ทุก 10 ปี สมาคมดาราศาสตร์ของอเมริกาจะจัดให้สมาชิกมาประชุมกัน เพื่อจัดทำข้อเสนอความต้องการให้รัฐบาลสหรัฐฯ ทราบในการจัดสรรงบประมาณสร้างอุปกรณ์วิจัยดาราศาสตร์ โดยขอให้จัดลำดับความสำคัญและความจำเป็นของอุปกรณ์ที่ต้องการ ข้อเสนอนี้จึงมีลักษณะเป็นการขอของขวัญจาก Santa Claus ในเทศกาลคริสต์มาสโดยบรรดาผู้ใหญ่ มิใช่โดยเด็ก
ย้อนอดีตไปถึงปี 1989 ซึ่งในปีนั้นสมาคมได้เรียงลำดับความสำคัญ โดยให้โครงการ Next Generation Space Telescope มีความสำคัญเป็นลำดับแรก คือสร้างกล้องโทรทรรศน์อวกาศชื่อ James Webb ที่จะถูกส่งขึ้นไปโคจรในอวกาศในปี 2018 เพื่อทำหน้าที่แทนกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Hubble ที่ได้ทำงานมานานเป็นเวลากว่า 25 ปีแล้ว
ในปีที่มีการเสนอโครงการ งบประมาณการสร้างกล้อง Webb ได้ถูกกำหนดไว้ที่ 1,000 ล้านดอลลาร์ อีก 6 ปีต่อมา งบก่อสร้างได้เพิ่มเป็น 5,000 ล้านดอลลาร์ ถึงปี 2016 ราคากล้องได้เพิ่มเป็น 8,000 ล้านดอลลาร์ จึงดูเสมือนว่า ราคาได้พุ่งพรวดพราดในลักษณะเดียวกับการขยายตัวของเอกภพที่กำลังดำเนินไปด้วยความเร่ง ยังไงยังงั้น
ตามแผนที่นำเสนอนั้นกล้องโทรทรรศน์ Webb จะเป็นกล้องโทรทรรศน์อวกาศที่มีขนาดใหญ่ที่สุด ในโลกมีความเป็นไฮเทคมากที่สุด มีราคาแพงที่สุด และเป็นที่คาดหวังสูงสุดของนักดาราศาสตร์ทุกคน เพราะกล้อง Webb จะทำงานได้รวดเร็ว ว่องไวและมีประสิทธิภาพยิ่งกว่ากล้อง Hubble ประมาณ 100 เท่า โดยสามารถรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นตั้งแต่ 0.6 ไมโครเมตรถึง 28 ไมโครเมตรได้ เพราะคลื่นอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่นในช่วงดังกล่าวสามารถช่วยให้นักดาราศาสตร์เห็นภาพของเอกภพขณะมีอายุไม่ถึง 3 แสนปี นอกจากนี้กล้องยังสามารถวิเคราะห์องค์ประกอบของบรรยากาศที่อยู่เหนือดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะได้ จนสามารถระบุได้ว่า จากบรรดาดาวเคราะห์ที่นักดาราศาสตร์ทั่วโลกได้พบและเห็นมาแล้วประมาณ 5,000 ดวงนั้น มีดาวดวงใดบ้างที่อาจมีสิ่งมีชีวิต และถ้านักดาราศาสตร์โชคดี กล้องก็อาจแสดงให้เห็นลำดับขั้นตอนการถือกำเนิดของดาวเคราะห์ด้วย
เพราะกล้องมีมูลค่ามหาศาล ดังนั้น เทคนิคการสร้างจึงต้องอาศัยมันสมองระดับสุดยอดและความสามารถระดับเซียนของนักเทคโนโลยีและนักวิทยาศาสตร์ประมาณ 1,000 คนจาก 17 ประเทศ ที่มาทำงานร่วมกันเป็นเวลานานประมาณ 20 ปี โดยได้รับทุนสนับสนุนจากองค์การอวกาศของยุโรป (European Space Agency ESA) ในการสร้างอุปกรณ์ spectrograph มูลค่า 500 ล้านดอลลาร์ซึ่งจะวิเคราะห์แสง near infrared ด้วยเงินสนับสนุนนี้นักวิทยาศาสตร์ยุโรปจึงมีสิทธิ์ในการใช้กล้อง 15% ของเวลาทั้งหมด ส่วนองค์การวิจัยของ Canada ที่สร้างอุปกรณ์เพื่อรับแสงอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่นมากกว่าเครื่องของ ESA และมีมูลค่า 57 ล้านดอลลาร์ก็มีสิทธิ์ให้นักวิทยาศาสตร์แคนาดาสามารถใช้กล้องได้ประมาณ 5% ส่วนเวลาที่เหลือเป็นของนักวิทยาศาสตร์อเมริกันกับชาติอื่นๆ
หลังการเสนอโครงการภาวะเงินเฟ้อ และข้อมูลใหม่ๆ ที่ได้รับจากกล้องโทรทรรศน์อื่นๆ ทำให้โครงการนี้ต้องมีการปรับแผนตลอดเวลา เช่น จากเดิมที่เคยจะให้กระจกของกล้องมีเส้นผ่านศูนย์กลางยาว 8 เมตร ก็ถูกลดลงเหลือ 6.5 เมตร และจากเดิมที่เคยคิดจะใช้กระจก 6 เหลี่ยมด้านเท่าจำนวน 36 ชิ้นนำมาเรียงต่อกันแบบ mosaic จำนวนกระจกก็ได้ลดลงเหลือ 18 ชิ้น ทำให้พื้นที่รับแสงของกล้องลดจาก 50 ตารางเมตรเป็น 25 ตารางเมตร เป็นต้น กระนั้นก็ยังมีขนาดใหญ่กว่าของ Hubble 3เท่า
เงื่อนไขที่กำหนดให้กล้องรับรังสี infrared ทำให้กล้องต้องโคจรอยู่สูงและห่างจากบรรยากาศของโลกเพื่อไม่ให้ไอน้ำในบรรยากาศดูดรังสี infrared ไปหมด นอกจากนี้กล้องต้องมีอุปกรณ์ป้องกันความร้อนจากโลกด้วย อีกทั้งได้รับการปกป้องจากความร้อนที่มาจากดวงอาทิตย์ด้วย ในการเน้นความสามารถที่จะรับรังสีอินฟราเรดเป็นส่วนใหญ่ เพราะทฤษฎี Big Bang ระบุว่า เมื่อเอกภพถือกำเนิดใหม่ๆ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ที่ถูกปลดปล่อยออกมาเป็นรังสี infrared
หลัง Big Bang ใหม่ๆ เอกภพจะมีความสว่างมาก แล้วความเข้มแสงก็ลดลงๆ เป็นการก้าวเข้าสู่ยุคมืด หลังจากนั้นประมาณ 1,000 ล้านปี กาแล็กซี่และดาวฤกษ์ดวงแรกๆ ก็เริ่มถือกำเนิด แล้วเคลื่อนที่หนีจากกัน ทำให้ความยาวคลื่นของแสงเพิ่มขึ้น คือ ดูแดงขึ้นๆ ดาวฤกษ์ดวงแรกๆ นี้มี red shift ประมาณ 20 ในขณะที่กล้องโทรทรรศน์อวกาศ Hubble ไม่เคยเห็นดาวฤกษ์ที่มี red shift เกิน 7 (red shift เป็นค่าที่ขึ้นกับความเร็วของวัตถุที่เปล่งแสง เพราะความเร็วขึ้นกับระยะทาง ดังนั้น ค่า red shift จึงขึ้นกับระยะทางด้วย)
กล้อง Webb อาจจะเห็น supernova ที่เป็นต้นกำเนิดธาตุหนักดวงแรกๆ และเห็นกาแล็กซีแรกๆ ด้วย ว่า proto-galaxy ถือกำเนิดเกิดขึ้นได้อย่างไร และถ้ากล้องถูกโฟกัสไปที่บริเวณเล็กๆ ในอวกาศ แล้วเปิดหน้ากล้องนาน นักดาราศาสตร์ก็จะเห็นวัตถุที่ปล่อยแสงความเข้มน้อยนิดนี้ และเห็นวัตถุที่อยู่ไกลมากได้
ในการส่งกล้องขึ้นไปโคจรอยู่ในอวกาศนั้น กล้องจะอยู่ ณ ตำแหน่งที่เรียกว่า L2 (Lagrangian 2) คือ ห่างจากโลกประมาณ 1.5 ล้านกิโลเมตร ซึ่งจะไกลเกินที่กล้องจะได้รับการซ่อมแซม ถ้าอุปกรณ์ส่วนใดของกล้องทำงานบกพร่อง ในขณะที่กล้อง Hubble นั้นสามารถได้รับการซ่อมแซมได้ นี่จึงเป็นข้อแตกต่างระหว่าง Hubble กับ Webb ดังนั้นวิศวกรที่สร้าง Webb จะต้องทำงานไม่ผิดพลาดเลย นับตั้งแต่การนำกล้องไปติดตั้งในจรวดยิง ก็ต้องไม่ให้กล้องถูกกระทบกระเทือน เพราะจะทำให้กระจกที่ใช้โฟกัสแสง ไม่สามารถเห็นภาพ หรือเห็นภาพได้ไม่ชัด
NASA ได้กำหนดแผนนำกล้องขึ้นสู่อวกาศว่า หลังจากที่ยิงจรวดไป 30 นาที กล้องจะอยู่ที่ระยะไกล 10,000 กิโลเมตรจากโลก แล้วกล้องก็จะถูกบังคับให้แยกตัวจากจรวด
อีก 4 นาทีต่อมาที่ระยะสูง 11,000 กิโลเมตร แผงรับพลังงานแสงอาทิตย์ที่ติดอยู่กับกล้องก็จะกางออก
หลังจากที่เวลาผ่านไป 3 วัน และกล้องได้วนรอบโลกหลายรอบแล้ว กล้องจะถูกบังคับให้ไต่ขึ้นจนอยู่ห่างจากโลกเป็นระยะทาง 480,000 กิโลเมตร หลังจากนั้นแผงป้องกันแสงอาทิตย์ก็จะกางออกเพื่อไม่ให้รังสีต่างๆ จากดวงอาทิตย์ทำลายประสิทธิภาพการทำงานของกล้อง
จากนั้นอีก 29 วัน กล้องก็จะเดินทางถึงตำแหน่งปลายทางคือ ที่ระยะห่างจากโลก 1.5 ล้านกิโลเมตร (L2) ซึ่งเป็นตำแหน่งที่กล้องจะมีเสถียรภาพมากที่สุด
เพราะกล้องโคจรต้องโคจรไปรอบดวงอาทิตย์พร้อมโลก ดังนั้นกระจกของกล้องที่ใช้รับแสงจากดาวฤกษ์ต่างๆ จึงต้องมีการปรับทิศไม่ให้รับแสงอาทิตย์โดยตรง ซึ่งสามารถทำได้โดยใช้ตัว actuator อันเป็นอุปกรณ์ควบคุมและการกระตุ้นการวางตัวของกระจกรับแสง ซึ่งทำจาก beryllium และเคลือบด้วยทองคำเพื่อให้สะท้อนแสง infrared ได้ดี ด้วยการปรับอุณหภูมิด้านหน้าของกระจกให้อยู่ที่ 85 องศาเซลเซียส และด้านหลังของกระจกให้อยู่ที่ -233 องศาเซลเซียส โดยมิให้ความร้อนจากดวงอาทิตย์และโลกกลบอิทธิพลของรังสีอินฟราเรดจากดาวต่างๆ ในอวกาศ และภายในตัวกล้องมีสภาพเกือบเป็นสุญญากาศ คือ มีความดันประมาณ 10-8 เท่าของความดันอากาศที่ผิวโลก และมีอุณหภูมิ -250 องศาเซลเซียส การมีอุณหภูมิต่ำมากเช่นนี้ เพราะถ้ากล้องมีอุณหภูมิสูง ตัวกล้องเองก็จะแผ่รังสีอินฟราเรดออกมารบกวน ทำให้การวัดรังสีอินฟราเรดจากดาวฤกษ์ และจากกาแล็กซีไม่ถูกต้อง
เงื่อนไขเหล่านี้ทำให้เทคโนโลยีการออกแบบกล้องต้องมีความละเอียดและรอบคอบมาก เพื่อป้องกันมิให้มีความผิดพลาดในการทำงาน โดยเริ่มตั้งแต่ขนาดของกล้องจากที่กำหนดว่า กล้องจะมีขนาดประมาณ 8 เมตร ก็ได้พบว่า ขนาดดังกล่าวใหญ่เกินที่จะนำไปติดตั้งในหัวจรวด วิศวกรจึงต้องออกแบบให้มีขนาดเล็กเพื่อให้สามารถนำไปติดที่หัวจรวดได้ หลังจากที่แยกตั้งจากจรวดแล้วให้กล้องกางแผงรับแสงอาทิตย์ออก โดยโครงสร้างทั้งหมดของตัวกล้องต้องแข็งแรง และหนักไม่เกิน 6 ตัน เหล่านี้เป็นเทคโนโลยีใหม่ที่ไม่มีใครทำมาก่อน และนี่ก็เป็นอีกเหตุผลหนึ่งที่ทำให้แผนการส่งกล้องขึ้นอวกาศต้องล่าช้า
อีกข้อสังเกตหนึ่งคือ กล้อง Webb ใช้ “กระจก” ที่ไม่ได้ทำด้วยแก้ว เพราะแก้วขยายตัวและหดตัวง่าย แต่ใช้วัสดุที่เป็นโลหะ beryllium แทน เพราะวัสดุนี้ไม่สึกกร่อน เบา และทรงรูปร่างได้ดี แม้อุณหภูมิจะต่ำถึง 50 องศาเคลวินก็ตาม “กระจก” จะสะท้อนแสงได้เกือบ 100% เต็ม
แผงกั้นแสงอาทิตย์ก็ได้รับการออกแบบด้วยการใช้วัสดุ beryllium เช่นกันแต่เคลือบด้วยทองคำ อุปกรณ์ทัศนศาสตร์ของกล้องสามารถรับ spectrum ของแสงจากดาว 100 ดวงพร้อมกัน แม้แสงจากดาวเหล่านั้นจะมัวมากก็ตาม
อนึ่งในการส่งกล้องขึ้นอวกาศ อุปกรณ์ต้องได้รับการทดสอบไม่ให้สะเทือนมาก ทั้งตอนขึ้น และตอนลอยอยู่ในอวกาศ เพราะขณะพุ่งขึ้นจากโลก กล้องมีอุณหภูมิสูง แต่เวลาทำงาน กล้องมีอุณหภูมิต่ำมาก ดังนั้น การออกแบบตัวกล้องจึงเป็นงานระดับไฮเปอร์ไฮเทค แต่เมื่อกล้องเริ่มทำงาน โลกดาราศาสตร์ยุคใหม่ก็เปิดทันที ในขณะเดียวกันถ้ากล้องล้มเหลว การสร้างกล้องโทรทรรศน์อื่นๆ ในอนาคตก็จะถูกชะลอไปโดยปริยายด้วย
อ่านเพิ่มเติมจาก The First Stars in the Universe โดย Richard B. Larson and Volker Bromm ใน Scientific American Vol.285 No.6 page 52-59 December 2001
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
