SpaceX ส่งยาน TESS ของ NASA สู่วงโคจรพิเศษ ไล่ล่าดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ

ดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะหรือที่เรียกกันว่า Exo-Planet นั้น ปัจจุบันได้มีการค้นพบแล้วกว่า 3,000 ดวง ซึ่งผลงานนี้ก็ต้องยกให้ความสามารถของทีม Kepler กับกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Kepler ที่ทำงานมาตั้งแต่ปี 2009 และกำลังจะหมดอายุภารกิจในอีกไม่นาน โดย NASA ได้มีการออกแบบยานอวกาศลำใหม่ชื่อว่ายาน TESS ย่อมาจาก Transiting Exoplanet Survey Satellite ที่จะทำหน้าที่สานต่อภารกิจของยาน Kepler

ย้อนกลับไปในปี 2013 ภารกิจ TESS ได้ผ่านการอนุมัติจาก NASA หลังจากที่มันเคยถูกเสนอก่อนหน้านี้แต่ข้อเสนอก็ได้ถูกตัดตกไปในปี 2006 ซึ่งในตอนนั้นมีเพียงบริษัทบางบริษัทที่ให้ทุนเท่านั้น (Google ก็เป็นหนึ่งในนั้นด้วย) หลังจากทำการศึกษาอย่างละเอียดแล้ว NASA ก็อนุมัติการสร้างยาน TESS ในปี 2015 หลังจากที่ NASA ได้เลือกให้ SpaceX เป็นผู้ทำการปล่อยยานลำนี้

มีเรื่องที่น่าสนใจก็คือตัวยาน TESS มีมูลค่า 75 ล้านเหรียญ ในขณะที่ SpaceX คิดค่าปล่อยที่ 87 ล้านเหรียญ ทำให้ค่าปล่อยยานสูงกว่ามูลค่าของตัวยานเองเสียอีก

การปล่อยยาน TESS

การปล่อยยาน TESS นี้เป็นการปล่อยยานอวกาศให้กับ NASA เป็นครั้งที่ 3 หลังจากที่ก่อนหน้านี้ SpaceX เคยได้รับมอบหมายให้ปล่อยยาน DSCOVR ยานสำรวจดวงอาทิตย์ และยาน JASON-3 ยานสำรวจภาพพื้นสมุทร (ถ้าไม่นับการส่งยาน Dragon ขึ้นสู่สถานีอวกาศนานาชาติให้กับ NASA)

ยาน TESS เมื่อเทียบกับขนาดของคน ที่มา – NASA/MIT

การปล่อยมีขึ้นที่ฐานปล่อย LC-40 ณ แหลมเคอเนอเวอรัล ฐานปล่อยประจำของ SpaceX จรวดที่ใช้ยังคงเป็นจรวด Falcon 9 เช่นเดิม  Falcon 9 ที่ใช้เป็น Falcon 9 หมายเลข B1045 ซึ่งเป็นจรวดลำใหม่แกะกล่องยังไม่เคยผ่านการใช้งานมาก่อน แต่ก็ยังเป็น Falcon 9 รุ่นเก่าในรุ่น Block 4 ที่ SpaceX กำลังจะแทนที่ด้วยรุ่นใหม่ Block 5 ในอีก 1-2 ภารกิจข้างหน้า ทำให้นี่จะเป็นภารกิจสุดท้ายที่ใช้งาน Falcon 9 Block 4 ลำใหม่

เอายานสูง 2 เมตรมาใส่ใน Fairing 7 เมตร เพื่อส่งโดยตรวจสูง 70 เมตร ที่มา – NASA Instagram

เนื่องจากยาน TESS มีขนาดเล็กมากและหนักเพียงแค่ 300 กิโลกรัม ทำให้เหลือช่องว่างใน Payload Fairing ค่อนข้างเยอะ จนเกิดเป็นรูปที่เหมือนภารกิจนี้จะดูไม่คุ้มยังไงก็ไม่รู้ (ฮา)

สำหรับสิ่งที่พิเศษในภารกิจนี้นั้นก็คือ SpaceX จะมีการทดสอบเก็บกู้แทบจะทุกชิ้นส่วนของจรวดได้แก่

• First Stage จะกลับมาลงจอดบน DroneShip เช่นเดิม
• Second Stage จะมีการทดสอบเก็บกู้ด้วยการใช้บอลลูน
• Payload Fairing ทดสอบเก็บกู้ด้วยการใช้ร่มชูชีพเช่นเดิม (แต่จะลงจอดบนน้ำแทน)

ก่อนหน้านี้ SpaceX มีแผนจะปล่อยยาน TESS ในวันที่ 17 เมษายน แต่เนื่องจากมีการตรวจสอบของทางฝั่ง GNC หรือ Guidance Navigation and Control จึงมีการเลื่อนการปล่อยมาในวันที่ 19 เมษายน

ภาพของ Payload Fairing ที่ด้านในบรรจุยาน TESS ของ NASA ที่มา – SpaceX

จรวด Falcon 9 พุ่งขึ้นจากฐานปล่อย ณ เวลา ตีห้าห้าสิบตามเวลาประเทศไทย หลังจากที่พุ่งขึ้น 2 นาทีครึ่ง จรวดท่อนแรกก็แยกตัวออก ก่อนที่จะกลับมาลงจอดบน Droneship ชื่อ Of Course I Still Love You ตามปกติ โดยการลงจอดก็เป็นไปอย่างสวยงามเช่นทุกครั้ง หลังจากที่จรวดลงจอด SpaceX ก็ได้ใช้หุ่นยนต์ที่ประจำอยู่บนเรือมาทำการล็อก Falcon 9 เข้ากับตัวเรือไว้ไม่ให้ล้ม ซึ่งก่อนหน้านี้จะต้องมีการส่งทีมงานขึ้นไปล็อก Falcon 9 ด้วยโซ่ แต่ก็เสี่ยงต่ออุบัติเหตุ Falcon 9 ล้มใส่ทีมเก็บกู้ SpaceX จึงนำหุ่นยนต์มาใช้แก้ปัญหานี้

จรวดท่อนที่สองจะยังคงทำงานต่อเป็นเวลา 48 นาทีก่อนที่จะทำการปล่อยยาน TESS ออก โดยสำหรับวงโคจรที่ยาน TESS จะไปอยู่ก็คือ High-Earth Eliptical Orbit ซึ่งเป็นวงโคจรแบบวงรี (มีจุดที่ห่างออกไปจากโลก และเข้ามาใกล้โลก)  โดยจะอธิบายอย่างละเอียดในหัวข้อต่อไป

โดยตัวยาน TESS นั้นจะแยกทางกับตัว Second Stage และเดินทางไปยังจุดนี้เองด้วยเชื้อเพลิงบนตัวยาน (ใข้การ Burn อาจจะมากถึง 11 ครั้ง) ทำให้ Second Stage ของ Falcon 9 ไต่ขึ้นไปที่วงโคจรไม่สูงมาก และ SpaceX มีแผนการที่จะทำ Second Stage ของจรวดกลับมายังโลกด้วยการใช้บอบลูน โดยหลังจากการ Burn รอบที่สองเพื่อทำการปล่อยยาน TESS ให้อยู่ใน Hight Earth Transfer Orbit นั้น หลังจากที่ทำการปล่อยยาน TESS แล้ว Second Stage จะทำการ Burn อีกครั้งเพื่อให้สามารถกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศได้

ส่วนตัวยาน TESS นั้น จะใช้ Gravity Assist จากดวงจันทร์​ในการเหวี่ยงตัวเองขึ้นไปทำมุม Inclination ประมาณ 40 องศา

สรุป Timeline Event ของการส่งยาน TESS

• จรวด Falcon 9 พายาน TESS ขึ้น
• First Stage และ Second Stage แยกตัว หลังปล่อยไป 2 นาที 30 วินาที
• Second Stage ทำการ Burn ต่อ 6 นาทีจากนั้นดับเครื่องยนต์ ตอนนี้ยาน TESS อยู่ที่ Low Earth Parking Orbit และรอเวลา
• เมื่อถึงจุดที่กำหนดไว้ Second Stage จุดเครื่องอีกครั้ง ในนาทีที่ 43 หลังการปล่อย เพื่อทำการ Burn เป็นเวลา 1 นาที
• ยาน TESS ถูกปล่อยออกจาก Second Stage และเดินทางไปที่วงโคจรระดับความสูง 600 กิโลเมตร
• จากนั้นเชื้อเพลิงบนยานจะทำการ Burn ทำให้ Apogee ของยาน (จุดที่สูงที่สุดของวงโคจร) สูงขึ้นไปถึง 250,000 กิโลเมตร
• จากนั้นจะทำการ Burn เช่นนี้ไปเรื่อย ๆ เมื่อยานกลับมาอยู่ที่ความสูง 600 กิโลเมตร สุดท้ายแล้ว Apogee จะไต่ไปถึง 400,000 กิโลเมตร
• ยานจะได้รับผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์เหวี่ยงยานให้ไปอยู่ในวงโคจรที่ออกแบบไว้ และจะมีการทำการ Burn อีก 2-3 ครั้งเพื่อปรับให้ยานมาอยู่ในวงโคจรที่กำหนด
• สุดท้าย ยาน TESS ทำมุม 40 องศากับระนาบการโคจรของดวงจันทร์ มีจุดที่โคจรเข้ามาใกล้โลกมากที่สุดที่ (Perigee) 108,000 กิโลเมตร และห่างไปจากโลกที่สุดที่ (Apogee) 375,000 กิโลเมตร

รูปแบบการนำยาน TESS เข้าสู่วงโคจรที่ปรากฏใน Paper ของ  NASA Goddard Space Flight Center ที่มา – NASA/MIT

วงโคจรพิเศษที่ไม่เคยใช้มาก่อน

สำหรับวงโคจรที่ TESS ใช้นั้นเป็นวงโคจรที่ถูกออกแบบมาเป็นพิเศษ ซึ่งนอกจากการปล่อยที่ค่อนข้างซับซ้อนแล้ว (ใช้แรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์ในการเหวี่ยงตัวเองขึ้นไป) ยังมีการออกแบบที่มีแนวคิดสำคัญคือ วงโคจรของยาน TESS จะต้องเสถียรโดยไม่ได้รับอิทธิพลจากแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์มาเปลี่ยนทิศทาง (เนื่องจากหากวางยาน TESS ในแนวระนาบเดียวกับดวงจันทร์ ทุกครั้งที่มันโคจรเข้าใกล้ดวงจันทร์มันจะถูกดึงโดยแรงโน้มถ่วง และวงโคจรจะไม่เสถียร)

Goddard engineers Chad Mendelsohn, Trevor Williams และ Don Dichmann นักฟิสิกส์วงโคจร 3 คนที่ออกแบบวงโคจรนี้ มีชื่อปรากฏใน Paper อ้างอิงด้านล่าง ที่มา – NASA/MIT

NASA แก้ปัญหานี้ด้วยการออกแบบวงโคจรของ TESS ให้ทำมุม 40 องศากับระนาบโคจรของดวงจันทร์ มีจุดที่โคจรเข้ามาใกล้โลกมากที่สุดที่ 108,000 กิโลเมตร และห่างไปจากโลกที่สุดที่ 375,000 กิโลเมตร ใช้เวลาในการโคจรรอบโลกทั้งหมด 13.7 วัน ซึ่งเป็นครึ่งนึงของเวลาการโคจรของดวงจันทร์ ทำให้มันไม่ได้รับอิทธิพลจากวงโคจรของดวงจันทร์

นอกจากนี้ในช่วงที่มันเข้าใกล้โลก ยาน TESS จะใช้โอกาสนี้ในการหันเสาสัญญาณและส่งข้อมูลที่มันทำการสำรวจได้กลับมายังโลก ทำให้ไม่ต้องใช้เสาสัญญาณขนาดใหญ่ในการรับสัญญาณ

เหตุผลที่ยาน TESS ใช้วงโคจรแบบนี้ก็เพราะว่าภารกิจ TESS นั้นเป็นภารกิจที่ต้องการประหยัดงบ ซึ่งข้อดีของวงโคจรแบบนี้ก็คือ

• ไม่อยู่ใกล้โลกจนเกินไป ทำให้สามารถมองเห็นได้รอบทิศทาง ไม่โดนโลกบัง
• ไม่อยู่ไกลโลกจนเกินไป เหมือนภารกิจ Kepler ที่ไปโคจรรอบดวงอาทิตย์ ทำให้ต้องใช้พลังงานมากในการสื่อสารกับโลก และต้องใช้จานรับสัญญาณขนาดใหญ่คือ Deep Space Network
• ใช้ต้นทุนน้อยกว่าในการส่ง ซึ่งยาน Kepler นั้นถูกส่งโดยจรวด Delta II ซึ่งมีค่าส่งแพงกว่า Falcon 9ช

เราเรียกวงโคจรแบบนี้ว่า P/2 Orbit (2:1 lunar resonant orbit) ด้วยหลักการ Orbital resonance  ซึ่งไม่เคยมีการใช้มาก่อนโดยยานอวกาศลำใดในประวัติศาสตร์ แต่ก่อนหน้านี้เคยมียานที่ใช้วงโคจรแนว ๆ เดียวกัน คือวงโคจร P/3 Orbit คือยาน Interstellar Boundary Explorer หรือ IBEX ที่ใช้หลักการ Resonance เช่นกัน (ซึ่งทำให้นักฟิสิกส์วงโคจรมองว่าวงโคจรแบบนี้สามารถทำได้จริง)

ซึ่งถ้าหากเรามองวงโคจรนี้ใน Frame อื่น (ไม่รู้จะเรียกว่าอะไรดี) วงโคจรที่ออกมานั้นจะเห็นเป็น resonance อย่างชัดเจน

ภารกิจของยาน TESS

นักดาราศาสตร์ประเมินไว้ว่ายาน TESS จะค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะหรือ Exo-Planet กว่า 1,000 ดวง และเพิ่มเข้ามาในฐานข้อมูลของเรา ที่กล้องโทรทรรศน์อวกาศ Kepler ได้สร้างไว้ให้กลายเป็นฐานข้อมูล Exo-Planet ที่มากที่สุดกว่า 3,000 ดวง เทคนิคที่ยาน TESS ใช้นั้นก็จะเหมือนกับการตรวจหาดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะทั่วไป คือการใช้การ Transit ตัดหน้าดาวแม่ของมัน แล้วทำการวิเคราะห์แสงที่หรี่ลงไป หรือสเป็คตรัมของแสงที่ผ่านมาได้ รวมถึงเวลาที่เกิดขึ้น ในการดูว่าดาวเคราะห์ดวงนั้นมีลักษณะเป็นอย่างไร วงโคจรแบบไหน และมีโอกาสที่จะมีสิ่งมีชีวิตหรือไม่

ภาพจำลองยาน TESS ที่มา – NASA

ล่าสุดได้มีการทำเทคโนโลยี Machine Learning มาใช้ และก่อนหน้านี้ NASA ก็ได้ทำการ ค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะด้วย Machine Learning มาแล้ว เดิมนี้แล้วการค้นพบทางดาราศาสตร์จะต้องอาศัยการสังเกตการโดยมนุษย์และคอมพิวเตอร์ที่ยังใช้การเขียนโปรแกรมแบบดังเดิม แต่ในครั้งนี้ด้วยการสอนคอมพิวเตอร์แบบ Machine Learning ทำให้นับว่าเป็นหนึ่งในความสำเร็จของทั้งฝั่งดาราศาสตร์ และวิทยาการคอมพิวเตอร์

ภารกิจหลักของยาน TESS ที่จะทำก็คือ

• ทำการมองไปยังดาวฤกษ์ใกล้ ๆ กว่า 200,000 ดวงเพื่อค้นหาดาวเคราะห์ที่โคจรรอบมัน
• เน้นการค้นหาดาวเคราะห์คล้ายโลกเป็นหลัก
• มีมุมมองกว้างกว่ายาน Kepler ถึง 400 เท่า

อธิบายง่าย ๆ ก็คือในขณะที่ยาน Kepler มีมุมที่แคบแต่ลึก ยาน TESS จะมีมุมมองที่ตื้นกว่าแต่สามารถค้นหาได้ 360 องศาในทุกมุมของท้องฟ้า เหมือนกับยาน Kepler ใช้การค้นหาในแบบไฟฉาย แต่ยาน TESS ใช้การค้นหาแบบหลอดไฟ คือส่องบริเวณรอบตัวเองในทุกมุมนั่นเอง ซึ่งก็ทำให้โอกาสที่เราจะค้นพบดาวเคราะห์คล้ายโลกที่ใกล้ ๆ กับระบบสุริยะของเรามีมากขึ้น

ดวงตาสำคัญของยาน TESS นี้ก็คือกล้องเซนเซอร์แบบ CCD ทั่วไป ความละเอียด 16.8 ล้านพิกเซล ค่า f/1.4 สร้างโดย MIT โดยมันจะทำงานร่วมกับระบบคอมพิวเตอร์บนยาน  ที่ใช้ซีพียู  Freescale P2010 e500 พร้อมกับแรม DDR2 1 GB และ SSD ขนาด 4 GB ด้วยเหตุผลด้านพลังงาน (ยาน TESS ถูกออกแบบมาให้ใช้พลังงานน้อยมาก)

การแบ่งท้องฟ้าเป็นแต่ละ Sector เพื่อทำการสำรวจ ที่มา – NASA/MIT

ยาน TESS ได้ทำการแบ่งท้องฟ้าออกเป็น 26 Sector ทางซีฟ้าเหนือ 13 Sector และซีฟ้าใต้ 13 Sector โดยยาน TESS มีภารกิจการสำรวจนาน 2 ปี ทำให้มีเวลาสำรวจทั้งสองซีกฟ้า 1 ปีเท่านั้น ในแต่ละ Sector จะถูกสำรวจโดยใช้เวลา 27.4 วัน (เท่ากับการโคจรรอบโลก 2 ครั้ง) หลังจากที่สำรวจเสร็จแล้วยานจะปรับหมุนตัวเองเพื่อส่องกล้องไปสำรวจ Sector ถัดไป

ดาวเคาาะห์นอกระบบสุริยะที่มีลักษณะคล้ายโลก ที่ซักวันหนึ่งอาจจะเป็นเป้าหมายการเดินทางของมนุษย์ ที่มา – NASA/JPL

นอกจากนี้การทำงานของยาน TESS จะปูทางไปสู่การสำรวจของกล้อง James Webb Space Telescope ในอนาคต ซึ่งกล้อง JWST นั้นจะมีกล้องมุมแคบทำให้ให้สามารถสังเกตจุดใดจุดหนึ่งของท้องฟ้าได้อย่างต่อเนื่อง TESS จึงออกแบบแต่ละ Sector ให้มีการทับซ้อนกันในซีกฟ้าเหนือ (จุดที่ JWST จะทำการสำรวจอย่างต่อเนื่อง) เพื่อเก็บข้อมูลบริเวณนั้นให้ได้มากที่สุดก่อนที่จะถูกถ่ายภาพด้วยกล้องมุมแคบแต่ลึกของ JWST

อ้างอิง

Scott Manly Video

PowerPC Processor for TESS Planet Hunter

TESS  Operations Launch and orbit

IBEX Orbit Visualization

TESS Science