James Webb Space Telescope : JWST คือกล้องโทรทรรศน์อวกาศรุ่นต่อไปที่จะมาแทนกล้อง Hubble ครับ JWST นี้ แน่นอนว่ามีความสามารถเหนือกว่า Hubble มากพอสมควรและจะเป็นเครื่องมือสำคัญของนักดาราศาสตร์ที่จะไขปริศนาของเอกภพนี้ได้ มันเปรียบเสมือนตาวิเศษที่สามารถมองย้อนอดีตได้ไกลขึ้น และ มองปัจจุบันได้ละเอียดขึ้นครับ
ประวัติของ JWST
James Webb Space Telescope ตั้งชื่อเพื่อเป็นเกียรติประวัติแก่ James E. Webb (1906- 1992) ผู้อำนวยการ NASA คนที่สอง ผู้ซึ่งมีบทบาทมากในโครงการ Apollo และโครงการย่อยอื่น ๆ อีกกว่า 75 โครงการ ในช่วงเริ่มโครงการ JWST นี้ JWST เดิมจะใช้ชื่อว่า Next Generation
Space Telescope (NGST) และต่อมาได้เปลี่ยนไปใช้ชื่อ James Webb ในวันที่ 10 กันยายน 2002 ครับ
โครงการ JWST เริ่มต้นในปี 1996 จากความร่วมมือจาก 17 ประเทศ นำโดย NASA องค์การอวกาศยุโรป (ESA) และ องค์การอวกาศแคนาดา (CSA) โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อสำรวจเอกภพในระยะไกลที่เราไม่เคยทำได้ และสำรวจวัตถุที่ไกลที่สุดเพื่อทราบถึงการกำเนิดเอกภพ อีกทั้งสำรวจวัตถุอวกาศทั่วไป เพื่อให้ทราบรายละเอียดมากขึ้นในด้านต่าง ๆ เช่น Spectrum , Infrared field ซึ่งจะทำให้เราเข้าใจการกำเนิดดวงดาวแกแลคซี่ และอื่น ๆ ที่เราถุกจำกัดความรู้มาตลอดเนื่องจากอุปกรณ์ไม่พร้อมครับ
ภาพของ James E. Webb
1. แสงย่าน Infrared นั้น สำคัญอย่างไร ?
ก่อนที่จะไปพบกับ JWST ผมก็ขอกล่าวถึงเรื่องการศึกษาอวกาศด้วยแสง Infrared (IR) ก่อนครับ การที่ JWST ถูกออกแบบให้เป็นกล้องโทรทรรศน์อวกาศที่มีเลนส์ (กระจกสะท้อน) ขนาดใหญ่มาก
และออกแบบให้มี sensor ตรวจจับแสงในย่าน IR โดยเฉพาะ (ต่างจากกล้อง Hubble ที่มี sensor ในย่านแสงที่ตามนุษย์มองเห็นด้วย)
นั่นเป็นเพราะ JWST ถูกออกแบบให้สำรวจได้ไกลมากถึงช่วงที่เอกภพกำเนิดมาใหม่ ๆ เลยทีเดียวครับ คือช่วงที่เอกภพกำเนิดใหม่ วัตถุที่กำเนิดในช่วงเวลานั้น (ประมาณ 13,600 ล้านปีที่แล้ว) ได้วิ่งออกห่างจากเราไปมากแล้วตามการขยายตัวของเอกภพนั่นเอง และการที่วัตถุเหล่านั้นวิ่งห่างออกจากเราไป นั้นยิ่งเป็นวัตถุที่ไกลมาก ก็จะยิ่งวิ่งห่างออกไปเร็วมากด้วย การที่วัตถุวิ่งออกห่างไปเร็วมากนี้เอง แสงจากวัตถุเหล่านั้นจะยืดความยาวคลื่นออกไปสู่ย่าน IR ครับ เราสามารถส่องเห็นวันถุที่ไกลที่สุดได้ในย่าน IR เท่านั้น นี่เองที่ทำให้การสำรวจเอกภพในระยะเริ่มแรกจะต้องสำรวจด้วยกล้องโทรทรรศน์ที่มี IR sensor ดีเยี่ยม และ ส่องได้ไกลเท่านั้นครับ
ซึ่ง JWST เกิดมาเพื่อสิ่งนี้ครับ มันมี Primary mirror ที่ใหญ่โตมาก ออกแบบให้มีการสะท้อนแสง 2 ชั้น (Promary to secondary) และยังมี IR sensor ที่ออกแบบใหม่ในช่วงหลายย่านแสงของ IR
ภาพนี้แสดงถึงหลักการของ Doppler effect ที่แสงจากแหล่งกำเนิดที่วิ่งออกห่างจากเราเร็วมากจะแสดงแสงในย่านออกไปทาง IR ให้เราเห็นเท่านั้น
2. ส่วนประกอบของ JWST
ส่วนประกอบหลักของ JWST ปรากฏตามภาพนี้ครับ จะเห็นว่ามีกระจกสะท้อนแสง Primary Mirror ขนาดใหญ่เส้นผ่านศูนย์กลาง 6.5 เมตร โดยที่ primary mirror นี้จะรับแสงอันน้อยนิดจากวัตถุอวกาศแสนไกลทั้งหลาย สะท้อนไปยัง Secondary mirror เพื่อรวมแสงตามหลักการของ Parabolic focusing และส่ง (แสง) เข้าไปยังชุดอุปกรณ์ที่เรียกว่า Integrated Science Instrument Module (ISIM) และยังมีSunshield ขนาดใหญ่ถึง 5 ชั้น เพื่อปกป้องอุปกรณ์จากแสงอาทิตย์ และ รังสีต่าง ๆ ที่อาจทำอันตรายต่ออุปกรณ์ รวมถึงรบกวนการทำงานของอุปกรณ์ IR ได้ครับ ที่ด้านล่างของ JWST ก็มี Spacecraft Bus ซึ่งเป็นเหมือนกล่อง control สำหรับควบคุมระบบของ JWST ทั้งหมด
ภาพส่วนประกอบของ JWST
เทียบกับกล้อง Hubble …. ขนาดกระจกต่างกันมาก
3. รายละเอียดของอุปกรณ์ใน Integrated Science Instrument Module (ISIM)
อุปกรณ์ในส่วน ISIM นี้สำคัญมาก ๆ ครับ เพราะเป็นตัวรับ แสงแรกสุด ที่สะท้อนมาจาก mirror ทั้งสอง ISIM ประกอบด้วยส่วนสำคัญ 4 ส่วนดังนี้
3.1 Near-Infrared Camera หรือ NIRCam
ส่วนนี้เตรียมการโดย University of Arizona และบริษัท Lockheed Martin มันเป็นกล้องตรวจจับแสงย่าน InfraRed ตัวหลักครับ ตัว NIRCam นี้ จะตรวจวิเคราะห์แสงย่าน IR จากดาวฤกษ์กำเนิดใหม่หรือแกแลคซี่อันไกลโพ้นที่กำลัง form ตัว โดยมีอุปกรณ์สำคัญคือ coronagraphs ซึ่งทำหน้าที่ block แสงอันเจิดจ้าของวัตถุใด ๆ เพื่อตรวจหาวัตถุที่แสงจางกว่านั้นรอบ ๆ ตัวมัน ซึ่งจะมีประโยชน์มากในการตรวจหาดวงเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์
3.2 Near-Infrared Spectrograph หรือ NIRSpec
เตรียมการโดย European Space Agency (ESA) และพัฒนาอุปกรณ์โดย NASA และ Goddard Space Flight Center (GSFC) อุปกรณ์ตัวนี้ก็กล่าวโดยสรุปเหมือนตัวแรกเลยครับ แต่สามารถวิเคราะห์ได้ละเอียดขึ้นกว่า NIRCam โดยสามารถแยก spectrum ออกมาเพื่อวิเคราะห์อุณหภูมิ มวล และ องค์ประกอบทางเคมีของแกแลคซี่ หรือ วัตถุอวกาศใด ๆ ที่ระยะไกลโพ้นได้ครับ
3.3 Mid-Infrared Instrument หรือ MIRI
เตรียมการโดย European Space Agency (ESA) และ NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) MIRI เป็นอุปกรณ์ที่เป็นทั้งกล้อง และ spectrograpth จะตรวจวัดแสงในย่านความยาวคลื่น 5 to 28 microns (ย่าน Mid IR) อุปกรณ์นี้จะตรวจจับปรากฏการณ์ red shift ของแกแลคซี่ไกลโพ้น , ดาวฤกษ์กำเนิดใหม่ และแสงอันอ่อนมากของดาวหาง และ วัตถุในบริเวณย่าน Kuiper Belt ครับ
3.4 Fine Guidance Sensor/ Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph หรือ FGS/NIRISS
เตรียมการโดย Canadian Space Agency อุปกรณ์นี้จะตรวจจับแสงย่านความยาวคลื่น 0.8 to 5.0 microns สำหรับตรวจวิเคราะห์ Exoplanet (ดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ) โดยเฉพาะเลยครับ มันสามารถวิเคราะห์ transit spectroscopy ของ Exoplanet ทำให้ทราบถึงระยะทางการโคจร และชั้นบรรยากาศของ Exoplanet ดวงนั้นอย่างละเอียดครับ
ภาพนี้แสดงถึงย่านแสง IR ที่ JWST จะตรวจจับ
4. Sunshield (ฉนวนกั้นความร้อน)
JWST จะมี sunshield ขนาดใหญ่เท่าสนามเทนนิส ประกอบด้วยแผ่น shield 5 แผ่นซ้อนกัน เพื่อกันความร้อนจากดวงอาทิตย์ไปรบกวนการทำงานอุปกรณ์ในฝั่ง Optic ครับ เนื่องจากอุปกรณ์ในด้าน Optic นั้นจะต้อง “เย็นจัด” เท่านั้น โดย NIRCam , NIRSpec , FGS/NIRISS จะทำงานที่อุณหภูมิ -234 องศา C ส่วน MIRI จะทำงานที่อุณหภูมิ -266 องศา C ด้วยการทำความเย็นของฮีเลี่ยมที่เรียกว่า Cryo-Cooler
แผ่น Sunshield ทำมาจากวัสดุที่ชื่อว่า Kapton และฉาบด้วยอลูมินั่ม โดยเฉพาะ 2 แผ่นแรกที่โดนแสงอาทิตย์โดยตรงก็จะฉาบด้วย Silicon ด้วย เพื่อสะท้อนแสงอาทิตย์ออกไปให้ได้มากที่สุดครับ Kapton นี้ เป็น polyimide film ที่พัฒนาโดย DuPont มาตั้งแต่ปี 1960 แล้วครับ มีคุณสมบัติดีเยี่ยมในการต้านความร้อน มันทนอุณหภูมิได้ตั้งแต่ -269 ถึง +400 องศา C ได้อย่างเสถียรเลยทีเดียวครับ
ภาพการทำงานของ Sunshield
ภาพของ Sunshield ขณะทำการประกอบ
5. Spacecraft Bus
Spacecraft Bus นี้คือกล่องควบคุมหลักสำหรับ JWST ทั้งหมด ประกอบด้วยอุปกรณ์หลัก 6 ส่วน คือ
5.1 ส่วนควบคุมพลังงานไฟฟ้า (Electrical Power Subsystem)
JWST ได้พลังงานจาก Solar Cell และใช้ในการขับเคลื่อนระบบทั้งหมดเพราะ Solar cell หันเข้าหาดวงอาทิตย์ตลอดเวลาครับ
5.2 ส่วนควบคุมตำแหน่ง (Attitude Control Subsystem)
ควบคุมตำแหน่งในการโคจรให้ถูกต้อง และรับคำสั่งในการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งให้ชี้ไปในทิศทางที่นักดาราศาสตร์ต้องการสำรวจ
5.3 ส่วนสื่อสาร (Communication Subsystem)
รับและส่งข้อมูลกับ Operations Control Center (OCC) โดยสื่อสารตรงผ่านเสาอากาศไปยังสถานีบนพื้นโลก
5.4 ส่วนรับคำสั่งและประมวลผลข้อมูล (Command and Data Handling Subsystem)
ส่วนนี้เปรียบเสมือนสมองของ JWST จะประกอบด้วยคอมพิวเตอร์ทำหน้าที่ประมวลผลข้อมูลจาก sensor ทั้งหมด และส่งกลับผ่านมาที่โลก
5.5 ส่วนขับเคลื่อน (Command and Data Handling Subsystem)
ประกอบด้วยถังเชื้อเพลิงสำหรับ thrusters ขนาดเล็ก และทำงานร่วมกับส่วนคุมตำแหน่งเพื่อรักษาตำแหน่งให้ถูกต้องเสมอ
5.6 ส่วนควบคุมอุณหภูมิ (Thermal Control Subsystem)
ควบคุมอุณหภูมิในส่วน Spacecraft Bus ให้คงที่เสมอ
6. การส่งขึ้นวงโคจร
JWST มีแผนที่จะส่งขึ้นวงโคจรใรช่วงตุลาคม 2018 โดยจะส่งขึ้นไปด้วยจรวด Ariane 5 จากฐานปล่อย Arianespace’s ELA-3 launch complex ที่ประเทศ French Guiana ซึ่งเป็นเมืองโพ้นทะเล ของประเทศฝรั่งเศส ครับ เมื่อส่ง JWST ขึ้นสู่อวกาศแล้ว ตัว JWST เองจะมีขั้นตอนที่เรียกว่าการ Deployment เยอะเลยครับ การ deployment พูดง่าย ๆ ก็คือการแปลงร่างขยายออกไปให้เป็นรูปร่างที่พร้อมทำงาน
ตอนที่ JWST ส่งขึ้นไปกับจรวด Ariane 5 นั้น ตัว JWST จะต้องพับร่างเข้าไปเพื่อให้ยัดเข้าตัวจรวดได้ครับ ตามภาพนี้
เมื่อปล่อยขึ้นสู่อวกาศแล้ว ตัว JWST ก็จะมีการ Depoyment ขยายร่างออกมาเพื่อให้พร้อมทำงานได้ โดยมีขั้นตอนต่าง ๆ มากพอสมควรใช้เวลาถึง 14 วันหลังจากปล่อย
7. JWST วางตำแหน่งการโคจรอย่างไร ?
JWST นั้นเป็นกล้องโทรทรรศน์ที่ออกแบบมาเพื่อตรวจจับย่าน Near IR โดยเฉพาะ ดังนั้นจึงต้องวางตำแหน่งการโคจรใว้ที่ไกลระยะหนึ่ง และในตำแหน่งหนึ่งที่ปลอดจากการรบกวนการแพร่ IR จากดวงอาทิตย์ และ IR จากโลกจะรบกวนการทำงานได้ ซึ่งก็คือตำแหน่งเรียงตัวระหว่างดวงอาทิตย์ โลก และ JWST เองครับ
ตำแหน่งที่ว่านี้ เรียกว่าจุด Lagrange points ของระบบ ดวงอาทิตย์ – โลก โดย Lagrange points ที่ JWST ประจำอยู่คือจุด L2 ครับ ตำแหน่ง L2 นั้นมีที่มาการคำนวณจากสมการของ Joseph-Louis Lagrange นักคณิตศาสตร์ในยุคศตวรรษที่ 18 ซึ่งได้ชื่อว่า ” The Five Lagrange points ” เพื่อให้เกียรติแก่ท่าน ที่จุด L2 นี้ แรงโน้มถ่วงจะหว่าง 3 วัตถุจะสมดุลย์ เป็นผลให้ JWST สามารถคงตำแหน่งแบบนั้นได้ตลอดโดยที่แทบจะไม่ต้องปรับแก้ตำแหน่งด้วย thrusters ของมันเลย
ภาพของระบบ Sun – Earth Lagrange points
การวางตัวของ JWST เปรียบเสมือนการโคจรรอบดวงอาทิตย์แบบ tidal lock กับดวงอาทิตย์ครับ โดยที่มันจะหันด้าน “ตูด” ให้ดวงอาทิตย์และโลกเสมอ ซึ่งด้านตูดนั้นก็มี Solar Cell เพื่อรับแสง และมีจานเสาอากาศ Parabola สื่อสารกับโลกอยู่ตลอด …. ตามการวางตัวในภาพนี้ครับ
8. การสื่อสารระหว่าง JWST กับโลก
JWST จะสื่อสารกลับโลกด้วยคลื่นวิทยุย่าน KA band ความถี่ 26GHz ครับ โดยส่งข้อมูลด้วยความเร็ว 8Mbps ซึ่งสามารถทำได้ในระยะ 1.5 ล้าน กิโลเมตร นี้เนื่องจากสถานีบนโลกนั้น จะใช้สถานีของ Deep Space Netwotk ซึ่งมีจานสายอากาศ Parabola ที่ใหญ่มาก จึงสามารถทำ Bit rate ได้ขนาดนี้ครับ ตามแผนนั้นจะสื่อสารกันวันละ 8 ชั่วโมงตามการหมุนรอบตัวเองของโลก และการส่ง data กลับมานั้นจะส่งตรงมาที่โลกโดยไม่ผ่านดาวเทียม relay สัญญาณครับ
9. เมื่อ JWST ส่งขึ้นไปแล้ว จะได้อะไรบ้าง ?
วัตถุประสงค์ในการส่ง JWST คือสำรวจเอกภพที่ไกลออกไปจากที่เคยทำได้โดยกล้อง Hubble และสามารถตรวจวิเคราะห์วัตถุอวกาศในรูปแบบของภาพ Infrared ซึ่งจะช่วยไขปริศนาของวัตถุต่าง ๆ และยังสามารถตรวจจับวัตถุขนาดเล็กที่แพร่แสงที่อ่อนมากจนเรา ไม่เคย ตรวจจับได้มาก่อน และสุดท้าย คือ สามารถมองย้อนอดีตไปได้ไกล จนใกล้เคียง Big bang มากขึ้นกว่าเดิม
ตัวอย่างที่ชัดเจนคือภาพนี้ครับ
เป็นภาพที่ได้จาก Hubble ห้วงลึก จะเห็นว่ามีจุดวัตถุสีแดงอยู่เหนือแกแลคซี่อันสวยงามนั้น ซึ่งจุดแดงนี้ หากเราสำรวจด้วย JWST เราจะ “เห็น” อะไร ๆ เกี่ยวกับจุดสีแดงนั้นขึ้นอีกมากมาย และที่สำคัญ ภาพอวกาศห้วงลึกที่ได้จาก JWST อาจจะมีข้อมูลที่จะสามารถไขปริศนาต่าง ๆ ได้อีกมากมายครับ
ภาพนี้ คือวิวัฒนาการของการสำรวจเอกภพด้วยกล้องโทรทรรศน์ นับวัน …. เรายิ่งสำรวจได้ไกลมากขึ้น ไขปริศนาได้มากขึ้นครับ