กว่าจะเป็นภาพแรกที่คมชัดของ James Webb การทำ Alignment ต้องทำอะไรบ้าง?

25 ธันวาคม ปี 2021 นับเป็น วันที่นักดาราศาสตร์ทั่วโลกเฝ้ามองการปล่อยของกล้อง James Webb Space Telescope ขึ้นสู่อวกาศ หลังจากการเฝ้ารอมันมานานนับทศวรรษ หลังจากที่การปล่อยเป็นไปอย่างราบรื่น James Webb ก็เริ่มเตรียมพร้อมในขั้นตอนต่าง ๆ เพื่อเริ่มต้นการศึกษาจักรวาล หนึ่งในขั้นตอนที่สำคัญมาก ๆ ก็คือการทำ Mirror Alignment หรือการปรับกระจกให้สามารถสะท้อนภาพ ในมุม องศา และความคมชัดที่ต้องการ เข้ามาที่ Sensor ได้อย่างถูกต้อง แม่นยำ

จนในที่สุด วันที่ 17 มีนาคม 2022 เป็นเวลากว่า 3 เดือนหลังจากที่มันเดินทางขึ้นสู่อวกาศครั้งแรก James Webb ก็สามารถที่จะปรับกระจก จนได้ภาพแรกที่เป็นภาพสี คมชัด และเป็นเครื่องหมายบ่งบอกว่า James Webb พร้อมเข้าสู่การให้บริการในอีกไม่นาน ซึ่งวันนี้เราจะมาเจาะลึกกระบวนการนี้กัน

ย้อนความจำ การปล่อยกล้อง James Webb

แต่ก่อนที่จะไปถึงกระบวนการนั้น อาจจะต้องเล่าย้อนความจำกันก่อนว่า หลังจากที่ขึ้นไปบนอวกาศในวันคริตส์มาสปี 2021 กล้อง James Webb ต้องผ่านกระบวนการอะไรบ้าง กระบวนการแรกเลยก็คือการกางอุปกรณ์ต่าง ๆ ตั้งแต่แผง Solar Array ระบบการสื่อสาร ซึ่งจะเกิดขึ้นใน 24 ชั่วโมงหลังการปล่อย (แน่นอน เพราะพลังงานและการสื่อสารเป็นสิ่งที่สำคัญอันดับหนึ่ง)

หลังจากนั้น James Webb ก็จะเข้าสู่กระบวนการสำคัญในการทำ Trajactory Correction และการ Burn เพื่อปรับทิศทางการเคลื่อนที่ให้เข้าไปอยู่ในวิถีที่เหมาะสม และเดินทางเข้าสู่วงโคจรที่ออกแบบไว้ ก็คือ Lagrange L2 (สามารถศึกษาได้จากบทความ – Lagrangian Point คืออะไร ทำไมยานอวกาศถึงต้องไปอยู่ตรงนั้น) โดยการทำการ Burn รอบแรกนั้นประสบความสำเร็จไปได้ด้วยดี ต้องยกความดีความชอบให้กับความแม่นยำของจรวด Ariane 5 ที่ใช้ในการส่ง ที่พาให้ Webb เข้าไปอยู่ในจุด องศา การเคลื่อนที่ที่ต้องการเป๊ะ ๆ ทำให้ Webb ประหยัดเชื้อเพลิงในการปรับแก้ได้มหาศาล

หลังจากนั้น วันที่ 27 ธันวาคม – 3 มกราคม 2022 ก็ได้เริ่มกางระบบ Sun Shield ซึ่งเป็นแผง Materials ขนาดใหญ่ ที่ใช้ในการบังแสงของดวงอาทิตย์ไม่ให้รบกวนการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ (เนื่องจาก Webb ทำงานในย่านอินฟราเรด อะไรที่เกิดความร้อน อะไรที่เป็นแสงจ้า ๆ จะทำให้เกิด Noise ได้)

หลังจากนั้นวันที่ 5 มกราคม 2022 มันก็ได้เข้าสู่กระบวนการสำคัญคือการกางกระจก ซึ่งกระจกของ James Webb นั้น จะประกอบไปด้วยสองระบบหลัก ๆ คือกระจกปฐมภูมิ (Primary Mirror) และกระจกทุติยภูมิ (Secondary Mirror) โดย Webb จะเริ่มกางระบบกระจกทุติยภูมิก่อน ซึ่งมันก็คือก้านสีดำ ๆ ที่ยื่นออกมา ใช้เป็นตัวที่สะท้อนภาพจากกระจก Primary Mirror เข้าสู่ชุดกระจกที่จะพาภาพเข้าไปยัง Sensor ต่อไป ในขณะที่กระจกปฐมภูมิ นี่แหละคือสิ่งที่เราจะมาพูดคุยกันในวันนี้ เพราะมันมีความซับซ้อน และเต็มไปด้วยเทคโนโลยีที่น่าทึ่งมาก ๆ

แต่เพื่อให้ไล่เรียง Timeline กันให้จบก่อน กระจก Primary Mirror นั้น เริ่มต้นกระบวนการกางตั้งแต่วันที่ 8 มกราคม 2022 และเสร็จในอีก 24 ชั่วโมงถัดมา ถามว่าทำไมเร็ว ก็เพราะว่าจริง ๆ กระบวนการกางนั้น เป็นแค่การพับเอากระจกส่วน B6, C5, B5 และ B2, C2, B3 ออกมาทางด้านหน้า เท่านั้น ก่อนที่หลังจากนั้น ในวันที่ 29 มกราคม กล้อง James Webb ก็ทำ Insertion Burn เข้าสู่วงโคจร L2 ได้อย่างสำเร็จลุล่วง ปิดฉากการลุ้นระทึกตลอด 1 เดือน ของวิศวกรและนักดาราศาสตร์

การทำ Mirrors Alignment

ที่บอกว่าการกางกระจก Primary Mirror นั้น ไม่ได้ซับซ้อนมาก (ซึ่งก็ซับซ้อนแหละ แต่ไม่เท่าการปรับกระจก) ก็เพราะว่า กระบวนการที่สำคัญมาก ๆ ก็คือการปรับกระจกนั่นแหละ คือกางก็ไม่ได้แปลว่าจะใช้ได้เลย หรือกางแล้วตรง นึกภาพเวลาเราจะขับรถ เราสตาร์ทรถ กระจกมันก็กางออกมาให้ แต่เราก็ต้องไปปรับมันอีกที อันนี้ก็เหมือนกันนั่นแหละ เพียงแต่ว่า James Webb นั้น จะต้องปรับกระจกทั้งหมด 18 ตัว ให้แม่นยำในระดับที่ละเอียดกว่า 1/10,000 ของขนาดเส้มผมมนุษย์ นี่แหละคือความยากของมัน

ในเรื่องการออกแบบ ทำไมกระจก James Webb ต้องเป็น 6 เหลี่ยม หรือว่าระบบการปรับกระจกทำงานอย่างไร เราเคยเล่ากันไปอย่างละเอียดมาก ๆ โคตรละเอียด ไว้แล้วในบทความ ทำไมกระจก James Webb เหมือนกับกระจก IKEA เจาะเบื้องหลังการออกแบบและวิศวกรรม ทำให้ในบทความนี้เราจะไม่เล่าซ้ำอีก ซึ่งเราก็แนะนำให้ไปอ่านทำความเข้าใจก่อน และในบทความนี้ เราจะมาดูกระบวนการกันว่า เวลาปรับ เขาปรับอย่างไร อ้างอิงกับอะไร

อธิบายแบบคร่าว ๆ กันก่อน ให้เรานึกภาพว่ากำลังถ่ายรูปก็ได้ สมมติว่าเราถ่ายรูปแล้วแล้วดันไม่ชัดเบลอ ๆ คิดว่ามันเกิดจากอะไรได้บ้าง? เราก็อาจจะตอบได้ว่า มันหลุดโฟกัส, มือเราไม่นิ่ง, แสงมันน้อย, Sensor มันห่วย, เลนส์หรือกระจกมันสกปรก ก็น่าจะประมาณนี้ เราจะมาลองแก้กันไปเป็นข้อ ๆ

มาลองตัดออกกันเป็นข้อ ๆ แล้วกัน เริ่มจากหลุดโฟกัส อันนี้ไม่จำเป็นแน่ ๆ เพราะ James Webb นั้นไม่ได้ถ่ายอะไรใกล้ ๆ อยู่แล้ว ดังนั้นโฟกัสของมันจะเป็น Infinity อยู่แล้ว ต่อไปก็คือ Sensor มันห่วย ถ้าคุณคิดว่ากล้องที่แพงฉิบหายขนาดนี้ยังห่วยอีกก็ไม่รู้จะว่าไง ดังนั้นข้ามไปข้อต่อไป เลนส์หรือกระจกมันสกปรก อันนี้วิศวกรแทบจะไม่กล้าแม้แต่จะหายใจรดกระจก ทนุถนอมอย่างดี ในห้อง Cleanroom ดังนั้น ยากที่จะมีฝุ่นหรือสกปรกอยู่แล้ว

ดังนั้น ก็จะเหลือเรื่องมือไม่นิ่งกับแสงมันน้อย ซึ่งจริง ๆ สองข้อนี้มันคือหัวข้อเดียวกันนั่นแหละ คือเรื่องแสง สมมติว่ามือเราไม่นิ่งมันก็ได้ได้ด้วยการปรับ Speed Shutter หรือระยะเวลาที่ให้แสงเข้ามาน้อย ๆ ต่ำ ๆ ไว้ หรือถ้าแสงมันน้อยเราก็จะใช้วิธีเปิด Speed Shutter นาน ๆ เพื่อให้แสงมันเข้ามาเยอะ ๆ แทน แต่สุดท้าย มันก็จะต้อง Compromoise เรื่องใดเรื่องหนึ่ง คือถ้าจะเอาถ่ายแสงน้อยก็ต้องยอมให้วัตถุหรือมือเรานิ่ง ถ้าจะเอาถ่าย Speed Shutter สูง ๆ ถ่ายภาพกีฬา ถ่ายภาพ Slow -mo ก็ต้องถ่ายในที่แสงสว่าง ๆ

แต่ทีนี้ มันก็จะจะมีวิธีนึง ก็คือเทคนิคที่เรียกว่าการทำ Image Stacking ซึ่งชื่อของมันก็ตรงตามความหมาย ก็คือการเอาภาพมาซ้อน ๆ กัน เพื่อให้ได้ภาพที่คมชัด เพราะแสงถูกสะท้อนมาจากกระจกหลาย ๆ ตัว แทนที่เราจะเพิ่ม Duration ของการ Expose ของ Sensor สู่แสง เราก็จะเพิ่มการ Reflect แสงเข้ามาใน Sensor ด้วย

นั่นจึงเป็นเหตุผลว่าทำไมเราถึงอยากได้กระจกใหญ่ ๆ เยอะ ๆ เพราะยิ่งกระจกใหญ่ ๆ มันก็ยิ่งสะท้อนแสงได้เยอะ

ทีนี้ เราก็อาจจะบอกว่า โอเค งั้นก็แค่เอากระจกมาสะท้อนภาพรวม ๆ เข้าหากัน ก็น่าจะได้แล้ว แต่ จริง ๆ มันมีความซับซ้อนกว่านั้นมาก เพราะเราต้องแน่ใจให้ได้ว่า

  • แสงที่สะท้อนเข้ามา ควรจะเป็นแสงที่มีคุณสมบัติทางกายภาพใกล้เคียงกันกับที่มันมาจากแหล่งกำเนิดแสงจริง ๆ คือถ้าจะสะท้อนก็ให้เหมือนกันทุกบาน ไม่ใช่บานนี้สะท้อนย่านนี้ บานนี้สะท้อนย่านนั้น บานนี้มาไม่ครบ บานนี้มาเกิน งานวิจัยก็อาจจะฉิบหายได้ (ซึ่งเดี๋ยวอ่านต่อไปจะเจอคำว่า Coarse Phasing ซึ่งก็คืออันนี้แหละ)
  • แสงที่สะท้อนจะต้องตกกระทบในเวลาเดียวกัน หรือสามารถ Determine เวลาได้อย่างชัดเจน สำคัญนะ เพราะว่าห่างกันแค่เสี้ยววินาที ก็อาจจะทำให้การตีความ การแปลผลผิดเปลี่ยนไปได้ ซึ่งระยะห่างระหว่างกระจกในแต่ละ Segment กับ Sensor จะต้องสามารถวัดได้ Determine ได้ เพื่อเป็นตัวแปรมาคิดอีกที
  • เนื่องจาก James Webb จะต้องทำงานในหลายย่าน ในแต่ละย่านก็จะต้องมาลอง Calibrate แบบนี้อีก

จะเห็นว่า กระบวนการนี้ซับซ้อนมาก ๆ ไม่ใช่แค่หันกระจกมารวม ๆ กันเฉย ๆ

แต่ก่อนที่จะไปถึงตรงนั้นเราก็ต้องผ่านขั้นตอนการหันกระจกมารวมกันให้ได้ก่อน (จากเดิมที่มั่ว ๆ อยู่) ไม่ใช่เพราะว่าวิศวกรขี้เกียจปรับกระจกแต่แรก แต่เพราะว่าในตอนที่กล้อง James Webb เดินทางสู่อวกาศนั้น เราไม่มีทางรู้ได้เลยว่าแรงสั่นสะเทือนจากการส่งจะพาให้กระจกบิดมั่วไปแค่ไหน โดยก่อนส่ง วิศวกรก็ได้ทดสอบการทำ Alignment ไปแล้ว (เรียกว่าซ้อมก่อนก็ได้)

A BALL AEROSPACE TECHNICIAN STANDS WITHIN A JAMES WEBB SPACE TELESCOPE ARRAY THAT WAS IN THE X-RAY AND CRYOGENIC FACILITY FOR TESTING

โดยวิศวกรได้แบ่งขั้นตอนในการทำ Alignment ไว้หลัก ๆ ดังนี้

  • Segment Image Identification
  • Segment Alignment
  • Image Stacking
  • Coarse Phasing
  • Fine Phasing
  • Telescope Alignment Over Instrument Fields of View
  • Iterate Alignment for Final Correction

ในวันที่ 11 กุมภาพันธ์ 2022 กล้อง James Webb ได้ถ่ายภาพภาพแรกโดยภาพถ่ายนี้จะถูกใช้เพื่อการทำ “Intitial Alignment” หรือการปรับกระจกครั้งแรก

โดยภาพที่เห็นนี้ แสงที่เป็นจุด ๆ ในภาพหลาย ๆ จุด จริง ๆ แล้วมันคือดาวดวงเดียวกันก็คือดาวที่มีชื่อว่า HD 84406 แต่ที่มันเห็นเป็นหลาย ๆ จุดในรูป ก็เพราะว่ากระจกมันยังมั่วอยู่ คือยังไม่สะท้อนภาพมารวมแสงในจุดเดียวกัน ซึ่งวิศวกรจะต้องปรับกระจกแต่ละดวงให้ดาวหรือว่าจุดในภาพ มันมาเรียงกัน ซึ่งฟังดูก็เหมือนจะง่าย แต่เราจะรู้ได้ยังไงล่ะ ว่าแล้วจุดในภาพทั้ง 18 จุดนี้ อันไหน มาจากกระจกชิ้นไหน

วิธีการก็คือ เราจะดูจากภาพ Selfie ที่ออกแบบมาเพื่อใช้ในงานนี้โดยเฉพาะ โดยบริเวณ Secondary Mirror ของ Webb จะมีกระจกตัวนึงที่ช่วยให้เราสามารถมองเห็นภาพกระจก Primary Mirror ได้ ในภาพเราจะเห็นว่ามีกระจกชิ้นนึงที่สว่าง กระจกชิ้นนั้นคือกระจกที่สะท้อนแสงจากดาวฤกษ์อยู่ ซึ่งสิ่งนี้ ทำให้วิศวกรรู้ว่า จะแสงไหนเป็นของกระจก Segement ไหน และเมื่อเราค่อย ๆ ปรับ เราก็จะสามารถรู้ได้ว่า เราจะต้องปรับภาพไปทางไหน ซ้ายหรือขวา หรือยังไง

พอเราสามารถปรับกระจกแต่ละตัวจากภาพที่มั่ว ๆ ได้แล้ว วิศวกรก็จะปรับตำแหน่งของกระจกและจุดของดาว ไปยังจุดที่เรียกว่า “Global Alignment” คือให้เห็นจุดทั้ง 18 จุด ไปอยู่ในจุดที่เป็นตำแหน่งของกระจกบานนั้น ๆ ก่อนที่จะค่อย ๆ เอาภาพรวมเข้ามาซ้อนกัน สร้างเป็น Stacking Image ให้สำเร็จ

ซึ่งพอเป็น Stacking Image เรียบร้อยแล้ว ภาพ Selfie ที่เห็นก็ควรจะเป็นแบบนี้ (ภาพด้านล่าง) เพราะกระจกทุกบานจะต้องสะท้อนแสงเดียวกัน จากดาวดวงเดียวกัน วัตถุเดียวกัน ภาพนี้ถ่ายในช่วงการทำ Alignment ประมาณวันที่ 11 มีนาคม 2022

ซึ่งพอสร้างเป็น Stacking Image ได้แล้ว ขั้นตอนต่อไปก็คือการทำ Coarse Phasing และ Fine Alighment หรือ Fine Phasing ก็ตามชื่อเลยว่า เป็นการปรับอย่างละเอียด ซึ่งอันนี้จะไม่ใช่แค่เอาภาพมารวมกันแล้ว แต่จะเป็นการทำยังไงให้แสงมันเป๊ะในระดับย่านคลื่น ระดับ Phase ระดับเวลา

โดยภาพที่ NASA ปล่อยออกมา ซึ่งนับว่าเป็นภาพแรกที่คมชัดของกล้อง James Webb Space Telescope ก็คือภาพของ ดาวที่ชื่อว่า 2MASS J17554042+6551277 ที่ถ่ายโดยใส่ Filter สีแดง เพื่อช่วยให้เห็น Contrast ชัดขึ้น โดยเราจะเห็นว่าภาพที่ได้ได้นั้น โคตรชัด และนอกจากจะเห็นดาวที่เราอยากจะถ่ายแล้ว ยังเห็นวัตถุ Deep Space เบื้องหลัง เช่นพวกดาราจักรต่าง ๆ ได้อย่างชัดเจน

โดยวิศวกร จะต้องทำการปรับให้ได้จนกว่าจะถึง Optimal Condition ซึ่งเป็นการเค้นเอาประสิทธิภาพและภาพที่คมชัดที่สุดของกล้อง James Webb โดยอย่างที่บอกไปว่า เขาจะดูจากการวาง Phase ของคลื่น เวลา ความถี่ Spectrum ต่าง ๆ โดยใครที่สนใจ สามารถเข้าไปอ่านต่อได้ที่ Paper ชื่อว่า James Webb Space Telescope segment phasing using differential optical transfer functions

ทีนี้ขั้นตอนต่อไปก็คือการทำแบบนี้นี่แหละ แต่กับอุปกรณ์ต่าง ๆ ตัว Detector ในย่านคลื่นต่าง ๆ ให้ครบและมั่นใจว่า James Webb จะสามารถทำงานได้อย่างเต็มประสิทธิภาพจริง ๆ

หนึ่งในเป้าหมายของกล้องโทรทรรศน์อวกาศ James Webb นั้น ก็เพื่อมองย้อนกลับไปยังแสงที่อาจจะริบหรี่ที่สุดที่เราอาจจะสามารถมองเห็นได้ ในช่วงเวลายุคแรก ๆ หลังกำเนิดเอกภพ ดังนั้นรายละเอียดต่าง ๆ ฟิสิกส์ คณิตศาสตร์ ที่น่าทึ่งคือเครื่องมือสำคัญที่จะพาให้เราไปถึงจุดจุดนั้นได้

โดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศ James Webb นั้น ตามแผนคาดว่าจะสามารถเปิดให้บริการได้ในช่วงกลางปี 2022 นับเป็นเวลาประมาณ 6 เดือนหลังจากการปล่อย ซึ่งวิศวกรยังคงต้องตรวจสอบประสิทธิภาพต่าง ๆ ต่อไป

เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co