ปลายปี 2018 ยาน New Horizon ได้บินผ่านวัตถุวัตถุหนึ่งบริเวณแถบ Kuiper ณ​ ขอบของระบบสุริยะเลยวงโคจรของดาวพลูโตไป ชื่อ 2014 MU69 เมื่อดูจากชื่อแล้วทำให้เราทราบว่าเราค้นพบวัตถุนี้ในปี 2014 เกือบ 10 ปีหลังจากที่ยาน New Horizon ถูกส่งขึ้นไป นั่นทำให้การเดินทางไปยัง 2014 MU69 หรือในชื่อใหม่ “Ultima Thule” กลายเป็นการส่งยานไปสำรวจวัตถุที่ถูกค้นพบหลังจากการปล่อยยานเป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์

เรื่องราวการศึกษาวัตถุนี้ก็มีความน่าสนใจไม่แพ้กัน เนื่องจาก NASA เองต้องเลือกวัตถุที่จะให้ยาน New Horizon เดินทางไปสำรวจหลังจากเสร็จสิ้นการสำรวจดาวพลูโต ซึ่งการศึกษาวัตถุในแถบ Kuiper จะช่วยสร้างความเข้าใจเพิ่มเติมเกี่ยวกับการกำเนิดระบบสุริยะของเรา NASA จึงตั้งทีมเฉพาะกิจ KBO Chaser หรือนักล่าวัตถุสุดขอบระบบสุริยะขึ้น

ทีม KBO Chaser ขณะเตรียมสังเกตการณ์การเกิด Occultation ณ ประเทศอาร์เจนตินา ที่มา – NASA/A. Daynes

KBO Chaser ใช้ข้อมูลจากกล้อง Hubble กล้องโทรทรรศน์อวกาศ 2.4 เมตรที่โคจรอยู่บนวงโคจร Low Earth Orbit และยาน Gaia ของ ESA ศึกษา Ultima Thule รวมถึงการสำรวจจากภาคพื้นดินของกล้องโทรทรรศน์ VLT ประเทศชิลี แต่ข้อจำกัดของการศึกษา Ultima Thule ก็คือ มันมีขนาดที่เล็กมากและไม่มีแสดงในตัวเอง ปกติแล้วเราจะศึกษาวัตถุพวกนี้ เราต้องใช้เทคนิคการให้มันไปตัดหน้าดาวฤกษ์พื้นหลัง เรียกว่าการเกิด Occultation ซึ่งจะทำให้เราเห็น “เงา” Ultima Thule ทำให้โอกาสที่เงาของมันจะปรากฎนั้นต้องรอเวลาที่เหมาะสม ซึ่งนักดาราศาสตร์ได้คำนวณไว้แล้ว แต่การจะให้ Hubble ไปอยู่ตรงนั้น หรือย้ายหอดูดาวไปอยู่ใต้เงาขณะเกิด Occultation ย่อมเป็นไปไม่ได้ นักดาราศาสตร์จึงต้องอาศัย “หอดูดาวที่ถูกออกแบบให้ไปอยู่ตรงไหนก็ได้ในโลก เมื่อไหร่ก็ได้ พร้อมกล้องคุณภาพสูงที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้”

เครื่อง SOFIA เตรียมพร้อมสำหรับการขึ้นบิน ที่มา – NASA

10 กรกฏาคม 2017 เครื่องบิน Boeing 747 ติดกล้องโทรทรรศน์ขนาด 2.5 เมตร ชื่อว่า OSFIA หรือ “Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy” ถูกส่งให้บินขึ้นเพื่อนำตัวเองไปอยู่ภายใต้ “เงา” ของ Ultima Thule ซึ่งการเกิด Occultation จะเกิดเพียงไม่กี่วินาทีเท่านั้น จนสุดท้ายพวกเขาก็พาตัวเองไปอยู่ใต้เงาของ Occultation และได้ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับรูปร่าง รวมถึงรู้ว่า Ultima Thule ไม่มีเศษฝุ่นหรือวงแหวนที่อาจจะเป็นอันตรายต่อยาน New Horizon ขณะบินผ่าน

ทำไมเราถึงต้องการหอดูดาวบินได้

จากเรื่องราวของทีม KBO Chaser และเครื่อง SOFIA ก็อาจจะพอทำให้เรารู้แล้วว่าการมีหอดูดาวที่สามารถบินไปที่ไหนก็ได้สำคัญแค่ไหน ปรากฎการณ์ทางดาราศาสตร์นั้นประกอบไปด้วย 3 ข้อสำคัญก็คือ Right Place, Right Time และ Right Equipment นักดาราศาสตร์จะเข้าใจกันดีว่าการอยู่ผิดที่ (ซึ่งในตอนแรกทีม KBO Chaser ไปผิดที่) จะทำให้เราไม่ได้ข้อมูลอะไรเลย รวมถึงการอยู่ผิดเวลาแค่เสี้ยววินาทีปรากฎการณ์ท้องฟ้าก็ไม่ย้อนกลับมา Replay ให้เราเห็นอีกครั้ง และแม้ว่าเราจะอยู่ถูกที่ถูกทางแล้ว แต่ไม่มีเครื่องมือในการสังเกตก็ไม่มีประโยชน์ ดังนั้นอย่างเคสของ Ultima Thule ก็ชัดเจนมากว่า ต่อให้เราคำนวณจุดที่เกิด Occultation ได้ถูกต้องแต่เราไม่สามารถยกกล้อง 2.4 เมตรไปตั้งตรงนั้นได้ หรือยกไปตั้งได้แต่ฟ้าไม่เปิด มีเมฆ มีนกบินผ่าน มีคนไปสะดุดสายกล้อง เราก็อาจจะพลาดปรากฎการณ์นั้นไปได้ ด้วยเหตุนี้ SOFIA จึงเป็นเครื่องมือการแก้ปัญหาที่ดีมาก ๆ

SOFIA ขณะอยู่ในโรงเก็บ ณ กรุง Hamberg ประเทศเยอรมนี ที่มา – NASA/DLR

SOFIA นั้นใช้ 2 ประโยชน์สำคัญของการเป็นตัวมันเองได้แก่

  • สามารถเคลื่อนที่ไปที่ไหน เมื่อไหร่ก็ได้
  • มีกล้องโทรทรรศน์ 2.5 เมตรพร้อมอุปกรณ์ที่พร้อมและ Modify ได้ตลอดเวลา
  • บินอยู่เหนือระดับความสูงที่ชั้นบรรยากาศเบาบาง ไม่รบกวนการสังเกต

สำหรับในข้อแรกแน่นอนว่าพอมันเป็นเครื่องบิน เราสามารถบินไปตรงไหนก็ได้บนโลก ซึ่งต่างจากหอดูดาวปกติที่ตั้งอยู่ตรงไหนก็ต้องตรงนั้น แถมยังต้องไปตั้งบริเวณที่อากาศเบาบางหรือมีความชื้นน้อย เช่น บนภูเขา, กลางทะเลทราย ทำให้เรามักจะเป็นหอดูดาวใหญ่ ๆ ไปตั้งอยู่กลางทะเลทรายกันเยอะโดยเฉพาะในแถบประเทศชิลีหรืออาร์เจนตินา โดยกล้องพวกนี้จะมองเห็นซีกฟ้าใต้เป็นข้อจำกัดของการศึกษาวัตถุในซีกฟ้าเหนือ

เพราะ SOFIA บินอยู่เหนือชั้นบรรยากาศ ทำให้หยาดน้ำฟ้า (ฝน หมอก หิมะ น้ำค้าง) ไม่กระทบต่อการสำรวจ แถมยังอยู่เหนือแสงไฟจากเมืองซึ่งเป็นมลภาวะทางแสงที่สำคัญสำหรับนักดาราศาสตร์ทำให้เราสามารถสังเกตวัตถุท้องฟ้าได้แบบไร้การรบกวน

SOFIA ขณะบินคู่กับเครื่องบิน F-18 ของ NASA ที่มา – NASA

ตอนที่กล้อง Hubble เสียนั้น นักบินอวกาศต้องส่งกระสวยขึ้นไปซ่อมกันวุ่นวาย แต่ SOFIA นั้นเป็นเครื่องบิน บินขึ้นลงได้ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถปรับแต่งอุปกรณ์, ซ่อมแซม บำรุงรักษาตัว Instrument ต่าง ๆ ได้ง่าย และสามารถอัพเกรดความสามารถได้อยู่ตลอดเวลา

สามอย่างนี้เป็นข้อสำคัญที่ทำให้ SOFIA เป็นอุปกรณ์ที่ตอบโจทย์และอยู่ตรงกลางระหว่างกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดิน และกล้องโทรทรรศน์อวกาศได้อย่างดี

กว่าจะเป็นเครื่อง 747 พร้อมกล้องดูดาว และเบียร์เยอรมัน

เห็นประโยชน์ของมันขนาดนี้แล้ว เราอาจจะสงสัยกันว่าที่มาของ SOFIA เริ่มต้นมาได้อย่างไร ทำไมเราถึงอยู่ดี ๆ อยากจะเอากล้องขึ้นไปติดบน Boeing 747 ตรงนี้ต้องเล่าก่อนว่าจริง ๆ แล้ว SOFIA ถูกออกแบบมาเพื่อสังเกตการณ์ดาราศาสตร์อินฟราเรด เหตุผลก็คือวัตถุต่าง ๆ บนท้องฟ้ามีการปล่อยแสงในย่านคลื่นอินฟราเรดออกมา ไม่ว่าจะเป็นดาวนิวตรอน พัลซาร์ ดาราจักร ดาวฤกษ์ต่าง ๆ แต่ปัญหาคือชั้นบรรยากาศของโลกที่ทำให้คลื่นอินฟราเรดพวกนี้เดินทางลงมาไม่ถึงอุปกรณ์ภาคพื้นดิน

ภาพถ่ายเนบิวลาในช่วงคลื่นอินฟาเรดโดย SOFIA ที่มา – NASA/DLR

นักดาราศาสตร์ก็แก้ปัญหาด้วยการสร้างยานอวกาศต่างให้เน้นถ่ายภาพในย่านคลื่นอินฟราเรด เช่น กล้อง Chandra หรือกล้อง Splitzer แต่ก็อย่างที่บอกไปว่าข้อจำกัดของกล้องโทรทรรศน์อวกาศคือส่งแล้วไม่สามารถนำกลับมายังโลกเพื่อปรับปรุง ซ่อมแซม แก้ไขได้ ปัญหาไม่ได้อยู่ที่โลกหรืออวกาศ แต่อยู่ที่ “ชั้นบรรยากาศ” ต่างหาก ความสูงประมาณ 10 กิโลเมตร คือระดับเพดานบินของเครื่องบินโดยสารทั่วไป ซึ่งความสูงระดับนี้พอที่จะลดการรบกวนจากชั้นบรรยากาศได้มากกว่า 99% ทำให้แนวคิดเรื่องการตั้งกล้องสังเกตการณ์อินฟราเรดบนเครื่องบินเริ่มต้นขึ้น

เครื่อง C-414 Kuiper Airborne Observatory และภายในของมัน ที่มา – NASA

การนำเครื่องบินมาถ่ายภาพทางดาราศาสตร์เกิดขึ้นเมื่อ Gerard Kuiper ผู้ค้นพบแถบ Kuiper ได้นำเครื่อง Convair 990 ของ NASA มาบินถ่ายภาพดาวศุกร์ในปี 1965 ภายหลังไอเดียนี้ถูกพัฒนาต่อมาเป็น Kuiper Airborne Observatory หรือ KAO ติดกล้อง 0.9 เมตรบนเครื่องบินแบบ Lockheed C-141 ซึ่งผลงานสำคัญของมันคือการค้นพบวงแหวนของดาวยูเรนัสในปี 1977

ภาพถ่ายวงแหวนของดาวยูเรนัสจากกล้อง 0.9 เมตรบนเครื่อง KAO ที่มา – NASA

ในปี 1996 NASA จึงจับมือกับ German Aerospace Center (DLR) เพื่อร่วมกันพัฒนาเครื่องบินสำหรับถ่ายภาพทางดาราศาสตร์ในย่านอินฟราเรด ความเยอรมันนี้เองที่ช่วยให้ NASA พัฒนา SOFIA ให้มีศักยภาพสูงถึงขั้นนี้ เราอาจจะเคยดูคลิปรถถังของเยอรมันที่เอาเบียร์วางไว้ที่ปลายกระบอกปืนของรถถังแล้วขับรถถังไปแต่เบียร์ไม่หก เพราะความสามารถด้านวิศวกรรมขั้นสูงทำให้กระบอกปืนนิ่งและชี้ไปยังเป้าหมายแม้ว่าตัวรถถังจะเคลื่อนที่อยู่ก็ตาม (โคตรบ้าบอ)

จริง ๆ แล้วกรณีรถถังกับเบียร์ก็เกี่ยวข้องกับ SOFIA ตรง ๆ อย่าลืมว่า SOFIA เป็นเครื่องบินที่บินอยู่บนอากาศ และอากาศก็ไม่ได้นิ่งเรียบสม่ำเสมอ เครื่องบินอาจจะตกหลุมอากาศหรือเจอลมปะทะที่ทำให้ส่ายไปมาได้ แต่กล้อง โดยเฉพาะการถ่ายภาพปรากฎการณ์ทางดาราศาสตร์เรียกได้ว่าเป็นการถ่ายภาพที่ Sensitive มาก แม้กระทั่งกล้องอยู่บนพื้นดิน ยังต้องมีการออกแบบเสาเข็มของกล้องให้แยกจากเสาเข็มของอาคารเพื่อป้องกันการสั่นสะเทือนเวลาที่คนเดิน การสร้างกล้องโทรทรรศน์บนเครื่องบินจึงเป็นสุดยอดความท้าทายทางวิศวกรรม

SOFIA ในศูนย์ซ่อมบำรุงที่ประเทศเยอรมนี ที่มา – NASA/DLR

ในขณะที่ NASA รับผิดชอบด้านเครื่องบิน (ใช้เงินแก้ปัญหา) DLR ก็รับผิดชอบด้านตัวกล้องและวิศวกรรมต่าง ๆ ซึ่ง DLR ก็ได้กระจายการพัฒนาออกไปทั่วยุโรป ตัวกล้องทำที่เยอรมนี กระจกทำที่ฝรั่งเศสส่งไปเคลือบที่อเมริกา ตัวฐานทำที่ประเทศสวิสเซอร์แลนด์ จนสุดท้ายเครื่อง SOFIA ก็ทำการบินครั้งแรกได้ในปี 2007

ความไร้ขีดจำกัดในการออกแบบและติดตั้งอุปกรณ์ใหม่ ๆ

เหตุผลที่เรายกตัวอย่างกรณีของการสำรวจ Ultima Thule ของทีม KBO Chaser มาก็เพราะว่ามันเกี่ยวข้องกับ Gerard Kuiper อย่างบัญเอิญ เนื่องจาก Kuiper คือคนแรกที่เอาเครื่องบินมาเป็นหอดูดาว และผลงานของ SOFIA ล่าสุดก็คือการสำรวจแถบ Kuiper เพื่อเคลียร์ทางให้ยาน New Horizon ด้วยการทำลายขีดจำกัดของดาราศาสตร์ภาคพื้นดินของมัน

แต่ทางด้านของดาราศาสตร์อินฟาเรด มันก็ทำได้ดีมาก ๆ ไม่แพ้ยานอวกาศอย่าง Chandra หรือ Splitzer ที่ออกแบบมาสำหรับการถ่ายภาพในย่านอินฟราเรดโดยเฉพาะเลย

Eric Becklin นักดาราศาสตร์อินฟราเรด หัวหน้าฝ่ายวิทยาศาสตร์ของโครงการ SOFIA ที่มา – NASA

Instrument บน SOFIA นั้นหลัก ๆ ประกอบไปด้วย เซ็นเซอร์รับภาพ CCD ที่รับภาพจากกระจกสะท้อนขนาด 2.5 เมตร และ Spectrometers สำหรับตรวจสอบธาตุองค์ประกอบจากการแยกคลื่นแสงที่เดินทางมาถึง นอกจากนี้มันยังสามารถติดตั้งอุปกรณ์ใหม่เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ตามรูปแบบของภารกิจที่จะใช้ เช่น High-resolution Airborne Wideband Camera-Plus (HAWC+) ที่ NASA พัฒนาขึ้นมาในปี 2017 สำหรับการศึกษาสนามแม่เหล็กของวัตถุท้องฟ้า

อุปกรณ์ HAWC+ ทำแผนที่สนามแม่เหล็กของวัตถุท้องฟ้า กรณีนี้คือภาพการกำเนิดดาวฤกษ์ ที่มา – NASA/SOFIA/Caltech/Darren Dowell

อย่างเช่นภาพด้านบนนี้เป็นภาพที่แสดงสนามแม่เหล็กของดาวฤกษ์ในระหว่างก่อตัว (Star Formation) ที่ถ่ายในบริเวณหนึ่งของกลุ่มดาว Cassiopeia ห่างออกไปจากโลก 6,200 ปีแสง

นอกเหนือจากภารกิจที่ต้องอาศัยหอดูดาวบินได้ลำนี้แล้ว SOFIA ยังคงสร้างผลงานใหม่ ๆ ผ่านขีดความสามารถทางด้านดาราศาสตร์อินฟราเรดตามที่มันถูกออกแบบไว้ มันสามารถศึกษาและสร้างแผนที่สนามแม่เหล็กของเนบิวลาโอไรออนได้อย่างน่าทึ่ง

ทิศทางของเส้นสนามแม่เหล็กที่ได้จากข้อมูลของ SOFIA ทับซ้อนอยู่บนภาพของเนบิวลาโอไรออน ที่มา – NASA/SOFIA/Caltech/Darren Dowell

ปัจจุบัน SOFIA ยังคงถูกใช้งานเป็นกล้องโทรทรรศน์ลอยฟ้าอเนกประสงค์ที่ถูกปรับเปลี่ยนเข้ากับงานที่ต้องการได้ ความสามารถของมันช่วยสานต่อขีดจำกัดของการศึกษาวัตถุท้องฟ้าและอยู่ในช่องว่างระหว่างการศึกษาด้วยกล้องภาคพื้นดินและกล้องโทรทรรศน์อวกาศ ในระหว่างที่กล้อง James Webb Space Telescope ยังไม่เสร็จเสียที (ฮา)

เปรียบเทียบระหว่างภาพที่ได้จาก SOFIA และ Hubble ของ Quintuplet cluster กระจุกดาวเกิดใหม่ที่ต้องอาศัยการศึกษาในย่าน อินฟราเรด เอ็กซ์เรย์ และดาราศาสตร์วิทยุเท่านั้น ที่มา – NASA/SOFIA/ESA/Hubble

เรื่องราวเหล่านี้แสดงถึงความน่าทึ่งในการออกแบบการทดลอง จะสังเกตว่าตอนแรกทุกอย่างเกิดจากปัญหาว่าการศึกษาดาราศาสตร์อินฟราเรดบนโลกเป็นไปได้ยากเนื่องจากชั้นบรรยากาศ Kuiper จึงนำเครื่องบินมาใช้

จากนั้นเมื่อผลออกมาดี การศึกษาในครั้งนั้นส่งผลให้เกิดการพัฒนาต่อ ตั้งคำถามต่อมาเรื่อย ๆ เกิดเป็น Demand ทางวิทยาศาสตร์ขึ้น เป็นหนึ่งในวิธีการครอบครองเทคโนโลยีที่ยั่งยืน เราไม่ปฏิเสธว่าเครื่อง Boeing 747 ลำนึงไม่ใช่ราคาถูก ๆ และกล้องดูดาว 2.5 เมตรก็ไม่ใช่ราคาถูก ๆ แต่ในเมื่อมันมีคนใช้ มีความต้องการ ก็ไม่แปลกที่มันจะถูกสร้างขึ้นมา สิ่งประดิษฐ์ทางวิทยาศาสตร์ชิ้นแล้วชิ้นเล่าสร้างขึ้นมาเป็นส่วนหนึ่งของการ “ออกแบบการทดลอง” ซึ่งเป็นหนึ่งในกระบวนการทางวิทยาศาสตร์

ต่อให้มีเทคโนโลยีขั้นสูงอยู่ในมือแค่ไหน ถ้ามันไม่ได้เกิดจากความต้องการที่จะแก้ไขปัญหาบางอย่างตอนแรก สิ่งนั้นย่อมไม่ถูกใช้งานให้เกิดประโยชน์สูงสุด ดังนั้นการลงทุนในคนจึงสำคัญมาก ๆ เพราะมันกระตุ้นให้เกิดความสงสัย เกิดความอยากรู้ และเกิดเป็นโจทย์ที่อาศัยความรู้ด้านวิทยาศาสตร์ วิศวกรรม จนสุดท้ายมันก็จะเป็นวงจรเช่นนี้ต่อไปเรื่อย ๆ


อ้างอิง
HWAC+ – Universities Space Research Association
SOFIA Overview – NASA
History of Airborne Astronomy at NASA
SOFIA to Make Advance Observations of Next New Horizons Flyby Object



บทความที่เกี่ยวข้อง