รูปร่างกระจกที่มหัศจรรย์ของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ The Amazing Anatomy of James Webb Space Telescope Mirrors

Share

9 มิถุนายน 2557

กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ (Jame Webb Space Telescope) น่าจะเป็นที่รู้จักกันอย่างแพร่หลายสำหรับคนที่ติดตามข่าวสารด้านดาราศาสตร์ กล้องโทรทรรศน์อวกาศตัวนี้ถูกยกย่องให้เป็นทายาทของกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล (Hubble Space Telescope) ที่ปฏิบัติภารกิจอยู่ในอวกาศขณะนี้ 

นักวิทยาศาสตร์คาดหวังว่ากล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์จะสามารถปฏิบัติภารกิจสำรวจอวกาศได้ดีกว่ากล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล ทั้งนี้เนื่องจากความทันสมัยของเทคโนโลยีที่ถูกติดตั้งอยู่ภายใน บวกกับขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางกระจกที่มีขนาดใหญ่ถึง 6.5 เมตร (กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางกระจกเพียง 2.4 เมตร) ทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่ากล้องโทรทรรศน์อวกาศตัวนี้ีจะมีคุณสมบัติการสะท้อนแสงอย่างดีเยี่ยม หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งว่ามันจะช่วยรวมแสงของวัตถุท้องฟ้าในระยะไกล หรือแม้กระทั่งวัตถุท้องฟ้าที่มีแสงริบหรี่หรือกำลังการส่องสว่างน้อยๆ ได้ดีมากขึ้น 

 

ภาพที่ 1 แสดงการเทียบขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางกระจกปฐมภูมิของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ (ขวา) และกล้อง โทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล (ซ้าย) ซึ่งมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางกระจก 6.5 เมตร และ 2.4 เมตร ตามลำดับ

ภาพจาก: http://jwst.nasa.gov/mirrors.html

 

        กระจกปฐมภูมิของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์นั้นถูกออกแบบโดยบริษัท Ball Aerospace & Technologies Corp กระจกปฐมภูมิขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 6.5 เมตรนี้ประกอบขึ้นจากกระจกรูปหกเหลี่ยมที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.3 เมตร จำนวน 18 บาน (ดังภาพที่1) กระจกแต่ละบานนั้นได้ผ่านการทดสอบระดับความเรียบของผิวกระจกและ ผลจากการทดสอบพบว่ามีความขรุขระของผิวกระจกเฉลี่ยที่ 20 นาโนเมตร (ถือว่ามีความเรียบสูงมาก

 

 

ภาพที่ 2 แสดงกระจกเบริลเลียมที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.3 เมตร หลังจากผ่านการหลอมและขึ้นรูปให้มีลักษณะ      หกเหลื่ยม รวมถึงผ่านกระบวนการขัดกระจกจนกระจกนั้นมีความเรียบสูงมาก (ภาพซ้าย) และ ก้อนเบริลเลียมซึ่งเป็นธาตุที่ถูกนำมาใช้เป็นองค์ประกอบที่สำคัญในการผลิตกระจกของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ (ภาพขวา)

ภาพจาก: http://www.webb.nasa.gov/mirrors.html

 

         นอกจากความอลังการในเรื่องของความเรียบของกระจกและขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางกระจกที่ใหญ่มากๆ แล้ว กระจกแต่ละบานยังมีความทนทานเป็นพิเศษอีกด้วยเนื่องจากมันถูกหลอมและขึ้นรูปด้วยแบริลเลียมที่มีคุณสมบัติหลักคือแข็งแรงและมีน้ำหนักที่เบามากๆ ยิ่งไปกว่านั้นกระจกทั้ง 18 บานจะถูกเคลือบด้วยทองคำซึ่งเป็นโลหะหนักจะมีคุณสมบัติในการสะท้อนแสงในช่วงความยาวคลื่นอินฟาเรดได้ดี นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรใช้วิธีการเคลือบผิวกระจกในสุญญากาศ (Vacuum Coating) การเคลือบผิวกระจกในสุญญากาศนี้จะช่วยลดปัญหาหรือตัวแปรจากสิ่งแวดล้อมที่เข้ามาเกี่ยวข้องได้ร้อยเปอร์เซ็นต์ หลักการในการเคลือบคือการให้ความร้อนแก่ทองคำ (สารเคลือบ) จนอะตอมของทองคำหลุดออกฟุ้งกระจายและเข้าจับยึดติดกับผิววัสดุ ในที่นี้คือกระจกทั้ง 18 บาน ทองคำที่เคลือบกระจกนั้นจะมีความหนาเพียงแค่ 100 นาโนเมตร หรือประมาณ 1/10,000 มิลลิเมตร ถือว่าบางมากเมื่อเทียบกับเส้นผมของมนุษย์แล้วทองคำที่เคลือบกระจกบางกว่าเป็น 1,000 เท่าเลยทีเดียว ด้วยคุณสมบัติความบางของกระจกทำให้มวลรวมของกล้องโทรทรรศน์เจมส์เวบบ์ลดลงซึ่งนับว่าเป็นผลดีอย่างยิ่งสำหรับยานอวกาศที่จะออกไปปฏิบัติหน้าที่นอกโลก กระจกทั้ง 18 บานจะทำหน้าที่เหมือนกระจกบานเดียว และถูกออกแบบให้พับเก็บอยู่ในตัวจรวดและเมื่อเดินทางขึ้นสู่อวกาศแล้วกระจกทุกบานก็จะเคลื่อนที่ออกจากตัวจรวดประกอบกันเป็นกระจกบานใหญ่ โดยกระจกทุกบานจะถูกควบคุมตำแหน่งด้วยระบบคอมพิวเตอร์ 

 

ภาพที่ 3 แสดงให้เห็นผิวหน้ากระจกหนึ่งในสอบแปดบาน โดยกระจกบานนี้มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.3 เมตร ผิวหน้าของกระจกถูกเคลือบด้วยทองคำด้วยกระบวนการเคลือบแบบพิเศษที่เรียกว่า Vacuum Coating  ซึ่งเป็นการเคลือบผิวกระจกในสูญญากาศ หลังจากที่ผ่านการเคลือบทองคำแล้วนั้นมีกระจกความหนาเพียงแค่ 100 นาโนเมตร ซึ่งถือว่าบางมากๆ ด้วย

ภาพจาก: http://www.nasa.gov/mission_pages/webb/observatory/mirrors.html

 

        ทั้งนี้เพื่อให้มวลรวมของกระจกปฐมภูมิของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เววบ์นั้นมีค่าน้อยลง (เบาขึ้น) กระจกทั้ง 18 บานนั้นได้ถูกออกแบบให้มีลักษณะคล้ายโครงสร้างของรังผึ้ง (ดูภาพที่ 4ประกอบ) ซึ่งหลังจากการหลอมและขึ้นรูปเบริลเลียมเป็นรูปหกเหลี่ยมแล้ววิศวกรได้ทำการกลึงเนื้อกระจกด้านหลังบางส่วนออกไปทั้งนี้เพื่อลดน้ำหนักของกระจกลง แต่ยังคงเหลือเนื้อของกระจกส่วนหนึ่งเอาไว้เป็นรูปสามเหลี่ยมด้านเท่าต่อกันเป็นโครงข่ายทั่วทั้งบาน ทำให้กระจกยังคงโครงสร้างที่แข็งแรงเอาไว้แต่มีน้ำหนักน้อยลง ดังภาพ 

 

ภาพที่ 4  แสดงให้เห็นโครงสร้างด้านหลังกระจกขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.3 เมตร จากภาพจะเห็นว่ามีการกลึงเนื้อของเบริลเลียมบางส่วนออกไป ทั้งนี้เพื่อเป็นการลดน้ำหนักของกระจกแต่ละบานลง

ภาพจาก:http://www.nasa.gov/content/goddard/the-amazing-anatomy-of-james-webb-space-telescope-mirrors/

#.U5NeMyhMYUX

 

        เพื่อให้กระจกทั้ง 18 บานแข็งแรงมากขึ้น วิศวกรได้ทำการเสริมโครงร่างของกระจกด้วยการติดแผ่นเบริลเลียมที่มีลักษณะเป็นรูปสามเหลี่ยมจำนวน 3 ตัวที่มีชื่อเรียกว่า เวฟเฟิล (Whiffles) ที่ด้านหลังกระจก ซึ่งแผ่นเวฟเฟิลทั้งสามแผ่นเป็นเชื่อมระหว่างชิ้นกระจกและกรอบบีดีเอฟ (Beryllium Delta Frame : BDF) ที่มีลักษณะเป็นสามเหลี่ยมคล้ายกับสัญลักษณ์ เดลต้าในวิชาคณิตศาสตร์ ซึ่งแผ่นบีดีเอฟนี้จะมีมอเตอร์ขนาดเล็กติดอยู่ท้ังหมด 6 ตัวด้วยกันทั้งนี้เพื่อใช้เป็นเกียร์หรือฟันเฟืองเล็กๆ ที่จะทำหน้าที่ปรับระนาบกระจกให้ได้ระนาบอยู่ตลอดเวลา โดยมอเตอร์ดังกล่าวมีสเตปการหมุนหรือความละเอีียดในการหมุนสูงมากอยู่ในระดับนาโนเมตร ดังภาพ

 

 

ภาพที่ 5 แสดงให้เห็นโมเดลของชิ้นส่วนที่เข้ามาเสริมโครงร่างของกระจกขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.3 เมตรให้แข็งแรงขึ้น จากภาพประกอบด้วย เวบเฟิล (Whiffles) ที่ด้านหลังกระจก ซึ่งแผ่นเวบเฟิลทั้งสามแผ่น (ชิ้นส่วนสีมวง) และกรอบบีดีเอฟ (Beryllium Delta Frame : BDF) และที่บริเวณมุมแต่ละมุมของบีดีเอฟจะมีมอเตอร์ติดตั้งอยู่มุมละ 2 ตัว รวมทั้งสิ้น 6 ตัว (ช้ินส่วนสีแดง) และสุดท้ายเป็นเสาหรือก้านเบริลเลียม มีทั้งหมด 6 ก้านด้วยกันซึ่งจะเชื่อมต่อกับขอบกระจกทั้ง 6 เหลี่ยมดังภาพ พร้อมกับชุดมอเตอร์ 1 ตัว ที่อยู่ตรงกลาง  (ภาพขวา) ส่วน (ภาพซ้าย) แสดงให้เห็นโครงสร้างและชิ้นส่วนต่างๆ ของกระจกบานดังกล่าว

ภาพจาก: :http://www.nasa.gov/content/goddard/the-amazing-anatomy-of-james-webb-space-telescope-mirrors/

 

        และเพื่อให้ชิ้นส่วนโครงสร้างของกระจกมีความแข็งแรงวิศกรได้ใช้เสาหรือก้านเบริลเลียม มีทั้งหมด 6 ก้านด้วยกันซึ่งจะเชื่อมต่อกับขอบกระจกทั้ง 6 เหลี่ยมดังภาพ พร้อมกับชุดมอเตอร์ 1 ตัว ที่อยู่ตรงกลางดังภาพที่ 5 (ซ้าย) มอเตอร์ดังกล่าวก็จะมีหน้าที่คอยปรับระนาบกระจกเช่นเดียวกับมอเตอร์ตัวอื่นๆ จากภาพที่ 5 และข้อมูลข้างต้นแสดงให้เห็นว่ากระจกแต่ละบานของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์นั้นมีโครงร่างที่แข็งแรงมาก รวมถึงมีมอเตอร์ที่ใช้ขับเคลื่อนสำหรับปรับระนาบของกระจกทั้งหมด  7 ตัวด้วยกัน ซึ่งมอเตอร์ทุกตัวจะทำงานตามชุดคำสั่งที่ถูกติดตั้งอยู่ในกล่องอิเล็กทรอนิกส์ที่ติดอยู่ด้านหลังกระจกแต่ละบาน หากมอเตอร์ทุกตัวที่ติดอยู่ด้านหลังของกระจกทุกๆ บานทำงานตามปกติ นั่นหมายถึงกระจกปฐมภูมิของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ก็จะวางตัวอยู่ในระนาบตลอดเวลา ผลที่ตามมาก็คือว่า กระจกปฐมภูมิขนดเส้นผ่านศูนย์กลาง 6.5 เมตรก็จะมีความสามารถในการสะท้อนแสงได้ อย่างดีเยี่ยมเป็นไปตามเป้าหมายที่นักวิทยาศาสตร์ประจำโครงการวางไว้ ถึงเวลานั้นวงการดาราศาสตร์คงจะมีฐานข้อมูลเกี่ยวกับดาราศาสตร์เพิ่มขึ้นอีกหลายเท่าตัวเลยทีเดียว

        อย่างไรก็ตามนี่เป็นเพียงความทันสมัยของเทคโนโลยีทางด้านทัศนศาสตร์ ซึ่งเป็นเพียงส่วนหนึ่งเท่านั้นของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ ยังมีความทันสมัยของเทคโนโลยีอีกมากมายที่ถูกติดตั้งอยู่ภายในกล้องโทรทรรศน์อวกาศตัวนี้ อาทิ กล้องถ่ายภาพที่เก็บข้อมมูลในช่วงความยาวคลื่นอินฟาเรด ระบบการส่งข้อมูลกลับมายังฐานปฏิบัติการภาคพื้น เหล่านี้เป็นต้น ซึ่งทางสถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) จะนำข้อมูลเหล่านี้มานำเสนอเป็นระยะ ผู้อ่านสามารถติดตามข้อมมูลดังกล่าวได้ทางเว็บไซด์ของสถาบันฯ 

 

 

เรียบเรียงโดย

ธีรยุทธ์  ลอยลิบ

เจ้าหน้าที่สารสนเทศดาราศาสตร์

สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

แหล่งข้อมูลอ้างอิง