Deep Space เจาะลึกหลักการทำงานของกล้องโทรทรรศน์วิทยุชนิดต่าง ๆ TNRO ของไทย เป็นแบบไหน
เจาะลึกหลักการทำงานของกล้องโทรทรรศน์วิทยุชนิดต่าง ๆ TNRO ของไทย เป็นแบบไหน

Chottiwatt Jittprasong in Beyond

เจาะลึกหลักการทำงานของกล้องโทรทรรศน์วิทยุชนิดต่าง ๆ TNRO ของไทย เป็นแบบไหน

May 3, 2021

หากใครยังไม่ทราบ สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติหรือ NARIT (National Astronomical Research Institute of Thailand) กำลังก่อสร้างหอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์วิทยุแห่งชาติหรือ “Thai National Observatory (TNRO)” ซึ่งเป็นกล้องโทรทรรศน์วิทยุขนาดจาน 40 เมตรแห่งแรกของประเทศไทย

การทำงานของตัวกล้องและระบบต่าง ๆ เฉพาะของ TNRO สามารถอ่านได้ในบทความ Thai National Radio Telescope พาชมกล้องโทรทรรศน์วิทยุของคนไทย 40 เมตร เจาะลึกการทำงาน ในบทความนี้เราจะมาอธิบายกันว่ากล้องโทรทรรศน์วิทยุนั้นจริง ๆ แล้วมันทำงานยังกันแน่ แล้ว TNRO ทำงานเหมือนหรือแตกต่างกับกล้องโทรทรรศน์วิทยุอื่น ๆ อย่างไร

อ่านบทความที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบกล้องโทรทรรศน์วิทยุและจานรับสัญญาณ

มีไปทำไมกล้องโทรทรรศน์วิทยุ

กล้องโทรทรรศน์วิทยุ (Radio Telescope) ทำหน้าที่คล้ายกับกล้องโทรทรรศน์ใช้แสง (Optical Telescope) ในหลาย ๆ ด้าน หนึ่งในนั้นก็คือการโฟกัสคลื่นที่รับได้ให้เข้าสู่ตัวรับอย่างใดอย่างหนึ่ง เช่น ตาหรือกล้องสำหรับกล้องใช้แสง ตัวรับสัญญาณ (Receiver) สำหรับกล้องโทรทรรศน์วิทยุ

กล้องโทรทรรศน์ใช้แสงนั้นอาศัย “กระจก” หรือ “ตัวสะท้อน” ในการสะท้อนแสงช่วงคลื่นที่ตามองเห็นได้ (Visible Light) ซึ่งก็คือสีต่าง ๆ ในสายรุ้งที่ตาเราสามารถมองเห็นได้มาเข้าตาของเราหรือเข้า Imager อย่าง CCD (Charged Coupled Device) ซึ่งเป็นอุปกรณ์ถ่ายรูปชนิดหนึ่ง

สเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดต่าง ๆ – ที่มา NASA

ส่วนกล้องโทรทรรศน์วิทยุนั้นอาศัย “ตัวสะท้อน” ในการรับคลื่นในช่วงคลื่นวิทยุมา จากนั้นจึงสะท้อนคลื่นเหล่านั้นไปยังตัวรับสัญญาณหรือ Receiver หลักการเดียวกับกล้องโทรทรรศน์ใช้แสง แต่คลื่นวิทยุนั้นมีความถี่ต่ำมากและมีพลังงานต่ำกว่าคลื่นอื่น ๆ เป็นอย่างมากรวมทั้งสัญญาณวิทยุที่เราอาจรับได้จากวัตถุทางดาราศาสตร์นั้นน้อยมากเพราะระยะทาง ทำให้ตัวสะท้อนจะต้องมีขนาดใหญ่ขึ้นเพื่อรับสัญญาณที่อ่อนเหล่านี้จากนั้นจึงรวมหรือโฟกัสสัญญาณเข้าด้วยกันเป็นเหมือนลำสัญญาณแล้วจึงยิงเข้า Receiver เพื่อนำไปประมวลผล

หมายความว่ากล้องโทรทรรศน์วิทยุมีองค์ประกอบแทบจะเหมือนกับกล้องโทรทรรศน์ใช้แสงทุกประการเปลี่ยนแค่มันรับสัญญาณวิทยุและมันมีขนาดใหญ่กว่าเท่านั้นนั่นเอง

เมื่อเราทราบถึงความเหมือนและความแตกต่างของทั้งสองอย่างนี้แล้ว หลายคนอาจจะสงสัยว่าแล้วทำไมจึงต้องมีกล้องโทรทรรศน์วิทยุ? ซึ่งจริง ๆ แล้วเป็นคำถามที่อธิบายยากพอสมควรเนื่องจากมันมีปัจจัยต่าง ๆ มากมายที่ทำให้เราต้องมีกล้องโทรทรรศน์สองแบบ แต่หลัก ๆ และก็เข้าใจได้ง่าย ๆ เลยก็คือ กล้องโทรทรรศน์วิทยุนั้นสำรวจคนละอย่างกับกล้องโทรทรรศน์ใช้แสง

เปรียบเทียบภาพที่ถ่ายช่วงคลื่นวิทยุ (ความยาวคลื่น 21 เซนติเมตร) และคลื่นแสงที่มองเห็นได้ – ที่มา Astronomynotes

กล้องโทรทรรศน์วิทยุทำงานโดยการรับคลื่นวิทยุจากวัตถุทางดาราศาสตร์มาประมวลผล ส่วนกล้องโทรทรรศน์ใช้แสงนั้นสำรวจแสงช่วงคลื่นต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็น Ultraviolet Infrared หรือคลื่นแสงที่มองเห็นได้ ซึ่ง 3 อย่างนี้รวมคลื่นวิทยุก็คือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างหนึ่ง แตกต่างกันที่พลังงาน ความถี่ และคุณสมบัติ การที่มันมีคุณสมบัติต่างกันหมายความว่ามันมีนัยสำคัญในการสำรวจคุณสมบัติ ๆ หนึ่งของวัตถุ ๆ หนึ่ง

ยกตัวอย่างเปรียบเทียบ เรามีกล้อง 2 ตัว ตัวแรกถ่ายรูปปกติเหมือนกล้องถ่ายรูปทั่วไป (Visible Light) กล้องตัวที่สองถ่ายรูปช่วงคลื่น Infrared เอาไปถ่ายวัตถุ ๆ หนึ่ง แน่นอนว่าข้อมูลที่เราได้จากทั้งสองกล้องย่อมไม่เหมือนกัน รูปจากกล้องตัวแรกอาจบ่งบอกถึงรูปร่าง ขนาด และลักษณะปรากฏ ในขณะที่กล้องตัวที่สองบ่งบอกถึงรังสี Infrared ที่วัตถุแผ่ออกมาซึ่งสามารถนำไปคำนวณหาอุณหภูมิได้ ซึ่งสิ่งที่ได้จากสองอย่างนี้แตกต่างกันแต่มันมาจากแหล่ง ๆ เดียวกัน หลักการเดียวประยุกต์ใช้กับคำถามว่าทำไมเราต้องมีกล้องโทรทรรศน์วิทยุ

คุณสมบัติที่แตกต่างกันระหว่างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแต่ละช่วงคลื่น ในที่นี้แสงที่มองเห็นได้สามารถผ่านกระจกได้ (ซ้าย) แสงช่วงคลื่น Infrared ไม่สามารถผ่านกระจกได้ (ขวา) – ที่มา ResearchGate

หากเราสำรวจคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีคุณสมบัติและปฏิสัมพันธ์แตกต่างกันเราก็จะสามารถสังเกตวัตถุ ๆ หนึ่งในหลาย ๆ ด้านได้นั่นเอง

ภาพถ่ายของหลุมดำใจกลาง M87 ในแต่ละช่วงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แสดงให้เห็นถึงทั้งความแตกต่างกันและความสอดคล้องกันอย่างชัดเจน – ที่มา NASA

หลักการทำงานของกล้องโทรทรรศน์วิทยุ

อย่างที่เราทราบว่าหลักการของกล้องวิทยุนั้นใกล้เคียงกับหลักการทำงานของกล้องโทรทรรศน์ใช้แสง แต่ทุกคนอาจจะไม่ทราบว่าบ้านเราหลาย ๆ หลังก็มีกล้องโทรทรรศน์วิทยุอันจิ๋วติดไว้อยู่เช่นกัน ใช่แล้วมันคือจานรับสัญญาณดาวเทียมสำหรับดูทีวีนั่นเอง

จานรับสัญญาณดาวเทียมของบ้านเรานั้นใช้เทคโนโลยีมาจากกล้องโทรทรรศน์วิทยุของเราโดยตรงเลย เปลี่ยนแค่กล้องโทรทรรศน์วิทยุรับสัญญาณจากวัตถุทางดาราศาสตร์ จานดาวเทียมบ้านเรารับสัญญาณจากดาวเทียมแทน

จานรับสัญญาณวิทยุ Offset Front Feed จากสถานีอวกาศนานาชาติ – ที่มา ESA

หลักการทำงานของจานทีวีบ้านเราก็ง่าย ๆ เช่นกัน เราจะเห็นว่าจานทีวีนั้นจะมีรูปทรงเป็นจานที่มีส่วนโค้งเว้า ๆ ลงไป และตรงหน้าจานนั้นมักจะมีโครงสร้างมายึดสิ่งที่มีลักษณะเหมือนไมโครโฟนเอาไว้ซึ่งจริง ๆ แล้วมันคือ LNB หรือ Low Noise Blockdown Convertor สำหรับแปลงสัญญาณดาวเทียมให้มีสัญญาณรบกวนน้อยลงจากนั้นจึงเร่งสัญญาณให้เข้มขึ้น (Signal to Noise Ratio: SNR) จานทีวีบ้านเราเรียกว่า Front Feed (ในจานที่ LNB อยู่ตรงกลางพอดี) และ Offset Front Feed (ในจานที่ตัว LNB ไม่ได้อยู่ตรงกลางจาน) ซึ่งจาน Offset Front Feed นั้นจะมีตัวจานสะท้อนไม่สมมาตรเพื่อให้มันสะท้อนเข้าพอดีกับ LNB ที่ไม่ได้อยู่ตรงกลาง

ส่วนโค้งของจานนั้นเป็นรูปร่างที่เรียกว่า Parabolic Reflector Dish ซึ่งมีคุณสมบัติพิเศษด้วยความโค้งรูปร่าง Parabola ของมันจะทำให้ไม่ว่าสัญญาณใด ๆ ที่ลงมากระทบกับจานอันนี้ มันจะสะท้อนเขาจุด Focus จุดเดียวทั้งหมด จะมามุมไหนมาเลยทแยงยังไงก็ได้ขอแค่มันกระทบหน้าจานก็พอ ซึ่งแน่นอนว่าจุด Focus เป็นจุดที่สัญญาณจะเข้มที่สุดเพราะเป็นจุดที่จานสะท้อนรวมสัญญาณที่มันรับได้ไว้ทั้งหมด เราก็เอาตัวรับสัญญาณไปติดไว้ที่จุด Focus ก็เป็นอันเสร็จสิ้น

หลักการสะท้อนสัญญาณของ Parabolic Reflector Dish ในจานแบบ Offset Front Feed – ที่มา

หลักการทำงานของกล้องโทรทรรศน์ก็คล้ายคลึงกับจานทีวีบ้านเรา แต่ซับซ้อนกว่านั้นเพิ่มอีกนิดนึง เนื่องจากระยะทางของวัตถุทางดาราศาสตร์ต่าง ๆ นั้นห่างจากเรามาก ถึงมันจะแผ่สัญญาณวิทยุแต่ก็อ่อนกว่าสัญญาณจากดาวเทียมมากและอ่อนกว่าสัญญาณโทรศัพท์เราด้วยซ้ำ การที่จะรับสัญญาณที่อ่อนขนาดนั้นได้เราก็จะต้องเพิ่มขีดความสามารถในการรับสัญญาณของเราให้มากขึ้นนั่นก็คือเพิ่มขนาดของจานนั้นเอง

ให้นึกอย่างนี้ สมมุติว่าจานดาวเทียมเป็นเป้ายิงเลเซอร์ มีจานเล็กกับจานใหญ่ ให้ใครสักคน (เปรียบเป็นวัตถุทางดาราศาสตร์) ที่อยู่ห่างออกไปสัก 100 เมตร (ระยะทางของวัตถุทางดาราศาสตร์ส่งผลกระทบต่อการกระเจิงของคลื่น) สาดแสงเลเซอร์ (เปรียบเป็นสัญญาณวิทยุ) ออกมาทุกทิศทุกทางสัก 10,000 ลำแสงโดยแบ่งระยะแต่ละลำเท่า ๆ กัน คิดว่าจานไหนจะมีแสงเลเซอร์ตกกระทบเยอะสุด แน่นอนว่าต้องเป็นจานใหญ่ที่มีพื้นที่ผิวเยอะกว่า

ซึ่งจริง ๆ แล้วคลื่นวิทยุมันก็เดินทางเป็นลำเช่นกัน นั้นหมายความว่าหากเราอยากรับคลื่นที่เข้มขึ้นเราก็จะต้องขยายขนาดจาน นั้นเป็นที่มาว่าทำไมจานของกล้องโทรทรรศน์วิทยุถึงใหญ่หลัก 10 เมตรไปจนถึงหลัก 100 เมตร หรือใหญ่โคตร ๆ แบบจาน Spherical อย่าง Arecibo เส้นผ่านศูนย์กลาง 305 เมตร (แต่ถล่มไปแล้ว) หรือจาน FAST ที่ใหญ่ที่สุดตอนนี้ของโลกสร้างโดยประเทศจีนเส้นผ่านศูนย์กลาง 500 เมตร

กล้องโทรทรรศน์วิทยุ Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope (FAST) – ที่มา Absolute Cosmos

แต่จานที่เราจะเห็นบ่อย ๆ นั้นคือจานแบบที่มีฐานตั้งขนาดประมาณ 10 ถึง 40 เมตร ซึ่งมันก็จะได้เปรียบจานขนาดใหญ่ ๆ อย่าง FAST เรื่องการเคลื่อนไหว เพราะจานพวกนี้มักจะหมุนได้ ถ้าจะหมุนจาน FAST คงต้องหมุนทั้งโลกเพราะมันติดอยู่กับพื้นโลก จานมีฐานตั้งเลยจะสามารถเลือกวัตถุทางดาราศาสตร์ที่มันจะสำรวจได้ตราบใดที่วัตถุดังกล่าวอยู่เหนือพวกมัน

จานดาวเทียม DSS43 แบบ Cassegrain ขนาด 70 เมตรที่สถานี Deep Space Network ณ Canberra, Australia – ที่มา NASA/Canberra Deep Space Communication Complex

แล้วถ้าอยากได้จานขนาดใหญ่ ๆ ที่มันหมุนได้ล่ะ? เรื่องนั้นไม่ต้องห่วงเพราะจานฐานตั้งถึงมันจะเล็กกว่าจาน Spherical แต่มันเอาจานหลาย ๆ อันมาต่อให้เสมือนเป็นจานใหญ่ได้ เรียกว่า Aperture Synthesis หรือจะเอามาทำ Interferometry ก็ได้

อ่านบทความเกี่ยวกับการทำ Interferometry ได้ที่นี่ – รู้จัก Telescope Array เครือข่ายกล้องโทรทรรศน์ทั่วโลก เบื้องหลังการค้นพบทางดาราศาสตร์

Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) ที่ New Mexico ประกอบไปด้วยจานแบบ Off-axis Cassegrain ขนาด 25 เมตรกว่า 27 จาน – ที่มา NRAO

การรับและส่งสัญญาณของกล้องโทรทรรศน์วิทยุ

เมื่อเราทราบหลักการทำงานคร่าว ๆ ของกล้องโทรทรรศน์วิทยุแล้ว หลาย ๆ คนก็พอจะนึกภาพออกแล้วว่ามันทำงานยังไง การรับสัญญาณของกล้องโทรทรรศน์วิทยุนั้นแตกต่างกันไปในจานแต่ละแบบ ซึ่งจานแต่ละแบบก็จะมีข้อดีข้อเสียแตกต่างกันไป

จานรับสัญญาณนั้นส่วนใหญ่จะอาศัยหลักการเดียวกันก็คือใช้ Parabolic Reflector Dish เป็น Primary/Active Reflector ในการสะท้อนสัญญาณจากวัตถุทางดาราศาสตร์ที่มันกำลังสำรวจโดยตรง หันหน้าไปด้านไหนก็รับสัญญาณจากด้านนั้น ๆ มา (ซึ่งสัญญาณที่รับมาได้จริง ๆ แล้วเต็มจาน ไม่ใช่แค่เส้น ๆ แบนในภาพ) สัญญาณที่กระทบเข้ากับ Parabolic Reflector Dish จะถูกสะท้อนไปรวมกันที่จุด Prime Focus

การโฟกัสแบบ Prime Focus – ที่มา Antennas and Receivers in Radio Interferometry

จุด Prime Focus นี้เราอาจจะติดตั้ง Receiver ไว้โดยตรงเลยก็ได้ ก็จะเรียกว่าจานแบบ Front Feed ซึ่งถ้าติด Receiver ไว้ตรงนี้โดยตรงมันก็จะหลักการเดียวกับจานทีวีบ้านเราเลย แต่ข้อเสียคือเรื่องของการบำรุงรักษาจะทำได้ลำบากขึ้นเนื่องจาก Receiver นั้นจำเป็นต้องมี Amplifier หรือตัวเร่งสัญญาณที่จำเป็นต้องมีระบบหล่อเย็นอย่าง Cryogenic Cooling เพื่อลด Noise จากการแผ่รังสีของตัวมันเอง เช่น รังสี Infrared ซึ่งการจะบำรุงรักษาก็จะต้องเอาเครนมาปีนขึ้นไปบนตัว Receiver นั่นเอง

ดีไซน์ของจานดาวเทียมที่ติดตั้ง Receiver ที่บริเวณ Prime Focus – ที่มา Semantic Scholar

วิธีแก้ปัญหาหากเราไม่อยากไปติดตั้ง Receiver ที่จุด Prime Focus ก็คือการนำตัวสะท้อนอีกตัวที่เรียกว่า Hyperbolic Subreflector ไปติดตั้งไว้แทน Hyperbolic Subreflector จะทำหน้าที่สะท้อนสัญญาณที่ได้รับอีกทีผ่านอุโมงค์ที่เรียกว่า Feed horn (บริเวณที่สัญญาณใช้ผ่านทะลุเข้าไปหลังจาน) เข้าไปในโครงสร้างของตัวกล้องโทรทรรศน์ ซึ่งการทำแบบเป็นโมเดลที่เรียกว่า “Cassegrain”

การโฟกัสสัญญาณแบบ “Cassegrain Focus” – ที่มา Antennas and Receivers in Radio Interferometry

การโฟกัสสัญญาณแบบ Cassegrain นั้นเป็นหนึ่งในการโฟกัสที่ใช้หลากหลายที่สุดในวงการกล้องโทรทรรศน์วิทยุ เนื่องจากสัญญาณที่รับได้จะสะท้อนเข้ามาภายในโครงสร้างของยานทำให้ไม่ต้องไปติดตั้ง Receiver ที่บริเวณ Prime Focus แรก แต่สามารถมาติดตั้งที่จุด Focus ภายในได้นั่นเอง

การรับสัญญาณผ่านกล้องแบบ Cassegrain Focus – ที่มา NASA

และดีไซน์แบบนี้ก็ทำให้การส่งสัญญาณด้วยกล้องโทรทรรศน์เป็นไปได้ด้วย สามารถใช้เป็นจานสื่อสารได้ ซึ่งที่ใช้กันบ่อย ๆ ก็คือในจานสื่อสารของ Deep Space Network (DSN) นั่นเอง การส่งสัญญาณก็ไม่ซับซ้อนเพราะต้องทำเพียงแค่สลับขั้นตอนการรับสัญญาณเท่านั้น สลับเป็นส่งสัญญาณวิทยุออกมาจาก Feed Horn ให้ไปกระทบกับ Hyperbolic Subreflector จากนั้น Subreflector ก็จะสะท้อนสัญญาณออกไปกระทบ Primary Reflector แล้วจึงสะท้อนออกไปนอกอวกาศนั่นเอง

การส่งสัญญาณผ่านกล้องแบบ Cassegrain Focus – ที่มา NASA

แต่ส่วนใหญ่แล้ว Cassegrain Focus นั้นจะใช้แบบ Off-axis กล่าวคือจุดที่คลื่นจะเดินทางผ่าน Feed Horn ไม่ได้อยู่ตรงกลางเป๊ะ ๆ อาจจะเอียงไปทางใดทางหนึ่ง Primary Reflector และ Subeflector ก็จะถูกออกแบบมาให้ไม่สมมาตรเพื่อให้มันสะท้อนคลื่นไปยัง Feed Horn ที่ไม่ได้อยู่ตรงกลางพอดี เรียกดีไซน์แบบนี้ว่า “Off-axis Cassegrain”

ประโยชน์ของ Off-axis Cassegrain คือ การที่เราสามารถติดตั้ง Receiver สำหรับคลื่นความถี่ที่แตกต่างกันหลาย ๆ ตัวไว้ด้านหลัง Feed Horn รอบ ๆ บริเวณกลางจาน จากนั้นก็ทำ Feed Horn หลาย ๆ รูให้คลื่นสามารถผ่านได้ แล้วจึงออกแบบให้ Subreflector สามารถหมุนตามแกนได้ซึ่งจะทำให้สัญญาณที่สะท้อนมาสามารถเปลี่ยนรูเข้า Feed Horn ได้ จึงสามารถเปลี่ยน Receiver ที่ต้องการใช้รับสัญญาณได้เพียงแค่หมุน Subreflector เท่านั้น ใช้ในกล้องโทรทรรศน์หลากหลายมาก เช่น VLA, VLBA, และ ALMA (ALMA เล่นใหญ่หมุน Primary Reflector แม่ง)

หลักการทำงานของ Off-axis Reflextive Systems – ที่มา OSA Publishing

จากภาพข้างบนนั้นเป็นหลักการคล้าย ๆ กันที่ใช้ใน Off-axis Cassegrain (แต่อันนี้มันโชว์แค่ด้านเดียว) การหมุน Subreflector (M2) นั้นจะทำให้จุด M2 Focus นั้นเปลี่ยนไป ทั้งนี้เราสามารถติดตั้ง Feed Horn หลาย ๆ อันสำหรับแต่ละ Reflector ไว้ที่บริเวณแถว ๆ M2 Focus ได้เพื่อที่ว่าเมื่อเราหมุน Subreflector แล้ว คลื่นที่จะสะท้อนก็จะสะท้อนเปลี่ยนไปลง Feed Horn อันอื่น ๆ ได้ เพื่อเปลี่ยน Receiver นั้นเอง

ดีไซน์แบบนี้นิยมใช้ในกล้องที่ต้องเปลี่ยนคลื่นความถี่ที่มันสำรวจบ่อย ๆ ซึ่งการเปลี่ยนคลื่นความถี่จำเป็นต้องเปลี่ยน Receiver การทำแบบนี้จะทำให้การเปลี่ยนคลื่นความถี่สำรวจง่ายขึ้นเพียงแค่เอียง Subreflector เท่านั้น (Primary Reflector ในบางกล้อง)

Feed Circle ของกล้องโทรทรรศน์วิทยุแบบ Off-axis Cassegrain ใน VLA – ที่มา NRAO

หากสังเกตรูปของ Feed Horn ของกล้องโทรทรรศน์วิทยุ Karl G. Jansky Very Large Array หรือ VLA จะเห็นว่ามันมี Feed Horn หลายอันมาก ๆ เรียกว่า Feed Circle ซึ่งตัว Subreflector สามารถเอียงเพื่อให้สัญญาณตกลงบนอันใดอันหนึ่งได้นั่นเอง

กล้องโทรทรรศน์วิทยุแบบ Off-axis Cassegrain ใน Very Large Array

นอกจากนี้ Cassegrain Focus ยังสามารถนำมาติดตั้งสิ่งที่เรียกว่า “Beam Wave Guide” หรือ “BWG” ได้ BWG คือ การใช้ตัวสะท้อนสัญญาณหลาย ๆ ตัวมาสะท้อนสัญญาณไปมาเพื่อให้มันสะท้อนลงไปที่ฐานของกล้องโทรทรรศน์

การสะท้อนแบบ Beam Wave Guide – ที่มา Antennas and Receivers in Radio Interferometry

การสะท้อนแบบนี้คือการ “Guide” ลำคลื่นจนกว่ามันจะไปถึง Receiver มักใช้ในการสะท้อนคลื่นไปยัง Receiver ที่ต้องการการบำรุงรักษาสูง มีน้ำหนักมาก หรือระบบ Receiver ซับซ้อนเกินกว่าที่จะเอาไปไว้ใกล้ ๆ Feed Horn จึงจำเป็นต้องสะท้อนสัญญาณจนกว่ามันจะลงมาถึง Receiver ที่ชั้นล่าง

การสะท้อนสัญญาณแบบ Beam Wave Guide – ที่มา NASA

ซึ่งการสะท้อนทุกครั้งจะต้องแม่นยำพอสมควรเพื่อไม่ให้สัญญาณบางส่วนเกิดการ Distort ระบบแบบ BWG นี้จะจำเป็นใน Receiver ที่มีความไวสูงและต้องการการหล่อเย็นแบบมหาศาลเพื่อลดสัญญาณรบกวนอย่าง Cryogenic Cooling ซึ่ง Receiver ความไวสูงนั้นใช้สำหรับขยายสัญญาณที่มีกำลังอ่อนมาก ๆ และการขยายสัญญาณนั้นอาจทำให้ Noise เพิ่มขึ้นมาด้วย (อารมณ์เหมือนเอาภาพมืด ๆ มาเร่งแสง Noise ก็จะโผล่) Receiver Package จึงจำเป็นต้องมีการหล่อเย็นเพื่อลดสัญญาณรบกวนจากตัวพวกมันเอง ซึ่งจานที่ใช้ BWG ส่วนใหญ่จะเป็นจาน DSN ใน Deep Space Communication Network

และอีกดีไซน์ก็คือดีไซน์แบบ Nasmyth ที่จะมีตัวสะท้อนตัวที่ 3 หรือ Tertiary Reflector เพื่อสะท้อนสัญญาณจาก Feed Horn ไปยัง Receiver อีกที

การสะท้อนแบบ Nasmyth ที่มา Antennas and Receivers in Radio Interferometry

จานที่ใช้ดีไซน์แบบ Nasmyth ก็อย่างเช่น Owens Valley Radio Observatory (OVRO) ของ Caltech

จานขนาด 40 เมตรที่ Owens Valley Radio Observatory (OVRO) – ที่มา Caltech

หอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์วิทยุแห่งชาติ (TNRO)

กล้องโทรทรรศน์วิทยุที่หอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์วิทยุแห่งชาติหรือ TNRO ณ อำเภอดอยสะเก็ด จังหวัดเชียงใหม่ของ NARIT นั้นเป็นดีไซน์แบบ Cassegrain-Nasmyth ผสม Front Feed ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางจาน 40 เมตร มีต้นแบบมาจากกล้องที่ Yebes Observatory

กล้องโทรทรรศน์วิทยุต้นแบบของ TNRO ที่ Yebes Observatory – ที่มา Yebes

Cassegrain-Nasmyth นั้นเป็นการผสมกันระหว่าง Design แบบ Cassegrain และ Nasmyth ซึ่งข้างในนั้นมี Receiver หลายตัวที่สามารถปรับระบบสะท้อนสัญญาณไปยัง Receiver ที่แตกต่างกันได้ นอกจากนี้ความพิเศษของกล้องอันนี้คือการที่มันผสมระบบแบบ Front Feed เข้ามาด้วยคือบริเวณ Subreflector นั้นมันสามารถพลิกเป็น L Band Receiver เพื่อรับสัญญาณช่วงคลื่น L Band ได้ จึงทำให้กล้องตัวนี้จะมีสองโหมดการทำงานคือ “Cassegrain Mode” และ “Front Feed Mode”

จึงทำให้กล้องตัวนี้สามารถติดตั้ง Receiver เพื่อให้มันครอบคลุมช่วงคลื่นได้เป็นจำนวนมากจากการผสมผสานกล้อง 3 แบบเข้าด้วยกันนั่นเอง นอกจากนี้กล้องตัวนี้ยังสามารถติดตั้งระบบสำหรับส่งสัญญาณเพื่อใช้ในการสื่อสารกับยานอวกาศสำหรับรองรับกับภารกิจอวกาศในอนาคตอย่าง Thai Space Consortium ได้อีกด้วย

ในตอนนี้เหลือเพียงแค่ทำการยึดจานเข้ากับตัวฐานของจานและแกนหมุนพร้อมกับการ Counterweight balance ของตัวจานเวลาหมุน การติดตั้งจาน VGOS (VLBI 2020 Global Observing System) ขนาด 13 เมตรเพิ่มเติมสำหรับการรองรับการทำงานร่วมกับ VLBI Network และการติดตั้งอุปกรณ์ต่าง ๆ ภายในหอสังเกตการณ์ก็จะเป็นอันเสร็จสิ้นการก่อสร้างกล้องโทรทรรศน์วิทยุแห่งแรกของไทย

สามารถอ่านได้ในบทความ Thai National Radio Telescope พาชมกล้องโทรทรรศน์วิทยุของคนไทย 40 เมตร เจาะลึกการทำงาน

บทความอื่น ๆ เกี่ยวกับจานวิทยุ

เรียบเรียงโดย ทีมงาน SPACETH.CO





MORE