กล้องดูดาวในคลื่นวิทยุ

นักดาราศาสตร์ไม่เคยได้ดูดวงดาวจากแหล่งกำเนิดคลื่นแสงอย่างอื่น นอกเหนือไปจากแสงที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่า จนกระทั่งในปี คศ ๑๙๓๓ คาร์ล แจนสกี้(Carl Jansky) ได้ค้นพบคลื่นวิทยุจากดวงดาวด้วยความบังเอิญ ขณะทำงานให้ห้องทดลองบริษัทโทรศัพท์ เบลล์ แห่งสหรัฐอเมริกา เพื่อพยายามหาที่มาของคลื่นรบกวนสายโทรศัพท์ ข้ามมหาสมุทรแอตแลนติก เขาก็สร้างกล้องแบบหมุน เพื่อรับคลื่นจากสุดขอบฟ้า จึงได้ค้นพบว่าต้นเหตุของคลื่นรบกวนพวกนี้ มาจากการสต๊าร์ทเครื่องยนต์ และจากฟ้าผ่าในที่ไกลๆ และก็ยังค้นพบอีกว่า คลื่นรบกวนส่วนหนึ่งมาจากอวกาศด้วย

Antenae ของ Jansky ซึ่งดูแล้วไม่มีอะไรเหมือนเสาอากาศ หรือจานรับคลื่นสมัยนี้เลย เพราะเขาสร้างมันมารับคลื่นสั้น (shortwave) จึงใช้ดีไซน์ผิดกัน (แหล่งข้อมูล 1)

กล้องดูดาวจากคลื่นวิทยุ (Radio Telescope) นี้ มีหลักการพี้นฐานคล้ายๆกล้อง Optical telescope คือเป็นกล้องแบบสะท้อนแสง จึงมีตัวสะท้อนคลื่น และตัวรับสัญญาณคลื่น แต่กล้องดูดาวจากคลื่นวิทยุ ต้องมีขนาดกว้างใหญ่ เพราะคลื่นวิทยุเป็นคลื่นที่ยาว และมีพลังงานตำ่ ความยาวของคลื่นที่นับว่าเป็นคลื่นวิทยุนี้ อยู่ในช่วง หนึ่งเซ็นติเมตร ไปจนถึงหลายๆร้อยเมตร อย่างคลื่นวิทยุเอเอ็มนี่ ก็มีความยาวสามเมตรเข้าไปแล้ว ถ้าขนาดกล้อง (ที่ดูเหมือนจานรับคลื่น) เล็กเกินไป ภาพที่ได้ก็จะไม่ชัด แถมยังจะมีคลื่นรบกวนจากคลื่นวิทยุ โทรทัศน์ และการสื่อสารคมนาคมต่างๆบนโลก ทำให้ภาพออกมามัวซัวไป กล้องแบบนี้ถ้ามีขนาดใหญ่ขึ้นจึงจะมีคุณภาพดีขึ้นไปด้วย

การทำงานของกล้องดูดาวในคลื่นวิทยุตัวกล้องจะดูเหมือนจานรับคลื่นวิทยุหรือโทรทัศน์ ซึ่งก็ทำงานด้วยหลักการเดียวกัน เพราะรับคลื่นอย่างเดียวกันนั่นเอง (ภาพโดย Dr. Nick Strobel)

กล้องที่นับว่าทันสมัยที่สุดในขณะนี้ของแบบนี้เรียกว่า Very Large Array Telescope (VLA) คือเป็นเรื่องล้อเล่นกันอย่างจริงจัง ขนาดเอามาตั้งเป็นชื่อเลยว่าใหญ่จริงๆไม่โกหก แต่ในความเป็นจริงแล้วกล้องนี้เป็นการประกอบเอาจานรับ ๒๗ ตัว มาเรียงรายเป็นแถวแนวเดียวกัน แล้วใช้เครื่องคอมพิวเต้อร์มาประสานคลื่นที่แต่ละจานรับมาเข้าด้วยกัน จนคลื่นประสานกันเป็นหนึ่งเดียว ผลรวมของวิธีการนี้ก็ทำให้เหมือนกับว่ามีกล้องที่เส้นผ่าศูนย์กลางถึง ๓๖ กิโลเมตร จนสมราคาคุยว่าใหญ่จริงๆให้ดิ้นตาย

Very Large Array Telescope (VLA) ในรัฐนิวเม็กซิโก สหรัฐอเมริกา (แหล่งข้อมูล 1)

กล้องดูดาวพลังสูง

กล้องดูดาวด้วยคลื่นแสงที่มองด้วยตาเปล่าและกล้องดูดาวด้วยคลื่นวิทยุนั้น สามารถใช้บนพื้นโลกได้ แม้จะสูญคลื่นเหล่านี้ไปบ้างก็ตาม แต่คลื่นพลังงานที่มีระดับสูงกว่านี้ จะถูกกรองหายไปในชั้นบรรยากาศของโลก กล้องอินฟราเรดและกล้องอุลตร้าไวโอเล็ตนั้น จะให้ทำงานได้สมจุดมุ่งหมายก็ต้องเอาไปตั้งอยู่บนภูเขาสูงๆ หรือเอาขึ้นไปโคจรในอวกาศ คลื่นแสงที่มีพลังงานสูงๆ โดยมีความยาวคลื่นสั้นกว่า ๓๐๐ นาโนเมตร คลื่นจำพวกนี้มีตั้งแต่รังสีอุลตร้าไวโอเล็ตซีขึ้นไป จนถึงรังสีเอ็กส์และรังสีแกมม่าจะไม่เหลือตกลงมายังพื้นโลกเลย กล้องพวกนี้จึงต้องโคจรอย่างน้อยๆ เหนือชั้นบรรยากาศของโลกเป็นร้อยกิโลเมตรขึ้นไป จึงจะสามารถเก็บภาพมาศึกษาได้

กล้องอินฟราเรดที่ตั้งอยู่บนยอดเขา มอนาคี ในฮาวาย ซึ่งมีความสูงถึง ๑๔๐๐๐ ฟิต (แหล่งข้อมูล 1)

พลังงานระดับสูงๆในจักรวาลมีแหล่งกำเนิดมาจากการก่อตัว หรือการแตกดับอย่างรุนแรงของดวงดาว หากเราสามารถบันทึกข้อมูลจากแหล่งพลังงานสูงๆเหล่านี้ ก็จะทำให้เข้าใจถึงการก่อตัวของจักรวาลอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน เนื่องจากตามนุษย์มองสิ่งเหล่านี้ไม่เห็นจึงไม่เคยทราบมาเลยว่า กำลังเกิดอะไรขึ้นอยู่เบื้องหลังม่านควันของดวงดาวเช่นนั้น

กล้องเอ๊กซเรย์นั้นจะรับแสงตรงๆอย่างกล้องดูดาวทั่วๆไปไม่ได้ เพราะโฟตอนแรงสูงเหล่านี้เมื่อมาชนกระจก ก็จะทะลุหรือฝังกระจกไปเลย ไม่มาเข้าจุดโฟกัส ทำให้กล้องธรรมดาเก็บคลื่นนี้ไม่ได้ แต่หากต้องทำตัวกระจกเป็นด้านในของทรงกระบอก ให้มีมุมเอียงลงน้อยๆคล้ายๆกรวย แล้วฉาบด้วยโลหะหนักๆ เช่นทองหรือแบริลเลียม เมื่อโฟตอนรังสีเอ็กส์มาชนผนังภายในนี้ ก็จะแฉลบเฉียดเลียดเข้ามายังจุดโฟกัสทำให้จับภาพนั้นๆได้

ลำแสงเอ็กสเรย์ที่กระทบกระท้อนผนังกระจกภายในของกล้องเอ็กสเรย์ (แหล่งข้อมูล 1)

ในสมัยแรกๆยุคทศวรรษที่ ๑๙๖๐ นาซ่าเอากล้องพวกนี้ใส่ในจรวดที่ยิงขึ้นไปตรวจอวกาศ (Sounding Rocket) อีกทศวรรษต่อมาก็ได้สร้างกล้องส่งไปโคจรในยานอวกาศลำแรกชื่อ อูฮูร่า (Uhura ก็ชื่อเดียวกับกัปตันสาวผิวดำในหนังทีวีชุด "Star Trek" นั่นแหละค่ะ) อันเป็นภาษา สวาฮิรี แปลว่า เสรีภาพ เพราะส่งขึ้นไปในวันเดียวกับวันฉลองเอกราชปีที่เจ็ดของประเทศเคนยา

ส่วนรังสีแกมม่านั้นมีพลังงานสูงยิ่งไปกว่ารังสีเอ็กส์เสียอีก จึงไม่มีวิธีการใดๆที่จะหลอกล่อจับมันโดยตรงได้ เพราะมันจะทะลุผ่านอะไรไปหมดทุกอย่าง ไม่ว่าจะใช้ลูกล่อลูกชนอย่างไร จึงต้องใช้วิธีตรวจจับกันทางอ้อม โดยใช้ผลึกมารับรังสีแกมม่า เมื่อผลึกถูกชนด้วยรังสีแกมม่า มันจะดีดอีเลคตรอนออกจากผลึก อีเลคตรอนที่ถูกดีดออกมานี้ก็จะส่งสัญญาณให้เครื่องรับรู้ว่า เครื่องรับถูกกระทบด้วยรังสีแกมม่าแล้ว

นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน อาร์เธ่อร์ ฮอลลี่ ค้อมพ์ตั้น เป็นผู้ค้นพบว่า เมื่อโฟตอนที่มีพลังงานสูงๆมาชนวัตถุ มันจะเสียพลังงานส่วนหนึ่ง ไปดีดอีเลคตรอนที่อยู่รอบนอกๆของอะตอมในวัตถุนั้นออกมา แล้วโฟตอนก็สะท้อนแฉลบออก ด้วยพลังงานที่น้อยลงเป็นแสงแปลบๆ เราก็สามารถบันทึกแสงนี้ได้ ดร ค้อมพ์ตั้น ได้รับรางวัลโนเบิลสาขาฟิสิกส์ในปี ๑๙๒๗ ด้วยผลงานชิ้นนี้ ซึ่งได้รับการขนานนามเป็นเกียรติแก่ท่านว่า Compton Effect อันเป็นส่วนสำคัญในการวางรากฐานทางทฤษฎีควอนตัม และจากหลักการนี้ นักวิทยาศาสตร์ก็เอามาสร้างเครื่องบันทึกรังสีแกมม่า และได้สร้างกล้องดูดาวรังสีแกมม่า ส่งขึ้นไปโคจรรอบโลกกับยานอวกาศ Explorer XI ในปี คศ ๑๙๖๑ ก่อนที่ท่านค้อมพ์ตันจะเสียชีวิตเพียงปีเดียว และในปี ๑๙๙๑ เราได้ส่งกล้อง Compton Gamma Ray Observatory ขึ้นไปบันทึกภาพดวงดาวในรังสีแกมม่า ในชื่อที่ตั้งขึ้นเพื่อเป็นเกียรติแก่ท่าน

เครื่องจับสัญญาณการรับรังสีแกมม่าด้วยผลึก (แหล่งข้อมูล 1)