ดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะคือหนึ่งในสิ่งที่นักดาราศาสตร์ต่างค้นคว้าและออกตามหากัน เพื่อหวังว่าอาจจะมีดาวสักดวงหนึ่งที่สภาพแวดล้อมเอื้อต่อการมีอยู่ของชีวิต แต่การสังเกตลักษณะภายในของดาวเคราะห์นั้นยากยิ่งกว่าการหาดาวเคราะห์เสียอีก เพราะนักวิทยาศาสตร์ต้องนำข้อมูลชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์มาวิเคราะห์ แต่ที่มักจะโดนแสงจากดาวฤกษ์บดบังจนยากต่อการมองเห็น หากนักดาราศาสตร์มีอุปกรณ์บางอย่างมาช่วยบังแสงจากดาวฤกษ์ มันคงจะทำให้การทำงานง่ายขึ้น

ทีมวิจัยของ NASA กำลังพัฒนาแผ่นฟิลเตอร์ที่มีคุณสมบัติบังแสงจากดาวฤกษ์ที่อยู่ห่างไกลเพื่อให้ง่ายต่อการสังเกตดาวเคราะห์ที่โคจรอยู่รอบดาวแม่ของมัน หากติดตั้งฟิลเตอร์ลงไปในกล้องโทรทรรศน์รุ่นใหม่ จะทำให้การตรวจวัดชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะง่ายมากยิ่งขึ้น

ภาพของฟิลเตอร์แบบ Metamaterial ที่ชื่อว่า nanoposts ถูกพัฒนาเพื่อใช้งานในการบังแสงของดาวฤกษ์เพื่อการสังเกตการณ์ดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์ได้อย่างง่ายดายมากขึ้น ภาพจาก NASA

โครงการกล้องโทรทรรศน์อวกาศรุ่นใหม่ของนาซามีชื่อว่า Habitable Worlds Observatory (HWO) จะเป็นกล้องโทรทรรศน์ตัวแรกที่ออกแบบมาเพื่อค้นหาสภาพแวดล้อมที่เอื้อต่อชีวิตบนดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะโดยเฉพาะ แต่ความท้าทายคือแสงที่สะท้อนกลับมาจากชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์เหล่านั้นสว่างน้อยกว่าดาวฤกษ์แม่ถึงหนึ่งหมื่นล้านเท่า เปรียบได้กับการพยายามมองหาหิ่งห้อยที่บินอยู่ข้างหลอดไฟประภาคาร

แม้ว่าตามทฤษฎีแล้วมันยากมากที่จะทำให้แสงของดาวฤกษ์ไม่ผ่านเข้าหน้ากล้องแต่ยอมให้แสงของดาวเคราะห์สามารถผ่านเข้าหน้ากล้องได้ เพื่อให้สามารถทำเช่นนั้นได้นักวิทยาศาสตร์จึงสร้างโคโรนากราฟ (coronagraph) ขึ้นมาเพื่อบังแสงจากดาวฤกษ์ เหมือนกับโคโรนากราฟที่เราใช้งานในกล้องโทรทรรศน์เพื่อบังแสงจากพื้นผิวดวงอาทิตย์เพื่อใช้ในการศึกษาชั้นโคโรนาที่อยู่รอบดวงอาทิตย์แทน

ปกติแล้วโคโรนากราฟจะทำงานได้ดีกับดวงอาทิตย์ของเราเนื่องจากมีขนาดใหญ่ แต่กลับกัน ดาวฤกษ์ที่อยู่ห่างไกลออกไปจะมีขนาดที่ปรากฏต่อหน้ากล้องเล็กมาก โคโรนากราฟจึงมีโอกาสที่จะไปบดบังแสงทั้งหมดของระบบดาวนั้น รวมถึงดาวเคราะห์ด้วย ทีมนักวิทยาศาสตร์จึงจำเป็นต้องสร้างเครื่องมือที่ใช้หลักการทางทัศนูปกรณ์และสมบัติคลื่นของแสงในการสร้างเป็นฟิลเตอร์บดบังแสงของดาวฤกษ์และคงเหลือไว้แค่แสงสะท้อนจากชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ ซึ่งเกิดเป็นฟิลเตอร์กรองแสงของดาวฤกษ์ ให้เหลือไว้แค่แสงจากดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ เรียกว่า แผ่นบังแสงแบบเกลียวเฟส (optical vortex phase mask)

หลักการทำงานของแผ่นบังแสงสุดล้ำนี้ก็คือ ตัวฟิลเตอร์นี้จะหน่วงเฟสของแสงในลักษณะหมุนวน (คล้ายเกลียวของสกรู) แสงจากดาวฤกษ์จึงเกิดการแทรกสอดแบบหักล้าง (destructive interference) จนหายไป และผลักแสงออกจากบริเวณศูนย์กลางของระบบเลนส์รับภาพ นอกจากนี้นักวิทยาศาสตร์ยังสามารถกั้นแสงออกไปได้อย่างหมดจดด้วยแผ่นกั้นแสง (aperture stop) ในขณะเดียวกัน แสงจากดาวเคราะห์ที่เบี่ยงเบนออกจากจุดกึ่งกลางภาพ จะไม่ได้รับผลกระทบจากการหักล้างทางเฟสนี้ และสามารถเดินทางผ่านหน้ากากไปตกกระทบที่เซนเซอร์รับภาพได้สำเร็จ

ภาพวาดของดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะที่โคจรรอบดาวฤกษ์ ภาพจาก NASA

แผ่นบังแสงรุ่นใหม่มีวัสดุตั้งต้นอยู่สองชนิด ได้แก่ พอลิเมอร์ผลึกเหลว (liquid crystal polymer: LCP) (metamaterial) หมายถึงวัสดุที่ไม่พบตามธรรมชาติ ต้องอาศัยการสังเคราะห์โครงสร้างขึ้นมาภายในห้องทดลอง ซึ่งวัสดุนี้จะสามารถสร้างปรากฏการณ์ทางแสงที่วัสดุธรรมชาติไม่สามารถทำได้

ที่ผ่านมา การค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบส่วนใหญ่ใช้วิธีตรวจวัดการผ่านหน้า (transit method) ซึ่งเหมาะกับการค้นหาดาวเคราะห์ก๊าซขนาดใหญ่หรือดาวเคราะห์ที่อยู่ใกล้ดาวฤกษ์มาก ๆ แต่การจะศึกษาชั้นบรรยากาศ ของดาวเคราะห์ขนาดเล็กที่คล้ายโลก เพื่อวิเคราะห์หาสัญญาณทางชีวภาพ (biosignatures) เช่น ออกซิเจนหรือมีเทน จำเป็นต้องอาศัยการถ่ายภาพแสงที่สะท้อนจากชั้นบรรยากาศโดยตรง (direct imaging)

การพัฒนาเทคโนโลยีแผ่นบังแสงแบบเกลียวเฟสจึงไม่ใช่เพียงการเพิ่มเติมระบบทัศนูปกรณ์ธรรมดา ๆ เข้าไปภายในกล้องโทรทรรศน์ แต่ได้กลายเป็นสิ่งที่จะกำหนดความสำเร็จของภารกิจ HWO ปัจจุบันทีมวิจัยสามารถลดทอนแสงดาวจำลองในห้องปฏิบัติการได้ถึงระดับหนึ่งในพันล้านส่วนแล้ว และหากสามารถพัฒนาต่อไปจนถึงระดับหนึ่งในหมื่นล้านส่วนได้สำเร็จ นวัตกรรมนี้จะเปลี่ยนผ่านวงการดาราศาสตร์จากการเป็นเพียงผู้ค้นพบดาวเคราะห์ ไปสู่การเป็นผู้วิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมีของโลกใบใหม่ ซึ่งอาจนำไปสู่การตอบคำถามที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของมนุษยชาติว่า เราอยู่อย่างโดดเดี่ยวในจักรวาลหรือไม่

โครงการกล้องโทรทรรศน์อวกาศ HWO ออกแบบขึ้นมาเพื่อตามหาดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะที่มีสภาพแวดล้อมที่เอื้อต่อการอยู่อาศัยของสิ่งมีชีวิต ขณะนี้กำลังอยู่ในช่วงการศึกษาโครงสร้างทางวิศวกรรมและการออกแบบกล้องโทรทรรศน์เพื่อให้สามารถตอบสนองกับความต้องการทางวิทยาศาสตร์ที่มีเป้าหมายเพื่อการตามหาสัญญาณทางชีวภาพบนชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะที่อยู่ห่างไกลได้ด้วยประสิทธิภาพที่สูงกว่ากล้องโทรทรรศน์รุ่นอื่น ๆ ที่ผ่านมา นาซาวางแผนให้เป็นกล้องเรือธงรุ่นถัดไปภายหลังจากโครงการกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Nancy Grace Roman ขึ้นสู่อวกาศ

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

ที่มาข้อมูล : NASA

“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech

สรุปประเด็นให้โดย Generative AI

NASA หาวิธีบังแสงจากดาวฤกษ์ เพื่อวิเคราะห์ชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะให้ง่ายขึ้น