Frontpage Slideshow | Copyright © 2006-2011 JoomlaWorks Ltd.

สุดยอดนวัตกรรมดาราศาสตร์ กล้องโทรทรรศน์วิทยุที่ใหญ่ที่สุดในโลก

Share

สุดยอดนวัตกรรมดาราศาสตร์ กล้องโทรทรรศน์วิทยุที่ใหญ่ที่สุดในโลก

ในเดือนกันยายน ปี ค.ศ. 2016 กล้องโทรทรรศน์วิทยุ FAST ซึ่งเป็นกล้องโทรทรรศน์วิทยุมีขนาดใหญ่ที่สุดในโลกของประเทศจีนถูกสร้างสำเร็จ 

 

        กล้องโทรทรรศน์ตัวนี้มีชื่อว่าภาษาจีนว่า Tianyan ซึ่งแปลว่า ‘ดวงตาแห่งสวรรค์’ ส่วนคำว่า FAST ซึ่งเป็นชื่อสากลของกล้องโทรทรรศน์นี้ย่อมาจาก Five hundred meter Aperture Spherical Telescope ซึ่งบ่งบอกว่ามันมีจานรับสัญญาณที่ใหญ่โตถึง 500 เมตร แต่มีพื้นที่ใช้งานราวๆ 300เมตร  เนื่องจาก Feed cabin ซึ่งเป็นส่วนตรวจจับที่อยู่เหนือจานรับสัญญาณสามารถปรับตำแหน่งได้ 

 

 

       งานสร้างเริ่มขึ้นตั้งแต่เดือนมีนาคม ปี ค.ศ. 2011 ใช้เวลาสร้างทั้งหมด 5ปีครึ่ง รัฐบาลจีนอนุมัติโครงการนี้ด้วยงบประมาณ 180 ล้านเหรียญสหรัฐฯ

 

Rendong Nan

 

        โครงการนี้เริ่มต้นขึ้นโดยทีมนักดาราศาสตร์นำโดย  Rendong Nan พวกเขาทำการสำรวจพื้นที่กว่า 400 แห่งเพื่อหาพื้นที่ที่ที่เหมาะสมสำหรับการสร้างกล้องโทรทรรศน์ขนาดยักษ์นี้ พื้นที่ที่เหมาะสมต้องมีลักษณะเหมือนชามกว้างๆจะได้ไม่ต้องขุดเพิ่มมากนักและไม่ควรมีชุมชนอยู่บริเวณนั้นอย่างหนาแน่นเพื่อป้องกันสัญญาณรบกวน สุดท้ายทีมงานได้สถานที่ที่เรียกว่า Dawodang (ซึ่งแปลว่าบ่อขนาดยักษ์) อยู่ในเมืองหลวงของมณฑลกุ้ยโจว  ก่อนจะสร้างต้องทำการอพยพผู้คน 65 หมู่บ้านออกจากพื้นที่ Dawodang ไปอยู่ในอพาร์ทเมนต์ในเมืองใกล้ๆ รวมทั้งย้ายคนในรัศมี 5 กิโลเมตรออก 9,110 หลังคาเรือนเพื่อให้บริเวณนั้นปราศจากสัญญาณรบกวน

 

การก่อสร้าง

        บริษัทก่อสร้างซึ่งรับผิดชอบโครงการนี้พบว่าถนนสายหลักบริเวณการก่อสร้างนั้นแคบเกินกว่าจะขนส่งอุปกรณ์และยานพาหนะที่ต้องใช้งานทำให้งานแรกจึงเป็นการตัดถนนยาว 7 กิโลเมตรเข้าไปก่อน

        จากนั้นต้องถูกขุดดินออกจากบริเวณแอ่ง Dawodang ถึง 900,000 ลูกบาศก์เมตรเพื่อสร้างฐานของจานรับสัญญาณ รวมทั้งขุดอุโมงค์ระบายน้ำยาว 1.1 กิโลเมตรเพื่อป้องกันน้ำท่วม

 

 

        การก่อสร้างจริงเริ่มต้นจากวงแหวนขนาดใหญ่โดยมีเสารับน้ำหนัก 50 ต้น และตามด้วยสายเคเบิลหนาๆ 8,895 สายแขวนอยู่เหนือแอ่งวงกลมขนาดใหญ่ 

 

 

        แอ่งที่ทำหน้าที่เป็นจานรับสัญญาณประกอบด้วยแผงสามเหลี่ยม 4,450 ส่วนมาประกอบกัน ซึ่งแต่ละด้านของแผงหนึ่งมีความยาว11เมตร รวมทั้งหมดนี้มีมวล 2,000 ตัน เมื่อประกอบกันแล้วเป็นโค้งทรงกลม(Spherical)ที่มีรัศมี 300 เมตร 

 

 

        ความน่าสนใจคือจานรับสัญญาณสามารถปรับรูปร่างแบบเรียลไทม์จากโค้งทรงกลมให้กลายเป็นทรงพาราโบลอยด์(paraboloid) เพื่อทำการรวมคลื่นวิทยุให้อยู่ที่จุดเดียวได้ โค้งทรงกลมไม่สามารถทำแบบนี้ได้ (ซึ่งจานรับสัญญาณของกล้องโทรทรรศน์อะเรซิโบมีความโค้งแบบทรงกลม) เพื่อให้การปรับรูปทรงเป็นไปอย่างแม่นยำด้วยความละเอียดระดับ 3 มิลลิเมตร แต่ละแผงซึ่งเป็นส่วนประกอบของจานรับสัญญาณจะถูกสร้างอย่างพิถีพิถัน นอกจากนี้แต่ละส่วนจานรับสัญญาณยังถูกออกแบบให้ปรับรูปทรงได้อย่างต่อเนื่องเพื่อจะได้ทำการติดตามวัตถุที่สนใจได้นานหลายๆชั่วโมง

        อย่างไรก็ตามการปรับรูปทรงของจานรับสัญญาณนี้จะทำให้เกิดความเครียดภายในเคเบิลมากถึง 500 เมกะปาสคาลตลอดระยะเวลาที่ใช้งาน สายเคเบิลที่ใช้จึงเป็นแบบพิเศษที่ออกแบบมาให้ทนความเครียดระดับนี้ได้มากถึง 2ล้านรอบซึ่งยาวนานตลอดอายุการใช้งาน 30ปีของมัน

 

วีดีโอแสดงการติดตั้ง Feed cabin ที่ทำหน้าที่รับสัญญาณจากจานด้านล่าง 

https://www.youtube.com/watch?v=7FivIV4H8j4

 

 

        สัญญาณวิทยุทั้งหมดจะถูกส่งไปยัง feed cabinซึ่งมีขนาด 13 เมตรและหนักเพียง 30ตัน ( Feed cabinของกล้องอะเรซิโบหนักถึง 900ตัน)  การวางตำแหน่ง Feed cabin การรับน้ำหนักด้วยสายเคเบิล รวมทั้งการติดตั้งเป็นปัญหาที่ท้าทายมากๆ ทีมงานต้องสร้างแบบจำลองเพื่อดูความเป็นไปได้ต่างๆมากมาย

        ผลสรุปคือ ใช้สายเคเบิล 3 คู่ผูกโยงในทิศทางตรงกันข้ามเชื่อมกับเสาขนาดใหญ่หกต้นที่อยู่รอบๆจานรับสัญญาณซึ่งแต่ละต้นสูงราวๆ 100 เมตร สายเคเบิลถูกออกแบบมาให้ปรับตำแหน่งของ Feed cabin ได้อย่างเหมาะสม รวมทั้งปรับการเอียงของ Feed cabin ตามความโค้งของจานรับสัญญาณได้ด้วย เท่านั้นยังไม่พอเพราะภายใน Feed cabinยังมีมอเตอร์คอยปรับการหันของ Feed cabin ให้ละเอียดอีกที สายเคเบิลที่ผูกกับ feed cabin นี้ถูกออกแบบให้ทนมากกว่าที่ใช้ในการทหารของจีนมากถึง 100เท่า

        ภายใน Feed cabin มีตัวรับสัญญาณ (receiver) อยู่ 7 ตัวซึ่งครอบคลุมความถี่ตั้งแต่ 70 MHz จนถึง 1.8 GHz ซึ่งสอดคล้องกับความยาวคลื่น 4.3 เมตรจนถึง 17 เซนติเมตร นักวิทยาศาสตร์จีนออกแบบเอง 5 ตัว อีกตัวคือ L-band receiver ที่รับสัญญาณได้กว้างถูกออกแบบโดยหอดูดาวแห่งชาติของจีนร่วมมือกับมหาวิทยาลัยคาลเทค อีกตัวคืออุปกรณ์ส่วนกลางซึ่งรับสัญญาณวิทยุได้ในช่วงแคบๆถูกออกแบบโดย CSIRO  (Australian commonwealth scientific and industrial research organization) ของออสเตรเลียซึ่งสามารถรับสัญญาณวิทยุได้ในช่วง 1.23-1.53 GHz  เนื่องจากตัวรับสัญญาณของกล้อง FAST มีความไวสูงมาก วิศวกรจึงต้องใช้เทคนิคต่างๆมาลดการรบกวนจากสัญญาณคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอื่นๆให้เหลือน้อยที่สุด

        นอกจากนี้เพื่อให้ชุมชนท้องถิ่นได้รับประโยชน์เชิงเศรษฐศาสตร์มากที่สุดจึงมีการสร้างธีมปาร์กใกล้ๆกับกล้องโทรทรรศน์ซึ่งจะดึงดูดนักท่องเที่ยวจากทั่วโลกให้มาชมและศึกษา แน่นอนว่ามีการจำกัดจำนวนนักท่องเที่ยวและห้ามใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าอย่างโทรศัพท์มือถือขณะเยี่ยมชม

        อย่างไรก็ตาม ในตอนนี้ (มกราคม ค.ศ. 2017) กล้อง FAST มีปัญหาในการติดตามเป้าหมายแบบเรียลไทม์ด้วยสาเหตุหลักๆ 2 ประการ 

        อย่างแรกคือ ไฟเบอร์ออปติกส์ที่เชื่อมต่อกับ actuator (วัสดุฉลาดที่ช่วยปรับมุมของจานได้อัตโนมัติ) สเสถียรทำให้เวลาส่งคำสั่งไปยังจานรับสัญญาณอาจเกิดความเสียหายได้ 

        อย่างที่สองคือ actuator  สึกหรอเร็วกว่าที่คาดการณ์ไว้ทำให้อาจต้องเปลี่ยนใหม่ทั้งหมด 

        ดังนั้นในระหว่างที่กำลังดำเนินการแก้ไขปัญหาเหล่านี้ จานรับสัญญาณจะไม่สามารถปรับมุมได้แบบเรียลไทม์ อย่างไรก็ตาม ตอนนี้มันมีศักยภาพพอจะค้นพบพัลซาร์ได้นับพันดวงด้วยการตรวจจับคลื่นวิทยุความถี่ 1.4 GHz (ความยาวคลื่น 21 เซนติเมตร)ที่อะตอมไฮโดรเจนปลดปล่อยออกมา แต่ถ้าปัญหาทั้งหมดได้รับการแก้แล้ว พลังแห่งกล้องโทรทรรศน์นี้ย่อมถูกแสดงออกมาอย่างเต็มที่  นักดาราศาสตร์คาดว่ามันจะศึกษาวัตถุได้ไกลกว่ากว่ากล้องอะเรซิโบ 3 เท่า, เร็วกว่า 10 เท่า และสังเกตท้องฟ้าได้กว้างกว่า 4 เท่า ผลลัพธ์คือกล้อง FAST จะสามารถค้นพบพัลซาร์ในกาแล็กซีของเราได้หลายพันดวงและค้นพบพัลซาร์ที่อยู่ไกลกว่ากาแล็กซีเมฆแม็กเจนแลนให้ได้เป็นครั้งแรก นอกจากนี้ยังต้องการทำแผนที่สสารระหว่างดาวฤกษ์ที่ประกอบไปด้วยอะตอมไฮโดรเจนและคาร์บอนมอนออกไซด์ด้วยความละเอียดสูง รวมทั้งตรวจจับคลื่นวิทยุจากไฮโดรเจนของกาแล็กซีที่อยู่ห่างไกลออกไปนับ 6พันล้านปีแสงได้

        อีกอย่างที่นักดาราศาสตร์คาดหวังจากกล้อง FAST คือ การค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะและสัญญาณวิทยุที่สิ่งมีชีวิตทรงภูมิปัญญาอาจปล่อยออกมาเพื่อสื่อสารกับสิ่งมีชีวิตอื่นๆอย่างเรา

 

โครงการอื่นๆของประเทศจีนในอนาคต

1. Hard X-ray Modulation Telescope (HXMT)  กล้องโทรทรรศน์รังสีเอ็กซ์ตัวแรกของจีนซึ่งตรวจจับรังสีเอ็กซ์ได้ตั้งแต่ 1-250 keV ครอบคลุมทั้งแบบพลังงานต่ำ,กลางจนถึงพลังงานสูง ได้รับการอนุมัติในปี ค.ศ. 2011 

กล้องโทรทรรศน์ตัวนี้มีหน้าที่ศึกษาแหล่งกำเนิดรังสีเอ็กซ์สองแหล่งที่โคจรรอบกันและกัน  รวมทั้งศึกษากลไกการปลดปล่อยสนามแม่เหล็กของแหล่งกำเนิดเหล่านี้ด้วย

 

2. Large Optical-infrared Telescope (LOT) ซึ่งเป็นกล้องโทรทรรศน์หน้ากล้องขนาด 12 เมตร ตั้งอยู่ในทิเบต รัฐบาลจีนอนุมัติให้ทำการก่อสร้างในปี ค.ศ. 2019 ซึ่งถ้าสร้างเสร็จมันจะเป็นกล้องโทรทรรศน์แบบใช้แสงที่ขนาดใหญ่ที่สุดในโลก

 

3. Thirty Meter Telescope (TMT) เป็นโครงการสร้างกล้องโทรทรรศน์แบบใช้แสงที่เกิดจากความร่วมมือของหลายประเทศ  หนึ่งในนั้นคือหอดูดาวแห่งชาติของประเทศจีนได้ออกเงินก่อสร้าง 10% ของทั้งโครงการ รวมทั้งสร้างกระจกหลัก และกระจกส่วน M3 , เลเซอร์สำหรับชี้ดาว รวมทั้งอุปกรณ์พื้นฐานทางวิทยาศาสตร์ในช่วงแรก

 

4. Qitai Radio Telescope   เป็นกล้องโทรทรรศน์แบบที่ปรับจานรับสัญญาณให้หมุนได้อย่างเต็มที่(Fully steerable)และสามารถปรับความโค้งของผิวหน้าได้ ตรวจจับคลื่นวิทยุได้ในช่วง 150 MHz -115 GHz  ยังไม่มีกำหนดการสร้างที่ชัดเจน แต่ถ้าสร้างเสร็จจะกลายเป็นกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่หมุนจานรับสัญญาณได้ที่ใหญ่ที่สุดในโลก 

 

 

อ้างอิง

นิตยสาร Sky and telescope ฉบับ กุมภาพันธ์ ค.ศ. 2017