กล้องโทรทรรศน์ทำงานอย่างไร?

Share

สาขาของวิทยาศาสตร์ที่เก่าแก่ที่สุด คือ ดาราศาสตร์

มนุษย์เราศึกษาวัตถุท้องฟ้าและเก็บรวบรวมข้อมูลมานานนับตั้งแต่ยุคก่อนคริสตกาล แต่เพิ่งมารู้ว่าแสงเป็นเพียงแถบเล็กๆของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมด ราว 200 ปีก่อนเท่านั้น 

        ศาสตร์แห่งการออกแบบและสร้างอุปกรณ์เพื่อศึกษาคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากวัตถุท้องฟ้า จึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง เพราะภาพและข้อมูลต่างๆที่นักดาราศาสตร์ได้จากอุปกรณ์เหล่านี้เปลี่ยนแปลงมุมมองที่มนุษย์เรามีต่อเอกภพอย่างมาก

        อุปกรณ์หนึ่งที่เป็นที่รู้จักที่สุด คือ กล้องโทรทรรศน์  เป็นอุปกรณ์ที่ช่วยให้นักดาราศาสตร์มองเห็นวัตถุที่สว่างน้อยจนตาเปล่ามองไม่เห็น หรือทำให้นักดาราศาสตร์มองเห็นรังสีในช่วงคลื่นอื่นๆที่ไม่ใช่แสงได้

 

        โลกของเรามีชั้นบรรยากาศซึ่งดูดกลืนรังสีหลายอย่างไว้ไม่ให้เดินทางมาถึงพื้นโลกได้ อีกทั้งยังทำให้แสงวัตถุท้องฟ้าหักเหไปมาซึ่งส่งผลต่อคุณภาพของภาพที่ได้ นักดาราศาสตร์จึงส่งกล้องโทรทรรศน์จำนวนหนึ่งขึ้นสู่ห้วงอวกาศเพื่อตัดการรบกวนจากชั้นบรรยากาศโลก แต่การส่งกล้องโทรทรรศน์ขึ้นสู่อวกาศนั้นนอกจากจะยากมากแล้ว ยังมีค่าใช้จ่ายที่สูงลิ่ว

        ศาสตร์แห่งการออกแบบกล้องโทรทรรศน์ในปัจจุบันส่วนหนึ่งจึงมุ่งเน้นการสร้างกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดิน แต่ใช้เทคนิคต่างๆลดการรบกวนจากชั้นบรรยากาศโลกให้ได้มากที่สุด

 

 

        หลายคนอาจคุ้นชินกับภาพกล้องโทรทรรศน์ที่มีลักษณะเป็นท่อยาวๆ มีนักดาราศาสตร์นั่งส่องดวงดาวจากปลายด้านหนึ่ง แต่กล้องโทรทรรศน์สมัยใหม่ทุกวันนี้ไม่ได้เป็นแบบนั้น

        นักดาราศาสตร์ทุกวันนี้อยู่ในที่ทำงานซึ่งอาจจะห่างจากกล้องโทรทรรศน์หลายกิโลเมตร สั่งงานมัน แล้วก็เก็บข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์ผ่านเครื่องคอมพิวเตอร์ โดยนักดาราศาสตร์จะใช้การเขียนโปรแกรมเพื่อสั่งการกล้องโทรทรรศน์ให้เก็บข้อมูลตามที่ต้องการ 

        ในการถ่ายภาพทางดาราศาสตร์ วัตถุหลายอย่างบนท้องฟ้า เช่น กาแล็กซีที่อยู่ไกลๆนั้นอ่อนแสงมาก จนกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ยังต้องใช้เวลาถ่ายภาพนานหลายชั่วโมงเพื่อจะเก็บรวบรวมแสงเหล่านั้นให้ได้มากที่สุด ดังนั้นหากจะถ่ายภาพวัตถุท้องฟ้าให้ครบด้วยความละเอียดสูง อาจต้องใช้เวลานานมากจนไม่คุ้ม นักดาราศาสตร์จึงทำการเลือกเฟ้นวัตถุที่ควรค่าแก่การเก็บข้อมูล  เช่น เพื่อช่วยยืนยันสมมติฐานบางอย่าง , เพื่อหาข้อผิดพลาดของทฤษฎี  ฯลฯ

        เนื่องจากเทคโนโลยีในการสร้างกล้องโทรทรรศน์นั้นเป็นเทคโนโลยีที่มีราคาสูง กล้องโทรทรรศน์ใหญ่ๆส่วนมากจึงต้องเป็นของรัฐบาลหรือเกิดจากความร่วมมือระหว่างประเทศ

หลักการทำงานของกล้องโทรทรรศน์นั้นสรุปสั้นๆได้ว่า

        “ รวบรวมแสงจากวัตถุที่สนใจให้ได้มากที่สุด จากนั้นโฟกัสให้แสงมารวมกันที่ฉาก(หรือส่วนตรวจจับ) จากนั้นขยายภาพที่ได้เพื่อให้เราเห็นรายละเอียด”

 

1. ศาสตร์แห่งการรวบรวมแสง

        กล้องโทรทรรศน์นั้นแท้จริงแล้วก็คือ ถังรวมแสง 

        เหตุที่นักดาราศาสตร์ต้องสร้างกล้องโทรทรรศน์ให้มีขนาดใหญ่ก็เพื่อการรวมแสงให้ได้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้  เปรียบได้กับการนำภาชนะไปรองน้ำฝน ยิ่งปากภาชนะกว้างก็ยิ่งรวบรวมน้ำฝนได้มาก

 

 

        กล่าวให้ชัดเจนยิ่งขึ้นได้ว่าพื้นที่ของหน้ากล้องยิ่งมากก็ยิ่งรวมแสงได้มาก และยิ่งรวมแสงได้มาก สิ่งที่เคยปรากฏสลัวก็ยิ่งปรากฏสว่างมากขึ้น

        ดังนั้น กล้องโทรทรรศน์ที่มีรัศมีกล้องโตกว่ากล้องโทรทรรศน์อีกตัว 2 เท่า จะมีพื้นที่รับแสงมากกว่าอีกถึง 4 เท่า 

        เนื่องจากพื้นที่รับแสงนั้นสำคัญมาก นักดาราศาสตร์จึงมักเรียกกล้องโทรทรรศน์ด้วย เส้นผ่านศูนย์กลางหน้ากล้อง(aperture) 

 

 

        กล้องโทรทรรศน์ Keck ในฮาวายนั้นเป็นกล้องโทรทรรศน์แฝด แต่ละตัวมีหน้ากล้องเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 เมตร กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 2.4 เมตร ส่วนรูรับแสงของดวงตามนุษย์โดยเฉลี่ยแล้วมีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 8มม. 

        ดังนั้นกล้องโทรทรรศน์ฮับเบิลจึงมีพื้นที่รับแสงมากกว่าดวงตามนุษย์มากถึง 90,000 เท่า พูดง่ายๆว่าในช่วงเวลาเท่ากัน กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลจะมีแสงตกกระทบมากกว่าเข้าสู่ดวงตามนุษย์เรา 90,000 เท่านั่นเอง ส่วนกล้อง Keck นั้นมีพื้นที่รับแสงมากกว่าดวงตามนุษย์ราว 1.5 ล้านเท่า และมากกว่ากล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล17 เท่า 

        อย่างไรก็ตาม กล้องโทรทรรศน์ฮับเบิลก็มีข้อได้เปรียบกล้อง Keck ตรงที่ไม่ถูกชั้นบรรยากาศโลกรบกวน

        .........................................................

        ฟิลเตอร์ อุปกรณ์สำคัญอย่างหนึ่งที่นักดาราศาสตร์ใช้ในการถ่ายภาพและศึกษาวัตถุท้องฟ้า โดยนักดาราศาสตร์จะใช้ฟิลเตอร์ในการกรองเอาความยาวคลื่นที่ไม่สนใจออกไป ให้เหลือไว้เพียงความยาวคลื่นที่ต้องการศึกษา

         ฟิลเตอร์จะมีลักษณะเป็นแก้วสีสันต่างๆกัน  หากแบ่งในช่วงคลื่นที่ตามองเห็นสามารถแบ่งได้เป็น 

          - ฟิลเตอร์ B (มาจาก Blue คือสีน้ำเงิน) ยอมให้แสงความยาวคลื่น 390-480 นาโนเมตรผ่าน

          - ฟิลเตอร์ V (มาจาก Visual หมายถึงสีเขียว) ยอมให้แสงความยาวคลื่น500-590 นาโนเมตรผ่าน

          - ฟิลเตอร์ R (มาจาก Redคือสีแดง) ยอมให้แสงความยาวคลื่น570-710 นาโนเมตรผ่าน

        บางฟิลเตอร์ก็ยอมให้ความยาวคลื่นบางค่าจากเส้นสเปกตรัมเล็กๆผ่าน , บางฟิลเตอร์เลือกให้รังสียูวี หรือ อินฟราเรดผ่านได้

        การศึกษาวัตถุท้องฟ้าผ่านฟิลเตอร์ต่างๆทำให้นักดาราศาสตร์หาได้ว่าอุณหภูมิของวัตถุนั้นเป็นเท่าใดและศึกษาพฤติกรรม รวมทั้งคุณสมบัติสำคัญของวัตถุนั้นๆได้

 

ในภาพนี้เป็นการถ่ายภาพด้วยฟิลเตอร์ 7 ช่วงความยาวคลื่น ตั้งแต่รังสียูวี แสงที่ตามองเห็นจนถึงอินฟราเรด แล้วนำภาพที่ได้มาซ้อนกันตรงกลาง

 

        * อย่าลืมว่าฟิลเตอร์ไม่ได้เปลี่ยนสีของแสงที่เดินทางผ่าน  ถ้าเราใช้ฟิลเตอร์สีน้ำเงินกรองแสง นั่นหมายความว่าสีเพียงแสงสีน้ำเงินเท่านั้นที่ฟิลเตอร์ยอมให้ผ่านได้

 

2. การโฟกัสแสง

        การโฟกัสเป็นการทำให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าวิ่งไปรวมกันที่จุดๆเดียว 

        ความยาวคลื่นที่เราต้องการโฟกัสจะเป็นตัวกำหนดลักษณะอุปกรณ์ที่ใช้ในการโฟกัสมัน ซึ่งจะอธิบายให้ฟังในลำดับถัดไป

        วัสดุที่ใช้ในการโฟกัสแสงหลักๆแล้วมีสองชนิดคือ เลนส์ และ กระจก ซึ่งทั้งสองมีข้อดีและข้อด้อยแตกต่างกัน

 

 

        1.กล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสง (refracting telescopes) เป็นกล้องโทรทรรศน์ที่ใช้เลนส์ในการโฟกัสแสง ซึ่งเลนส์คืออุปกรณ์ที่ทำจากแก้ว เมื่อแสงเดินทางจากอากาศมายังแก้วจะเกิดการหักเหขึ้น

 

Yerkes telescope  ค.ศ. 1897

 

Yerkes telescope  ค.ศ. 2006

 

        Yerkes telescope แห่งมหาวิทยาลัยชิคาโก เป็นกล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสงที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในโลกที่ถูกสร้างมาใช้งานจริง โดยหน้ากล้องมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 เมตร (40 นิ้ว)  สร้างเสร็จในปี ค.ศ. 1897  เฉพาะเลนส์ก็มีน้ำหนัก 200 กิโลกรัมแล้ว  น้ำหนักมากมายขนาดนี้สามารถส่งผลให้เลนส์มีการเปลี่ยนรูปทรงได้  แถมการยึดตัวเลนส์ที่หนักขนาดนี้เข้ากับกระบอกกล้องโทรทรรศน์ก็เป็นเรื่องยากมาก ตัวกระบอกกล้องโทรทรรศน์หนัก 6 ตัน ส่วนเกียร์และกลไกที่ใช้ในการหมุนกล้องโทรทรรศน์มีน้ำหนัก 20 ตัน โครงสร้างหอดูดาวที่ใช้ในการรับน้ำหนักทั้งหมดก็ยิ่งต้องถูกออกแบบมาเป็นอย่างดีเพื่อรองรับน้ำหนักทั้งหมด  

 

 

        จริงๆแล้วมีกล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสงที่ใหญ่กว่านั่นคือ Great Paris Exhibition Telescope of 1900 ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.25 เมตร แต่มันถูกสร้างมาใช้ในงานนิทรรศการ Exposition Universelle ในกรุงปารีส พอครบกำหนดจัดแสดงก็รื้อถอนไป

        เนื่องจากเลนส์เป็นวัสดุที่มีน้ำหนักมากจนสูญเสียรูปทรงได้ง่าย

        ทุกวันนี้ในการสร้างกล้องโทรทรรศน์ที่ใหญ่ขึ้น นักดาราศาสตร์จึงหันมาสร้างกล้องโทรทรรศน์อีกประเภท นั่นคือ กล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสง

 

        2.กล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสง (reflacting telescopes) เป็นกล้องโทรทรรศน์ที่ใช้กระจกในการโฟกัสแสง นักดาราศาสตร์รู้มาตั้งแต่สมัยโบราณแล้วว่ากระจกสามารถใช้ในการรวมแสงได้เช่นเดียวกับเลนส์ แต่การออกแบบกล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสงให้ใช้งานได้จริงได้ในสมัยนั้นเป็นเรื่องยาก 

 

 

        ผู้ที่ออกแบบและสร้างกล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสงได้สำเร็จเป็นคนแรก คือ เซอร์ ไอแซคนิวตัน (Sir Isaac Newton) 

        เซอร์ไอแซค นิวตัน ออกแบบให้กระจกทุติยภูมิ (secondary mirror) สะท้อนแสงออกด้านข้างตัวกล้องซึ่งทุกวันนี้เรายังคงใช้การออกแบบของนิวตันกับกล้องโทรทรรศน์ที่มีขนาดไม่ใหญ่มาก

        ส่วนกล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสงสำหรับการวิจัยสมัยใหม่จะใช้กระจกทุติยภูมิสะท้อนแสงออกไปยังช่องที่เจาะไว้ตรงกลางกระจกปฐมภูมิ กล้องในลักษณะนี้มีชื่อว่า Cassegrain telescope ซึ่งตั้งตามชื่อประติมากรชาวฝรั่งเศส Laurent Cassegrain ผู้ออกแบบมันในปี ค.ศ. 1672 

        จะเห็นได้ว่าไม่ว่าจะเป็นกล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสงแบบใดด็ตาม กระจกทุติยภูมิจะไปขวางทางที่แสงเดินทางเข้ามาเสมอทำให้แสงที่เข้ามาถึงกระจกปฐมภูมิ (กระจกหลัก)มีปริมาณลดลง อย่างไรก็ตาม หากกระจกหลักที่ใช้โฟกัสแสงมีขนาดใหญ่มากๆ กระจกทุติยภูมิย่อมบังแสงที่เข้ามาในสัดส่วนน้อย เมื่อเทียบกับแสงที่ผ่านเข้าไปได้

 

        อุปกรณ์ที่ทำหน้าที่โฟกัสแสงให้ไปรวมกันที่จุดๆเดียวนั้นต้องมีผิวหน้าที่เรียบพอ เพราะความขรุขระแม้เพียงเล็กน้อยอาจทำให้แสงที่กำลังจะมารวมกันหักล้างกันไปบางส่วน หรือทำให้ภาพเบลอได้ โดยความขรุขระที่เกิดขึ้นต้องน้อยกว่า 1/10 ของ ความยาวคลื่นที่ต้องการวัด ตัวอย่างเช่น ผิวหน้าจานกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่ใช้โฟกัสคลื่นวิทยุความยาวคลื่น 10 ซม. นั้นต้องไม่ขรุขระเกินระดับ 1 ซม. ดังนั้นจานรับสัญญาณวิทยุจึงสามารถใช้เหล็กหลายๆแผ่นมาเชื่อมต่อกันเป็นจานได้

        ส่วนผิวจานกล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสงนั้นต้องเรียบกว่าความยาวคลื่นแสง(ระดับนาโนเมตร)จึงจะทำงานได้เต็มประสิทธิภาพ โดยทั่วๆมักใช้แก้วมาทำให้ผิวหน้าโค้งและเรียบ จากนั้นเคลือบด้วยสารที่มีความมันเงา สะท้อนแสงได้ดีจากนั้นจึงทำการขัด หนึ่งในเทคโนโยลีระดับสูงที่ใช้ในการขัดกล้องโทรทรรศน์คือการขัดให้เรียบด้วยการยิงลำไอออน (Ion Beam Figuring) 

       การโฟกัสคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ความยาวคลื่นที่สั้นกว่าแสงมากๆอย่างรังสีเอกซ์นั้นจะใช้อุปกรณ์โฟกัสที่มีลักษณะแตกต่างออกไป 

        รังสีเอกซ์นั้นมีความยาวคลื่นสั้นมากในระดับอะตอม หากใช้กระจกหลักแบบที่ใช้ในกล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสงมาโฟกัสรังสีเอกซ์จะทำให้รังสีเอกซ์กระเจิงไปคนละทิศทางและถูกกระจกดูดกลืนไปบางส่วน

        วิศวกรจึงใช้ธรรมชาติอย่างหนึ่งของของรังสีเอกซ์ให้เป็นประโยชน์นั่นคือรังสีเอกซ์จะสะท้อนกับกระจกที่มุมค่าน้อยๆ 

 

 

        ดังนั้นหากนำกระจกมาเรียงกันโดย ปรับมุมค่อยๆให้มันสะท้อนแคบเข้ามาเรื่อยๆ สุดท้ายรังสีเอกซ์จะถูกโฟกัสได้

 

 

        ในภาพข้างบนนี้เป็นรังสีเอกซ์ที่เดินทางเข้ามาเพียงเส้นเดียวเท่านั้น นักฟิสิกส์จึงใช้การนำกระจกคล้ายทรงกระบอกเรียงกันจนมีลักษณะเหมือนวงแหวนหลายๆชั้น เพื่อโฟกัสรังสีเอกซ์ที่เข้ามาทั้งลำ

 

 

ความท้าทายในการออกแบบกล้องโทรทรรศน์

        เนื่องจากโลกของเราหมุนรอบตัวเอง วัตถุท้องฟ้าต่างๆที่กล้องโทรทรรศน์ถ่ายจึงเคลื่อนที่ไปบนท้องฟ้าส่งผลให้กล้องโทรทรรศน์ต้องหมุนตาม ความยากประการสำคัญของของการสร้างกล้องโทรทรรศน์คือ การพยายามทำให้กระจกที่เป็นส่วนโฟกัสแสงไม่เปลี่ยนแปลงรูปทรงในขณะที่กำลังมีการใช้งาน อีกทั้งยังต้องให้วัตถุที่สนใจอยู่ในตำแหน่งเดิมในมุมมองของกล้องโทรทรรศน์เสมอ

        ความท้าทายสำคัญอีกอย่างหนึ่งคือ การพยายามสร้างกระจกให้มีขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ

        ในช่วงปี ค.ศ. 1948 กระจกเส้นผ่านศูนย์กลาง 5 เมตรถูกสร้างขึ้นที่หอดูดาวปาโลมาร์ (Palomar Observatory) แคลิฟอร์เนียร์ กระจกดังกล่าวหนักถึง 15 ตัน ทั้งกล้องโทรทรรศน์หนัก 500 ตัน การสร้างกล้องโทรทรรศน์ที่ใหญ่กว่านี้เป็นเรื่องยากมากเพราะน้ำหนักของกระจกและส่วนที่คอยรองรับน้ำหนักจะเพิ่มขึ้นมหาศาล

        นักดาราศาสตร์และวิศวกรต้องการสร้างกล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสงให้มีขนาดใหญ่ แต่กระจกที่ทำหน้าที่โฟกัสแสงนั้นเมื่อมีขนาดใหญ่จนถึงจุดหนึ่ง น้ำหนักจะเพิ่มขึ้นมหาศาล

        คำถามคือ เราจะแก้ปัญหานี้อย่างไร?

        ทางออกแรกของนักดาราศาสตร์คือ การใช้กระจกหลายๆชิ้นมาต่อกัน แล้วปรับมุมของกระจกแต่ละแผ่นให้ทำงานประสานกันเป็นอย่างดี  กล้องโทรทรรศน์ที่ใช้กระจกหลายๆแผ่นมาต่อกันเรียกว่า Multi mirror telescope

        กล้องโทรทรรศน์แบบใช้กระจกหลายแผ่นที่ใหญ่ที่สุดในปัจจุบัน คือ กล้องโทรทรรศน์ Keck อยู่ที่ระดับความสูง 4,200 เมตรจากระดับน้ำทะเลบนภูเขา Mauna Kea เกาะฮาวาย กระจกหลักมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 เมตร ประกอบด้วยกระจก 36 แผ่น กระจกทั้งหมดนี้มีน้ำหนักไล่เลี่ยกับกระจกแผ่นเดียวที่หอดูดาวปาโลมาร์ แต่มันใหญ่กว่าถึง 2 เท่า

        แน่นอนว่ากระจกทุกแผ่นถูกควบคุมให้หันอย่างแม่นยำด้วยเลเซอร์ ถ้ามีการตรวจจับได้ว่ากระจกแผ่นไหนเอียงผิดเพี้ยนไปเพียงเล็กน้อย มอเตอร์จะทำการปรับมุมให้ถูกต้อง

        ทางออกที่สองคือ การสร้างกระจกให้บางและเบาลงกว่าเก่า กล่าวคือแทนที่จะสร้างส่วนรอบรับกระจกให้หนาๆเพื่อให้กระจกคงรูปร่างได้อย่างสมัยก่อน ก็เปลี่ยนไปใช้เทคโนโลยีประเภทเซนเซอร์และมอเตอร์เพื่อปรับให้กระจกมีรูปทรงตามที่ต้องการแทน 

 

Very Large Telescope

 

กล้องโทรทรรศน์ Gemini  

 

        ในช่วงหลังๆนี้กล้องโทรทรรศน์ที่ใช้กระจกแผ่นเดียวแต่บางและมีขนาดใหญ่จึงถูกสร้างขึ้นได้ เช่น กล้องโทรทรรศน์วีแอลที (VLT หรือ Very Large Telescope) ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางถึง 8.2 เมตร ที่ประเทศชิลี โดยกล้องโทรทรรศน์วีแอลที มีทั้งหมด 4 ตัว ทำงานแยกเป็นอิสระจากกัน หรือ อาจทำงานประสานกันก็ได้ , กล้องโทรทรรศน์ Gemini  ที่กระจกมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 8.19 เมตร โดยมีทั้งหมด 2 ตัว ตัวหนึ่งอยู่ที่ฮาวาย ส่วนอีกตัวอยู่ที่ชีลี เป็นต้น

        ทางออกที่สาม ซึ่งยังอยู่ในขั้นตอนงานวิจัยคือ Freeform Optics ซึ่งค่อนข้างซับซ้อน ไว้จะมาเล่าให้ฟังคราวหลังนะครับ

        ข้อดีและข้อด้อยของกล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสงและหักเหแสงมีดังนี้

        1. กล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสง ใช้เลนส์มาโฟกัสแสง เมื่อเลนส์มีขนาดใหญ่มากๆจะทำให้มันสูญเสียรูปทรงได้ง่าย จึงต้องสร้างโครงสร้างขนาดใหญ่มายึดจับส่งผลให้โครงสร้างโดยรวมทั้งหมดยิ่งหนักไปกันใหญ่

        2. กล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสง มีข้อดีคือ มันง่ายต่อการออกแบบ สร้างตามได้ง่าย เนื่องจากทางเดินของแสงเป็นเส้นตรง

 

 

        3.กล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสงมีปัญหาคือ จะมีบางส่วนมาบังแสงที่เดินทางเข้ามา หากเคยใช้กล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสงในการดูดาวจะเห็นดาวมีลักษณะเป็นแฉก ซึ่งเกิดจากการนำกระจกทุติยภูมิมาบังแสงที่เข้ามานั่นเอง

 

chromatic aberration

 

        4.ข้อเสียประการสำคัญของกล้องโทรทรรศน์แบบหักเหแสงคือ เลนส์จะหักเหแสงแต่ละความยาวคลื่นได้ไม่เท่ากัน โดยสีแดงจะหักเหน้อยที่สุด ส่วนสีม่วงจะหักเหมากที่สุด ส่งผลให้สีสันถูกแยกออกขณะเกิดภาพ เรียกว่าเกิดความคลาดสี (chromatic aberration) ในขณะที่กระจกจะสะท้อนแสงทุกความยาวคลื่นด้วยมุมเท่ากันหมด

        อย่างไรก็ตาม ข้อเสียของเลนส์ที่ใช้นำกล้องโทรทรรศน์กลับกลับกลายมาเป็นจุดแข็งในอุปกรณ์ที่เรียกว่า spectroscopy ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ภายในเป็นปริซึม ใช้ในการแยกความยาวคลื่นช่วงต่างๆออกมาศึกษา

 

3. กำลังการแยกภาพ (resolution) ของกล้องโทรทรรศน์

        คนส่วนมากเวลาเห็นกล้องโทรทรรศน์มักจะตั้งคำถามว่า "กล้องโทรทรรศน์ตัวนี้มีกำลังขยายเท่าไร?"

        คำถามนี้ไม่ใช่คำถามที่มีความหมายเพราะกำลังขยายของกล้องโทรทรรศน์ไม่ใช่คุณสมบัติสำคัญของกล้องโทรทรรศน์ เราสามารถปรับให้กล้องโทรทรรศน์มีกำลังขยายเท่าไรก็ได้ ขึ้นอยู่กับว่าเราใช้ eyepiece (เลนส์ใกล้ตา)ที่มีกำลังขยายแค่ไหนตัวแปรสำคัญอย่างหนึ่งที่บ่งบอกถึงคุณภาพของกล้องโทรทรรศน์ คือ กำลังการแยกภาพ ต่างหาก 

        กำลังแยกภาพหมายถึงความสามารถในการแยกแยะรายละเอียดสูงสุดดังนั้นกล้องโทรทรรศน์แม้จะมีกำลังขยายมาก แต่ถ้าขยายออกมาแล้วให้ภาพเบลอจนดูไม่ออกว่าอะไรเป็นอะไรก็ไม่มีประโยชน์

        แม้ว่านักดาราศาสตร์และวิศวกรจะสร้างกระจกหรือเลนส์ได้อย่างสมบูรณ์แบบ แต่สุดท้ายกำลังแยกภาพเป็นตัวแปรพื้นฐานที่ขึ้นอยู่กับขนาดหน้ากล้องโทรทรรศน์เทียบกับความยาวคลื่นที่ต้องการตรวจจับ  กล่าวคือ ยิ่งกล้องโทรทรรศน์มีหน้ากล้องกว้างมากก็ยิ่งมีกำลังแยกภาพมากตามไปด้วย และในขณะเดียวกัน กำลังแยกภาพคือขีดจำกัดที่เกิดจากธรรมชาติของแสง

        เรามาทำความเข้าใจกันก่อนดีกว่าว่า กำลังแยกภาพคืออะไร?

        หากเราเขียนจุด 2 จุดไว้บนกระดาษ

 

 

        แล้วนำกระดาษถอยห่างสายตาออกไปเรื่อยๆ พอห่างจนถึงระยะหนึ่ง เราจะไม่สามามารถแยกออกว่ามันเป็นจุดสองจุดหรือเป็นเพียงจุดๆเดียว นั่นคือขีดจำกัดการแยกภาพของดวงตาเราที่มีต่อระยะเชิงมุมของจุดสองจุด

        ลองนึกถนนตอนกลางคืนก็ได้ครับ

        เราจะมองเห็นไฟหน้าของรถยนต์ที่อยู่เราออกไปมากๆ เป็นเพียงจุดไฟสว่างจุดเดียว จนเมื่อรถยนต์วิ่งเข้ามาใกล้เราจนถึงจุดหนึ่ง เราจึงจะเห็นว่ามันเป็นไฟหน้าสองดวงของรถยนต์

        อีกตัวอย่างบนท้องฟ้าคือ ดาวโพลาริสหรือที่เราเรียกกันว่าดาวเหนือนั้น จริงๆแล้วไม่ใช่ดาวฤกษ์เดี่ยวๆ แต่ดวงตาของเราไม่สามารถแยกแยะรายละเอียดได้ทำให้เราเห็นเป็นเพียงดาวดวงเดียว แต่เมื่อใช้กล้องโทรทรรศน์ที่มีกำลังแยกภาพสูงถ่ายภาพจะทำให้เราเห็นอย่างชัดเจนว่าเป็นระบบดาวฤกษ์สามดวงโคจรรอบกัน

 

 

        ความสามารถในการแยกจุดสองจุดที่อยู่ใกล้กันที่สุดให้ปรากฏแยกกันได้ คือ ความสามารถในการแยกภาพของกล้องโทรทรรรศน์

        ขีดจำกัดของกำลังแยกภาพเกิดจากการเลี้ยวเบน(diffraction)ซึ่งเป็นธรรมชาติพื้นฐานของคลื่นทุกชนิด รวมทั้งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่อคลื่นเดินทางผ่านช่องเปิด คลื่นส่วนหนึ่งจะเดินทางผ่านช่องเปิดนั้นไปตรงๆ แต่จะมีคลื่นอีกส่วนหนึ่งที่เปลี่ยนทิศทางบริเวณขอบของช่องเปิด  ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า การเลี้ยวเบน

        ดังนั้นเมื่อแสงเดินทางผ่านกล้องโทรทรรศน์เข้ามาจะมีแสงบางส่วนเกิดการเลี้ยวเบนซึ่งจะส่งผลต่อแสงส่วนอื่นๆทำให้ภาพเบลอและสูญเสียรายละเอียดได้

 

 

        นี่คือ ภาพจากกล้องโทรทรรศน์ฮับเบิลที่ถูกปรับแต่งเพื่อให้เราเห็นริ้วที่กระจายอยู่รอบๆภาพดาวฤกษ์ชัดเจนขึ้น ซึ่งริ้วดังกล่าวเกิดจากการเลี้ยวเบนของแสง

 

        หากเราทำการสังเกตวัตถุท้องฟ้าอยู่ห่างกันด้วยระยะเชิงมุม  α (ในหน่วย arc second) ในช่วงความยาวคลื่น λ  (ในหน่วยนาโนเมตร)  เราจะพบว่ากล้องโทรทรรศน์ที่สามารถแยกวัตถุท้องฟ้าทั้งสองออกจากกันได้ต้องมีเส้นผ่านศูนย์กลาง D (ในหน่วยเซนติเมตร) ที่มากกว่า 0.02λ/α

        หรือ อาจเขียนให้อยู่ในรูปสมการได้ว่า

        D >(0.02λ/ α)

        จะเห็นได้ว่ายิ่งวัตถุท้องฟ้าอยู่ใกล้กันมาก (มุมα มีค่าน้อย) เส้นผ่านศูนย์กลางขั้นต่ำของกล้องโทรทรรศน์ที่จะใช้แยกมันก็ยิ่งต้องมีค่ามาก

        ยกตัวอย่างเช่น กล้องโทรทรรศน์เส้นผ่านศูนย์กลาง 100 เซนติเมตร (40 นิ้ว) เมื่อใช้สังเกตแสงที่ตามองเห็นที่มีความยาวคลื่น 500 นาโนเมตร  จะแยกดาวฤกษ์สองดวงที่อยู่ห่างกันมากกว่า  0.1arc secondได้

 

กล้องโทรทรรศน์วิทยุอาเรซิโบ

 

        กล้องโทรทรรศน์วิทยุนั้นมีจานรวมคลื่นวิทยุขนาดมหึมา แต่กำลังแยกภาพแย่กว่ากล้องโทรทรรศน์แบบใช้แสงมาก  จานของกล้องโทรทรรศน์วิทยุอาเรซิโบนั้นมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 300 เมตร  เมื่อใช้สังเกตคลื่นวิทยุที่ความยาวคลื่น10 เซนติเมตร (ซึ่งนับว่าความยาวคลื่นสั้นมากกว่าเมื่อกับคลื่นวิทยุช่วงอื่นๆ)  สามารถแยกภาพดีที่สุดที่ 70arc second

        หากเปรียบเทียบกำลังแยกภาพของดวงตามนุษย์ รูม่านตามนุษย์มีเส้นผ่านศูนย์กลางราว 0.8 เซนติเมตร เมื่อสังเกตแสงที่มีความยาวคลื่นเฉลี่ยราวๆ 500นาโนเมตร จะสามารถแยกภาพได้ที่ 13arc second ซึ่งนับว่าละเอียดกว่ากล้องโทรทรรศน์อาเรซิโบเสียอีก

        เทคนิคการเพิ่มกำลังแยกภาพของกล้องโทรทรรศน์วิทยุจึงไม่ใช่การพยายามสร้างจานให้ใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ เพราะปัจจุบัน จานรวมสัญญาณที่ใหญ่ที่สุดอยู่ที่กล้อง FAST(Five hundred meter Aperture Spherical Telescope) ของประเทศจีนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางถึง 500 เมตร การจะสร้างกล้องโทรทรรศน์วิทยุใหม่ใหญ่โตเกินกว่า 500 เมตรนั้นใช้พื้นที่และใช้เงินมหาศาล

        วิธีการแก้ปัญหาเรื่องกำลังแยกภาพของกล้องโทรทรรศน์วิทยุคือ ใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุหลายๆตัวเก็บข้อมูลสัญญาณวิทยุ แล้วนำสัญญาณเหล่านั้นมาประกอบเข้าด้วยกัน ซึ่งจะทำให้ได้ผลเหมือนกับการมีกล้องโทรทรรศน์วิทยุขนาดใหญ่ตัวเดียว

 

VLBA

 

        ปัจจุบันการเชื่อมต่อกล้องโทรทรรศน์วิทยุจนเป็นเครือข่ายที่มีเสถียรภาพที่สุดเครือข่ายหนึ่งคือ VLBA (Very Long Baseline Array) ซึ่งเชื่อมต่อกล้องโทรทรรศน์วิทยุ  10 ตัวในสหรัฐอเมริกา ตั้งแต่ทะเลแคริบเบียนจนถึงฮาวาย

        นอกจากนี้หลายโครงการยังมีการกระจายความร่วมมือไปในหลายประเทศทั่วโลก 

 

ส่วนตรวจจับ

        ก่อนปี ค.ศ. 1980 นักดาราศาสตร์ยังใช้ฟิล์มถ่ายภาพในการเก็บข้อมูลอยู่ แต่หลังจากนั้นมีการนำอุปกรณ์ตรวจจับแสงที่เรียกว่า  ซีซีดี (charge-coupled device)ซึ่งคล้ายกับที่ใช้ในกล้องดิจิตัลในการบันทึกภาพ

 

 

        ภายในซีซีดีจะถูกแบ่งเป็นช่องสี่เหลี่ยมเล็กๆ แต่ละช่องเรียกว่า pixel  เมื่อแสงที่มีความถี่เกินค่าหนึ่งตกกระทบจะทำให้อิเล็กตรอนใน pixel หนึ่งๆหลุดออกมา จากนั้นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะจะนับจำนวนอิเล็กกตรอนที่หลุดออกมาจากแต่ละ pixel ว่ามีมากแค่ไหน ยิ่งอิเล็กตรอนหลุดออกมาจำนวนมากก็ยิ่งแปลว่าแสงมีความเข้มมาก จากนั้นจึงนำไปประมวลผลเป็นภาพออกมาอีกที แล้วซีซีดีจะกลับเข้าสู่สถานะเริ่มต้นเพื่อรับการถ่ายภาพครั้งใหม่

        หลักการพื้นฐานที่อยู่เบื้องหลัง ซีซีดีคือ ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก ซึ่งอธิบายได้ครั้งแรกโดย อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ส่งผลให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 1921 ส่วนผู้ประดิษฐ์ ซีซีดีคือ George E. Smith และ Willard S. Boyle ซึ่งทั้งคู่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ.2009

        ซีซีดีเป็นอุปกรณ์ที่ถูกพัฒนาจนมีประสิทธิภาพสูง มันช่วยให้นักดาราศาสตร์บันทึกภาพวัตถุท้องฟ้าได้สะดวกและรวดเร็วกว่าการถ่ายภาพด้วยฟิล์มซึ่งต้องนำฟิล์มมาล้างก่อนจึงจะเห็นภาพ แต่ภาพจาก ซีซีดีนั้นปรากฏขึ้นในทันที 

 

 

อ้างอิง

หนังสือ pathways to astronomy

https://www.subarutelescope.org/Introduction/telescope.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Ultra_low_expansion_glass

http://centerfreeformoptics.org/what-is-freeform-optics/

https://wp.optics.arizona.edu/ualiangaol/research/freeform-optics/

http://astro.uchicago.edu/vtour/inside/stats.html