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

ภาพพวกนี้หลายคนน่าจะเห็นกันผ่าน ๆ ตาในวิชาวิทยาศาสตร์กันมาบ้าง มัมนคือเรื่องเดียวกันนี่แหละ

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

การทำงานของกล้องแบบ Cassegrain Telescope

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

กล้องโทรทรรศน์ Thai National Telescope บนดอยอินทนนท์ จะสังเกตเห็นโครงเปลือย แสดงให้เห็น Primary Mirror และ Secondary Mirror อย่างชัดเจน โดยสิ่งที่จะเกิดขึ้นหลังจาก Secondary Mirror สะท้อนภาพลงมา มันจะสะท้อนต่อไปยังเลนส์ใกล้ตา (ที่มีคนส่องอยู่) ที่มา – MHESI/NARIT

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

ภาพแสดงเส้นทางการเดินทางของแสง ผ่าน Primary Mirror และ Secondary Mirror ของกล้อง Hubble ที่มา – NASA

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

กระจก HÖNEFOSS เฮอเนฟอส ของ IKEA ที่มา – IKEA

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)

ภาพกระจกตัวต่าง ๆ ที่ประกอบขึ้นเป็น Primary Mirror ของกล้อง James Webb ที่มา – NASA

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

ตัว Actuator ที่ใช้ปรับกระจกในแต่ละ Segment ของกล้อง James Webb Space Telescope ที่มา – NASA

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

Secondary Mirror ของกล้อง James Webb Space Telescope ที่มา – NASA

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

James Webb ขณะพับ Segment B3, C2, B,2 (ฝั่งขวา) จะเห็นว่าพอพับออกมาแล้ว จะช่วยลดความกว้างของตัวกล้อง ทำให้นำไปใส่กับจรวด Ariane 5 ได้ ที่มา – NASA

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

แท่งยื่น ๆ สีดำที่รับภาพจาก Secondary Mirror เข้ามา ที่มา – NASA

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)

ตัว Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph ที่มา – NASA

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