กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ "ทายาทสายตรง" ของฮับเบิล

ข่าววันนี้ ย้อนหลังไปเมื่อวันที่ 11 พฤษภาคม 2552 กระสวยอวกาศแอตแลนตีสได้ทะยานขึ้นสู่ท้องฟ้าจากศูนย์การบินอวกาศเคเนดี ภารกิจสำคัญของเที่ยวบินนี้คือ การซ่อมบำรุงกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล การซ่อมบำรุงฮับเบิลในครั้งนั้น เป็นครั้งที่ 5 ภารกิจนี้มีความหมายอย่างยิ่งต่อกล้องฮับเบิล เพราะเป็นการซ่อมบำรุงครั้งสุดท้ายของกล้องโทรทรรศน์นี้ และเป็นเป็นเที่ยวบินสุดท้ายของแอตแลนติสด้วย นั่นหมายความว่า กล้องฮับเบิลที่ปฏิบัติภารกิจในวงโคจรมาตั้งแต่ปี 2533 ใกล้ถึงวาระต้องปลดระวางแล้ว

ถึงขณะนี้ กล้องฮับเบิลผ่านใช้งานอย่างหนักมาแล้วถึง 31 ปี แม้จะยังไม่มีการกำหนดวันปลดระวางที่แน่นอน แต่ก็คาดว่าคงจะทำหน้าที่ต่อไปได้อีกจนถึงทศวรรษหน้าเป็นอย่างมาก หลังจากพ้นยุคของฮับเบิลไปแล้ว ก็จะเข้าสู่ยุคของกล้องโทรทรรศน์อวกาศกล้องใหม่ ที่นาซาวางตัวไว้ให้เป็น “ทายาทฮับเบิล” กล้องนี้มีชื่อว่า กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ (James Webb Space Telescope)

กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์มีภารกิจหลัก 4 อย่างคือ 1. ค้นหาแสงที่ส่องมาจากดาวและดาราจักรรุ่นแรกของเอกภพ 2. เพื่อศึกษาการกำเนิดและวิวัฒนาการของดาราจักร 3. เพื่อทำความเข้าใจการกำเนิดดาวฤกษ์และระบบดาวเคราะห์ และ 4. เพื่อศึกษาระบบดาวเคราะห์กับกำเนิดสิ่งมีชีวิต

เนื่องจากวัตถุเป้าหมายของเจมส์เวบบ์ส่วนใหญ่เป็นวัตถุอุณหภูมิต่ำ มักถูกบดบังโดยม่านของฝุ่นแก๊สหนาทึบ และยังอยู่ไกลมากจนถูกการขยายของเอกภพดึงสเปกตรัมให้ยืดออกไปทางแดงมากขึ้น การสำรวจวัตถุเหล่านี้เมื่อศึกษาในย่านรังสีอินฟราเรดใกล้จะมีประสิทธิภาพมากกว่าสำรวจในย่านแสงขาวหรือแสงที่ตามนุษย์มองเห็น ด้วยเหตุนี้ กล้องเจมส์เวบบ์จึงเป็นกล้องอินฟราเรดขนานแท้ ไม่ใช่กล้องหลายย่านความถี่อย่างกล้องฮับเบิลที่สำรวจได้ตั้งแต่อินฟราเรดถึงอัลตราไวโอเลต กล้องเจมส์เวบบ์มีความไวในย่านอินฟราเรดสูงกว่ากล้องฮับเบิลมาก มีย่านการใช้งานตั้งแต่ 0.6 ไมครอน (ใกล้เส้นแบ่งระหว่างสีแดงกับอินฟราเรดใกล้) จนถึง 28 ไมครอน

ด้วยเหตุที่กล้องเจมส์เวบบ์เป็นกล้องรังสีอินฟราเรดและมีความไวสูงมาก บวกกับการที่มีแหล่งกำเนิดรังสีอินฟราเรดอยู่ใกล้ ๆ กล้องหลายแหล่ง โดยเฉพาะความร้อนจากตัวอุปกรณ์ในกล้องเองก็แผ่รังสีอินฟราเรด ดวงอาทิตย์ โลก และดวงจันทร์ ก็แผ่รังสีอินฟราเรด ดังนั้น อุปกรณ์ของกล้องจึงต้องทำงานอยู่ภายใต้อุณหภูมิต่ำมาก จึงต้องมีโล่แผ่นมหึมาทำหน้าที่บังแสงจากดวงอาทิตย์ โลก และดวงจันทร์ สร้างร่มเงาถาวรให้ให้แก่ตัวกล้องและชุดอุปกรณ์ บวกกับระบบทำความเย็นด้วยฮีเลียม ช่วยให้กล้องทำงานในสภาวะแช่แข็งที่อุณหภูมิต่ำถึง 40 เคลวิน (-230 องศาเซลเซียส)

กระจกปฐมภูมิของเจมส์เวบบ์มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 6.5 เมตร พัฒนาโดยแอกซีสเทคโนโลยีส์ ประกอบขึ้นจากกระจกรูปหกเหลี่ยม 18 บานประกบกันทำหน้าที่เหมือนกระจกบานใหญ่บานเดียว กระจกแต่ละบานจะต้องพับเก็บตอนอยู่ในจรวด เมื่อขึ้นไปสู่อวกาศแล้วจึงคลี่ออก โดยมีเซนเซอร์ที่ควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ตรวจวัดตำแหน่งอย่างแม่นยำเพื่อให้แน่ใจว่ากระจกแต่ละบานอยู่ในตำแหน่งและมุมที่ถูกต้องจริง ๆ

แม้กระจกปฐมภูมิของเจมส์เวบบ์จะกว้างกว่าของฮับเบิลสองเท่าครึ่ง และพื้นที่รับแสงมากกว่าฮับเบิลถึง 6 เท่า แต่เหลือเชื่อที่น้ำหนักรวมกลับเบากว่ากระจกของฮับเบิลเสียอีก

กล้องฮับเบิลมีช่วงคลื่นใช้งานไปถึงอัลตราไวโอเลต ซึ่งมีความยาวคลื่นสั้นถึง 0.1 ไมครอน ดังนั้นความโค้งของกระจกจะต้องผิดพลาดไม่เกิน 0.1 ไมครอนด้วย เพื่อให้กระจกรักษารูปร่างความโค้งได้ถูกต้อง จึงจำเป็นต้องทำกระจกให้หนา แต่กระจกที่หนาขึ้น ก็พาให้น้ำหนักมากขึ้นเป็นเงาตามตัว ด้วยเหตุนี้กระจกของฮับเบิลซึ่งทำจากแก้วจึงหนักถึง 1 ตัน

กระจกของเจมส์เวบบ์บางกว่า ความโค้งก็ถูกต้องแม่นยำกว่ากระจกของฮับเบิล ทำจากเบริลเลียมน้ำหนักเบาฉาบทองคำ แต่ละบานยึดด้วยตัวปรับระยะที่ติดอยู่บนโครงอีกที น้ำหนักรวมของทั้งกระจกและโครงเพียง 625 กิโลกรัมเท่านั้น เบริลเลียมมีคุณสมบัติวิเศษหลายประการในการทำเป็นกระจก เป็นโลหะเบาที่แข็งแรงมาก หมองได้น้อยแม้สัมผัสอากาศ โลหะผสมเบริลเลียมมักมีสมบัติทนความร้อนสูงมาก ทนต่อการกัดกร่อน เป็นฉนวนความร้อนที่ดี และหล่อขึ้นรูปได้ดี จึงนิยมใช้ทำชิ้นส่วนในอากาศยานเหนือเสียงจำนวนมาก

เวบบ์จะมีกำลังแยกภาพดีกว่า 0.1 พิลิปดาที่ความยาวคลื่น 2 ไมครอน นั่นหมายความว่า ที่ความยาวคลื่นนี้ กล้องจะมองเห็นวัตถุที่มีขนาดเชิงมุม 0.1 พิลิปดาได้ ขนาดเชิงมุม 1 พิลิปดา เทียบได้กับมองเห็นลูกฟุตบอลได้ที่ระยะ 550 กิโลเมตร ในด้านความไวแสง เจมส์เวบบ์มีความไวกว่าฮับเบิล 10-100 เท่า หรือกล่าวอีกอย่างหนึ่งได้ว่า เจมส์เวบบ์มองเห็นได้แม้กระทั่งดาวที่จางกว่าระดับที่ตาเปล่ามนุษย์มองเห็นได้ถึงหนึ่งหมื่นล้านเท่า

วงโคจรของเจมส์เวบบ์จะต่างจากของกล้องฮับเบิลมาก กล้องฮับเบิลโคจรรอบโลกเป็นวงที่เกือบกลมที่ความสูงประมาณ 560 กิโลเมตร ซึ่งจัดเป็นดาวเทียมประเภทวงโคจรต่ำ ส่วนกล้องเจมส์เวบบ์จะอยู่ประจำที่ตำแหน่งตรงข้ามกับดวงอาทิตย์ตลอดเวลา อยู่ห่างจากโลกออกไป 1,5000,000 กิโลเมตร ใกล้กับจุดที่เรียกว่า จุดลากรันจ์แอล 2 (Lagrange L2) วัตถุที่อยู่ที่จุดนี้จะโคจรรอบดวงอาทิตย์ไปพร้อม ๆ กับโลกได้อย่างมีเสถียรภาพ ปกติ วัตถุที่โคจรรอบดวงอาทิตย์อยู่นอกรัศมีวงโคจรของโลก จะมีคาบโคจรยาวกว่า 1 ปี หรือเคลื่อนที่ช้ากว่า แต่หากวัตถุนั้นอยู่ที่จุดแอล 2 จะมีความสมดุลขึ้นเนื่องจากได้รับแรงดึงดูดทั้งจากโลกและดวงอาทิตย์เสริมกัน ทำให้วัตถุนั้นเคลื่อนที่ไปพร้อมกับโลกได้ ยานใดที่มาอยู่ที่จุดนี้ก็จะเคลื่อนที่ไปพร้อมกับโลกได้เลยโดยไม่ต้องเพิ่มพลังขับ แต่ในความเป็นจริง ยานจะต้องมีจรวดบ้างเพื่อช่วยรักษาเสถียรภาพด้วย แต่ก็เป็นเพียงจรวดกำลังต่ำเท่านั้น

ที่ตำแหน่งแอล 2 อาจเป็นตำแหน่งที่ดีสำหรับคนที่อยากเห็นสุริยุปราคาตลอดเวลา เพราะที่นั่น โลกจะอยู่หน้าดวงอาทิตย์พอดี แต่จะมีขนาดปรากฏเล็กกว่าดวงอาทิตย์ โลกจะบังดวงอาทิตย์ได้ประมาณร้อยละ 90 ดังนั้นที่ตำแหน่งนี้จึงเห็นได้เพียงสุริยุปราคาวงแหวนเท่านั้น อย่างไรก็ตามเจมส์เวบบ์ไม่ได้อยู่ที่ตำแหน่งแอล 2 เสียทีเดียว หากแต่จะโคจรรอบจุดแอล 2 ด้วยรัศมีวงโคจร 800,000 กิโลเมตร ซึ่งใหญ่พอที่จะพ้นเขตเงาอุปราคา ดังนั้น ที่ตำแหน่งของกล้องเจมส์เวบบ์ จะไม่มีวันมองเห็นสุริยุปราคาเลยแม้แต่สุริยุปราคาบางส่วน และจะไม่มีโอกาสเห็นดวงจันทร์เต็มดวงด้วย แม้แต่ช่วงที่ดวงจันทร์ทำมุมห่างจากดวงอาทิตย์มากที่สุดก็จะเห็นดวงจันทร์ได้เป็นเพียงเสี้ยวบาง ๆ เท่านั้น

การที่ตำแหน่งของโลก ดวงอาทิตย์ และดวงจันทร์ อยู่ใกล้กันจากมุมมองของกล้อง ทำให้การออกแบบร่มเพื่อบังรังสีอินฟราเรดจากแหล่งกำเนิดใหญ่ทั้งสามทำได้ง่าย เพราะออกแบบให้บังเพียงด้านเดียวก็เพียงพอแล้ว

เปรียบเทียบขนาดของกระจกปฐมภูมิระหว่างกล้องฮับเบิลกับกล้องเจมส์เวบบ์ กระจกของกล้องฮับเบิลมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 2.4 เมตร ส่วนเจมส์เวบบ์มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 6.5 เมตร และมีพื้นที่รับแสงมากกว่าเกือบ 6 เท่า 

แต่การที่กล้องต้องไปอยู่ไกลถึงหนึ่งล้านห้าแสนกิโลเมตร หรือไกลกว่าดวงจันทร์ถึงสี่เท่า หมายความว่า การจัดภารกิจซ่อมบำรุงตามวาระอย่างที่ทำให้กล้องฮับเบิลจึงเป็นไปไม่ได้เลย ดังนั้น การออกแบบและทดสอบจึงต้องเป็นไปอย่างสมบูรณ์แบบไม่มีจุดบกพร่อง หากเกิดความผิดพลาดใด ๆ ขึ้น ก็จะไม่มีโอกาสแก้ตัว

เดิมทีเจมส์เวบบ์มีกำหนดปล่อยขึ้นสู่อวกาศในปี 2557 แต่โครงการก็ต้องเผชิญมรสุมปัญหามากมายจนต้องเลื่อนการส่งครั้งแล้วครั้งเล่า ล่าสุดกำหนดปล่อยซึ่งไม่น่าจะมีการเลื่อนอีกแล้วคือ วันที่ 22 ธันวาคม 2564

นักดาราศาสตร์ทั่วโลกคาดหวังกับกล้องเจมส์เวบบ์เป็นอย่างมาก การค้นพบและงานวิจัยหลายฉบับที่เกิดขึ้นในช่วงหลายปีที่ผ่านมาได้ตั้งโจทย์ทิ้งไว้ให้กล้องเจมส์เวบบ์มาไขปัญหาต่อ เมื่อใดที่กล้องเจมส์เวบบ์เข้าประจำการ การศึกษาดาราศาสตร์จะต้องก้าวหน้าขึ้นอย่างก้าวกระโดดอีกระลอกหนึ่ง เหมือนกับที่ฮับเบิลเคยทำไว้ตลอดในสามทศวรรษที่ผ่านมา