เผยภาพกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เว็บบ์ เคลื่อนผ่านน่านฟ้าประเทศไทย มุ่งสู่อวกาศทำการสังเกตการณ์ในย่านคลื่นอินฟราเรด

วันนี้ (25 ธันวาคม 2564) เวลา 19:20 น. ตามเวลาประเทศไทย จรวด Ariane 5 ได้ทะยานขึ้นจากฐานปล่อยจรวดในเฟรนช์เกียนา ทวีปอเมริกาใต้ และนำกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์ ขึ้นสู่อวกาศ เปิดศักราชใหม่แห่งกล้องโทรทรรศน์อวกาศ เพื่อทำการสังเกตการณ์ในช่วงคลื่นอินฟราเรด

– กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์ คืออะไร?

กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์ หรือ #JWST (James Webb Space Telescope) คือกล้องโทรทรรศน์อวกาศรุ่นใหม่ล่าสุด ที่ถูกส่งขึ้นไปยังอวกาศเพื่อทำการสังเกตการณ์ในย่านคลื่นอินฟราเรด เดิมมีชื่อเรียกว่า Next Generation Space Telescope (NGST) หรือ “กล้องโทรทรรศน์อวกาศ gen ใหม่” ต่อมาเปลี่ยนชื่อเป็น James Webb Space Telescope เพื่อเป็นเกียรติแก่ James E. Webb อดีตผู้บริหารองค์การนาซาผู้มีส่วนเป็นอย่างมากในความสำเร็จของโครงการสำรวจอวกาศ Mercury และ Gemini ไปจนถึงโครงการ Apollo ยุคแรกๆ

แม้ว่าหลายๆ คนอาจจะมองว่า JWST นั้นถูกสร้างขึ้นมาทดแทนกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล (Hubble Space Telescope: HST) แต่กล้อง JWST นั้นแค่มาแทนกล้อง HST ในสถานะ “เรือธง” ของนาซาเพียงเท่านั้น แท้จริงแล้วกล้องทั้งสองนี้แตกต่างกันพอสมควร และอาจจะต้องสังเกตการณ์วัตถุเดียวกันร่วมกันเสียด้วยซ้ำ

HST นั้นสังเกตการณ์ตั้งแต่ช่วงรังสียูวีไปจนถึงอินฟราเรดใกล้ (0.1 – 1.6 ไมครอน) ในขณะที่ JWST นั้นจะทำการสังเกตการณ์ในช่วงแสงที่ตามองเห็นเพียงช่วงแสงสีเหลืองแดง ไปจนถึงอินฟราเรด (0.6-28 ไมครอน) ถึงแม้ว่ากล้องทั้งสองจะมีช่วงที่คาบเกี่ยวกัน แต่กล้อง JWST นั้นมีช่วงความยาวคลื่นที่ทำการสังเกตยาวกว่าเป็นอย่างมาก ซึ่งช่วงความยาวคลื่นในช่วงอินฟราเรดนี้เอง ที่เป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้กล้อง JWST มีต้องการทั้งทางวิศวกรรมและเทคโนโลยีที่ท้าทายกว่ากล้องฮับเบิลเป็นอย่างมาก

– ความท้าทายในการสังเกตการณ์ในช่วงอินฟราเรด

แม้ว่าระบบกระจกและเซ็นเซอร์รับแสงบนกล้อง HST จะสามารถตรวจวัดแสงอินฟราเรดใกล้ได้ แต่เมื่อเราพยายามจะสังเกตการณ์ในช่วงความยาวคลื่นที่ยาวขึ้นไปอีกโดยเฉพาะในช่วงอินฟราเรดย่านกลาง เราจะพบว่ามันมีความท้าทายอีกเป็นอย่างมาก

เราคุ้นเคยกับรังสีอินฟราเรดในรูปของรังสีความร้อน วัตถุทุกอย่างรอบตัวเราล้วนแล้วแต่ปล่อยรังสีอินฟราเรด เราคุ้นเคยกับการทำงานของเครื่องตรวจวัดอินฟราเรดกันเกือบทุกวันในการตรวจวัดอุณหภูมิก่อนเดินเข้าห้างหรืออาคาร แต่นั่นย่อมหมายความว่าหากกล้อง JWST ของเราอยู่ที่อุณหภูมิปรกติ อุปกรณ์ทุกชิ้นก็จะปล่อยรังสีอินฟราเรดออกมาไม่ต่างอะไรกับการเอาหลอดไฟมาประดับภายในกล้องโทรทรรศน์ ซึ่งจะทำให้การสังเกตการณ์วัตถุที่ห่างไกลและปล่อยแสงอันริบหรี่นั้นแทบจะเป็นไปไม่ได้

ด้วยเหตุนี้กล้อง JWST จึงต้องอาศัยวิศวกรรมอวกาศชั้นสูงในการควบคุมอุณหภูมิ ให้คงความเย็นเอาไว้ที่เพียงประมาณ 50 องศาเหนือศูนย์องศาสัมบูรณ์ (50 K หรือ -223°C) และโดยเฉพาะส่วนของเครื่องตรวจวัดอินฟราเรดย่านกลาง (mid-infrared instrument หรือ MIRI) นั้นจะต้องใช้เทคโนโลยีใหม่ของการทำความเย็น ที่จะทำให้อุณหภูมิลดลงไปอีกเหลือเพียงแค่ 7 องศาจากอุณหภูมิที่ต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ในเอกภพ (7 K หรือ -266°C) ด้วยแสงอันริบหรี่ของวัตถุเป้าหมายและความยาวคลื่นที่ยาวกว่ามาก ทำให้ JWST นั้นจำเป็นต้องใช้พื้นที่รับแสงที่มากกว่ากล้องฮับเบิลเป็นอย่างมาก โดยกล้อง JWST นั้นจะใช้กระจกเบอริลเลียมน้ำหนักเบาเคลือบทองคำรูปหกเหลี่ยมจำนวนทั้งสิ้นกว่า 18 บาน รวมเส้นผ่านศูนย์กลางกว่า 6.5 เมตร ซึ่งคิดเป็นพื้นที่รับแสงมากกว่า 6 เท่าเมื่อเทียบกับกล้องฮับเบิล โดยระบบทั้งหมดนี้จะถูกนำไปวางเอาไว้ที่ระยะห่างกว่า 1.5 ล้านกิโลเมตรที่ตำแหน่ง L2 เลยออกไปจากวงโคจรของดวงจันทร์ และถูกปกป้องจากรังสีจากดวงอาทิตย์ด้วยโล่สะท้อนความร้อนขนาดเท่าสนามเทนนิส พร้อมระบบนำทาง เชื้อเพลิง และความสามารถที่จะอยู่โดยลำพังได้โดยไม่สามารถส่งนักบินอวกาศขึ้นไปซ่อมบำรุงได้ โดยทั้งหมดนี้อยู่ภายในน้ำหนักบรรทุกของยานที่คิดเป็นมวลเพียงแค่กว่าครึ่งหนึ่งของกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลเพียงเท่านั้น กล้อง JWST จึงเป็นการรวมที่สุดของที่สุดแห่งเทคโนโลยีอวกาศที่เรามีในปัจจุบัน

– ภารกิจของ JWST ในย่านความถี่อินฟราเรด

วิศวกรรมอวกาศอันซับซ้อนเหล่านี้ มีความจำเป็นอย่างยิ่งเพื่อที่จะบรรลุภารกิจของ JWST เนื่องวัตถุที่ JWST ต้องการศึกษานั้นสามารถสังเกตได้เฉพาะในช่วงคลื่นอินฟราเรด

ภารกิจหนึ่งของ JWST นั้นคือการค้นหากาแล็กซีที่อยู่ห่างออกไป ยิ่งวัตถุอยู่ห่างออกไปจากผู้สังเกตเท่าใด แสงที่ออกมาจากวัตถุนั้นก็ยิ่งจะต้องใช้เวลาเดินทางนานมากขึ้นเท่านั้น การสังเกตกาแล็กซีที่ห่างไกลออกไปจึงเทียบได้กับการย้อนอดีตไปเพื่อหากาแล็กซีแรกๆ ที่ถือกำเนิดขึ้นมาในเอกภพ เพื่อที่จะบอกเราได้ถึงการก่อกำเนิดและวิวัฒนาการของกาแล็กซีในเอกภพของเรา ซึ่งวัตถุที่ห่างไกลไปนั้น มาพร้อมกับแสงอันริบหรี่ที่สังเกตได้ยาก เป็นเหตุว่าเพราะเหตุใดกล้อง JWST จึงต้องมีกระจกขนาดใหญ่ถึง 18 บาน

แต่สิ่งที่ยิ่งทำให้การสังเกตการณ์กาแล็กซีเหล่านี้นั้นท้าทายขึ้นไปอีก นั่นก็คือปรากฏการณ์การเลื่อนทางแดงของแสง (redshift) ขณะที่แสงจากกาแล็กซีเดินทางข้ามอวกาศมาเป็นเวลาหลายพันล้านปี เอกภพได้เกิดการขยายตัวขึ้น และการขยายตัวนี้ก็จะทำให้คลื่นแสงจากกาแล็กซีเกิดการขยายออก ปรากฏเป็นการเลื่อนความถี่ไปในทางแสงสีแดง (เรียกว่า cosmological redshift) นั่นหมายความว่าแสงส่วนมากของกาแล็กซีนั้นจะถูกเลื่อนทางแดงออกจากช่วงแสงที่ตามองเห็นไปหมด การสังเกตการณ์กาแล็กซีที่ไกลออกไปเช่นนี้จึงทำได้ดีที่สุดในช่วงคลื่นอินฟราเรด โดยมีการคาดการณ์กันว่า JWST อาจจะเห็นกาแล็กซีได้ไกลออกไปถึงกว่า 13,600 ล้านปีแสง หรือแสงจากกาแล็กซีที่เพิ่งถือกำเนิดขึ้นขณะที่เอกภพมีอายุเพียง 1% ของอายุปัจจุบัน JWST จะสามารถสังเกตการณ์ทั้งภาพในอดีตอันไกลโพ้นของกาแล็กซีเก่าแก่ที่อยู่ห่างไกลออกไป และกาแล็กซีใกล้เคียงที่อยู่ในยุคปัจจุบัน ซึ่งเป็นกุญแจสำคัญที่จะทำให้เราเข้าใจวิวัฒนาการของกาแล็กซี

นอกจากนี้ ดาวฤกษ์และดาวเคราะห์ในกาแล็กซีนั้นก่อกำเนิดขึ้นท่ามกลางฝุ่นอันหนาทึบของเนบิวลาที่คอยบดบังแสงจากมันเอาไว้ การศึกษาวัตถุเหล่านี้จึงทำได้เพียงในช่วงคลื่นอินฟราเรดที่สามารถทะลุทะลวงกลุ่มฝุ่นอันหนาทึบออกมาได้ JWST จะสามารถส่องทะลุเนบิวลาก่อกำเนิดไปเห็นกระบวนการกำเนิดดาวฤกษ์และดาวเคราะห์ที่เรายังไม่เคยเห็นมาก่อน JWST ยังอาจจะช่วยค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะอีกเป็นจำนวนมาก โดยเฉพาะด้วยอุปกรณ์ coronagraph ที่สามารถบดบังแสงจากดาวฤกษ์เพื่อเปิดเผยให้เห็นดาวเคราะห์อันริบหรี่ที่โคจรอยู่รอบๆ ได้ นอกจากนี้ โมเลกุลที่สำคัญต่อชีวิตหลายโมเลกุล เช่น ออกซิเจน และน้ำ นั้นจะมีแถบการดูดกลืนแสงที่เป็นเอกลักษณ์ในช่วงอินฟราเรด การสังเกตการณ์สเปกตรัมในช่วงคลื่นอินฟราเรดของ JWST จึงทำให้เราสามารถบอกได้ถึงองค์ประกอบของโลกต่างดาว และวันหนึ่งอาจจะนำไปสู่การค้นพบหลักฐานที่สำคัญของสิ่งมีชีวิตที่อยู่นอกโลกก็เป็นได้

– การเดินทางเตรียมพร้อมเพื่อปฏิบัติภารกิจ

หลังจากที่จรวด Ariane 5 ได้นำ JWST ออกจากนอกโลกเป็นที่เรียบร้อยแล้ว แต่อันตรายต่อภารกิจก็ยังไม่ได้หมดไป หลังจากนี้ JWST จะต้องเดินทางไปอีกกว่า 1.5 ล้านกิโลเมตรเพื่อไปยังจุด L2 ที่อยู่เบื้องหลังโลกของเรา และ JWST จะเข้าสู่ post launch deployment stage ที่ซึ่ง sunshield ทั้ง 5 ชั้นที่ถูกพับเอาไว้จะถูกกางออก อุปกรณ์วิทยาศาสตร์ต่างๆ มากมายจะเริ่มถูกทดสอบ ซึ่งในจุดนี้หากเกิดข้อผิดพลาดอะไรขึ้นแม้แต่นิดเดียว จะไม่สามารถมีมนุษย์ หรือหุ่นยนต์ใดบนโลกที่จะสามารถไปช่วยแก้ไขได้ JWST จึงยังต้อรอคอยอีกถึงกว่า 6 เดือนกว่าขั้นตอนการทดสอบทั้งหมดจะสิ้นสุดลง ก่อนที่เราจะหยุดพักหายใจ และชื่นชมกับภาพอันงดงามของเอกภพที่ JWST นำมาให้เราได้

ทั้งหมดนี้ เป็นเพียงเรื่องราวส่วนหนึ่งของ JWST แต่กล้องโทรทรรศน์อวกาศที่ล้ำสมัยที่สุดในปัจจุบันนี้ยังมีรายละเอียดอีกมาก ซึ่งผู้อ่านสามารถติดตามรายละเอียดเกี่ยวกับวงโคจร ความท้าทายทางวิศวกรรม การค้นพบทางวิทยาศาสตร์ใหม่ที่ JWST อาจจะค้นพบ ไปจนถึงบทสัมภาษณ์จากนักดาราศาสตร์ชาวไทยที่เกี่ยวข้องกับการทำงานของ JWST ได้ที่เพจนี้

เรียบเรียง : ดร. มติพล ตั้งมติธรรม – นักวิชาการดาราศาสตร์ สดร.