ไม่มีใครรู้ชัดว่า มนุษย์คนแรกที่นำเลนส์นูน 2 เลนส์มาติดที่ปลายทั้งสองข้างของท่อทรงกระบอก เพื่อใช้ส่องดูวัตถุที่อยู่ไกล เป็นใคร ชื่ออะไร และที่ทำไปนั้น เพื่อจุดประสงค์อันใด เพราะมีการแอบอ้างว่าทำกันเป็นคนแรกหลายคน ด้วยหลักฐานต่าง ๆ มากมาย
ประวัติศาสตร์ได้ลงบันทึกว่า ในฤดูใบไม้ร่วงของปี 1608 (รัชสมัยสมเด็จพระเอกาทศรถ) กองทัพเนเธอร์แลนด์ ซึ่งได้ทำสงครามกับกองทัพฝรั่งเศสเป็นเวลานานร่วม 40 ปี ได้ลงนามในสนธิสัญญาสงบศึก โดยมีนักการทูตชาวฝรั่งเศสชื่อ Pierre Jeannin เป็นคนไกล่เกลี่ยที่กรุง Hague ช่วงเวลานั้นเมือง Hague จึงคลาคล่ำด้วยพ่อค้า นักการทูต นักการทหาร และนักการเมืองมากมาย และในวันที่ 25 กันยายน ค.ศ.1608 นั้นเอง ก็มีชายคนหนึ่งท่าทางเป็นคนสุภาพที่เคร่งศาสนา ชื่อ Hans Lippershey ซึ่งเป็นช่างทำแว่นตาจากเมืองท่า Middelburg ซึ่งมีโรงงานทำแก้วขนาดใหญ่ ได้เดินทางมาที่เมืองหลวง Hague เพื่อสาธิตความอัศจรรย์ของสิ่งประดิษฐ์ที่เขาสร้างให้เจ้าชาย Maurice แห่งราชวงศ์ Orange-Nassau ทอดพระเนตร การได้เห็นประสิทธิภาพในการทำงานของกล้องทำให้บรรดาขุนนางผู้ใหญ่ทุกคนรู้สึกประทับใจมาก แม้แต่แม่ทัพ Ambrogio Spinola ของราชอาณาจักรสเปนเอง ก็ถึงกับอุทานออกมาว่า “ต่อแต่นี้ไป ชีวิตของข้าพเจ้าก็จะไม่ปลอดภัยแล้ว เพราะศัตรูสามารถเห็นข้าพเจ้าได้จากที่ไกล”
ข่าวความมหัศจรรย์ของกล้องได้แพร่กระจายไปทุกมุมเมืองอย่างรวดเร็ว บุคคลสำคัญหลายคนอยากได้กล้องมาไว้ในครอบครอง เช่น ท่านทูต Pierre Jeannin แต่ Lippershey ปฏิเสธที่จะขายให้หรือแม้แต่จะสร้างให้
อีกหนึ่งสัปดาห์ต่อมา Lippershey ได้ยื่นจดสิทธิบัตรของสิ่งประดิษฐ์ที่เขาสร้าง และได้รับเงิน 900 guilders เป็นค่าตอบแทนในการสร้างกล้องส่องทางไกลจำนวน 3 กล้อง อีก 2 สัปดาห์ต่อมา ที่สำนักงานจดสิทธิบัตรก็มีคนมายื่นขอจดสิทธิบัตรของสิ่งประดิษฐ์เดียวกันอีกสองคน คนที่หนึ่งเป็นช่างทำแว่นตา ชื่อ Jacob Metius แห่งเมือง Alkmaar และอีกคนไม่ปรากฏชื่อ
จึงเป็นว่า หนึ่งในสามคนนี้ คือ คนที่สร้างกล้องส่องทางไกลเป็นคนแรก ส่วนอีกสองคนเป็นคนแอบอ้าง ผลที่ตามมา คือ ทางการดัตช์ได้ปฏิเสธคำขอจดสิทธิบัตรของทั้ง Lippershey และ Metius
เมื่อไม่มีใครเป็นเจ้าของสิทธิบัตร ใคร ๆ ก็สามารถสร้างกล้องเองเพื่อขายได้ ลุถึงเดือนเมษายน ค.ศ. 1609 ทั้งที่ Paris ในฝรั่งเศสและที่ Milan ในอิตาลี ก็มีกล้องส่องทางไกลวางขายกันเกลื่อน บางคนได้ใช้กล้องนี้ส่องดูดาวบนท้องฟ้าด้วย และพบว่า แม้ดาวต่าง ๆ จะอยู่ไกลจนตาเปล่ามองไม่เห็น แต่กล้องก็สามารถช่วยให้สามารถเห็นดาวได้ กล้องส่องทางไกล จึงเพิ่มบทบาทเป็นกล้องดูดาวด้วย
ในเวลาเดียวกัน Galileo Galilei ซึ่งเป็นอาจารย์สอนอยู่ที่มหาวิทยาลัย Padua ในประเทศอิตาลีก็ได้ประดิษฐ์กล้องส่องทางไกลเหมือนกัน เพื่อขายให้พ่อค้าตามท่าเรือใช้ส่องดูเรือสินค้าที่กำลังนำสินค้าเข้าเทียบท่า เพื่อจะได้รู้ชนิดของสินค้าที่กำลังจะมาถึงก่อนคนอื่น ๆ และเมื่อ Galileo รู้ว่ากล้องชนิดนี้สามารถเห็นดาวได้ชัด จึงได้พัฒนากล้องของตน จนมีกำลังขยายประมาณ 30 เท่า แล้วใช้ส่องดูดาวต่าง ๆ บนท้องฟ้าในเวลากลางคืน จนเห็นข้างขึ้น ข้างแรมของดาวศุกร์ ซึ่งแสดงให้เห็นว่า ดาวศุกร์โคจรรอบดวงอาทิตย์ โดยมิได้โคจรรอบโลกดังคำเขียนที่ปรากฏในคัมภีร์ไบเบิล อีกทั้งยังได้เห็นดวงจันทร์บริวาร 4 ดวงของดาวพฤหัสบดีว่าโคจรรอบดาวพฤหัสบดี เหตุการณ์นี้ทำให้ Galileo ตระหนักว่า ทฤษฎีโครงสร้างของระบบสุริยะที่มีดวงอาทิตย์เป็นจุดศูนย์กลาง และมีดาวเคราะห์ต่าง ๆ โคจรไปโดยรอบนั้นเป็นเรื่องจริงและถูกต้องตามที่นักดาราศาสตร์ชาวเยอรมัน Nicolaus Copernicus ได้เสนอไว้ทุกประการ นอกจากนี้ Galileo ยังได้เห็นเทือกเขาเป็นทิวยาวบนดวงจันทร์ด้วย ซึ่งแสดงให้เห็นว่า ดวงจันทร์มิได้เป็นทรงกลมดิกเหมือนลูกบิลเลียด ดังที่เขียนในคัมภีร์ไบเบิล Galileo ยังได้เห็นดาวเคราะห์ Neptune ด้วย แต่ไม่ได้ตระหนักว่ามันเป็นดาวเคราะห์ จนอีก 200 ปีต่อมา Johann Gottfried Galle จึงได้เห็นดาวเคราะห์ดวงนี้ Galileo ได้นำองค์ความรู้ใหม่ ๆ จากการค้นพบมาเรียบเรียงเป็นหนังสือชื่อ Sidereus Nuncius (Starry Messenger) แล้วกล่าวสรุปว่า โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ มิใช่ดวงอาทิตย์โคจรรอบโลก ข้อสรุปนี้ได้ทำให้สถาบันศาสนาสั่นสะเทือน เพราะ Galileo ปฏิเสธความเชื่อเดิม ๆ และคำสอนที่มีในคัมภีร์ใบเบิลทุกประเด็น จึงถูกศาลศาสนากักบริเวณ จนเสียชีวิตในปี 1642
ผลงานของ Galileo ได้เปิดยุคใหม่ของดาราศาสตร์ เพราะกล้องโทรทรรศน์ที่ Galileo สร้างได้ขยายขอบเขตการรับรู้ด้วยสายตาของมนุษย์ ให้สามารถสังเกตทำให้ รู้จักคิดเพื่อทำนาย และทดสอบความเชื่อต่าง ๆ จนใครก็ตามถ้ามีจิตสำนึกในลักษณะนี้ ก็เป็นนักวิทยาศาสตร์ได้
การใช้กล้องโทรทรรศน์ในเวลาต่อมาไม่เพียงแต่จะทำให้นักดาราศาสตร์สามารถเห็นสิ่งที่ยังไม่เคยเห็นมาก่อนได้เท่านั้น แต่กล้องยังทำให้มนุษย์ทุกคนรู้ว่า คนเรามีความรู้น้อยนิดเพียงใด เมื่อเปรียบเทียบกับสิ่งไม่รู้
ลุถึงปี 1611 นักดาราศาสตร์ชาวเยอรมัน ชื่อ Johannes Kepler ได้พัฒนากล้องโทรทรรศน์ของ Galileo ให้มีประสิทธิภาพยิ่งขึ้นไปอีก โดยใช้เลนส์เว้าแทนเลนส์นูน เพื่อทำหน้าที่เป็นเลนส์ใกล้ตา (eyepiece lens) จึงทำให้เห็นภาพของท้องฟ้าในมุมกว้างขึ้น และเมื่อกำลังขยายของกล้องเพิ่มก็ได้พบว่า ถ้าจะให้กล้องโทรทรรศน์มีกำลังขยายมาก เลนส์ที่อยู่ใกล้วัตถุ (objective lens) จะต้องมีความยาวโฟกัสมาก ผลที่ตามมา คือ ตัวกล้องโทรทรรศน์มีความยาวมากขึ้น
แต่เรื่องการสร้างกล้องก็ยังไม่หมดปัญหา เพราะในปี 1671 Isaac Newton ได้พบว่า เวลาให้แสงอาทิตย์ผ่านแท่งปริซึม แสงจะแผ่กระจายออกเป็นแถบสีต่าง ๆ ดังนั้นเลนส์ที่ใช้ในกล้องโทรทรรศน์ก็ได้สร้างปัญหาแบบเดียวกัน คือ จะเบนแสงอาทิตย์ออกเป็นแถบสีต่าง ๆ เช่น เบนแสงสีน้ำเงินมากกว่าแสงสีแดง ดังนั้นเวลาใช้กล้องโทรทรรศน์ส่องดูดาว ภาพของดาวจะมีริ้วสีต่าง ๆ ล้อมรอบ ภาพที่ได้จึงไม่ชัด Newton จึงได้ดัดแปลงไปใช้กระจกเว้าให้สะท้อนแสงแทนเลนส์ใกล้ตา ปัญหาเรื่องความคลาดสีของเลนส์จึงลดลง กล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสงนี้ เป็นผลงานที่ทำให้ Newton ได้รับเลือกเป็น Fellow of the Royal Society (F.R.S.) กล้องโทรทรรศน์ของ Newton มีกำลังขยาย 40 เท่า และมีความยาว 20 เซนติเมตร ส่วนกระจกเว้าที่ใช้มีความยาวโฟกัส 3 เซนติเมตร
พัฒนาการของกล้องโทรทรรศน์ได้ดำเนินมาเรื่อย ๆ เพื่อให้นักดาราศาสตร์ใช้ศึกษาธรรมชาติของดาวได้ดีขึ้น รวมถึงใช้สอดแนมข้าศึก และนำทางเรือ เมื่อกล้องมีประสิทธิภาพสูงขึ้น ขนาดของกล้องก็ใหญ่ขึ้น เช่น กล้อง Very Large Telescope (VLT) บนภูเขา Cerro Paranal ในประเทศชิลี เป็นระบบที่ประกอบด้วยกล้อง 4 กล้องทำงานประสานกัน โดยกระจกที่ใช้ในแต่ละกล้องมีเส้นผ่านศูนย์กลางยาว 8.2 เมตร การใช้กล้องที่มีกระจกขนาดใหญ่เช่นนี้ นอกจากจะทำให้สามารถรับแสงได้มากขึ้นแล้ว ยังช่วยในการขยายภาพให้เห็นชัดขึ้นด้วย
ผลที่ตามมา คือ ในปี 2005 กล้อง VLT สามารถถ่ายภาพของดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์ในกลุ่มดาว Hydra ซึ่งอยู่ห่างจากโลก 230 ปีแสงได้ อีกทั้งยังช่วยให้นักดาราศาสตร์สามารถเห็นการระเบิดของ Supernova ในเนบิวลาปู (Crab Nebula) ที่อยู่ใกล้กลุ่มดาว Taurus ได้ด้วย
ตามปกตินอกจากนักดาราศาสตร์จะใช้แสงที่ตาเห็นในการศึกษาและสำรวจอวกาศแล้ว ในบางกรณีก็ยังใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดอื่น ๆ เช่น คลื่นวิทยุ รังสีแกมมา รังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์ และรังสีอินฟราเรด ฯลฯ ในการวิจัยทางดาราศาสตร์ด้วย
ดังในปี 1937 Grote Reber ได้สร้างกล้องโทรทรรศน์วิทยุ เพื่อรับคลื่นวิทยุที่มาจากอวกาศและจากดาวฤกษ์ รวมถึงเนบิวลาต่าง ๆ ในอวกาศ
ปัจจุบันเราจึงเห็นนักดาราศาสตร์มีความเชี่ยวชาญและความสนใจเฉพาะคลื่นแต่ละชนิด ในทำนองเดียวกับแพทย์ วิศวกร นักชีววิทยา นักเคมี นักฟิสิกส์ ฯลฯ ที่มีความสามารถเฉพาะทาง ด้วยเหตุนี้ เราจึงมีนักดาราศาสตร์วิทยุ นักดาราศาสตร์เอ็กซ์เรย์ นักดาราศาสตร์นิวตริโน นักดาราศาสตร์คลื่นโน้มถ่วง นักดาราศาสตร์รังสีคอสมิก นักดาราศาสตร์รังสีแกมมา และนักดาราศาสตร์ทั่วไป เพราะคนเหล่านี้ถนัดการใช้คลื่นวิทยุ รังสีเอกซ์ นิวตริโน คลื่นโน้มถ่วง รังสีคอสมิก รังสีแกมมา และแสงที่ตาเห็นในการศึกษาธรรมชาติของเอกภพ
ดังได้กล่าวแล้วว่า Galileo Galilei คือนักดาราศาสตร์คนแรกที่ใช้กล้องโทรทรรศน์สำรวจดาวในท้องฟ้า มาตั้งแต่ปี 1610 จากกล้องง่าย ๆ ประกอบด้วยเลนส์นูน ทำหน้าที่หักเหและโฟกัสแสง วิวัฒนาการของเทคโนโลยีการสร้างกล้องได้ทำให้กล้องมีประสิทธิภาพมากขึ้น ๆ จนสามารถเห็นรายละเอียดของดาวในอวกาศได้ชัดความรู้ดาราศาสตร์จึงเพิ่มพูนมากขึ้นและดีขึ้น แต่ในเวลาเดียวกัน งบประมาณค่าสร้างกล้องโทรทรรศน์ก็เพิ่มสูงตามไปด้วย เพราะกล้องมีขนาดใหญ่ขึ้นมาก จากเดิมที่เคยใช้นักดาราศาสตร์เพียงคนเดียวในการสังเกต เมื่อกล้องมีขนาดใหญ่มโหฬาร ทำให้ต้องใช้คนจำนวนมากในการทำงานประสานกัน โดยบุคลากรเหล่านั้น อาจเป็นคนชาติเดียวกันหรือต่างชาติกัน หรืออาจจะอยู่คนละทวีปกันก็ได้
เราทุกคนรู้แล้วว่าเทห์ฟ้าทุกชนิดไม่ว่าจะเป็นดาวฤกษ์ ดาวเคราะห์ ดาวเคราะห์น้อย อุกกาบาต กาแล็กซีหรือเนบิวลา ฯลฯ ล้วนมีอุณหภูมิ ดังนั้นจึงสามารถเปล่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นต่าง ๆ ออกมาได้ ตั้งแต่รังสีแกมมาที่มีความยาวคลื่นสั้นมาก จนถึงคลื่นวิทยุที่มีความยาวคลื่นยาวมาก ด้วยความสว่างและความเข้มต่าง ๆ กัน คือจะมากหรือน้อยก็ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของวัตถุนั้น ด้วยเหตุนี้เวลานักดาราศาสตร์จะศึกษาธรรมชาติของเทหวัตถุต่าง ๆ ในอวกาศให้ดีที่สุดและสมบูรณ์ที่สุด เขาจึงต้องการรับคลื่นทุกชนิดจากดาวให้ได้มากที่สุด และเพื่อให้ความประสงค์นี้บรรลุผลสำฤทธิ์ นักดาราศาสตร์จำเป็นต้องพึ่งพาความรู้วิทยาศาสตร์ขั้นสูงและความสามารถทางเทคโนโลยีในระดับที่สูงมากเพื่อสร้างกล้องโทรทรรศน์รับคลื่นสัญญาณ เพราะในบางกรณีคลื่นอาจจะมีน้อยนิด เพราะดาวอยู่ไกลจากโลกเป็นระยะทางหลายพันล้านปีแสง ไปจนถึงการพยายามรับแสงที่ร้อนจัดมาก เช่น แสงจากดวงอาทิตย์ เป็นต้น ดังนั้น การวิจัยดาราศาสตร์ในปัจจุบัน จึงจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทันสมัย และซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่มีสมรรถภาพสูงมากในการวิเคราะห์ข้อมูลขนาดใหญ่ ซึ่งควรเป็นสัญญาณที่บริสุทธิ์หมดจด คือปราศจากคลื่นอื่นใดรบกวน ที่อาจจะมาจากสิ่งแวดล้อม เช่น ในกรณีแสงที่เดินทางมาจากดาวที่อยู่ไกลจากโลกมาก แสงจะต้องเดินทางผ่านอวกาศและบรรยากาศของโลกก่อนเข้าสู่กล้องโทรทรรศน์ แต่บรรยากาศมีสมบัติทางกายภาพที่มีค่าแปรปรวนตลอดเวลา เช่น มีอุณหภูมิที่ไม่สม่ำเสมอ หรือมีดรรชนีความชื้นที่ไม่คงตัว เวลาท้องฟ้ามีเมฆฝนหรือพายุ ซึ่งเป็นค่าที่เอาแน่เอานอนไม่ได้ความแปรปรวนเหล่านี้ ล้วนมีบทบาทในการทำให้ข้อมูลที่กล้องโทรทรรศน์บนโลกได้รับมีความผิดพลาด
ดังนั้น เพื่อที่จะกำจัดหรือลดทอนความผิดพลาดทั้งหลาย กล้องโทรทรรศน์ในอุดมคติจึงควรทำงานในสุญญากาศที่ไม่มีอะไรมารบกวน หรือรบกวนน้อยที่สุด
นี่จึงเป็นที่มาของการสร้างกล้องโทรทรรศน์อวกาศที่ถูกส่งไปโคจรเหนือบรรยากาศโลกที่ระยะสูงมาก ๆ เช่น กล้องโทรทรรศน์อวกาศ Hubble (Hubble Space Telescope, HST) กล้องโทรทรรศน์ดาวเทียมพลังค์ (Planck Satellite Telescope)Kepler Space Telescope , Newton Space Telescope , Chandra Space Telescope และกล้องโทรทรรศน์อวกาศ James Webb (James Webb Space Telescope, JWST) James Webb เป็นชื่อของอดีตรองผู้อำนวยการขององค์การ NASA
กล้อง JWST ที่องค์การ NASA จะส่งขึ้นอวกาศในอนาคตอันใกล้นี้ เป็นกล้องโทรทรรศน์อวกาศที่มีขนาดใหญ่ที่สุด มีประสิทธิภาพมากที่สุด และมีราคาแพงที่สุด จึงเป็นความคาดหวังของนักดาราศาสตร์ทั่วโลกว่า กล้องจะพบความรู้ใหม่ที่สามารถปฏิรูปความรู้ดาราศาสตร์ได้อย่างมโหฬาร เหมือนดังที่กล้องโทรทรรศน์อวกาศ Hubble (HST) ได้เคยทำมาแล้วตั้งแต่ปี 1990 และกล้อง HST มีกำหนดจะเกษียณงานในปี 2025 ดังนั้น JWST จึงเป็นทายาทของ HST ที่จะพัฒนาดาราศาสตร์ต่อไป
โครงการกล้องโทรทรรศน์ JWST ได้ถือกำเนิดในปี 1990 ซึ่งเป็นเวลาครบทศวรรษที่สมาคมดาราศาสตร์ของสหรัฐฯ ต้องเสนอโครงการที่นักดาราศาสตร์อเมริกัน ต้องการให้รัฐบาลจัดสรรงบประมาณให้ การขอจึงเปรียบเสมือนการขอของขวัญวันคริสต์มาสจาก Santa Claus แต่นี่เป็นการขอโดยผู้ใหญ่ ๆ มิใช่ขอโดยเด็ก ๆ
ในระยะแรกงบประมาณการสร้างกล้อง JWST ได้ถูกตั้งไว้ที่ 1,000 ล้านดอลลาร์ อีกหกปีต่อมา งบก่อสร้างได้เพิ่มเป็น 5,000 ล้านดอลลาร์ ลุถึงปี 2016 งบได้บานปลายเป็น 8,000 ล้านดอลลาร์ และในปี 2018 งบได้ถูกกำหนดเพิ่มเป็น 8,800 ล้านดอลลาร์ ราคาของกล้องโทรทรรศน์ที่พุ่งพรวดพราดนี้ ทำให้งบประมาณในการสร้างเฟ้อ ในลักษณะเดียวกับการขยายตัวของเอกภพ ยังไงยังงั้น เพราะตลอดเวลาในการสร้างที่ผ่านมา นักดาราศาสตร์ต้องการจะให้ JWST เป็นกล้องโทรทรรศน์ที่สมบูรณ์แบบที่สุดมีประสิทธิภาพมากกว่า HST ประมาณ 100 เท่า เพื่อจะได้สามารถเห็นสภาพธรรมชาติของเอกภพ ตั้งแต่ที่มีอายุยังไม่ถึงสามแสนปี อีกทั้งสามารถวิเคราะห์หาองค์ประกอบของบรรยากาศบนดาวเคราะห์ที่อยู่นอกระบบสุริยะ เพื่อให้นักดาราศาสตร์สามารถสรุปได้ว่า ดาวเคราะห์ดวงใดมีสิ่งมีชีวิตอาศัยอยู่บ้าง รวมถึงต้องการให้นักดาราศาสตร์ได้เห็นขั้นตอนของวิวัฒนาการการถือกำเนิดของดาวเคราะห์ ดาวฤกษ์ กาแล็กซี และหลุมดำ ซึ่งจะเป็นความรู้ใหม่ที่นักดาราศาสตร์ปัจจุบันยังมีความรู้ไม่มากเลย
สำหรับเหตุผลที่ทำให้งบประมาณสร้างกล้อง JWST มีมูลค่ามหาศาลนั้น เพราะ NASA ต้องจ้างนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรหลายพันคนจาก 17 ประเทศทั่วโลก มาทำงานร่วมกันเป็นเวลานานประมาณ 30 ปี โดยได้รับทุนสนับสนุนจากองค์การในรัฐบาลนานาชาติ เช่น องค์การบินและอวกาศของสหรัฐฯ (NASA) และองค์การอวกาศของยุโรป (European Space Agency, ESA) ในการสร้างอุปกรณ์ spectrograph มูลค่า 500 ล้านดอลลาร์ เพื่อวิเคราะห์รังสีอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่นสั้น ส่วนองค์การวิจัยของแคนาดา (Canadian Space Agency) จะเป็นผู้สร้างอุปกรณ์ spectrograph รับรังสีอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่นยาว โดยใช้งบประมาณ 57 ล้านดอลลาร์ งบประมาณที่ลงทุนโดยมีความแตกต่างกันนี้ เป็นตัวกำหนดเวลาที่จะให้นักดาราศาสตร์ยุโรปและแคนาดามีสิทธิ์ในการใช้กล้อง JWST ซึ่งคิดเป็นเวลา 15% และ 5% ของเวลาทำงานทั้งหมด ส่วนเวลาที่เหลือเป็นของนักดาราศาสตร์อเมริกันและของชาติอื่น ๆ
จากกำหนดการเดิมที่ NASA จะส่งกล้อง JWST ขึ้นโคจรในอวกาศ ปี 2018 แต่จนกระทั่งปี 2020 กล้องก็ยังไม่พร้อมส่ง เพราะวิศวกรต้องปรับเปลี่ยนองค์ประกอบต่าง ๆ ของกล้องตลอดเวลา เช่น จากเดิมที่เคยกำหนดจะให้ใช้กระจกสะท้อนแสงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางยาว 8 เมตร ก็ได้ถูกปรับให้ลดลงเหลือเพียง 6.5 เมตร จากเดิมที่คิดจะนำกระจก 6 เหลี่ยมด้านเท่า จำนวน 36 ชิ้น มาเรียงต่อกันแบบ mosaic ในลักษณะเป็นกระจกโค้ง ก็ให้ลดจำนวนลงเหลือ 18 ชิ้น ผลที่ตามมาคือพื้นที่รับแสงของ JWST ได้ลดลงจาก 50 ตารางเมตร เหลือเพียง 25 ตารางเมตร กระนั้นพื้นที่รับแสงของ JWST ก็ยังกว้างใหญ่กว่าของ HST ประมาณ 3 เท่า สำหรับกระจกที่ใช้ในกล้อง JWST นั้น ก็ไม่ได้ทำด้วยแก้วธรรมดา แต่ทำด้วย beryllium แทน เพราะแก้วธรรมดาขยายตัวและหดตัวค่อนข้างมากเวลาอุณหภูมิเปลี่ยน ซึ่งมีผลทำให้ความยาวโฟกัสของกระจกเปลี่ยนแปลง แต่ใช้ beryllium ซึ่งเป็นธาตุที่แทบไม่ขยายตัวหรือหดตัวเลย ความยาวโฟกัสของกล้องจึงคงตัว เพราะกล้องถูกกำหนดให้รับรังสีอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่น 600-28,000 นาโนเมตรจากดาว เพื่อให้สามารถเห็นสภาพของเอกภพหลัง Big Bang ได้ไม่นาน ดังนั้น JWST จะต้องมีแผ่นวัสดุหรือร่มขนาด 22x10 เมตร เพื่อป้องกันรังสีอินฟราเรดจากโลก และจากตัวกล้อง JWST เอง ไม่ให้รบกวนอุปกรณ์รับภาพในกล้อง นอกจากนี้กล้องยังต้องมีอุณหภูมิต่ำถึง -270 องศาเซลเซียส เพราะที่อุณหภูมิต่ำมากเช่นนี้ กล้องจะแผ่รังสีอินฟราเรดน้อย และเงื่อนไขนี้ก็เป็นไปได้ โดยกล้องจะบรรทุก helium เหลวไปด้วย ประมาณ 3,000 ลิตร เพื่อใช้ในกระบวนการทำความเย็น
ทฤษฎี Big Bang ซึ่งเป็นที่ยอมรับนั้น แถลงว่า เมื่อเอกภพถือกำเนิดจากการระเบิดขนาดอภิมโหฬาร คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ถูกปล่อยออกมาส่วนใหญ่เป็นรังสีอินฟราเรด ในเบื้องต้นเอกภพมีความสว่างมาก แล้วความเข้มของแสงก็ลดลง ๆ เพราะรังสีได้เริ่มเปลี่ยนไปเป็นสสาร เช่น อิเล็กตรอนกับโปรตอน เมื่ออุณหภูมิได้ลดลง ๆ อีก อนุภาคต่าง ๆ เริ่มรวมกันเป็นอะตอม จากนั้นความเข้มของแสงในเอกภพจะหาย นั่นคือเอกภพได้ย่างเข้าสู่ยุค (Dark Age) จากนั้นอีก 1,000 ล้านปี กาแล็กซีและดาวฤกษ์ดวงแรก ๆ ของเอกภพเริ่มถือกำเนิด เมื่อดาวฤกษ์เริ่มทำงานเอกภพก็สว่างอีก ในเวลาเดียวกันกาแล็กซีต่าง ๆ ก็เคลื่อนที่แยกจากกัน แสงจากกาแล็กซีที่โลกได้รับจึงมีความยาวคลื่นเพิ่มขึ้น นั่นคือ แสงจะแดงขึ้น ๆ โดยเฉพาะดาวฤกษ์ดาวแรก ๆ ของเอกภพจะมีค่า redshift ประมาณ 20 ในขณะที่กล้องโทรทรรศน์อวกาศ Hubble ไม่เคยเห็นดาวฤกษ์ที่มีค่า redshift เกิน 7 (redshift เป็นค่าที่ขึ้นกับความเร็วของดาวที่เปล่งแสง เพราะความเร็วขึ้นกับระยะทาง ตามกฎของ Hubble ดังนั้น ค่า redshift จึงขึ้นกับระยะทางด้วย)
นักดาราศาสตร์ในโครงการยังต้องการให้กล้อง JWST เห็นดาว supernova ที่เป็นแหล่งกำเนิดของธาตุหนัก และเห็นกาแล็กซีรุ่นแรก ๆ ว่าถือกำเนิดอย่างไร และเวลาให้กล้อง JWST โฟกัสไปที่บริเวณขนาดเล็กในอวกาศ แล้วเปิดหน้ากล้องเป็นเวลานาน นักดาราศาสตร์ก็คาดหวัง อาจจะเห็นดาวที่ปล่อยแสงด้วยความเข้มน้อยนิดได้ แม้ดาวเหล่านั้นอยู่ไกลจากโลกมาก
ในการส่งกล้อง JWST ขึ้นโคจรในอวกาศ กล้องจะถูกกำหนดให้อยู่ตรงตำแหน่งที่เรียกว่า L2 (Lagrangian 2) ซึ่งเป็นตำแหน่งที่อยู่ตรงข้ามกับดวงอาทิตย์ และอยู่ห่างจากโลกประมาณ 1.5 ล้านกิโลเมตร โดย JWST จะโคจรไปรอบจุด L2 และไปรอบดวงอาทิตย์พร้อมโลก เพราะกล้องจะอยู่ไกลเกินที่จะได้รับการซ่อมแซมใด ๆ ดังนั้นถ้าอุปกรณ์ชิ้นส่วนใดของกล้องทำงานบกพร่องหรือเสีย การสูญเสียก็จะเป็นไปอย่างสมบูรณ์ ในขณะที่กล้อง HST สามารถรับการซ่อมแซมได้ เพราะกล้องโคจรใกล้โลก นี่จึงเป็นข้อแตกต่างระหว่าง HST กับ JWST ด้วยเหตุนี้วิศวกรที่สร้าง JWST จึงต้องทำงานอย่างไม่ให้มีความผิดพลาดแม้แต่น้อย นับตั้งแต่การนำกล้องไปติดตั้งที่หัวจรวด วิศวกรต้องมั่นใจว่ากล้องจะต้องไม่ได้รับความกระทบกระเทือนใด ๆ ที่จะทำให้กระจกที่ใช้โฟกัสแสง ไม่สามารถเห็นภาพ หรือเห็นภาพได้ไม่ชัด
ตามแผน NASA ได้กำหนดขั้นตอนการนำกล้องโทรทรรศน์ขึ้นอวกาศว่า ภายในเวลา 30 นาที หลังจากที่มีการยิงจรวด กล้องจะอยู่ที่ระยะห่าง 10,000 กิโลเมตรจากโลก แล้วกล้องจะถูกบังคับให้แยกตัวออกจากจรวด และในอีก 4 นาทีต่อมาขณะอยู่ที่ระยะสูง 11,000 กิโลเมตร แผงรับพลังงานแสงอาทิตย์ที่ติดอยู่กับกล้องจะกางออก เพื่อป้องกันไม่ให้แสงอาทิตย์พุ่งเข้าตัวกล้อง จนทำลายประสิทธิภาพของกล้องไปอย่างสมบูรณ์
หลังจากที่เวลาผ่านไปอีก 3 วัน และกล้องได้โคจรไปรอบโลกแล้วหลายรอบ กล้องจะถูกบังคับให้ทะยานขึ้นจนอยู่ห่างจากโลกเป็นระยะทาง 480,000 กิโลเมตร อีก 29 วันต่อมา กล้องก็จะเดินทางถึงจุดหมายปลายทางคือ ที่ระยะห่างจากโลก 1,5 ล้านกิโลเมตร ซึ่งเป็นตำแหน่งที่กล้องจะอยู่อย่างมีเสถียรภาพมากที่สุด เพราะแรงโน้มถ่วงของโลกและดวงอาทิตย์ที่กระทำต่อกล้องจะอยู่ในภาวะสมดุล และเมื่อหมดสภาพการทำงาน กล้องก็จะถูกปล่อยออกจากตำแหน่ง L2 ให้โคจรหายไปในอวกาศในที่สุด
เพราะกล้องโคจรต้องโคจรไปรอบดวงอาทิตย์พร้อมกับโลกตลอดเวลา ดังนั้นกระจกที่ใช้รับแสงจากดาวฤกษ์ จึงต้องมีการปรับวางไม่ให้รับแสงอาทิตย์โดยตรง ซึ่งก็สามารถทำได้โดยใช้ตัวกระตุ้น (actuator) เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ควบคุมการวางตัวของแผ่นกระจกที่ทำด้วย beryllium และเคลือบด้วยทองคำเพื่อให้สามารถสะท้อนรังสีอินฟราเรดได้ดี และโดยการปรับอุณหภูมิด้านหน้าของกระจกให้อยู่ที่ 85 องศาเซลเซียส ส่วนด้านหลังของกระจกให้มีอุณหภูมิ -233 องศาเซลเซียส โดยไม่ให้รังสีอินฟราเรดจากดวงอาทิตย์และโลกแผ่เข้ากลบอิทธิพลของรังสีอินฟราเรดจากดาวฤกษ์ในอวกาศ ภายในกล้องจึงต้องมีสภาพเกือบเป็นสุญญากาศ คือมีความดันประมาณ 10-8 เท่าของความดันบรรยากาศที่ผิวโลก และให้กล้องมีอุณหภูมิต่ำ เพราะถ้ามีอุณหภูมิสูง ตัวกล้องก็จะแผ่รังสีอินฟราเรดออกมารบกวนการวัดรังสีอินฟราเรดจากดาวฤกษ์ในอวกาศและจากกาแล็กซี ซึ่งจะทำให้ได้ข้อมูลผิดพลาด อุปกรณ์ทัศนศาสตร์ของกล้อง JWST ได้รับการออกแบบให้สามารถรับ spectrum แสงจากดาว 100 ดวงได้ในเวลาเดียวกัน แม้แสงจากดาวเหล่านั้นจะสลัวมากก็ตาม
เงื่อนไขเหล่านี้ทำให้เทคโนโลยีการออกแบบกล้องต้องใช้ความเข้าใจ รวมถึงความละเอียดและรอบคอบมาก เพื่อป้องกันมิให้เกิดความผิดพลาดใด ๆ จากที่เคยกำหนดว่า กล้องจะต้องมีขนาดใหญ่ คือมีเส้นผ่านศูนย์กลางยาวประมาณ 8 เมตร ก็ต้องเปลี่ยน เพราะขนาดดังกล่าวจะใหญ่เกินที่จะนำไปติดตั้งในหัวจรวด วิศวกรจึงต้องออกแบบกระจกให้เล็กลงเพื่อให้สามารถนำไปติดตั้งที่หัวจรวดได้ หลังจากที่แยกตัวจากจรวดแล้ว วิศวกรได้กำหนดให้มีการกางแผงรับแสงอาทิตย์ออก เหมือนการกางแผ่นพับกระดาษ origami ดังนั้นโครงสร้างทั้งหมดของกล้องจะต้องแข็งแรงมั่นคง และหนักไม่เกิน 6 ตัน เหล่านี้เป็นเทคโนโลยีใหม่ล้ำยุค ที่ไม่มีใครเคยทำมาก่อน และนี่ก็เป็นอีกเหตุผลหนึ่งที่ทำให้โครงการส่งกล้อง JWST ขึ้นอวกาศต้องล่าช้ากว่าที่กำหนดไว้มาก
อนึ่งขณะ NASA ส่งกล้องขึ้นอวกาศ กล้องต้องได้รับการทดสอบว่าไม่สั่นสะเทือนมาก ทั้งขณะขึ้น และขณะโคจรอยู่ในอวกาศ เพราะขณะจรวดทะยานขึ้น กล้องจะมีอุณหภูมิสูง แต่เวลาทำงานกล้องจะมีอุณหภูมิต่ำมาก ดังนั้นการออกแบบกล้องให้ใช้ได้ในช่วงที่อุณหภูมิแตกต่างกันมากนี้จึงเป็นงานระดับซูเปอร์ไฮเทคจริง ๆ เพื่อให้ทุกคนมั่นใจว่า เมื่อกล้องเริ่มทำงาน ดาราศาสตร์ยุคใหม่ก็จะเปิดอย่างเป็นทางการในทันที แต่ในเวลาเดียวกันถ้ากล้องประสบความล้มเหลว การสร้างกล้องโทรทรรศน์อื่น ๆ ในอนาคต ก็จะถูกชะลอไปด้วยโดยปริยาย
โดยสรุป กล้องโทรทรรศน์อวกาศ JWST ได้รับการออกแบบให้นักดาราศาสตร์สามารถเห็นประวัติความเป็นมาของเอกภพในอดีตได้ดียิ่งกว่าโทรทรรศน์ใด ๆ ที่เคยสร้างมา อุปกรณ์รับรังสีอินฟราเรดของกล้องจะช่วยให้นักดาราศาสตร์ได้เห็นการถือกำเนิดของดาวฤกษ์ในวัยต่าง ๆ เห็นวิวัฒนาการการถือกำเนิดของของกาแล็กซี อีกทั้งเห็นวัตถุอวกาศที่มีแสงขมุกมัว ซึ่งกล้องโทรทรรศน์ธรรมดาจะไม่เห็น
องค์การ NASA ได้กำหนดว่าในช่วง 5 ปีแรกของการทำงาน JWST จะสามารถตอบคำถามต่อไปนี้ได้
(1) หลัง Big Bang ใหม่ ๆ ความสว่างของเอกภพได้ลดลง ๆ เพราะแสงได้เปลี่ยนเป็นสสาร จนในที่สุดเอกภพได้ก้าวเข้าสู่ยุคมืด (Dark Age) แล้ว ก็ได้ก้าวออกจากยุคมืด เมื่อดาวฤกษ์ต่าง ๆ ถือกำเนิดในอีก 180 ล้านปีต่อมา และเป็นที่คาดหวังว่า JWST จะเห็นดาวฤกษ์ดวงแรกๆ เหล่านี้
(2) JWST จะสามารถตอบได้ว่า กาแล็กซีทางช้างเผือกของเราถือกำเนิดได้อย่างไร และกาแล็กซีได้ใช้หลุมดำกับสสารมืด ในการก่อตัวอย่างไร
(3) JWST จะไขปัญหาขั้นตอนการถือกำเนิดของดาวฤกษ์ และดาวเคราะห์ ซึ่งเกิดจากการกลั่นตัวของแก๊สร้อนอย่างช้า ๆ ว่าเกิดขึ้นในลักษณะใด จนทำให้ดาวฤกษ์และดาวเคราะห์ มีสมบัติต่าง ๆ กัน ดังที่เห็นในปัจจุบัน
(4) JWST จะสามารถตอบได้ว่า สิ่งมีชีวิตนอกโลกหรือนอกระบบสุริยะ และบนดาวหางหรือดาวเคราะห์น้อย สามารถมีได้หรือไม่
เหล่านี้คือคำถามที่ JWST ต้องตอบให้ได้ภายในปี 2026
อ่านเพิ่มเติม “Eyes on the Sky : A Spectrum of Telescopes” โดย Francis Graham Smith จัดพิมพ์โดย Oxford University press ปี 2016
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
