“ฮับเบิล” ดวงตาแห่งจักรวาล

กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลโคจรเหนือโลกออกไป 600 กิโลเมตร (375 ไมล์) ทำงานตลอด 24 ชั่วโมงเพื่อที่จะไขกุญแจความลี้ลับแห่งเอกภพ คอยบันทึกภาพและชี้ตำแหน่งวัตถุต่างๆ บนอวกาศได้อย่างชัดเจนแม่นยำ อย่างที่กล้องต่างๆ บนโลกและบนวงโคจรอื่นๆ ทำได้ไม่ดีเท่า

ฮับเบิลถูกออกแบบในปี 1970 (พ.ศ.2513) และส่งขึ้นสู่อวกาศในปี 1990 (พ.ศ.2533) โดยกระสวยอวกาศ และเริ่มปฏิบัติการบันทึกความงามนอกโลกมาให้ชาวโลกให้ได้ชมกันตั้งแต่บัดนั้นเป็นต้นมา

ทุกๆ วันฮับเบิลจะเก็บข้อมูลสำคัญไว้ประมาณ 3-5 กิกะไบต์ และส่งข้อมูลต่างๆ ให้แก่นักดาราศาสตร์ทั่วโลกประมาณ 10-15 กิกะไบต์

การทำงานของ “ฮับเบิล”

ฮับเบิล มีกล้องหลายๆ ตัว แต่ตัวที่ทำหน้าที่หลัก ถ่ายภาพจำนวนมากที่สุดมาให้เราได้เห็นคือ กล้องวิฟพิค-ทู (WFPC2) ย่อมาจาก Wide Field and Planetary Camera 2

กล้องนี้ได้ถ่ายภาพสำคัญๆ มาให้เราชมมากมาย ที่เป็นที่ฮือฮาที่สุด ก็คือภาพ “เนบิวลาอินทรีย์” ในปี 1994 (พ.ศ.2537) เพราะเป็นภาพที่แสดงแหล่งกำเนิดของดาวฤกษ์ เป็นครั้งแรก

กล้อง วิฟพิคทู นี้ ถ่ายรูปมาแทบจะทุกอย่าง ตั้งแต่กาแล็กซีอันไกลโพ้น มาจนถึงดาวเคราะห์ใกล้บ้านของเรา เช่น ดาวอังคาร โดยกล้องตัวนี้มีเลนส์กรองแสงถึง 48 ตัว เพื่อให้กล้องถ่ายภาพในรังสีตั้งแต่ อัลตราไวโอเล็ตจนถึงรังสีอินฟราเรด


กล้องนี้ไม่ได้ใช้ฟิล์มเหมือนกล้องถ่ายภาพที่เราใช้กัน แต่ใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า ซีซีดี หรือ CCD - Charged Coupling Devices ที่แต่ละชิ้นมีขนาด 800x800 pixels และมีความไวต่อคลื่นแสงเป็นอันมาก โดยสามารถมองเห็นคลื่นแสงได้น้อยกว่าตาเปล่าของคนเรา ดังนั้นฮับเบิลจะรับรู้ได้ถึงหนึ่งพันล้านเท่า !

อุปกรณ์ ซีซีดี นี้ก็คือ วงจรอีเลคทรอนิคส์ ที่ทำด้วยสารที่ไวต่อพลังงานของคลื่นแสง ที่มีชิ้นส่วนขนาดเล็กมาก ซึ่งแต่ละชิ้นนับเป็นหนึ่งพิกเซลของภาพ ที่มาวางเรียงต่อๆกันคล้ายมุ้งลวด เป็นหนึ่งกล้อง กล้องซีซีดี แต่ละตัวใน วิฟพิคทู จะมีเซลล์รับภาพ 640,00 เซลล์ หรือ พิกเซลนั่นเอง

ใน วิฟพิคทู มีกล้อง 4 ตัว รวมแต่ละภาพที่ถ่ายมาจะได้ 2,560,000 พิกเซลด้วยกัน ภาพเหล่านี้จะถูกส่งลงมายังฝ่ายควบคุมภาคพื้นดิน แล้วถูกนำไปผ่านซอฟต์แวร์ที่วิเคราะห์และปรับปรุงแล้วประกอบเข้าด้วยกันเป็นภาพหนึ่งๆที่เราเห็น

"ภาพ" หรือข้อมูลต่างๆ ในจักรวาล มาในรูปแบบของคลื่นแสงทั้งนั้น คลื่นแสงที่ "เรามองเห็นได้" จากดวงดาวจะมีสีขาว ประกอบด้วยคลื่นที่ตาของเรามองเห็นเป็นสีต่างๆที่แยกออกมาได้ แต่ละสีนั้นที่จริงแล้วก็คือ คลื่นที่มีพลังงานต่างกัน กล่าวคือ มีความถี่และความยาวคลื่นต่างกันนั่นเอง

คลื่นแสงที่เรามองเห็นได้ จะมีความยาวคลื่นระหว่าง 400 ถึง 700 นาโนเมตร (1 นาโนเมตร = 1 x 10^-9เมตร) แต่กล้องวิฟพิคทู สามารถมองเห็นคลื่นช่วงความถี่ยาวและสั้นกว่าที่ตาเราเห็นเล็กน้อย

กล้องวิฟพิคทู เปลี่ยนความถี่ที่จะรับภาพ โดยอาศัยเลนส์กรองแสง 48 ตัวที่ติดตั้งบนล้อหมุนดังภาพ เพื่อเปลี่ยนตำแหน่งตามแต่จะเลือกใช้ตัวไหน เช่น ถ้าต้องการจับภาพในรังสียูวีก็ใช้เลนส์กรองแสงยูวีตรงคลื่นช่วงที่ต้องการ เลนส์กรองแสงก็จะปล่อยเฉพาะคลื่นที่มีความถี่ในช่วงยูวีที่ต้องการให้ตกมาที่ส่วนรับภาพ ซีซีดี เท่านั้น คลื่นความถี่อื่นๆจะถูกกรองออกไปหมด

แสงที่ผ่านเลนส์กรองแสงออกไปก็จะมีแต่แสงที่เราต้องการเช่นนี้ ดังในภาพเป็นเลนส์ที่กรองแสงอื่นออกให้เหลือแต่สีเหลืองผ่านเข้ามาได้เพียงคลื่นเดียว

วัตถุบนอวกาศมีสีสันสวยงามตามนั้น?

ภาพจากฮับเบิล สร้างความตื่นตะลึงให้ชาวโลกมานับไม่ถ้วน สีสวยๆ พวกนี้เป็นสีจริงๆบ้างในบางกรณี การถ่ายรูปของกล้องดูดาวโดยทั่วไปไม่เหมือนการถ่ายภาพบนโลก เพราะโฟตอนที่เราได้รับจากดาวอันไกลโพ้นมีน้อยมาก การพยายามจับโฟตอนให้ได้มากที่สุด เราก็ต้องซอยช่วงคลื่นให้แคบลงกว่าที่ตามนุษย์จะมองเห็นตามปกติได้ จึงต้องรับภาพมาหลายๆ ช่วงคลื่น แล้วเอามาประกอบกันทีหลัง

เมื่อตอนนำมาประกอบกันนี้ เราจึงสามารถ "กำหนด" ใช้สีอะไรแทนคลื่นช่วงไหนก็ได้ ขึ้นอยู่กับว่า นักวิทยาศาสตร์ต้องการเห็นส่วนใดเป็นพิเศษ แต่ละภาพจากฮับเบิล จึงจะมีรายละเอียดบอกไว้ว่าเป็นภาพในคลื่นรังสีอะไร เพื่อศึกษาความเป็นไปในพลังงานช่วงนั้นๆ
สี จึงเป็นเพียงเครื่องมืออย่างหนึ่งที่นักวิทยาศาสตร์ใช้เป็นที่อ้างอิง ที่บางครั้งก็เพียงเพื่อบอกว่า ที่ตรงนั้นๆ มีพลังงานในระดับใดเท่านั้นเอง หาใช่สีจริงๆที่ตาของเราจะเห็นได้ไม่ การที่เราได้รู้ว่า ส่วนไหนมีระดับพลังงานเท่าใด ก็ช่วยให้นักดาราศาสตร์เข้าใจกลไกทางฟิสิกส์ของดวงดาวได้ดีขึ้น

ภาพ กาแลกซี Sombrero หรือหมวกเม็กซิกัน ซึ่งเป็นกาแล้กซีที่อายุค่อนข้างมาก สังเกตจากสีออกเหลือง ไม่มีดาวใหม่ๆที่จะออกสีฟ้าที่ปลายแขนกังหันมาก ในรูปที่เคยถ่ายด้วยกล้องดูดาวภาคพื้นดิน (โดย Anglo-Australian Observatory) จะมองไม่เห็นโครงสร้างของแขนมากนัก เพราะมุมมองจากโลกจะมองจากขอบตรงๆ แต่ฮับเบิลสามารถเก็บรายละเอียดได้มากกว่า จึงเห็นได้ชัดว่า แขน spiral arms ของกาแล้กซี่นี้บิดเบี้ยวไปเล็กน้อย ไม่ตรงกับแนวระนาบของขอบ ซึ่งนักทฤษฎีอธิบายว่า คงจะมาจากแรงชนปะทะกับกาแล้กซี่อื่นในอดีตมาก่อน

ภาพดาวเสาร์ในรังสีอินฟราเรด ซึ่งมีพลังงานต่ำกว่าที่ตาคนสามารถมองเห็นได้ นักดาราศาสตร์ที่ถ่ายภาพ เทียบสีโดยกำหนดให้ใช้สี น้ำเงิน แทนช่วงคลื่นอินฟราเรดที่มีพลังงานมากที่สุด(ความยาวคลื่นสั้นที่สุด) สีเขียว แทนคลื่นช่วงกลาง และ สีแดง แทนคลื่นช่วงที่มีพลังงานน้อยที่สุด ในช่วงคลื่นอินฟราเรดที่จับภาพมาได้ จึงเป็นสีที่ตาเราจะมองไม่เห็นเป็นอย่างนี้ แต่จะช่วยให้นักดาราศาสตร์ ศึกษารายละเอียดของชั้นเมฆในบรรยากาศของดาวเสาร์ ที่"ปกติ" เราไม่มีทางศึกษาได้จากกล้อง "ธรรมดา" ที่จับภาพในคลื่นแสงที่ตาคนมองเห็นบรรยากาศดาวเสาร์ได้ดีขึ้นด้วย

ในแถบศูนย์สูตร เมฆสะท้อนรังสีกลับได้มากที่สุด จากมุมมองของฮับเบิล จึงได้ทั้งคลื่นที่กำหนดให้เป็นสีเขียวและแดงผสมกันออกมาเป็นสีเหลือง(ตามการผสมคลื่นแสงแบบนี้ ไม่ใช่สีที่ได้ออกมาเวลาผสมสีวาดรูป) เหนือขึ้นไปแถบขั้วดาว ชั้นเมฆชั้นบนมีมุมสะท้อนไม่ตรงมาก จึงสะท้อนรังสีกลับมาไม่มาก ทำให้เราสามารถมอง "ทะลุ" ลงไปในชั้นเมฆได้มากกว่าแถบศูนย์สูตร เมฆชั้นล่างลงไปมีพลังงานมากกว่า จึงสะท้อนสีน้ำเงินออกมาดังภาพ

ภาพ เนบิวลาตาแมว เป็นเนบิวลาดาวเคราะห์ คือดาวฤกษ์ขนาดใกล้เคียงกับดวงอาทิตย์ ที่ใกล้ถึงจุดดับของชีวิต กำลังโยนสาดมวลสารออกสู่อวกาศ ด้วยแรงปะทะจากการระเบิดภายใน ที่ให้พลังงานให้มวลแต่ละส่วนแต่ละสาร เปล่งแสงเรืองออกมาต่างกันแล้วแต่ธาตุของมวลเหล่านั้น

ภาพนี้ ถ่ายมาตรงคลื่นแสงจำเพาะ ที่ธาตุบางอย่างเปล่งแสงออกมาเมื่ออีเลคตรอนคายพลังงานที่ได้รับออกโดยกำหนด สี ให้ สีแดง แทนคลื่นที่เปล่งจาก อะตอมของไฮโดรเจน สีน้ำเงิน จาก อะตอมของออกซิเจน และ สีเขียว จากไออ้อนของไนโตรเจน(คืออะตอมไนโตรเจนที่สูญอีเลคตรอนไปหนึ่งตัว)

หลายๆ ครั้งที่เราเห็นภาพจากฮับเบิล จะมีขอบเป็นหยักๆ เหลือพื้นที่สีดำ (เหมือนภาพเนบิวลาอินทรีที่นำมาให้ดูในตอนแรก) ที่เป็นเช่นนี้ก็เนื่องจากว่า กล้องวิฟพิคทู ประกอบด้วยกล้องย่อยๆ สี่ตัว ซึ่งทำให้มันสามารถเห็นขอบฟ้าได้กว้างกว่ากล้องเดี่ยวๆ จะทำได้ โดยมีกล้องที่มองได้ไกลๆ มีเลนส์หน้ากว้าง คือกล้อง Wide Field : WF 3 ตัว และกล้องตัวที่สี่เป็นกล้องไว้ดูรายละเอียดคือ Planetary camera : PC - พีซี ที่มีหน้าแคบกว่า

แม้จะมีจำนวนพิกเซลเท่ากัน แต่จะให้รายละเอียดมากกว่า หรือมี resolution สูงกว่า โดยการรับแสงจากกระจกหลายตัวที่ติดตั้งด้วยระบบซับซ้อน ส่งแสงต่อกันจนมาถึงตัวอุปกรณ์ซีซีดีของกล้อง

แสงจะถูกหักเหให้ตกไปที่กล้องแต่ละตัวต่างกัน

เนื่องจากกล้องสามตัวที่มีหน้ากล้องกว้าง รูปที่ได้เอามาต่อกันจากสี่เหลี่ยมจตุรัสสามรูปมาต่อกันเป็นตัว L ก็ได้ขนาดเท่าๆ กัน แต่จากกล้องที่สี่ ที่มีกำลังขยายสูงกว่า เมื่อมาปรับให้สเกลเท่ากันกับกล้องเลนส์กว้างแล้ว รูปที่ได้มาจากกล้อง PC มีพื้นที่ครอบคลุมน้อยกว่า WF สามกล้องแรก
แต่เพื่อความถูกต้องของสเกลก็ต้องปรับรูปที่ 4 ให้มีสเกลเดียวกัน เมื่อเอามาต่อกันที่เรียกว่า โมเสก แล้ว ก็จะได้รูปไม่เต็ม มีพื้นที่สีดำที่เหลือ ดูรวมๆ กันแล้วก็มีขอบหยึกหยักดังภาพ (เพื่อประกันว่า ภาพโมเสกที่มาต่อซ้อนกันในขั้นสุดท้าย จะต่อได้สนิทไม่มีรอย ในการถ่ายภาพ จะถ่ายซ้ำตรงขอบ เพื่อให้มาประสานกันได้โดยไม่มีรอยต่อ โดยจะมีข้อกำหนดมาอย่างชัดเจนเป็นหลักปฏิบัติเลยว่า ให้มีกี่พิกเซลล์ตรงขอบที่จะให้ถ่ายซ้ำซ้อนกับขอบของภาพจากกล้องอื่น)

เพราะว่าถ้าไม่สเกลรูป ภาพในส่วนที่ได้จาก PC จะได้สัดส่วนไม่เท่ากันกับสามภาพที่ได้จาก WF รูปก็จะต่อกันไม่สนิท แต่ในหลายครั้ง ภาพที่นำออกสู่สายตาก็ได้รับการคร็อพให้เต็มพื้นที่สี่เหลี่ยม

เปลี่ยนกระจกเพื่อภาพที่ชัดเจน

เมื่อยานฮับเบิลขึ้นไปปฏิบัติการเป็นครั้งแรกในปี 1990 (พ.ศ. 2533) นักดาราศาสตร์ก็พบว่า มีปัญหาที่กระจกหลักกรอมาไม่ถูก ทำให้ภาพมัวไปอย่างแก้อะไรไม่ได้ จนในปี 1993 (พ.ศ.2536) ก็ได้นำอุปกรณ์ COSTAR (Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement) ตัวใหม่ไปใส่ แล้วเปลี่ยนกล้อง WFPC มาใช้ตัวใหม่คือ WFPC2 ที่ใช้มาจนถึงปัจจุบัน (อุปกรณ์ COSTAR ที่กำลังถูกนำไปประกอบในยานฮับเบิล) ทำให้ภาพหลังจากการซ่อมปรับปรุง ออกมาได้คมชัดกว่าก่อนมาก

การถ่ายภาพนั้นมีขั้นตอนซับซ้อนยุ่งยากมาก นักวิทยาศาสตร์จะต้องเขียนโครงการนำเสนอขอใช้กล้อง และต้องบอกตำแหน่งที่จะถ่าย จะให้เป้าที่ถูกถ่ายอยู่ตรงส่วนไหนของกล้องไหนอย่างแจ่มชัด เมื่อโครงการได้รับอนุมัติ โดยคณะกรรมการอันประกอบด้วยผู้ทรงคุณวุฒิระดับโลกทางดาราศาสตร์ ที่ต้องพิจารณาว่า เป็นโครงการที่จะได้ผลคุ้มค่ากับการปฏิบัติการของฮับเบิลแล้ว การปฏิบัติการก็จะเล็งกล้องไปยังเป้าหมายที่จะถ่าย ให้ภาพตกลงยังกล้องที่กำหนด

จากนั้นนักดาราศาสตร์ผู้ขออนุมัติใช้ ก็ต้องเอาข้อมูลที่ได้ ซึ่งทางโครงการฮับเบิลจะทำมาให้ขั้นหนึ่ง แต่ไม่ใช่ขั้นสุดท้าย นักดาราศาสตร์เป็นผู้เอาไปประกอบเป็นภาพไปทำการศึกษาวิจัยเอาเอง ที่บางครั้งต้องใช้เวลาเป็นปีๆ เมื่อสรุปผลให้แถลงเป็นข่าวได้แล้ว ก็จะแถลงในนามของโครงการฮับเบิล ชื่อของนักดาราศาสตร์เจ้าของผลงาน จะปรากฏอยู่ใต้รูปที่ออกมาพร้อมกับข่าว

อยากรู้เพิ่มเติมอ่าน
นาซาต่อชีวิต “ฮับเบิล” ก่อนชาวโลกจะอดเห็นความงามในอวกาศ
องค์การบริหารการบินและอวกาศแห่งชาติของสหรัฐอเมริกา (นาซา)
โครงการฮับเบิลของนาซา
ติดตามความเคลื่อนไหวภาพสวยๆ จากฮับเบิล