เมื่อจักรวาลกว้างใหญ่กว่าที่เราคิด และการสำรวจอวกาศจากพื้นโลกด้วยกล้องโทรทรรศน์สามารถเก็บข้อมูลได้เฉพาะช่วงคลื่นที่ตามองเห็นได้เท่านั้น เราจึงต้องมีกล้องโทรทรรศน์วิทยุ เพื่อรับสัญญาณในช่วงคลื่นวิทยุ ที่มีความถี่ต่ำ ช่วยขยายขอบเขตการศึกษาเปิดประตูสู่จักรวาลในระดับที่ละเอียดกว่าเดิม

กล้องโทรทรรศน์วิทยุสามารถรับสัญญาณได้หลายคลื่นความถี่ ขึ้นอยู่กับอุปกรณ์รับสัญญาณ (Receiver) ที่ติดตั้งอยู่ภายใน เช่น

- อุปกรณ์รับสัญญาณย่านแอล (L-Band Receiver) (1-1.8 GHz)
- อุปกรณ์รับสัญญาณย่านซีเอ็กซ์เคยู (CXKu-band receiver) (4.55-13.65 GHz)
- อุปกรณ์รับสัญญาณย่านเอ็กซ์ (X-Band Receiver) (8-12 GHz)
- อุปกรณ์รับสัญญาณย่านเคยู (Ku-Band Receiver) (12-18 GHz)
- อุปกรณ์รับสัญญาณย่านเค (K-Band Receiver) (18-26.5 GHz)
- อุปกรณ์รับสัญญาณย่านคิว (Q-Band Receiver) (35-50 GHz)
- อุปกรณ์รับสัญญาณย่านดับบลิว (W-Band Receiver) (85-115 GHz) เป็นต้น ซึ่งอุปกรณ์รับสัญญาณแต่ละตัวจะสามารถรับสัญญาณในช่วงความถี่ที่ต่างกัน

อุปกรณ์รับสัญญาณย่านเค (K-Band Receiver) คือเครื่องมือที่ใช้ในการตรวจจับและแปลงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความถี่ไมโครเวฟสูง ระหว่าง 18–26.5 กิกะเฮิรตซ์ ให้อยู่ในรูปแบบที่สามารถนำไปใช้งานต่อได้ เช่น งานวิจัยทางดาราศาสตร์ การสื่อสารโทรคมนาคม และการสื่อสารผ่านดาวเทียม

หลักการทำงานใช้เสาอากาศหรือจานรับสัญญาณที่ออกแบบมาเฉพาะสำหรับย่านความถี่นี้ รับคลื่นจากแหล่งกำเนิดต้นทาง เช่น วัตถุท้องฟ้า กาแล็กซี หรือกลุ่มก๊าซในอวกาศ ที่มีระยะห่างออกไปหลายพันล้านปีแสง ทำให้สัญญาณที่มาถึงโลกมักมีความเข้มสัญญาณที่ต่ำมาก (ระดับ 10⁻²⁶ วัตต์)

เมื่อรับสัญญาณได้แล้ว สัญญาณจะถูกส่งผ่านไปยังวงจรขยายที่มีสัญญาณรบกวนต่ำ (LNA: Low-Noise Amplifier) ก่อนจะถูกแปลงจากความถี่สูงลงมาเป็นความถี่กลาง (Intermediate Frequency: IF) ผ่านกระบวนการแปลงความถี่ (Downconversion) ด้วยวงจรผสมสัญญาณ (Mixer) จากนั้น สัญญาณจะถูกแปลงจากแบบแอนะล็อกเป็นดิจิทัล เพื่อส่งต่อเข้าสู่ระบบประมวลผลหรือวิเคราะห์ต่อไป

ดาราศาสตร์ นำ K-Band มาใช้ศึกษาอะไร

หนึ่งในบทบาทสำคัญของอุปกรณ์รับสัญญาณย่านเค คือการนำไปติดตั้งกับกล้องโทรทรรศน์วิทยุ เพื่อศึกษาวัตถุท้องฟ้าที่ปล่อยพลังงานในช่วงไมโครเวฟ เช่น การแผ่คลื่นจากโมเลกุลน้ำ (H₂O ที่ 22.235 GHz) และแอมโมเนีย (NH₃ ที่ 23.694 GHz) ซึ่งมักพบในบริเวณที่เกิดการก่อตัวของดาวฤกษ์ใหม่ และใช้ศึกษาคุณสมบัติของแก๊สร้อนใจกลางกาแล็กซี

อุปกรณ์นี้ยังถูกนำไปใช้กับเทคนิค Interferometry อย่าง VLBI (Very Long Baseline Interferometry) ซึ่งรวมสัญญาณจากกล้องโทรทรรศน์ทั่วโลกเข้าด้วยกัน เพื่อสร้างภาพที่มีความคมชัดสูงจนสามารถมองเห็นรายละเอียดบริเวณใกล้ขอบของหลุมดำหรือใจกลางกาแล็กซีได้ เช่น กล้องโทรทรรศน์ในโครงการ Event Horizon Telescope หรือ EHT ที่เคยถ่ายภาพหลุมดำมวลยิ่งยวด Messier 87 รูปแรกในประวัติศาสตร์เมื่อปี 2019

NARIT x MPlfR เยอรมนี

ความร่วมมือกับหน่วยงานดาราศาสตร์วิทยุชั้นนำ จนทำให้อุปกรณ์นี้มีประสิทธิภาพระดับแนวหน้าของโลก

อุปกรณ์นี้เป็นผลจากความร่วมมือระหว่าง NARIT และ สถาบันดาราศาสตร์วิทยุมักซ์พลังค์ (Max Planck Institute for Radio Astronomy : MPIfR) ประเทศเยอรมนี ออกแบบพัฒนาอุปกรณ์ และระบบรับสัญญาณคลื่นวิทยุย่านเค โดยประกอบด้วย 3 ส่วนหลัก:

1. ส่วนรับสัญญาณ (Frontend) – รับและแปลงสัญญาณจากแอนะล็อกเป็นดิจิทัล
2. วงจรแปลงความถี่ (Down-converter) – แปลงสัญญาณจากย่าน K-band ลงสู่ความถี่กลางต่ำกว่า 2 GHz
3. ระบบขยายและควบคุมสัญญาณ (IF Gain and Attenuator Control)

จุดเด่นของอุปกรณ์นี้คือสามารถแปลงสัญญาณแอนะล็อกเป็นดิจิทัลได้ตั้งแต่ส่วนรับสัญญาณ ช่วยลดการสูญเสียในสายโคแอกเชียล และมีประสิทธิภาพสูงด้วยค่า Rx noise temperature ต่ำกว่า 15 เคลวิน ซึ่งถือว่าอยู่ในระดับแนวหน้าของโลก

ความท้าทายด้านการผลิต และการนำองค์มารู้มาใช้

การพัฒนา K-Band Receiver ต้องอาศัยองค์ความรู้จากหลากหลายสาขาทั้ง ฟิสิกส์ วิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ แมคคาทรอนิกส์ วัสดุศาสตร์ และคอมพิวเตอร์ ตัวรับสัญญาณต้องทำงานในสุญญากาศและอุณหภูมิที่ต่ำกว่า 20 เคลวิน หรือระบบความเย็นยิ่งยวด (Cryogenic System) การออกแบบเชิงกลต้องมีความละเอียดสูง การเลือกวัสดุในการผลิตต้องเหมาะสมและทนต่อทุกสภาวะ โดยใช้การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์เพื่อทดสอบความทนทานของวัสดุในสภาวะ

แล้วเสร็จพร้อมใช้งานกับกล้องโทรทรรศน์วิทยุแห่งชาติ

อุปกรณ์ K-Band Receiver ได้พัฒนาและติดตั้งเสร็จสมบูรณ์แล้ว โดยใช้งานจริงกับกล้องโทรทรรศน์วิทยุแห่งชาติ ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 40 เมตร ณ หอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์วิทยุแห่งชาติ ตั้งอยู่ที่ ศูนย์ศึกษาการพัฒนาห้วยฮ่องไคร้อันเนื่องมาจากพระราชดำริ อำเภอดอยสะเก็ด จังหวัดเชียงใหม่

ติดตั้งที่จุดโฟกัสที่สองของจานรับสัญญาณรูปพาราโบล รับคลื่นความถี่ 18.0–26.5 GHz ด้วยระบบโพลาไรเซชันแบบวงกลม (Circular Polarization) และแปลงสัญญาณเป็นดิจิทัลด้วยแบนด์วิดธ์ 2 GHz ความละเอียด 12 บิต มีมุมมองสังเกตการณ์ประมาณ 1.4 ลิปดา

อุปกรณ์รับสัญญาณย่านเค (K-Band Receiver) นอกจากจะเป็นเทคโนโลยีสำคัญที่ช่วยเปิดประตูสู่การศึกษาจักรวาลในระดับที่ละเอียดกว่าเดิม โดยเฉพาะด้านดาราศาสตร์วิทยุ การศึกษาการเกิดดาวฤกษ์ใหม่ และโครงสร้างเชิงลึกของกาแล็กซีแล้ว อุปกรณ์นี้ยังสะท้อนถึงความสามารถของวิศวกร และนักวิจัยไทย สร้างความร่วมมือระดับนานาชาติที่ช่วยยกระดับขีดความสามารถของประเทศในเวทีดาราศาสตร์โลกอย่างแท้จริง

อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS

แหล่งข้อมูลอ้างอิง : NARIT สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (สดร.)

“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech

สรุปประเด็นให้โดย Generative AI

K-Band Receiver อุปกรณ์รับสัญญาณคลื่นไมโครเวฟ ศึกษาดาวฤกษ์เกิดใหม่