วิดีโอต้นทางจากช่อง 9arm เล่าพัฒนาการจากกล้อง Hubble มาถึงกล้องอวกาศ James Webb Space Telescope (JWST) โดยเน้นการสังเกตแสงอินฟราเรด กระจกหลักแบบแบ่งชิ้น และแผ่นกันความร้อนที่ต้องกางออกหลังปล่อยขึ้นสู่อวกาศ บทความนี้เรียบเรียงตามหัวข้อเหล่านั้น และตรวจข้อเท็จจริงทางดาราศาสตร์กับเอกสาร NASA ที่อ้างอิงท้ายหน้า
ขอบเขต transcript: ใช้ข้อความที่เก็บไว้ในไฟล์ [18_00-19_00]9arm_.xlsx แผ่น Videos!D36 จำนวน 36,641 ตัวอักษร ข้อความอาจมีความคลาดเคลื่อนจากระบบถอดเสียงและยังไม่ได้ฟังเทียบกับคลิป จึงใช้ระบุหัวข้อที่วิดีโอพูดถึง ไม่ถือเป็นหลักฐานยืนยันคำพูดครบถ้วนหรือข้อเท็จจริงทางวิทยาศาสตร์โดยลำพัง อ่านหรือรับชม วิดีโอต้นฉบับ “กล้องดูดาวที่บ้าที่สุด (JWST)” จากช่อง 9arm ได้ที่นี่
กล้อง JWST คืออะไร และต่างจาก Hubble อย่างไร
James Webb Space Telescope หรือ JWST เป็นหอดูดาวอวกาศที่ออกแบบให้ตรวจจับแสงอินฟราเรดเป็นหลัก ภารกิจของมันต่อยอดและเสริมการค้นพบของ Hubble ซึ่งสังเกตแสงในช่วงความยาวคลื่นที่ต่างกันหลายส่วน จึงควรมองว่า Webb กับ Hubble เป็นกล้องที่ทำงานเสริมกัน มากกว่าจะเป็นกล้องรุ่นใหม่ที่ทำหน้าที่แทนกันทั้งหมด (NASA: Webb Fact Sheet; NASA: Webb FAQs)
เหตุผลหนึ่งที่อินฟราเรดมีประโยชน์ต่อการศึกษาจักรวาลไกลโพ้น คือเมื่อเอกภพขยายตัว ความยาวคลื่นของแสงจากกาแล็กซีไกล ๆ ถูกยืดออก ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า cosmological redshift แสงที่เริ่มต้นในช่วงอัลตราไวโอเลตหรือแสงที่ตามองเห็นจึงอาจมาถึงเราในช่วงอินฟราเรด กล้องที่ไวต่ออินฟราเรดจึงช่วยให้นักดาราศาสตร์ศึกษาวัตถุไกลและยุคแรกของจักรวาลได้ แต่การมองเห็นแสงจากอดีตไม่ได้แปลว่ากาแล็กซีนั้นยังมีสภาพเหมือนเดิมในปัจจุบัน (NASA: Infrared Astronomy)
กระจก 18 ชิ้นช่วยให้ Webb รับแสงได้อย่างไร
กระจกหลักของ Webb มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 6.5 เมตร และประกอบจากชิ้นกระจกหกเหลี่ยม 18 ชิ้นที่เคลือบทอง แต่ละชิ้นปรับตำแหน่งได้เพื่อทำงานร่วมกันเป็นผิวกระจกหลักผืนเดียว แทนการใช้กระจกชิ้นใหญ่ที่พับเก็บเพื่อเดินทางไม่ได้ ขณะปล่อยจรวด ปีกกระจกด้านข้างถูกพับไว้ แล้วจึงกางออกและปรับแนวหลังจากเดินทางสู่อวกาศ (NASA: ข้อมูลกระจกและภารกิจ Webb; NASA: การกางส่วนประกอบของ Webb)
หลักการนี้ทำให้ Webb รวมแสงจากพื้นที่ขนาดใหญ่และส่งต่อไปยังเครื่องมือวิทยาศาสตร์เพื่อถ่ายภาพหรือวิเคราะห์สเปกตรัม ภาพที่ได้จึงไม่ได้เกิดจากการ “ซูม” อย่างเดียว แต่ขึ้นอยู่กับการรวบรวมแสง การควบคุมอุณหภูมิ และการจัดแนวระบบกระจกอย่างแม่นยำด้วย
ทำไมต้องมีแผ่นกันความร้อนห้าชั้น
วัตถุที่มีอุณหภูมิแผ่รังสีอินฟราเรดออกมา รวมถึงตัวกล้องและอุปกรณ์ของมันเอง ความร้อนรบกวนการตรวจจับสัญญาณอินฟราเรดที่จางมากได้ Webb จึงใช้แผ่นกันความร้อนห้าชั้นคั่นระหว่างด้านที่หันหาแหล่งความร้อนกับตัวกล้อง แต่ละชั้นช่วยสะท้อนและระบายความร้อนออก ทำให้อุปกรณ์ฝั่งกล้องอยู่ในสภาพเย็นและเสถียรตามที่การสังเกตต้องการ (NASA: Webb’s Sunshield)
แผ่นขนาดใหญ่เช่นนี้ไม่สามารถอยู่ในรูปพร้อมใช้งานภายในจรวดได้ จึงพับเก็บก่อนปล่อยและกางออกในอวกาศหลังจากนั้น การกางแผ่นกันความร้อนและปีกกระจกเป็นส่วนหนึ่งของลำดับการติดตั้งที่ซับซ้อนของหอดูดาว ไม่ใช่การประกอบกล้องใหม่โดยนักบินอวกาศ (NASA: Webb Deployment)
Webb อยู่ที่ไหน และภาพแรกเผยแพร่เมื่อไร
JWST ปล่อยขึ้นสู่อวกาศเมื่อวันที่ 25 ธันวาคม 2021 และปฏิบัติงานใกล้จุดลากร็องจ์ที่สองของระบบดวงอาทิตย์–โลก หรือ L2 ซึ่งอยู่ห่างจากโลกประมาณ 1.5 ล้านกิโลเมตร ตำแหน่งและการหันตัวของหอดูดาวช่วยให้แผ่นกันความร้อนบังดวงอาทิตย์ โลก และดวงจันทร์จากกล้องได้ (NASA: Webb Fact Sheet)
NASA เผยแพร่ภาพและข้อมูลวิทยาศาสตร์ชุดแรกของ Webb ในเดือนกรกฎาคม 2022 หนึ่งในภาพที่คนรู้จักมากคือบริเวณกระจุกกาแล็กซี SMACS 0723 ซึ่งเผยให้เห็นกาแล็กซีจำนวนมากในภาพอินฟราเรด ภาพเหล่านี้แสดงความสามารถของกล้อง แต่การสรุปอายุ ระยะทาง หรือองค์ประกอบของวัตถุต้องอาศัยการวิเคราะห์ข้อมูลและสเปกตรัม ไม่ควรสรุปจากสีในภาพเพียงอย่างเดียว (NASA: Webb’s First Deep Field; NASA: Webb Mission Timeline)
กล้องอวกาศใช้ศึกษาอะไรได้บ้าง
นอกจากกาแล็กซีไกลโพ้น เครื่องมือของ Webb ยังใช้ศึกษาดาวฤกษ์ที่กำลังก่อตัว วัตถุในระบบสุริยะ และบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบได้ ตัวอย่างเช่น การสังเกต WASP-96 b ใช้วิธีวิเคราะห์สเปกตรัมของแสงดาวที่ผ่านชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ขณะเคลื่อนผ่านหน้าดาวฤกษ์ นักวิจัยพบลายเซ็นของไอน้ำและสัญญาณที่เกี่ยวข้องกับเมฆหรือหมอกในข้อมูล วิธีนี้เป็นการอ่านแสงที่ถูกกรองผ่านบรรยากาศ ไม่ใช่ภาพถ่ายพื้นผิวของดาวเคราะห์โดยตรง (NASA: Webb ตรวจบรรยากาศของ WASP-96 b)
แนวทางเดียวกันช่วยให้เห็นว่าเหตุใดการถ่ายภาพ การวัดสเปกตรัม และการควบคุมอุณหภูมิของเครื่องมือจึงสำคัญพอ ๆ กัน: ภาพบอกตำแหน่งและรูปร่างของแสง ส่วนสเปกตรัมช่วยให้นักดาราศาสตร์ตรวจหาร่องรอยขององค์ประกอบและสภาพแวดล้อมของวัตถุ
สรุป
JWST เป็นหอดูดาวอินฟราเรดที่รวมเทคโนโลยีหลายส่วนเข้าด้วยกัน ได้แก่ กระจกหลัก 18 ชิ้นที่ต้องจัดแนวให้ทำงานร่วมกัน แผ่นกันความร้อนห้าชั้นที่ต้องพับและกางในอวกาศ และเครื่องมือที่อ่านทั้งภาพกับสเปกตรัม ความซับซ้อนเหล่านี้ช่วยให้กล้องศึกษาตั้งแต่กาแล็กซีไกลโพ้นไปจนถึงบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบได้ โดยข้อสรุปทางวิทยาศาสตร์ยังต้องอาศัยการวิเคราะห์ข้อมูลและงานวิจัยของนักดาราศาสตร์