ในปี 1608 (ตรงกับรัชสมัยสมเด็จพระเอกาทศรถ) Hans Lippershey นักประดิษฐ์ชาวดัชท์ได้ประดิษฐ์กล้องส่องทางไกลขึ้นครั้งแรก จนเป็นอุปกรณ์ที่ได้รับความนิยมชมชอบในบรรดาพ่อค้าวาณิชซึ่งใช้ดูเรือที่กำลังนำสินค้าเข้ามาจอดเทียบท่า เพื่อรู้ชนิดของสินค้าที่กำลังจะมาถึงก่อนคู่แข่งขัน ทำให้ได้เปรียบทางการค้า หลังจากนั้นไม่นานกล้องส่องทางไกลก็ได้รับการพัฒนาไปใช้ในการสอดแนมข้าศึกเวลาเกิดศึกสงคราม ถึงปี 1610 Galileo Galilei ได้เป็นบุคคลแรกที่ใช้กล้องส่องทางไกลในการสำรวจดาวต่างๆ บนท้องฟ้า ทำให้ได้เห็นดวงจันทร์ทั้ง 4 ของดาวพฤหัสบดีอันได้แก่ Io, Europa, Callisto และ Ganymede รวมถึงเห็นหลุมอุกกาบาตบนดวงจันทร์ และจุดบนดวงอาทิตย์ด้วย
ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในเวลาต่อมาได้ทำให้กล้องโทรทรรศน์มีพัฒนาการด้านประสิทธิภาพมากขึ้นๆ ลุถึงปี 1845 (รัชสมัยสมเด็จพระนั่งเกล้าเจ้าอยู่หัว) กล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสงขนาด 1.8 เมตร ซึ่งใหญ่ที่สุดในโลกได้ถูกสร้างขึ้นที่เมือง Parsonstown ในไอร์แลนด์ แต่ไม่ได้เปิดทำงานมาก เพราะฝนในบริเวณนั้นตกบ่อย และเมฆที่หนาทึบทำให้การสังเกตดาวเป็นไปอย่างไม่สะดวก
ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา นักดาราศาสตร์จึงหันไปสร้างหอดูดาวบนยอดเขาสูง ซึ่งเป็นบริเวณที่ค่อนข้างปราศจากเมฆหมอกมารบกวน เช่น กล้องโทรทรรศน์ Hooker ที่อยู่บนยอดเขา Wilson ใน California มีเลนส์ขนาด 2.5 เมตร ซึ่ง Hubble ได้ใช้สำรวจท้องฟ้า จนได้พบว่า เอกภพกำลังขยายตัวตลอดเวลา และเอกภพมีกาแล็กซี่จำนวนนับล้าน นอกเหนือจากกาแล็กซี่ทางช้างเผือกที่ทุกคนรู้จักดี
ถึงปี 1990 องค์การ NASA ได้ส่งกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Hubble ขึ้นโคจรที่ระยะสูง 500 กิโลเมตรเหนือโลก กล้องมีกระจกรับแสงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางยาว 2.4 เมตร และมีผิวราบเรียบที่สุด เพราะไม่มีบริเวณใดที่ผิวกระจกจะสูงกว่าบริเวณโดยรอบเกินระยะทาง 10 นาโนเมตร ถึงวันนี้กล้องก็ยังปฏิบัติงานสำรวจอวกาศ และจะทำงานต่อไปจนถึงปี 2040
แต่กล้องโทรทรรศน์ที่นักดาราศาสตร์ใช้มิจำเป็นจะรับเฉพาะแสงที่ตาเห็นเท่านั้น เพราะธรรมชาติมีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดอื่นๆ อีกมากมาย เช่น รังสีเอ็กซ์ รังสีแกมมา รังสีอินฟราเรด รังสีอัลตราไวโอเลต และคลื่นวิทยุด้วย ดังในปี 1932 ที่วิศวกรชื่อ Karl Jansky ได้พบว่า ในอวกาศมีคลื่นวิทยุที่ดวงดาวต่างๆ ส่งออกมาตลอดเวลา เขาจึงได้สร้างกล้องโทรทรรศน์วิทยุ (radio telescope) ขึ้นเพื่อทำหน้าที่รับคลื่นวิทยุที่มีความยาวคลื่นค่อนข้างยาว และ Arno Penzias กับ Robert Wilson ได้ใช้กล้องพบรังสีชนิดนี้ที่หลงเหลืออยู่หลังการระเบิดครั้งยิ่งใหญ่ (Big Bang) ในอวกาศทุกหนแห่ง ซึ่งปัจจุบันเป็นรังสีแบบ microwave ที่มีอุณหภูมิ 2.7 องศาเคลวิน และผลงานนี้ทำให้คนทั้งสองได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1978
สำหรับกรณีรังสีแกมมานั้น โลกดาราศาสตร์มีกล้องโทรทรรศน์รังสีแกมมา (gamma ray telescope) ด้วย เพื่อรับรังสีที่มีความยาวคลื่นสั้นมาก โดยเฉพาะรังสีนี้เกิดจากการยุบตัวของดาวนิวตรอน เพราะรังสีแกมมามีพลังงานในการทำร้ายสูงมาก ดังนั้นถ้าโลกอยู่ใกล้ดาวนิวตรอนที่ยุบตัว ณ ที่ห่างจากโลกไม่เกิน 6,000 ปีแสง ถ้ามีการระเบิดปล่อยรังสีแกมมาออกมา สิ่งมีชีวิตทุกชนิดบนโลกจะตายหมด
ในปี 2002 Raymond Davis เป็นผู้ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์จากผลงานการสร้างกล้องโทรทรรศน์ชนิดใหม่ ชื่อกล้องโทรทรรศน์ neutrino เพื่อตรวจจับอนุภาค neutrino ที่ถูกส่งออกมาจากแก่นกลางของดวงอาทิตย์ ในปฏิกิริยา fusion กล้องโทรทรรศน์ที่ Davis สร้างนี้ประกอบด้วยถังบรรจุของเหลว tetrachloroethene ที่มีปริมาณ 1 แสนแกลลอน และถูกฝังอยู่ใต้ดินที่ระดับลึก 1.5 กิโลเมตร การรู้อัตราการมาถึงโลกของอนุภาค neutrino จากดาวฤกษ์ทำให้นักฟิสิกส์ล่วงรู้กลไกที่ดาวฤกษ์ใช้ในการสร้างพลังงาน
ทุกวันนี้กล้องโทรทรรศน์ได้เปลี่ยนตำแหน่งที่ใช้ปฏิบัติงานไปมาก จากที่เคยอยู่แต่บนดินไปอยู่ในทะเล กลางทะเลทราย ใต้ดิน ใต้น้ำแข็งที่ขั้วโลก บนยอดเขาสูง และในอวกาศ เทคนิคการสังเกตของนักดาราศาสตร์ก็ได้เปลี่ยน จากที่ต้องเดินทางไปดูกล้องด้วยตนเอง มาเป็นการทำงานที่บ้านและควบคุมกล้องโดยใช้คอมพิวเตอร์ทางไกลแทน แต่จุดมุ่งหมายหลักก็ยังเหมือนเดิม คือ พยายามรับข้อมูลทุกรูปแบบที่เอกภพส่งมายังโลก พยายามแปลความหมายของข้อมูลเหล่านั้น แล้วสร้างทฤษฎีที่อธิบายปรากฏการณ์ที่เห็น รวมถึงพยากรณ์เหตุการณ์ที่อาจจะเกิดขึ้นด้วย
โลกในอนาคตอีก 30 ปี จะมีกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่เพิ่มอีกหลายกล้อง เช่น
(1) กล้อง James Webb Space Telescope (JWST) ซึ่งเลนส์ของกล้องมีพื้นที่ 33 ตารางเมตรสำหรับรับรังสีอินฟราเรด กล้องถูกสร้างขึ้นด้วยเงินงบประมาณหนึ่งแสนหกหมื่นล้านบาท
ในขณะที่กล้องโทรทรรศน์อวกาศ Hubble รับเฉพาะแสงที่ตาเห็นและรังสีอัลตราไวโอเล็ท กล้อง JWST จะรับแสงจากดาวที่เปล่งรังสีอินฟราเรดเป็นหลัก นั่นคือ จะเสาะแสวงหาเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นหลัง Big Bang เล็กน้อย หาดาวฤกษ์ดวงแรกๆ ของเอกภพ เพื่อวิเคราะห์ประวัติความเป็นมาของเอกภพอย่างละเอียด เพื่อบรรลุผลที่คาดหวังนี้ JWST ได้นำเทคโนโลยีที่มีนววัตถุกรรมหลายเรื่องมาใช้ เช่น ตัวกล้องทำด้วยธาตุ beryllium เป็นส่วนใหญ่ และทำงานที่อุณหภูมิ 7 องศาสัมบูรณ์ (-266 องศาเซลเซียส) เพราะถ้ากล้อง JWST มีอุณหภูมิสูงกว่านี้ กล้องจะปล่อยรังสีอินฟราเรดออกมา ซึ่งจะเข้าไปรบกวนข้อมูลที่ต้องการซึ่งเป็นข้อมูลจากอวกาศเท่านั้น หน้ากล้องมีเส้นผ่านศูนย์กลางยาว 6.5 เมตร ตัวกระจกสะท้อนแสงประกอบด้วยจานหกเหลี่ยม 18 ชิ้นนำมาเรียงกันและถูกควบคุมโดย computer ให้ผิวกระจกเป็นส่วนโค้งของทรงกลมที่สมบูรณ์ โดยมีความยาวโฟกัส 131.4 เมตร JWST จะถูกส่งขึ้นไปโคจรรอบโลกที่ระยะสูง 1.5 ล้านกิโลเมตรจึงทำให้สามารถเห็นอวกาศในบริเวณกว้างกว่ากล้อง Hubble เพราะไม่มีโลกมาบดบังวิว แต่การโคจรอยู่ที่สูงมากทำให้เกิดข้อเสียเปรียบ คือการซ่อมกล้องเวลาเกิดความเสียหายเป็นเรื่องที่เป็นไปไม่ได้ ดังนั้น ถ้ากล้อง JWST ทำงานบกพร่อง ทุกคนต้องทำใจว่า เสียแล้วเสียเลย
นักดาราศาสตร์คาดหวังจะให้ JWST มีอายุทำงานนานกว่า 10 ปี และจะส่งกล้องขึ้นอวกาศในปี 2019 เพื่อตอบคำถามต่างๆ มากมาย เช่น หลุมดำกับกาแล็กซี อะไรเกิดก่อนกัน เหตุใดกาแล็กซีที่มีขนาดใหญ่จึงมีหลุมดำอยู่ที่ใจกลาง รวมถึงการพยายามตอบคำถามที่ว่า ดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์ต่างๆ มีขั้นตอนการถือกำเนิดอย่างไร
(2) กล้อง Large Synoptic Survey Telescope (LSST) ซึ่งกำลังถูกสร้างที่ Cerro Pachon ใน Chile ให้สำรวจท้องฟ้าด้วยกระจกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางยาว 8.4 เมตร กล้องจะอยู่บนโลก เพื่อทำหน้าที่สำรวจท้องฟ้า สังเกต supernova ชนิดต่างๆ วิเคราะห์วงโคจรของดาวเคราะห์น้อย ค้นหาวัตถุที่โคจรในแถบ Kuiper ในบริเวณขอบของระบบสุริยะ กล้องจะรับแสงที่มีความยาวคลื่นตั้งแต่ 320 - 1060 นาโนเมตร และทันทีที่เห็นวัตถุที่น่าสนใจ LSST จะส่งข้อมูลทาง internet ไปที่หอสังเกตการณ์อื่นๆ ทั่วโลก ซึ่งเป็นเครือข่ายให้ร่วมกันติดตาม แล้วรวบรวมข้อมูลอย่างละเอียด กล้องนี้อนุญาตให้นักดาราศาสตร์สมัครเล่น นิสิต และนักดาราศาสตร์มืออาชีพได้เข้ามาทำงานร่วมกัน
บทบาทสำคัญของกล้อง LSST อีกเรื่องหนึ่งคือการศึกษาปรากฏการณ์เลนส์โน้มถ่วง (gravitational lens) ที่จะช่วยให้นักดาราศาสตร์รู้โครงสร้างของเอกภพ โดยวิเคราะห์การกระจายตัวของสสารมืด และพลังงานมืด รวมถึงจะพยายามจัดระบบข้อมูลของดาวเคราะห์น้อยทุกดวง เพื่อให้รู้ภัยอันตรายที่อาจจะเกิดตามมาถ้าดาวเคราะห์น้อยพุ่งชนโลก อีกทั้งศึกษาคลื่นโน้มถ่วงจากการดูการชนกันของดาวนิวตรอน นั่นคือ ในภาพรวม LSST จะบันทึกข้อมูลของวัตถุในท้องฟ้าที่ทุกคนรู้ และยังไม่รู้ ซึ่งข้อมูลเหล่านี้มีมากกว่าจำนวนประชากรทั้งโลกเสียอีก กล้อง LSST จะเริ่มทำงานในปี 2019
(3) กล้อง European Extra Large Telescope (E-ELT) ในขณะที่กล้องโทรทรรศน์ทุกกล้องบนโลกต้องทำงานภายใต้เงื่อนไขจำกัดหลายประการ เช่น บรรยากาศของโลกที่ปั่นป่วนและมีไอน้ำที่จะดูดกลืนรังสีอินฟราเรดไปเกือบหมด ดังนั้น กล้องโทรทรรศน์บนโลกจะรับรังสีอินฟราเรดจากดาวไม่ได้ แต่สามารถรับคลื่นอื่นๆ ได้ กล้อง E-ELT บนดินของหอสังเกตการณ์ยุโรปทางซีกโลกใต้ (ESO European Southern Observatory) จะเริ่มทำงานในปี 2024 กล้องมีพื้นที่รับแสง 1,385 ตารางเมตร และทำงานโดยอาศัยระบบ adaptive optics ทำให้สามารถปรับความยาวโฟกัสของกระจกได้ตามสภาพความแปรปรวนของบรรยากาศ จึงสามารถเห็นและถ่ายภาพดาวได้ชัดกว่ากล้อง Hubble ที่โคจรในอวกาศถึง 18 เท่า มีผลทำให้สามารถเห็นดาวเคราะห์ที่มีลักษณะคล้ายโลกได้ดีกว่ากล้องโทรทรรศน์อื่นๆ ทั้งหมดในปัจจุบัน รวมทั้งอาจเห็นบรรยากาศเหนือดาวเคราะห์ที่ต้องสงสัยว่ามีสิ่งมีชีวิตอยู่ด้วย ยิ่งไปกว่านั้น E-ELT จะสามารถวัดความเร็วของกาแล็กซีขณะเวลาต่างกันได้ด้วย จึงช่วยให้รู้ว่า เอกภพกำลังขยายตัวด้วยความเร่งมากเพียงใด
(4) กล้อง Square Kilometre Array (SKA) เป็นเครือข่ายของกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในโลก เพราะมีพื้นที่รับคลื่น 1 ล้านตารางเมตร และสามารถรับคลื่นที่มีความถี่ตั้งแต่ 70 megahertz -10 gigahertz (70x106 – 10x109 hertz) มีจานรับคลื่นนับพันจานเรียงรายใกล้กันเป็นกลุ่ม และสามารถรับคลื่นได้เร็วกว่ากล้องโทรทรรศน์วิทยุปัจจุบันประมาณ 10,000 เท่า จึงสามารถศึกษาวิวัฒนาการของ galaxy ดาว quasar, pulsar และ supernova ได้ดี กล้องโทรทรรศน์ SKA ได้รับการสนับสนุนจากรัฐบาลใน 19 ประเทศ ได้แก่ Argentina, Australia, Brasil, Canada, China, India, South Africa และ Sweden เป็นต้น นักดาราศาสตร์มีความคาดหวังว่ากล้องจะเห็นการระเหิดของหลุมดำ เห็นอารยธรรมต่างดาว รวมถึงเห็นกระบวนการเกิดธาตุหนัก เวลาดาวนิวตรอนชนกัน ฯลฯ อันจะเป็นปัญหาดาราศาสตร์ที่น่าสนใจในคริสต์ศตวรรษที่ 22
อ่านเพิ่มเติมจาก Giants Telescopes of the Future โดย R. Gilmozzi ใน Scientific American ปี 2006
เกี่ยวกับผู้เขียน สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" จาก "ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน" ได้ทุกวันศุกร์
