ย้อนกลับไปในอดีต การสังเกตวัตถุบนท้องฟ้านั้นเครื่องมือที่แม่นยำที่สุดที่เรามีก็คือตา มนุษย์ใช้ตามองท้องฟ้ามาเป็นเวลาหลายพันหลายหมื่นปีและจดบันทึกลงในกระดาษเรื่อยมาจนถึงยุคที่มนุษย์รู้จักการประดิษฐ์กล้องโทรทรรศน์ ดวงตาที่ใหญ่ขึ้นทำให้เราสามารถสังเกตการวัตถุบนท้องฟ้าได้ชัดเจนขึ้น กาลิเลโอ ค้นพบความไม่สมบูรณ์ของวัตถุแห่งสวรรค์จากดวงตาดวงใหญ่ของเขา

ในขณะที่การพัฒนากล้องโทรทรรศน์วิทยุ ไม่ได้แค่ช่วยให้เรามองเห็นด้วยตา แต่ทำให้เราสัมผัสได้ในทุกย่านความถี่ ทุกสิ่งที่ดวงดาวดวงหนึ่งจะปล่อยออกมาได้ ในขณะที่ Optical Telescope กำลังมองท้องฟ้าด้วยตา Radio Telescope ก็ฟังเสียงท้องฟ้าด้วยหู และ Gravitational Messurment เช่น LIGO ก็กำลังสัมผัสผิวจักรวาลที่พริ้วไหวเหมือนผ้าจากความโน้มถ่วง เราเรียกสิ่งนี้ว่าพหุพาหะดาราศาสตร์ หรือ Multi-messenger Astronomy

ก่อนหน้านี้เราเคยพาไปชมกล้องโทรทรรศน์บนดอยอินทนนท์ ซึ่งเป็นดวงตามองท้องฟ้าสัญชาติไทยไปแล้ว ในตอนนี้หลายคนอาจจะไม่รู้ว่าเรากำลังจะก้าวไปอีกขั้นด้วยการฟังเสียงของจักรวาลด้วยฟีมือและวิศวกรรมของคนไทยเอง

ทีมงานเดินทางมาที่ดอยสะเก็ด จังหวัดเชียงใหม่ เพื่อชมการก่อสร้างของกล้องโทรทรรศน์วิทยุขนาด 40 เมตร ที่อยู่ท่ามกลางป่าเพื่อป้องกันสัญญาณรบกวนจากเสียงทางอิเล็กโทรนิกที่ดังจากกิจกรรมต่าง ๆ ของมนุษย์และเตรียมพร้อมรับแสงแรกในปี 2563

ก่อนจะพาไปชมการก่อสร้างกล้องโทรทรรศน์วิทยุ 40 เมตร แห่งแรกของคนไทย อยากให้เข้าใจก่อนว่า กล้องโทรทรรศน์วิทยุคืออะไร หลักการทำงานของมัน

อะไรคือกล้องโทรทรรศน์วิทยุ

หากพูดถึงกล้องดูดาว หรือกล้องโทรทรรศนืในช่วงคลื่นแสงที่ตาสามารถมองเห็นได้แล้ว คนส่วนใหญ่จะนึกถึงกล้องดูดาวมีขาตั้งสามขา ตัวกล้องเรียวยาว มีเลนส์อยู่ปลายทั้งสองข้างหรือกล้องโทรทรรศน์แบบดอบโซเนียน แต่พอเราพูดถึงกล้องโทรทรรศน์วิทยุแล้ว หลายคนก็คงจะนึกภาพไม่ออกว่าเราจะดูดาวจากมันได้ยังไง มันมีลักษณะเป็นยังไง จะเหมือนกับวิทยุที่เราใช้สื่อสารกันหรือเปล่า

หลักการทั่วไปของกล้องโทรทรรศน์วิทยุก็คล้ายกับการทำงานของกล้องโทรทรรศน์ทั่วไปคือ รวบรวมแสงด้วยเลนส์หรือกระจก ขยายภาพด้วยเลนส์ตาหรืออุปกรณ์อื่น ๆ และค่อยมาปรับโฟกัสให้ภาพชัดเจนขึ้น แต่ทว่าคลื่นวิทยุมีคุณสมบัติที่แตกต่างจากคลื่นแสงที่ตามองเห็น จึงต้องมีอุปกรณ์ที่ใช้ในกระบวนการต่าง ๆ แตกต่างกันออกไป มีหลากหลายรูปทรง ขนาด ขึ้นอยู่กับว่าวัตถุประสงค์ของกล้อง ว่าต้องการที่จะศึกษาในช่วงคลื่นวิทยุที่ความถี่เท่าไหร่ ซึ่งสิ่งที่ต้องมีเลยของกล้องโทรทรรศน์วิทยุก็คือ สายอากาศหรือจานรับสัญญาณ และอุปกรณ์ที่ใช้ในการรับสัญญาณอย่างน้อย 1 ชิ้น

กล้องโทรทรรศน์วิทยุ ALMA หรือ Atacama Large Millimeter Array ที่มา – ESO

เมื่อเวลาคลื่นวิทยุเดินทางมาถึงกล้องโทรทรรศน์วิทยุ สายอากาศจะรับสัญญาณเป็นส่วนแรกก่อนที่จะส่งสัญญาณตัวนี้เข้าไปในอุปกรณ์ตัวอื่นต่อไป ซึ่งสายอากาศในที่นี้ก็มีหลายแบบ มีตั้งแต่สายอากาศแบบที่ใช้รับสัญญาณวิทยุตามบ้านเรือนต่าง ๆ จนไปถึงจานที่มีรูปทรงคล้ายพาราโบลา มีหลากหลายขนาดขึ้นอยู่กับช่วงความถี่ของสัญญาณที่จะทำการศึกษา ซึ่งชนิดที่พบมากที่สุดคือ จานสะท้อนมองด้านข้างเป็นทรงพาราโบลา

กล้องโทรทรรศน์วิทยุ 40 เมตร ที่ Yebes Observator ต้นแบบของกล้องตัวที่สร้างที่ประเทศไทย ที่มา – Yebes Observatory

สัญญาณที่เข้ามาจะสะท้อนไปยังจุดโฟกัสที่มีอุปกรณ์รับสัญญาณติดตั้งอยู่ อุปกรณ์นี้จะทำหน้าที่สำคัญในการแปลงคลื่นวิทยุที่เราตรวจจับได้ ออกมาเป็นข้อมูลดิจิทัล เปรียบเทียบก็คือกล้องถ่ายภาพที่จะสามารถบอกได้ว่าภาพนี้มีความเข้มของคลื่นวิทยุมากหรือน้อยเท่าไหร่ จากนั้นก็จะขยายสัญญาณให้เราสามารถอ่านค่าได้ง่ายขึ้น และจะส่งข้อมูลผ่านทางสายส่งสัญญาณหรือเส้นใยแก้วนำแสงไปยังอุปกรณ์บันทึกข้อมูลหรือคอนพิวเตอร์ของเรานั้นเอง

เราเพิ่งสร้างมันเป็นครั้งแรกจริงหรอ

เรียกว่าเรามีกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่มีขนาดใหญ่จนสามารถรองรับการศึกษาอะไรได้มากกว่าเป็นครั้งแรกดีกว่า อันที่จริงเรามีกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่สามารถใช้งานได้จำนวน 1 กล้อง ซึ่งเป็นกล้องขนาดเล็ก มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 4.5 เมตร สามารถศึกษาความถี่ 1,420 MHz หรือความถี่มูลฐานของอะตอมไฮโดรเจนที่เป็นกลางได้ ตั้งอยู่ที่อุทยานดาราศาสตร์สิรินธร สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ ตำบลดอนแก้ว อำเภอแม่ริม จังหวัดเชียงใหม่

กล้องโทรทรรศน์วิทยุตัวนี้ใช้ในการประกอบการเรียนการสอนในห้องปฏิบัติการดาราศาสตร์วิทยุ ระดับชั้นมัธยมศึกษาตอนปลายไปจนถึงระดับอุดมศึกษา รวมไปถึงการใช้ประกอบการอบรมให้กับนักศึกษาทั้งในประเทศและประเทศในแถบเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ เพื่อกระตุ้นการพัฒนาองค์ความรู้ทางด้านวิทยาศาสตร์ ดาราศาสตร์วิทยุและวิศวกรรม รวมถึงกระตุ้นให้เกิดความสนใจของนักศึกษาหรือคนทั่วไปให้มากยิ่งขึ้น

แอบชมก่อนใคร กล้องโทรทรรศน์วิทยุตัวแรกของคนไทย

ที่จริงทางสถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ หรือ NARIT ( National Astronomical Research Institute of Thailand ) ได้มีความคิดที่จะจัดทำกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่มีขนาดใหญ่มานานแล้ว และได้รับความร่วมมือกับศูนย์ศึกษาพัฒนาห้วยฮ่องไคร้ อันเนื่องมาจากพระราชดำริ มาช่วยกันวางแผนและจัดตั้ง “อุทยานการเรียนรู้ดาราศาสตร์และพิพิธภัณฑ์ธรรมชาติที่มีชีวิต”

ภายในบริเวณรอบสถานที่ก่อสร้างหอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์วิทยุแห่งชาติ หรือกล้องโทรทรรศน์วิทยุขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 40 เมตร ซึ่งมันเป็นการดีที่บริเวณนั้นเป็นพื้นที่ที่ห่างไกลจากแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนของชาวบ้านพอสมควร ทำให้ไม่มีสัญญาณรบกวน หรือถ้ามีก็จะน้อยมาก ๆ รวมไปถึงสถานีตรวจอากาศที่ใช้ในการศึกษาชั้นบรรยากาศของโลกก็จะมาติดตั้งที่บริเวณใกล้เคียงกันนี้ด้วย

แต่กล้องที่กำลังอยู่ในขั้นตอนการก่อสร้างนี้ เป็นกล้องโทรทรรศน์วิทยุขนาดใหญ่ที่ได้แบบมาจากกล้องโทรทรรศน์วิทยุเยเบส ประเทศสเปน และต้องใช้ความละเอียดอ่อนมากๆในการก่อสร้าง ยิ่งขั้นตอนในการเชื่อมผิวจานรับสัญญาณแล้วนั้นยิ่งต้องระวังอย่าให้พลาด ซึ่งตอนแรกเราสงสัยว่าพี่ๆคนงานรับเหมาก่อสร้างจะทำได้ดีไหมนะ และก็ได้คำตอบที่น่าทึ่งกลับมาจากพี่หนุ่ม ( หัวหน้าวิศวกรประจำโครงการ ) ว่า พี่ๆที่เราเห็นทั้งหมดเนี่ย เรียกได้ว่าเป็นตัวท็อปแห่งวงการช่างเชื่อม สุขุม ใจเย็น งานเนี๊ยบ ไม่มีพลาด

แถมพี่หนุ่มยังบอกอีกด้วยว่าพี่ๆช่างเชื่อมเขามีท่าเชื่อมกันถึง 6 ท่า ความน่าทึ่งมันอยู่ตรงนี้แหละ ตรงที่พอพี่หนุ่มเล่าจบเราก็หันไปเห็น พี่ช่างเชื่อมคนนึงกำลังนอนตะแคงเชื่อมอยู่!

การก่อสร้างเจ้าว่าที่กล้องโทรทรรศวิทยุที่ใหญ่ที่สุดในอาเซียนไม่ใช่เรื่องง่ายๆ เริ่มมาแล้วประมาณ 2 ปี โดยเริ่มนับตั้งแต่วันที่หาหมุดที่ดิน จากคำบอกเล่าของพี่หนุ่มเล่าว่าต้องเข้าป่าหาหมุดปักที่ดินนานถึง 2 อาทิตย์ถึงจะเจอ และต้องสั่งทำแผ่นผิวจานจากประเทศจีนเนื่องจากการผลิตแผ่นผิวจานชนิดนี้เมื่อขึ้นรูปแล้วต้องตรวจสอบความถูกต้องทันที จึงผลิตในไทยไม่ได้เนื่องจากประเทศไทยยังไม่มีเทคโนโลยีในการตรวจสอบ

ข้อดี ข้อเสีย สรุปแล้วมันจะดีจริงไหม

กล้องโทรทรรศน์ประเภทนี้ ขนาดของกล้องหรือจานรับสัญญาณแทบจะเป็นส่วนสำคัญของกล้องเลยด้วยซ้ำ ถ้าอยากจะศึกษาความถี่ที่ปานกลางไปจนถึงความถี่ที่สูง ตัวกล้องจะต้องมีความเป็นพาราโบลามากยิ่งขึ้นไปเรื่อย ๆ และส่วนมากจะหันหน้ากล้องตามวัตถุท้องฟ้าได้ และเพื่อที่จะสามารถรับสัญญาณได้มาก และมีความละเอียดของข้อมูลที่มากที่สุด ชัดเจนมากยิ่งขึ้น กล้องโทรทรรศน์ชนิดนี้จำเป็นจะต้องสร้างให้มีขนาดที่ใหญ่เอาไว้ก่อน

ขนาดจานที่รับสัญญาณที่ใหญ่จะทำให้ความสามารถในการแยกภาพ และความไวต่อสัญญาณวิทยุจะมีมากขึ้นตาม แต่ก็ต้องแลกมาด้วยน้ำหนักที่มากของกล้องทำให้กล้องไม่สามารถเคลื่อนไหวได้ ก็คือจะสามารถศึกษาได้เฉพาะวัตถุที่เคลื่อนที่ผ่านหน้ากล้องเท่านั้น รวมไปถึงค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษากล้องที่มีมูลค่าสูงมาก

แต่มีข้อเสีย เราก็ต้องมีการแก้ไขและอุดข้อเสียนั้นทิ้ง สิ่งที่เราใช้อุดตอนนี้ก็คือ เราใช้หลักการแทรกสอดขอคลื่นวิทยุ โดยที่เราจะใช้กล้องโทรทรรศน์ขนาดเล็ก ๆ หลาย ๆ กล้องทำงานรวมเป็นกล้องเดียวกันเกิดเป็นอาเรย์ของกล้องโทรทรรศน์วิทยุ คล้ายกับของกล้องวิทยุ VLA ที่รัฐนิวแม็กซิโก สหรัฐอเมริกา

ข้อสังเกตคือ ถ้าเราวางตำแหน่งกล้องโทรทรรศน์แต่ละกล้องห่างกันมากเท่าไหร ก็จะทำให้ข้อมูลที่เราได้มีความละเอียดมากยิ่งขึ้นเท่านั้น ซึ่งหลักการตัวนี้ก็ถูกพัฒนาต่อยอดไปเป็นแนวคิดในการขยายเครือข่ายเพื่อให้ได้ระยะห่างระหว่างกล้องให้ได้มากที่สุด จากที่เป็นประเทศเดียวกลายเป็นทวีปได้

กล้อง Submillimeter Array ที่  Mauna Kea Observatory มลรัฐฮาวาย ที่มา – Smithsonian

เรียกเทคนิคนี้ว่า การแทรกสอดระยะไกลของคลื่นหรือ VLBI ย่อมาจาก Very-long-baseline interferometry ซึ่งตอนนี้เครือข่ายนี้ก็กระจายอยู่ทั่วมุมโลก ข้อมูลที่ได้รับมาถือเป็นข้อมูลที่มีความแม่นยำในระดับสูง มีความละเอียดในระดับมิลลิเมตร และไม่ได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงของศูนย์กลางแรงโน้มถ่วงของโลกด้วยซ้ำ

ปัจจุบันมีกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่มีประสิทธิภาพสูงอยู่ทั่วโลก ทั้งกล้องที่เป็นสายอากาศและกล้องแบบจานเดี่ยวซึ่งคลอบคลุมช่วงความถี่ในการศึกษาที่หลายหลายมาก ด้วยเทคโนโลยีและองค์ความรู้ต่าง ๆ นำมาซึ่งการพัฒนาศักยภาพของกล้อง เช่นกล้องโทรทรรศน์วิทยุ FAST ของประเทศจีน ที่มีขนาดจานที่ใหญ่ถึง 500 เมตร หรือการนำเอากล้องมาทำงานเป็นเครือข่ายเดียวกัย ทำงานร่วมกัน เกิดเป็นเครือข่ายของกล้องโทรทรรศน์วิทยุขึ้นมาได้ และมีการร่วมมือกันระหว่างประเทศเกิดขึ้น

อธิบายการทำงานของการใช้ Long Baseline Interferometry ที่มา – Grzegorz Klopotek

นอกจากนั้นแล้วกล้องโทรทรรศน์วิทยุจะเปรียบเสมือนห้องเรียนสาขาวิชาใหม่ที่ไม่เคยมีในปะเทศไทยมาก่อน จะทำให้การพัฒนาศักยภาพของบุคลากรทั้งวิศวกรและนักวิจัยสาขาอื่นที่เกี่ยวข้อง จนนำไปสูงการพัฒนาเทคโนโลยีขั้นสูงต่อไปในประเทศไทยได้ในอนาคต

การไปเยี่ยมชมไซต์ก่อสร้างกล้องโทรทรรศน์วิทยุแห่งแรกของประเทศไทยเป็นอะไรที่สนุกและตื่นเต้นมาก เรามองว่ามันเป็นก้าวที่ใหญ่มากของประเทศไทยเพราะกล้องโทรทรรศน์วิทยุแห่งชาติของไทยนั้นจะเพิ่มประสิทธิภาพของเครือข่ายการแทรกสอดระยะไกล (VLBI) ในแถบภูมิภาคเอเชียแปซิฟิก เนื่องจากตั้งอยู่กึ่งกลางระหว่างเครือข่าย VLBI ของกลุ่มประเทศเอเชียตะวันออก ทวีปออสเตรเลีย และยุโรป

ภาพถ่ายแรกของหลุมดำจากโครงข่ายกล้อง Event Horizon Telescope ที่มา – EHT

เมื่อช่วงต้นปีที่ผ่านมาข่าวใหญ่ในวงการดาราสาสตร์ของปีนี้คงหนีไม่พ้นการถ่ายภาพหลุมดำได้เป็นครั้งแรก ซึ่งก็เกิดจากเทคนิคดังกล่าวคือการใช้ Baseline Interferometry และสร้างเป็นภาพถ่ายขึ้นมา แต่การถ่ายภาพนั้นไม่ใช่แค่ใช้อุปกรณ์แต่จำเป็นต้องใช้นักวิจัยอีกนับพัน วิศวะกร และเจ้าหน้าที่อีกมากมาย ที่ไม่ได้เข้าใจและเป็นเทคนิคพวกนี้มาตั้งแต่เกิด แต่อาศัยการลองผิดลองถูก และตั้งคำถามอีกมากมาย

การมีกล้องโทรทรรศน์วิทยุเป็นของตัวเองนั้นปฏิเสธไม่ได้เลยว่าจะมีส่วนสำคัญในการสร้างบุคลากรทางดาราศาสตร์ไทยให้เทียบกับระดับโลก และสร้างแรงบันดาลใจให้กับเด็กรุ่นใหม่ ๆ ได้ศึกษาดาราศาสตร์เพื่อสนองความสงสัยใคร่รู้ของเรา และกลายมาเป็นปรัชญาแห่งมวลมนุษยชาติที่ทำให้เราใช้ชีวิตร่วมกันบนโลกได้ดีกว่าเดิม

เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co



บทความที่เกี่ยวข้อง