แม้กล้องโทรทรรศน์อวกาศ XRISM (ออกเสียงว่า Crism) จะถูกปล่อยออกสู่อวกาศมานานจนใกล้จะจบภารกิจหลักของกล้องแล้ว แต่ถึงอย่างนั้นนี่คือหนึ่งในสุดยอดนวัตกรรมและเทคโนโลยีของกล้องโทรทรรศน์อวกาศที่ไม่เคยมีกล้องโทรทรรศน์อวกาศตัวไหนเคยทำได้มาก่อน กับกล้องโทรทรรศน์อวกาศจากองค์การอวกาศญี่ปุ่นหรือ JAXA ที่สามารถตรวจวัดความร้อนที่เกิดแสงวิ่งมาตกกระทบบนเซนเซอร์ได้ตัวแรกของโลกจนได้ชื่อว่ากล้องโทรทรรศน์ที่เกิดมาเพื่อการศึกษาความตายของดวงดาวอย่างละเอียดแบบที่ไม่เคยมีใครทำได้มาก่อน ด้วยโจทย์ที่แคบและคมที่สุดแบบที่ประเทศญี่ปุ่นถนัด
ในบทความนี้เราจะชวนมาทำความรู้จักกล้องโทรทรรศน์อวกาศ XRISM กล้องโทรทรรศน์อวกาศที่มหัศจรรย์ที่สุดตัวหนึ่งของ ISAS และ JAXA ที่มีต้นกำเนิดของภารกิจจากความสูญเสียสู่ความหวังในการทำความเข้าใจเอกภพใหม่
ประวัติศาสตร์กล้องโทรทรรศน์อวกาศของญีปุ่น
ย้อนกลับไปในปีปี 2016 JAXA ได้ส่งกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Hitomi ได้ออกเดินทางสู่ห้วงอวกาศ มันคือหนึ่งในความภาคภูมิใจของญี่ปุ่นที่กล้องโทรทรรศน์อวกาศที่พวกเขาพัฒนาขึ้นมานั้นเป็นสุดยอดกล้องโทรทรรศน์อวกาศแห่งยุค มันมีทั้งกล้องที่สามารถรับรังสีเอ็กซ์ในย่าน Soft X-ray และ Hard X-ray ซึ่งเกิดจากความร่วมมือของ NASA และ CSA ในการสร้างเซนเซอร์สำหรับกล้องโทรทรรศน์ตัวนี้ โดยจุดที่เป็นจุดเด่นของกล้องโทรทรรศน์ตัวนี้ไม่ใช่แค่ศักยภาพในการสังเกตการณ์ X-ray ในสองย่านพร้อมกันแต่มันคือ เซนเซอร์ตัวใหม่ล่าสุดที่ NASA เพิ่งพัฒนาขึ้นมาคือ Microcalorimeter Soft X-ray Spectrometer เซนเซอร์แคลอริมิเตอร์ที่ตรวจวัดความร้อนที่เกิดขึ้นเมื่อแสงในย่าน Soft X-ray เข้ามาชนกับเซนเซอร์ โดยนับว่าเป็นครั้งแรกของโลกที่มีการพัฒนาและใช้แคลอริมิเตอร์ในการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ในอวกาศ ซึ่งนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าเครื่องมือนี้จะช่วยเปิดเผยความลับของการตายของดาวฤกษ์ได้อีกมาก
หลังจากปล่อยตัวกล้องออกสู่วงโคจรได้ไม่นาน ทีมงานได้ทำการทดสอบ First light โดยหันกล้องไปยัง Perseus Cluster ที่เป็นเป้าหมายก็เพื่อ Calibration และทดสอบประสิทธิภาพของ Soft X-ray Imaging Spectrometer ซึ่งเป็นหัวใจสำคัญของ Hitomi
แต่ทำการทดสอบได้ไม่นาน JAXA ก็ออกแถลงการว่ากล้อง Hitomi สูญเสียการควบคุมอย่างเรียบร้อยไปเมื่อวันที่ 26 มีนาคม 2016 เป็นช่วงเวลาเดียวกันกับ U.S. Joint Space Operations Center (JSpOC) ได้ทวีตว่า กล้อง Hitomi ได้เสียการควบคุมและแตกออกเป็นห้าชิ้นในวงโคจร ก่อนที่วัตถุที่แตกออกจะสูญเสียระดับของวงโคจรอย่างรวดเร็ว JAXA พยายามอย่างหนักในการเข้าติดต่อกับ Hitomi พวกเขาไม่ได้พยายามแค่หลักวันแต่พยายามแบบนั้นอยู่เป็นเดือนก่อนที่พวกเขาจะตัดสินใจประกาศว่าพวกเขาได้สูญเสียกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Hitomi ไปเรียบร้อยแล้วภายในระยะเวลาไม่ถึงสองเดือนหลังจากการปล่อย
ถึงอย่างนั้นกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Hitomi ก็ยังทิ้งข้อมูลให้กับเราไว้อยู่คือข้อมูลสเปกตรัมของ Perseus Cluster จากอุปกรณ์ Soft X-ray Imaging Spectrometer เอาไว้ให้เรา ข้อมูลดังกล่าวแสดงให้เห็นถึงความละเอียดของระดับพลังงาน (Energy Resolution) ของกลุ่มก๊าซอุณหภูมิหลายล้านองศาที่กำลังหมุนโคจรรอบกระจุกกาแล็กซีนี้ในระดับที่ไม่เคยมีใครเห็นมาก่อน เห็นว่าตำแหน่งไหนกำลังเคลื่อนที่เข้าหรือออกห่างจากโลก ข้อมูลเพียงน้อยนิดนี้พิสูจน์ให้เห็นถึงศักยภาพที่แท้จริงของ Hitomi ว่าด้วยเทคโนโลยี Soft X-ray Imaging Spectrometer สามารถสร้างองค์ความรู้ใหม่แก่มนุษยชาติ ดังนั้นความสูญเสียครั้งนี้จึงเปรียบเสมือนบาดแผลและบทเรียนครั้งใหญ่ของ JAXA ที่ผลักดันให้พวกเขาต้องการที่จะแก้มือเพื่อกลับมาเป็นผู้นำด้านกล้องโทรทรรศน์อวกาศรังสีเอกซ์อีกครั้ง
ฟื้นคืนชีพโครงการกล้องรทรรศน์อวกาศญี่ปุ่น
หลังจากการสูญเสีย Hitomi ภายใน ISAS (Institute of Space and Astronautical Science) ได้ตัดสินใจเปลี่ยนแปลง โครงสร้างการทำงานใหม่และแยกตำแหน่ง PM (Project Manager) กับ PI (Principal Investigator) ออกจากกัน เพื่อสร้างระบบการตรวจสอบและถ่วงดุลอำนาจ ทำให้เกิดการแบ่งความรับผิดชอบที่ชัดเจนและมีประสิทธิภาพสูงสุดในการทำงาน
เพราะในกรณีของ Hitomi นั้น อุปกรณ์วิทยาศาสตร์ของตัวยานพิสูจน์แล้วว่าทำงานออกมาได้ดีมาก แต่อุบัติเหตุของ Hitomi เกิดจากระบบวิศวกรรมพื้นฐานของยาน (Attitude Control) และซอฟต์แวร์ทำงานผิดพลาด จนยานหมุนและฉีกขาด การแยก PM กับ PI ออกมาจากกันเหมือนกับระบบที่ NASA ใช้นั้นจะแยกคนกำหนดเป้าหมายวิทยาศาสตร์ออกจากวิศวกรที่สร้างยานอวกาศ การมี PM ที่แยกตัวออกมาและมีอำนาจตัดสินใจเด็ดขาด ทำให้ PM ไม่ต้องพะวงเรื่องเป้าหมายทางวิทยาศาสตร์มากจนเกินไปจะทำให้มีการจัดลำดับความสำคัญด้านการทดสอบระบบทางวิศวกรรมที่เข้มงวดมากขึ้น
และในขณะเดียวกันการให้ PI แยกออกมาจากการดูงานฝั่งวิศวกรรมก็ทำให้การตั้งโจทย์ของกล้องโทรทรรศน์ตัวทดแทน Hitomi ชัดเจนมากยิ่งขึ้น โดยกล้องตัวนี้จะเน้นโฟกัสไปที่ Soft X-ray และไม่ติดตั้งระบบ Hard X-ray เหมือนกับ Hitomi อีกต่อไป เนื่องจากเราเห็นศักยภาพของกล้องโทรทรรศน์อวกาศ NuSTAR ของ NASA แล้วว่าเป็นกล้องโทรทรรศน์อวกาศ X-ray ที่มีศักยภาพที่สูงกว่ากล้อง Hitomi และทำงานเดียวกันกับที่ Hitomi เคยถูกออกแบบงานเอาไว้ และในช่วงเวลาที่ Purposal ของกล้องทดแทน Hitomi กำลังร่างอยู่นั้นเป็นช่วงเวลาที่ ISAS เองก็เสนอแผนกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Hard X-ray อยู่แล้วคือกล้อง FORCE (Focusing On Relativistic universe and Cosmic Evolution) และ ESA เองก็มีการยื่น Purposal เสนอโครงการกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Hard X-ray อย่าง Advanced Telescope for High Energy Astrophysics (ATHENA) ที่มีแผนจะส่งออกสู่อวกาศในกลางทศวรรษที่ 2020 ทำให้แผนของกล้องทดแทน Hitomi จึงทำออกมาให้โดดเด่นและโฟกัสไปในจุดเดียวเลยก็คือการทำกล้อง Soft X-ray แบบ Hitomi เท่านั้น เพื่อทำงานร่วมกับกล้องอื่น ๆ ที่จะส่งออกไปในช่วงเวลาเดียวกัน
กล้องโทรทรรศน์อวกาศที่จะมาทดแทน Hitomi นั้นก็คือ X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission (XRISM) กล้องโทรทรรศน์อวกาศ Soft X-ray ที่น่าภาคภูมิใจของญี่ปุ่นที่ครั้งนี้ก็เป็นอีกครั้งที่จะติดตั้งเซนเซอร์ microcalorimeter Soft X-ray Spectrometer ตัวเดิมกับที่ NASA พัฒนาขึ้นมาในชื่อใหม่ Resolve และกล้องถ่ายภาพ CCD รังสีเอ็กซ์ Xtend ทำให้กล้องตัวนี้ทั้งระบุข้อมูลสเปกตรัมได้อย่างมหัศจรรย์แล้วยังสามารถที่จะถ่ายภาพเหตุการณ์ทางรังสีเอ็กซ์ที่น่าสนใจได้ในทันที มาพร้อมกับความร่วมมือของ NASA และ ESA ในโครงการนี้
XRISM ปล่อยออกสู่อวกาศในวันที่ 6 กันยายน 2023 โดยมันเป็นภารกิจท้าย ๆ ที่ปล่อยกับจรวด H-IIA ของ Mitsubishi Heavy Industries มันปล่อยพร้อมกับภารกิจ SLIM ที่ไปล้มหน้าคว่ำบนดวงจันทร์ วงโคจรของ XRISM เป็นวงโคจร LEO มีกำหนดภารกิจหลักอยู่ที่ 3 ปีหลังจากการปล่อย
ในช่วงระยะเวลาทดสอบและ Calibration 6 เดือน วิศวกรก็ต้องพบเรื่องปวดหัวอีกครั้ง เมื่อ Protective shutter ที่ทำหน้าที่ป้องกันไอน้ำเกาะและปกป้องเซนเซอร์ของอุปกรณ์ Resolve ไม่ยอมเปิดออก ทำให้ Resolve สูญเสียขีดความสามารถในการรับพลังงานในช่วง 300 – 1,700 eV ตามแผนที่วางไว้ แต่ถึงอย่างนั้น Protective shutter ก็ไม่ได้บดบังศักยภาพของ Resolve ไปเสียทั้งหมดทีเดียว เพราะส่วนหน้าต่างของมันทำมาจากฟิล์มเบริลเลียมหนา 250 ไมครอน ซึ่งยอมให้รังสีเอกซ์ทะลุผ่านได้ ตัวเซนเซอร์จึงยังคงสังเกตการณ์รังสีเอกซ์ที่ระดับพลังงานมากกว่า 1,700 eV ขึ้นไปได้อยู่ ส่วนกล้องถ่ายภาพ Xtend นั้นไม่มีปัญหาใดๆ และสามารถเปิดหน้ากล้องทำงานได้เต็มประสิทธิภาพตามปกติ
และหลังจาก Calibation เสร็จ JAXA ก็ได้เริ่มต้นการทำงานของกล้องโทรทรรศน์อวกาศ XRISM ในการสำรวจท้องฟ้า ซึ่งด้วยศักยภาพของ Resolve มันจะเปิดเผยองค์ประกอบของวัตถุในจักรวาลที่ไม่เคยมีใครเห็นมากก่อน
Resolve Micro Calorimeter หัวใจสำคัญของงาน X-ray
จริง ๆ การทำงานของ Resolve มันก็คือ Spectrometer ตัวหนึ่งที่ทำงานละเอียดกว่า X-ray Spectrometer ทั่วไป Spectrometer ทั่วไปนั้นจะอาศัยการทำงานของเซนเซอร์คล้ายกับ CCD คือเมื่อแสงตกกระทบแผ่นซิลิคอนมันจะแปลงพลังงานแสงให้กลายเป็นพลังงานไฟฟ้า ตามปรากฏการณ์ Photoelectric effect ด้วยการนับจำนวนกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจากโฟตอนวิ่งชน ซึ่งปัญหาของการใช้เซนเซอร์ในลักษณะนี้คือ กระบวนการแตกตัวของประจุมีความผันผวนทางสถิติสูงมากทำให้ความละเอียดในการแยกแยะพลังงานอยู่ที่ 130-150 eV ต่อหนึ่งหน่วยที่เก็บได้ ทำให้ข้อมูลสเปกตรัมที่ได้มานั้นจะเป็นเพียงข้อมูลหยาบ ๆ รู้เพียงข้อมูลกว้าง ๆ ว่าเป็นธาตุอะไร แต่ไม่สามารถทราบข้อมูลที่ละเอียดมากกว่านั้นได้ อย่าง โมเลกุลอะไร มีธาตุอะไรซ้อนทับอยู่ในย่านใกล้เคียงหรือไม่
แต่ Resolve มันคือ Game Changer ของ X-ray spectroscopy ที่เซนเซอร์ไม่ได้อาศัยปรากฏการณ์ Photoelectric effect แต่ใช้การเปลี่ยนแปลงความร้อนของแผ่น Absorber ที่เมื่อโฟตอนในย่านรังสีเอ็กซ์ชนกับแผ่น Absorber พลังงานของโฟตอนทั้งหมดจะเปลี่ยนเป็นความร้อน อุณหภูมิของ Absorber จะเพิ่มขึ้นชั่วขณะ
เพื่อที่จะสามารถตรวจจับความร้อนที่เกิดขึ้นจากโฟตอนเพียงตัวเดียวจากห้วงอวกาศลึกที่เข้ามาพุ่งชน Resolve ต้องมีอุณหภูมิที่ต่ำใกล้เคียงกับศูนย์สมบูรณ์ เพื่อให้สามารถมีอุณหภูมิของเซนเซอร์ที่ต่ำใกล้เคียงกับศูนย์สมบูรณ์ได้ระบบทำความเย็นภายในกล้องโทรทรรศน์อวกาศ XRISM จึงต้องใช้ระบบทำความเย็นที่มีประสิทธิภาพสูงยิ่งกว่าระบบภายกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์เสียอีก นั้นคือการใช้ Liquid Helium ในการทำความเย็น ซึ่งความเย็นที่มันต้องทำนั้นอยู่ที่ 50 mK (50 มิลลิเควิน หรือ 0.05 K) ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่ต่ำมากยิ่งกว่าจุดต่ำเย็นที่สุดในเอกภพเสียอีก เย็นจนเซนเซอร์ของ Resolve อยู่ในสถานะ Super Conductor ที่อุณหภูมิของพื้นผิวเซนเซอร์เปลี่ยนไปแค่นิดเดียวความต้านทานของกระแสไฟฟ้ามันจะเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วทำให้วัดค่าพลังงานของโฟตอนที่่เข้ามาชนได้ในระดับที่แม่นยำมาก ๆ
หากเทียบศักยภาพของ Spectrometer ปกติที่ใช้หลักการ photoelectric effect แล้ว จะให้ความละเอียดของพลังงานอยู่ที่ 150 eV แต่สำหรับ Resolve แล้วความละเอียดของมันมอบให้กับนักวิทยาศาสตร์ได้มากกว่าที่ 5-7 eV ต่อหนึ่งหน่วยความละเอียดของพลังงาน หมายความว่า Resolve มีความละเอียดกว่าเกือบ 30 เท่า และด้วยเส้นสเปกตรัมที่ละเอียดระดับที่ไม่เคยมีใครทำได้มาก่อน Resolve ทำให้เราไม่ได้เห็นแค่แสงนี้มาจากธาตุอะไร แต่มันละเอียดพอที่จะวัด ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ (Doppler Effect) ของเส้นสเปกตรัมนั้นได้
ตัวอย่างที่น่าจะทำให้เห็นภาพชัดมากยิ่งขึ้นคือด้วยกล้องโทรทรรศน์ปกติเราอาจจะเห็นแค่สสารรอบหลุมดำคือธาตุอะไร แต่ Resolve จะสามารถบอกได้ว่าพลาสมากลุ่มนั้นกำลังหมุนวนด้วยความเร็วเท่าไหร่ มีความปั่นป่วนมากแค่ไหน และกำลังพุ่งเข้าหาหรือพุ่งออกจากเราอยู่
แต่ถึงอย่างนั้นด้วยระบบทำความเย็นที่ใช้งานด้วย Liquid Helium เป็นระบบที่ไม่ยั้งยืนเหมือนกับกล้องเจมส์ เว็บบ์ ระบบนี้ใช้การระเหยของ Liquid Helium ในการทำความเย็น แปลว่าเมื่อ Helium ระเหยกลายเป็นไอ ก๊าซ Helium จากกระบวนการนี้จะถูกปล่อยออกสู่่อวกาศ ทำให้ปริมาณของ Helium ในระบบลดลงเรื่อย ๆ โดยคาดการณ์ว่า Helium จะมีเพียงพอต่อการใช้งานที่ 3 ปี และหลังจากนั้น Helium ของกล้องน่าจะหมดและถือว่าเป็นการสิ้นสุดภารกิจของกล้อง XRISM
แล้ว XRISM สร้างการค้นพบอะไรบ้าง
ที่กล่าวมา XRISM เป็นหนึ่งในกล้องโทรทรรศน์อวกาศที่เทพมาก ๆ และมันน่าจะพบการค้นพบต่าง ๆ มากมาย โดยนี่คือหนึ่งในการค้นพบที่โดดเด่นและมหัศจรรย์มาก ๆ คือการค้นพบก๊าซกำมะถันใน Interstellar Medium ที่แม้การค้นพบนี้จะไม่ใช่การตรวจจับกำมะถันใน Interstellar medium เป็นครั้งแรกเพราะในอดีตกล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทราสามารถตรวจจับกำมะถันไว้ได้ แต่สำหรับ XRISM การสังเกตการณ์ครั้งนี้มันเหนือกว่าที่กล้องจันทราตรวจวัดไว้ได้เพราะ Resolve สามารถตรวจได้ถึงระดับโมเลกุลของกำมะถันว่า กำมะถันที่พบนั้นเป็นโมเลกุลลักษณะใด เพราะในระบบสุริยะของเรา กำมะถันมักไม่อยู่โดดเดี่ยวในอวกาศแต่จะเกาะรวมกับธาตุเหล็ก นักวิทยาศาสตร์คาดว่าโมเลกุลที่พบอาจจะเป็นโมเลกุลของไพร์โรไทต์ (Pyrrhotite) ทรอยไลต์ (Troilite) หรือไพไรต์ (Pyrite)
นอกจากนี้มันยังค้นพบอีกเยอะ คลอรีนและโพแทสเซียมในซากซูเปอร์โนวา Cassiopeia A การค้นพบกระแสลมที่พัดออกมาอย่างรุนแรงของดาวนิวตรอน หรือแม้กระทั่งการค้นพบความไม่สมดุลที่ด้านพลังงานของ ระบบดาวฤกษ์ Cygnus X-3 ซึ่งทั้งหมดนี้ไม่เคยมีการค้นพบหรือพูดถึงเลยในยุคของกล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทราหรือ XMM-Newton และการค้นพบที่มากมายเหล่านี้ทำให้เราสามารถเข้าใจกระบวนการตายดาวฤกษ์ได้มากยิ่งขึ้นเพราะเนื่องจากช่วงเวลาที่ดาวฤกษ์ใกล้ตาย มันจะปลดปล่อยพลังงานในย่านของ Soft X-ray ซึ่งเป็นย่านที่เหมาะกับการศึกษาและเปิดเผยด้วยกล้องศักยภาพสูงอย่างที่ไม่เคยมีกล้องโทรทรรศน์ตัวไหนทำงานได้มาก่อน
ถึงแม้ว่าตอนนี้กล้องโทรทรรศน์อวกาศ XRISM จะทำงานมาเป็นปีที่สามแล้วและก๊าซฮีเลียมภายในกล้องจะหมดลงในอีกไม่ช้า แต่หลายฝ่ายคาดเดาว่า JAXA น่าจะต่ออายุการทำงานของกล้องโทรทรรศน์ตัวนี้แม้ว่าก๊าซฮีเลียมจะหมดลงแล้วเพื่อใช้งานในด้านอื่น ๆ ต่อไป เหมือนกับกล้องโทรทรรศฯ์หลาย ๆ ตัวทำกัน เช่น WISE เมื่อก๊าซฮีเลียมหมดก็ทำหน้าที่เป็น NEOWISE เป็นต้น
ในท้ายที่สุดกล้องโทรทรรศน์อวกาศ XRISM ก็จะถูกปลดระวางไปในอนาคตอันใกล้และตอนนี้เราอาจจะยังไม่เห็นงานวิจัยหลาย ๆ ตัวออกมาจากกล้องตัวนี้ แต่อีกไม่นานเชื่อว่าจะต้องมีงานวิจัยเจ๋ง ๆ เกิดขึ้นจากกล้องตัวนี้อย่างแน่นอนในช่วงหลังจากบั้นปลายชีวิตของมัน และมันจะเป็นมาตรฐานใหม่สำหรับ spectrometer ของกล้องโทรทรรศน์อวกาศในอนาคต ที่อาจจะพัฒนาความละเอียดของเซนเซอร์ที่เพิ่มมากขึ้นและในอนาคตเราอาจจะเห็นกล้อง hyperspectral ที่ทำงานด้วย microcallories meter ที่มีความละเอียดคมชัดได้มากกว่า Resolve และเปิดเผยความลับของเอกภพได้มากกว่า
เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co
