมุนตามการเคลื่อนที่ของดวงดาว อีกแกนหนึ่งซึ่งตั้งฉากกับแกนขั้วฟ้า คือ แกนเดคลิเนชัน (Declination axis) แกนนี้จะหันกล้องไปในทางเดคลิเนชันหรือตามแนวขั้วฟ้าเหนือ-ใต้นั่นเอง ในขณะที่ตั้งกล้องสังเกตวัตถุท้องฟ้านั้น วัตถุจะเคลื่อนที่ตามแนวเดคลิเนชันไปทางตะวันตกช้า ๆ ผู้สังเกตการณ์จึงต้องปรับที่แกนเดคลิเนชันตามตลอดเวลาเพื่อไม่ให้วัตถุตกขอบจอภาพไป ถ้าเป็นฐานตั้งกล้องที่มีราคาจะมีมอเตอร์ไฟฟ้าหมุนแกนเดคลิเนชันด้วยความเร็ว 1 รอบต่อ 1 วันตามความเร็วในการหมุนรอบตัวเองของโลก ทำให้ผู้สังเกตการณ์สามารถสังเกตการณ์ได้นานต่อเนื่องกันโดยไม่ต้องคอยปรับตำแหน่งกล้องเรื่อย ๆ ฐานตั้งกล้องคุณภาพสูงมักเป็นแบบอีเควตอเรียลทั้งสิ้น

ฐานตั้งกล้องแบบอิเควทอเรียลยังแบ่งย่อยไปได้อีกหลายชนิดตามโครงสร้างของกลไก ดังรูปทางด้านล่าง ซึ่งแสดงฐานตั้งกล้องอิเควตอเรียลแบบต่าง ๆ กล้องโทรทรรศน์ขนาดเล็กที่สามารถขนย้ายได้มักจะใช้ฐานตั้งกล้องแบบเยอรมันหรือแบบง่าม แบบเยอรมันจะเหมาะกับการสังเกตการณ์ในประเทศใกล้ศูนย์สูตรเช่นประเทศไทย ฐานตั้งกล้องแบบง่ามจะเหมาะกับประเทศในแถบละติจูดสูง ๆ นักดูดาวในประเทศสหรัฐอเมริกานิยมใช้ฐานตั้งกล้องแบบนี้มาก แต่สำหรับประเทศไทยไม่เหมาะกับฐานตั้งกล้องแบบนี้

ฐานตั้งกล้องแบบอังกฤษ แบบโย้ก และแบบเกือกม้านั้นเหมาะกับกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ตามหอดูดาวต่าง ๆ มากกว่ากล้องขนาดเล็ก มีจุดยืดบนพื้นสองจุดจึงมีความมั่นคงมาก ฐานตั้งกล้องแบบอังกฤษและแบบโย้กหาดูได้ยากและไม่เป็นที่นิยมแล้ว หอดูดาวสมัยใหม่นิยมใช้ฐานตั้งกล้องแบบเกือกม้า ซึ่งเป็นแบบที่พัฒนามาจากแบบโย้ก สามารถรับน้ำหนักกล้องได้มาก และสามารถหันกล้องส่องที่ขั้วเหนือได้ด้วย

* ดัดแปลงจากบทความ "กล้องโทรทรรศน์" ในเอกสารประกอบการจัดค่ายนักดาราศาสตร์ในอนาคต (รุ่นสารสนเทศดาราศาสตร์ไทย) ปี 2540 โดยสมาคมดาราศาสตร์ไทย