เทคโนโลยีอะไรที่อยู่ภายในกล้องโทรทรรศน์แนนซี เกรซ โรมัน

กล้องโทรทรรศน์แนนซี เกรซ โรมัน (Nancy Grace Roman Space Telescope) กำลังจะกลายเป็นดวงตาดวงใหม่ในการสำรวจเอกภพ ซึ่งนอกเหนือจากคำอธิบายของการส่องดวงดาว ทำแผนที่ดวงดาวในทางช้างเผือก ตามหาดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ และศึกษาสสารมืดควบคู่กับกล้องโทรทรรศน์อวกาศตัวอื่น ๆ ด้วย ซึ่งกล้องโทรทรรศน์อวกาศที่ขึ้นชื่อว่ามีกระจกปฐมภูมิขนาดเทียบเท่ากับกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลนี้มีเทคโนโลยีอะไรที่ซุกซ่อนอยู่ภายในนี้กันบ้าง

กล้องโทรทรรศน์จากดาวเทียมสอดแนมที่มีขนาดเท่ากล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล

ในช่วงปี 2011 สำนักงานลาดตระเวนแห่งชาติและหน่วยงานข่าวกรองของสหรัฐฯ (National Reconnaissance Office - NRO) ที่ทำหน้าที่สร้างและควบคุมดาวเทียมจารกรรมโดยเฉพาะ ได้รายงานว่าทำการบริจาคโครงสร้างกล้องโทรทรรศน์อวกาศที่ไม่ได้ใช้งานแล้วจำนวน 2 ตัวให้กับทาง NASA โดยกล้องเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นตั้งแต่ช่วงปลายยุค 90s ถึงต้นยุค 2000s สำหรับโครงการดาวเทียมสอดแนมที่ชื่อว่า Future Imagery Architecture ซึ่งสุดท้ายถูกยกเลิกโครงการไป

กระจกปฐมภูมิที่ได้มานี้มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 2.4 เมตร ซึ่งใหญ่เท่ากับกระจกของกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล (Hubble) พอดีเป๊ะ แต่สิ่งที่เหนือกว่าคือระบบเลนส์ถูกออกแบบมาให้มีความยาวโฟกัสสั้นกว่า เมื่อ NASA นำมาปรับปรุงและติดตั้งเซนเซอร์รับภาพแบบใหม่ จึงทำให้กล้องโทรทรรศน์ตัวใหม่ที่พวกเขาว่าแผนนี้มีขอบเขตการมองเห็น (field of view) กว้างกว่ากล้องฮับเบิลถึง 100 เท่า และต่อมากล้องโทรทรรศน์อวกาศตัวนี้ก็ได้ชื่อว่า กล้องโทรทรรศน์แนนซี เกรซ โรมัน ที่มีต้นกำเนิดจากดาวเทียมสอดแนมของ NRO

เซนเซอร์ถ่ายภาพขนาด 300 ล้านพิกเซล

เซนเซอร์หลักของกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Nancy Grace Roman ที่เรียกว่า Wide Field Instrument (WFI) มีความละเอียดที่ 300.8 ล้านพิกเซล ถือว่าเป็นเซนเซอร์ที่มีความละเอียดมากที่สุดเท่าที่เคยสร้างมาสำหรับภารกิจอวกาศในช่วงคลื่นอินฟราเรด ซึ่งมากกว่าเซนเซอร์ WFC3 ภายในกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลหลายสิบเท่าที่มีความละเอียดเพียงแค่ 16 ล้านพิกเซลเท่านั้น ด้วยมุมมองที่กว้างกว่าของกระจกปฐมภูมิและเซนเซอร์ที่มีทั้งขนาดและความละเอียดที่มากกว่าฮับเบิล ภาพที่ได้จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศแนนซี เกรซ โรมันจึงครอบคลุมพื้นที่มากกว่ากล้องฮับเบิล 100 เท่า

เซนเซอร์ในย่านอินฟราเรดที่มีความละเอียดมากถึง 300 ล้านพิกเซลนับว่าคือหนึ่งในนวัตกรรมของกล้องโทรทรรศน์อวกาศ เนื่องจากเซนเซอร์ในย่านอินฟราเรดนั้นมีกระบวนการผลิตที่ยุ่งยากและซับซ้อนมากกว่าเซนเซอร์ที่รับในย่านแสงที่ตามองเห็นเพียงอย่างเดียว เนื่องจากต้องใช้วัสดุพิเศษเป็นตัวตั้งต้น อย่าง HgCdTe (Mercury Cadmium Telluride) ไม่เหมือนกับเซนเซอร์ในย่านแสงที่ตามองเห็นปกติที่ใช้ซิลิกอนในการเป็นวัสดุตั้งต้น

และอีกทั้งคลื่นอินฟราเรดคือ คลื่นความร้อน หากตัวกล้องหรือแผงวงจรมีอุณหภูมิห้อง เซนเซอร์อินฟราเรดจะมองเห็นความร้อนของตัวเซนเซอร์เอง สว่างจ้าจนบดบังแสงจากอวกาศไปหมด การออกแบบเซนเซอร์อินฟราเรดขนาดใหญ่จึงต้องมาพร้อมระบบหล่อเย็นที่ซับซ้อนมาก เพื่อเลี้ยงให้เซนเซอร์มีอุณหภูมิติดลบอยู่ตลอดเวลา

ครั้งแรกที่เราจะสามารถบดบังแสงจากดาวฤกษ์ที่ห่างไกลเพื่อจับภาพดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ

นอกเหนือจากอุปกรณ์ถ่ายภาพ WFI ภายในกล้องโทรทรรศน์อวกาศแนนซี เกรซ โรมันยังมีอีกอุปกรณ์หนึ่งคือ Coronagraph Instrument (CGI) ซึ่งเป็นอุปกรณ์บังแสงของพื้นผิวดาวฤกษ์

โคโรนากราฟเป็นอุปกรณ์สำหรับการบังแสงของดวงอาทิตย์เพื่อใช้ในการศึกษาชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ เพราะแสงจากพื้นผิวของดวงอาทิตย์นั้นสว่างจนบดบังชั้นบรรยากาศรอบนอกของดวงอาทิตย์ไปเสียหมด และการจะรอให้วัตถุขนาดใหญ่มาบังแสงอย่างสุริยุปราคาก็เป็นกระบวนการที่ใช้เวลานานดังนั้นนักดาราศาสตร์จึงออกแบบเครื่องมือโคโรนากราฟเพื่อบัดบงแสงจากพื้นผิวของดวงอาทิตย์และมองเห็นชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ได้ง่ายมากขึ้น

สำหรับ CGI ภายในกล้องโทรทรรศน์อวกาศแนนซี เกรซ โรมัน ไม่ได้ออกแบบมาเพื่อการศึกษาชั้นบรรยากาศของดาวฤกษ์ที่อยู่ห่างไกลออกไป แต่ใช้งานเพื่อบังแสงของดาวฤกษ์เพื่อให้สามารถมองเห็นดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะที่มีความสว่างน้อยกว่าดาวฤกษ์ถึง 10,000 เท่า

ซึ่ง CGI ไม่ใช่การเอาจุดมาบังแสงของดาวฤกษ์แบบที่เราทำกับดวงอาทิตย์ แต่คือการใช้หลักการเลี้ยวเบนของแสง โดยให้แสงลอดผ่านช่องว่างแคบ ๆ ของอุปกรณ์ ก่อนที่อุปกรณ์ Deformable Mirror หรือกระจกที่สามารถเปลี่ยนแปลงรูปร่างการสะท้อนแสงในหลักนาโนเมตรจะทำหน้าที่ปรับหน้าคลื่นการสะท้อนของแสง ทำให้แสงเกิดการหักล้างกันหมดเกิดพื้นที่ที่มืดสนิทบริเวณรอบ ๆ ดาวฤกษ์ ซึ่งในพื้นที่มืดนี้เอง ที่แสงสะท้อนจาง ๆ จากดาวเคราะห์ดวงจิ๋วจะปรากฏตัวขึ้นมาให้กล้องถ่ายภาพได้

CGI สำคัญมากต่ออนาคตของการศึกษาดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะเนื่องจากปัจจุบันเรามักค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบด้วยวิธีทางอ้อม เช่น ดูแสงดาวฤกษ์ที่หรี่ลงตอนดาวเคราะห์โคจรตัดหน้า (Transit) แต่ CGI ของกล้อง Roman จะทำให้เราสามารถ ถ่ายภาพดาวเคราะห์ได้โดยตรง โดยมีประสิทธิภาพในการตัดแสงรบกวนที่ดีกว่าเทคโนโลยีเดิมบนอวกาศถึง 1,000 เท่า

วิทยาศาสตร์ที่เราจะได้จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศแนนซี เกรซ โรมัน

การทำแผนที่เอกภพคือหนึ่งในเป้าหมายหลักของกล้องโทรทรรศน์อวกาศแนนซี เกรซ โรมัน แต่นอกเหนือจากการทำแผนที่แล้ว กล้องโทรทรรศน์อวกาศแนนซี เกรซ โรมัน ยังมีเป้าหมายและสามารถสร้างการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ต่าง ๆ ได้อีกมากมาย หนึ่งในนั้นคือการไขปริศนาของสสารมืด

กล้องโทรทรรศน์อวกาศแนนซี เกรซ โรมันมีเป้าหมายเพื่อทำแผนที่สสารมืดด้วยอาศัยเลนส์ความโน้มถ่วง เมื่อแสงจากกาแล็กซีไกลโพ้นเดินทางผ่านกลุ่มก้อนสสารมืด ความโน้มถ่วงจะทำให้ภาพกาแล็กซีบิดเบี้ยวไปเล็กน้อย (Weak Gravitational Lensing) โรมันจะใช้วัดความบิดเบี้ยวนี้ในสเกลระดับจักรวาล เพื่อวาดแผนที่โครงสร้าง 3 มิติของสสารมืด อีกทั้งยังทำการศึกษาสสารมืดผ่าน Baryon Acoustic Oscillations ร่องรอยที่อยู่ในพลาสมาความหนาแน่นสูงยุคก่อนที่เอกภพจะเย็นตัวลง (Recombination)

และด้วยประสิทธิภาพของกล้องโทรทรรศน์อวกาศแนนซี เกรซ โรมันนั้นสูงมากทำให้สามารถสังเกตจับความเปลี่ยนแปลงของแสงดาวฤกษ์เพียงเล็กน้อยได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งนักดาราศาสตร์จะนำศักยภาพนี้มาใช้ในการสำรวจสำมะโนประชากรของดาวฤกษ์ทั่วทั้งทางช้างเผือกผ่านการสังเกตจุดดำบนพื้นผิวของดาวฤกษ์เหล่านั้น เพื่อคำนวณหาอายุและความเร็วในการหมุนรอบตัวเองของดาวฤกษ์ และด้วยประสิทธิภาพนี้ยังทำให้สามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของแสงจากอวกาศพื้นหลังได้ดีมากขึ้นด้วย ทำให้สามารถตรวจจับหลุมดำที่อยู่อย่างเอกเทศ (Isolated Black Holes) ได้ เป็นการสำรวจสถิติใหม่ของประชากรหลุมดำในทางช้างเผือกโดยไม่ต้องพึ่งพาการแผ่รังสี

ซึ่งที่กล่าวมาทั้งหมดเป็นเพียงส่วนเล็กน้อยเท่านั้นของกล้องโทรทรรศน์อวกาศแนนซี เกรซ โรมันจะสามารถทำได้ โดยนักดาราศาสตร์เชื่อว่าตลอดการทำงานในภารกิจหลักของกล้องโทรทรรศน์อวกาศแนนซี เกรซ โรมัน ตัวกล้องจะสามารถให้การค้นพบทางดาราศาสตร์และศักยภาพในการทำแผนที่ได้เหนือกว่ายุคสมัยของกล้องโทรทรรศน์อวกาศที่ผ่านมา เปิดประตูสู่การค้นพบทางดาราศาสตร์และเอกภพวิทยาได้มากกว่าที่เคยอย่างแน่นอน

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

“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech