ทำไมกระจก James Webb เหมือนกับกระจก IKEA เจาะเบื้องหลังการออกแบบและวิศวกรรม

หลายคนอาจจะสงสัยว่าทำไมกระจกของกล้องโทรทรรศน์อวกาศ James Webb Space Telescope ถึงต้องเป็นหกเหลี่ยม เกี่ยวหรือเหมือนอะไรกับกระจก HÖNEFOSS เฮอเนฟอส ที่วางขายอยู่ใน Ikea หรือเปล่า แล้วทำไมกระจกต้องเป็นสีทอง ทำไมหน้าตาการออกแบบกล้อง James Webb ถึงได้ดูแตกต่างจากกล้อง Hubble ในบทความนี้เราจะมาเจาะลึกถึงเบื้องหลังการออกแบบและวิศวกรรมของการออกแบบกล้องโทรทรรศน์อวกาศที่ราคาแพงที่สุดในโลกตัวนี้กัน

ก่อนจะไปตอบคำถาม เราน่าจะต้องทำความเข้าใจให้ตรงกันก่อนว่ากล้อง James Webb ทำงานอย่างไร ซึ่งตรงนี้เราอยากให้ทุกคนขุดเอาภาพสมัยเรียนมัธยมต้นมาใช้ ในเรื่องของ “การสะท้อนแสง” อุปกรณ์ทุกชนิดที่เกี่ยวข้องกับแสง การถ่ายภาพ (หรือแม้กระทั้งคลื่นในย่านต่าง ๆ) ไม่ว่าจะเป็นกล้องถ่ายรูป แว่นตา กล้องส่องทางไกล กล้องดูดาว จานรับสัญญาดาวเทียม กระจกแต่งหน้า ทุกอย่างมันถูกอธิบายได้ด้วยกฎฟิสิกส์ชุดเดียวกัน เพราะเป็นเรื่องของแสงเหมือนกัน ดังนั้นจะกระจกแต่งหน้าราคา 20 บาท หรือกระจกของกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่หลักแสนล้านบาท ก็ใช้หลักการเดียวกันนั่นแหละ แค่ความซับซ้อนและความแม่นยำนั้นต่างกัน

รวมถึงเรื่องของการใช้เลนส์ (กระจกโค้ง) เลนส์นูนเลนส์เว้า เรารู้ว่าเราสามารถนำแสงมารวมกันได้ ทำให้ภาพมีความคมขึ้น เหมือนกับที่เราเอาเลนส์ของแว่นขยายไปรวมแสง (โฟกัส) ให้เกิดความร้อนจนสามารถจุดไฟได้ (ซึ่งมันก็คือหลักการเดียวกับการที่เลนส์ของกล้องถ่ายภาพ รวมแสงมากระทบที่เซเซอร์แล้วถ้าเราโฟกัสไม่ตรง ภาพจะเบลอ เพราะแสงไม่ได้ถูกนำมารวมกัน หรือหลุดโฟกัส) เห็นมั้ยว่าทั้งหมดมันคือเรื่องเดียวกัน

ย้อนกลับไปในอดีตเมื่อเราเข้าใจพฤติกรรมของแสงและการสะท้อนแล้ว สิ่งนี้ก็พาให้มนุษย์สามารถประดิษฐ์อุปกรณ์ Optical ต่าง ๆ ขึ้นมาได้ ตั้งแต่การประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์ กล้องโทรทรรศน์ รูปแบบต่าง ๆ ที่มีชื่อแตกต่างกันออกไป ซึ่งชื่อของผู้คิดค้นก็จะอยู่ในชื่อของมันนั่นแหละ เช่น กล้องแบบ Newtonaian Telescope, Galilean telescope แต่สาระสำคัญที่เราจะมาพูดถึงกันวันนี้ก็คือกล้อง Cassegrain Reflector หรือ Cassegrain Telescope ที่ก็คิดขึ้นมาโดยนักบวชที่ชื่อว่า Laurent Cassegrain ในช่วงปี 1672

การสะท้อนของกล้องแบบ Cassegrain ก็อธิบายได้ตามภาพด้านบน คือมีกระจกสำคัญ ๆ สองตัว ได้แก่ กระจก Primary หรือกระจกปฐมภูมิ (Primary Mirror) เป็นกระจกตัวแรกที่แสงจะมาตกกระทบ จากนั้นกระจกปฐมภูมิก็จะสะท้อนภาพไปยังกระจกทุติยภูมิ หรือ Secondary Mirror เพื่อรวมแสงมาตกที่จุดรับภาพ (สีแดง) ซึ่งถ้าเป็นกล้องแบบใช้ตาดู นั่นคือบริเวณที่เราจะเอาตาไปอยู่ แต่ถ้าเป็นกล้องดิจิทัลหรือกล้องฟีล์ม นั่นคือจุดรับภาพที่ฟีล์มหรือ Sensor ของเราจะไปอยู่นั่นเอง

ซึ่งการออกแบบกล้องด้วยระบบ Cassegrain จะเห็นว่าเราจะใช้กระจกโค้งเป็นตัวสะท้อน โดยเฉพาะกระจก Primary Mirror ยิ่งใหญ่ก็จะยิ่งรวมแสงได้เยอะ ซึ่ง Design ของมันเนี่ย ก็จะสามารถทำเป็นแบบเปลือย ๆ หรือเป็นแบบบ้อง ๆ ก็ได้ และกล้องดูดาวโดยมาก ก็จะใช้การออกแบบแบบ Cassegrain นี่แหละ วิธีสังเกตก็คือ Primary Mirror จะมีรูอยู่ตรงกลาง เพื่อให้แสงสะท้อนลงมาได้

การออกแบบแบบนี้มันจะคาบเกี่ยวกับการออกแบบอีกรูปแบบนึงก็คือ Nasmyth ซึ่งต่างกันตรงที่ Nasmyth จะสะท้อนออกด้านข้างแทน (ภาพล่าง) ซึ่งถ้าใช้แบบประกอบกันมันจะเรียกว่า Cassegrain-Nasmyth จานกล้องโทรทรรศน์วิทยุแห่งชาติ Thai National Radio Observatory (TNRO) ของเราก็ใช้การออกแบบแบบ Cassegrain-Nasmyth นี่แหละ

อ่าน – เจาะลึกหลักการทำงานของกล้องโทรทรรศน์วิทยุชนิดต่าง ๆ TNRO ของไทย เป็นแบบไหน

ทีนี้ หลักการการออกแบบนี้นอกจากจะใช้งานบนโลกแล้วเมื่อมนุษย์ต้องทำกล้องโทรทรรศน์อวกาศอีกด้วย ซึ่งมันก็คือการส่งกล้องแบบเดียวกับบนโลกนั่นแหละแต่ไปอยู่ในอวกาศและต้องทำงานเองด้วยระบบคอมพิวเตอร์

กล้องโทรทรรศน์อวกาศที่ชื่อดังที่สุดที่พอพูดชื่อแล้วทุกคนรู้จักก็น่าจะเป็นกล้อง Hubble Space Telescope ตัวกล้องนี้ก็ใช้หลักการการออกแบบแบบ Cassegrain เช่นกัน เพียงแต่ที่เราเห็น Hubble เป็นบ้อง ๆ ก็เพราะว่าเขาออกแบบมาไม่ให้มันเปลือย เราจึงไม่เห็นส่วนประกอบด้านในของมัน แต่จริง ๆ แล้ว ถ้าเราดูภาพหั่นครึ่งของกล้อง Hubble เราก็จะเห็นตำแหน่งของกระจก Primary Mirror และ Secondary Mirror อย่างชัดเจน

ดังนั้นถ้าเราถอดกระจก Primary Mirror ของ Hubble ออกมา เราจะเห็นว่ามันเป็นกระจกกลม ๆ ที่มีรูตรงกลาง ทีนี้มาเปรียบเทียบกับกล้อง James Webb เราจะเห็นว่าส่วนประกอบต่าง ๆ นั้นพอเราเข้าใจหลักการทำงานของกล้อง Cassegrain เราจะเห็นว่ามันเหมือนกันเป๊ะ ๆ เลย ต่างกันตรงที่ว่า

• กระจกของ James Webb ใหญ่มาก และเป็นหกเหลี่ยม
• James Webb เป็นโครงเปลือยที่มีที่บังแดดอยู่ด้านล่าง ในขณะที่ Hubble เป็นบ้อง และใช้ Hood บังแสงรบกวนแทน (เหมือน Hood, Matte ของกล้องถ่ายรูป)

ซึ่ง Principle เหล่านี้ที่แหละที่ตอบคำถามว่าทำไม James Webb ถึงได้ออกมาหน้าตาเป็นแบบนี้

แล้วสรุปทำไมต้องหน้าตาเหมือนกระจก IKEA

มาเข้าประเด็นกันเลย ว่าทำไมกระจกของ James Webb ถึงได้เหมือนกระจก IKEA ซึ่งคำถามนี้มันก็ตอบคำถามตัวมันเองอยู่แล้วด้วยหน้าตาของตัวกระจก เพราะ ยิ่งเราต้องการจะรวมแสงเยอะ เราก็ยิ่งต้องใช้พื้นผิวของกระจกมาก กระจกของ James Webb มีเส้นผ่านศูนย์กลางถึง 6.5 เมตร ซึ่งต้องอยู่ภายใต้เงื่อนไขว่า

• ต้องเป็นกระจกสมมาตร เพราะถ้าไม่สมมาตรแสงจากแต่ละบริเวณจะเข้ามาไม่เท่ากัน ทำให้ภาพบางที่สว่างบางที่มืด
• ต้องสามารถทำให้เว้าโค้งเข้ามาที่จุดโฟกัสได้ คือยิ่งห่างจากศูนย์กลางความโค้งไว้ก็จะต้องมากตามไปด้วย
• ต้องมีขนาดใหญ่ (อันนี้แน่นอนอยู่แล้ว) และต้อง “พับได้” เพื่อเข้าไปในตัวจรวด ซึ่งไม่มีจรวดใดที่สามารถใส่กระจกขนาด 6.5 เมตร กว้าง สูง ได้แน่ ๆ
• ต้องสามารถปรับได้อย่างละเอียดแม่นยำ หลายคนอาจจะสงสัยว่า ยานอวกาศแผ่น Solar Array ใหญ่ ๆ ก็ส่งกันได้ กะอีแค่กระจก 6.5 เมตร ทำไมเรื่องมากจัง จริง ๆ นั้นมันไม่ใช่แค่กางได้แล้วกางส่ง ๆ เหมือนแผง Solar Array ที่กางไม่สุดก็ยังใช้ได้ หรือบิดเบี้ยวไปนิดนึงแต่ก็ยังรับแสงอาทิตย์ได้ แต่ต้องกางแล้วพาเอาภาพไปที่จุดโฟกัสได้จริง

นี่จึงเป็นที่มาของกระจกทรงหกเหลี่ยม หรือ Hexagonal แทน ถ้าเราเอากระจก Hexagonal มาวางต่อ ๆ กันมันจะสร้างเป็นกระจกที่มีทรงสมมาตรขนาดใหญ่เท่าไหร่ก็ได้ โดยที่มีช่องว่างระหว่างแผ่นน้อยที่สุด

ซึ่งกระจก IKEA นั้น IKEA ก็โฆษณาว่า แขวนกระจกบานเดียว 2 บาน หรือกี่บานก็ได้ตามความต้องการ นั่นแหละคือหลักการการออกแบบกล้อง James Webb เลย ซึ่งการใช้ Hexagonal นั้นก็พบได้ทั้งในธรรมชาติและสิ่งที่มนุษย์สร้างขึ้น ตั้งแต่รังผึ้ง ไปจนถึงโครงสร้างโมเลกุลของ Graphene

ทีนี้มาดูส่วนประกอบของกระจก James Webb กัน กระจกของมันประกอบไปด้วยแผ่นห้าเหลี่ยม 18 แผ่น ที่มีลักษณะที่แตกต่างกันเพียงแค่ 3 รูปแบบเท่านั้น คือ A Segment, B Segment และ C Segment (หมายความว่าทำแบบมาแค่ 3 แบบแล้วเอามาทำซ้ำ) เพื่อประกอบกันเป็นกระจก โดยกระจกแต่ละแผ่นนั้นจะทำจากธาตุ Beryllium เนื่องจาก Beryllium นั้นเบามาก (มีเลขอะตอมแค่ 4) และสามารถคงรูป (ไม่ยืดหดหรือขยับ) ในอุณหภูมิต่ำ (James Webb จะต้องเย็นถึง 33 เคลวิน หรือ -240 องศาเซลเซียส)

แผ่น Beryllium ดังกล่าวจะถูกนำมาฉาบด้วยทองคำบริสุทธิ์ เพื่อให้สะท้อนแสงในย่านอินฟราเรดได้ดี เนื่องจากมันจะดูดซับแสงที่มีความถี่สูง ๆ ได้ดี และสะท้อนแสงในย่านความถี่ต่ำ ๆ (ในทางสีแดง) ออกมาได้ ซึ่งเราไม่ต้องการความถี่ที่ไม่จำเป็น (ไม่งั้นมันจะร้อน) เราอยากได้แค่อันที่จะใช้ ก็เลยเลือกใช้ทองคำมาฉาบแทน ภาพสะท้อนจึงเป็นสีทอง ๆ เพราะมันตัดย่านความถี่สูง ๆ ออกไปนั่นเอง

ทีนี้กระจกแต่ละแผ่นก็จะต้องสามารถปรับ Align ตัวมันเองได้ด้วย เนื่องจากแรงสั่นสะเทือนตอนปล่อยและการเลื่อนย้ายต่าง ๆ อาจจะทำให้ตำแหน่งของกระจกนั้นคลาดเคลื่อนไป ไม่ตรงกับจุดโฟกัส ทำให้วิศวกร ต้องออกแบบ ตัวปรับกระจก ให้ก้ม เงย หงาย หมุน ยกตัว (เหมือนปรับกระจกรถนั่นแหละ) แค่มีความแม่นยำสูงในระดับที่ละเอียดระดับ 1/10,000 ขอขนาดเส้มผมมนุษย์

กระบวนการนี้ถูกทำหลังจากที่กล้อง James Webb เดินทางสู่อวกาศแล้วโดยจะใช้เวลาหลักวันในการปรับ (เพราะต้องละเอียดมาก ๆ) กระจกทั้งหมด 18 ตัวจะถูกปรับด้วยอัลกอริทึมที่วิศวกรรออกแบบมา เพื่อส่งภาพไปที่ Secondary Mirror

การออกแบบแบบนี้ยังช่วยให้ James Webb ยังสามารถพับกระจกบางส่วนได้แก่ B3, C2, B,2 และ B6, C5, B5 ที่พับไปด้านหลังเพื่อให้สามารถใส่เข้าไปในจรวดได้ ซึ่งถ้าเราทำแบบนี้กับกระจกแบบวงกลม เราจะเสี่ยงที่จะทำให้กระจกกางออกมาอย่างไม่สมมาตร และทำให้ระบบกล้องของเราพังไปเลยก็ได้

และแน่นอนว่า กล้อง James Webb Space Telescope ไม่ได้อยู่ในบ้องเหมือน Hubble แต่เปลือยออกมา ก็อาจจะทำให้มีแสงเล็ดลอดเข้ามาได้ เหมือนเราถ่ายรูปด้วยกล้องแล้วเจอ Glare, Flare เข้ามา จนต้องหา Hood หรือ Matte มาใส่ James Webb ก็แก้ปัญหานี้ด้วยการติดแผ่นซับแสงสีดำ (ที่เหมือนถุงขยะ) ไว้บริเวณขอบ ๆ (ตามภาพด้านบน) รวมถึงห่อตัวแขนของ Secondary Mirror ด้วยวัตถุชนิดเดียวกันเพื่อป้องกันการสะท้อนที่ไม่จำเป็นด้วย

นอกจากนี้ พอภาพสะท้อนไปยัง Secondary Mirror แล้วสะท้อนกลับมาที่แท่งยื่น ๆ ตรงกลาง หลายคนอาจจะสงสัยว่าในนั้นมีอะไร คำตอบก็คือในนั้นจะมีตัวกระจกอีก 3 ตัวก่อนที่จะสะท้อนภาพเข้าไปยัง Sensor (ซึ่งหลายคนไม่ค่อยพูดถึงกันเพราะมันอยู่ในไอ้ยื่น ๆ สีดำนี้อีกที) หนึ่งในองค์ประกอบสำคัญก็คือ Fine Steering Mirror, Fine Guidance Sensor และ Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph ซึ่งสองส่วนนี้นอกจากจะเป็นการช่วยปรับภาพในช่วงสุดท้ายแล้ว ยังทำหน้าที่เป็นเหมือน Optical Image Stablizer ให้กับตัวกล้องด้วย (เนื่องจากกล้องอาจขยับหรือสั่นจากการหมุน)

ระบบทั้งหมดนี้จะทำงานร่วมกันอย่างละเอียดที่สุด เพื่อให้ภาพที่สะท้อนเข้ามายังตัว Sensor หรือ Spectrograph ชัดเจนมากที่สุด ช่วยให้เราสามารถมองเห็นไปยังแสงในยุคแรก ๆ ที่จักรวาลของเราถือกำเนิดขึ้นมาได้ โดยขนาดของกระจก Primary Mirror ที่ใหญ่ถึง 6.5 เมตร ทำให้มันกลายเป็นกล้องโทรทรรศน์อวกาศที่ใหญ่ที่สุดในโลกตอนนี้

ก่อนหน้านี้การทำงานดาราศาสตร์อินฟราเรดจำเป็นต้องใช้กล้องอย่าง Kepler Space Telescope หรือ Splitzer Space Telescope แต่กล้อง Kepler, Splitzer มีขนาดเล็กมาก กระจกขนาดแค่ประมาณ 1 เมตรเท่านั้นเอง สามารถอ่านเรื่องราวการทำงานของกล้องเหล่านี้ได้ในบทความ วาระสุดท้ายของกล้อง Spitzer Space Telescope ที่ความตายอบอุ่นกว่าชีวิต

และตอนนี้ กล้อง James Webb Space Telescope ก็กำลังโคจรอยู่ที่จุด Lagarange L2 หลังจากที่มันเพิ่งเข้าสู่วงโคจรเสร็จเรียบร้อย เพื่อกลายเป็นดวงตาดวงใหม่ ที่นักดาราศาสตร์ทั่วโลกเฝ้ารอมานาน

จริง ๆ บทความนี้นอกจากเรื่องกล้อง James Webb แล้ว สิ่งหนึ่งที่เราอยากให้ทุกคนสังเกตก็คือเรื่องราวรอบ ๆ ตัวและการตั้งคำถามจากสิ่งที่เราเห็น เพราะไม่ว่าจะกระจกในห้องน้ำที่เรามองทุกเช้า กระจกมองข้างรถยนต์ แว่นตา มันก็คือหลักฟิสิกส์แบบเดียวกับกล้องโทรทรรศน์อวกาศซับซ้อนที่สุดในโลกตอนนี้

เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co