ความลับที่ช่วยให้กล้องโทรทรรศน์เจมส์ เวบบ์สำรวจจักรวาลในยุคแรกเริ่ม

“ไทม์แมชชีน” สำรวจ จักรวาลในยุคแรกเริ่ม

นับตั้งแต่การปล่อยตัวสู่อวกาศในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2564 กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ได้โคจรรอบโลกเป็นระยะทางมากกว่าหนึ่งล้านไมล์ และส่งภาพอวกาศอันน่าทึ่งกลับมา

แล้วอะไรที่ทำให้เวบบ์สามารถ "มองเห็น" ได้ไกลขนาดนี้ แม้กระทั่งย้อนเวลากลับไปเพื่อสำรวจจักรวาลในยุคแรกเริ่ม?

ความลับอยู่ที่ระบบกล้องอันทรงพลังของเว็บบ์ โดยเฉพาะความสามารถในการจับแสงอินฟราเรด ซึ่งเป็นแสงประเภทหนึ่งที่ดวงตาของมนุษย์ไม่สามารถมองเห็นได้

เมื่อเวบบ์ถ่ายภาพกาแล็กซีอันห่างไกล นักดาราศาสตร์มองเห็นกาแล็กซีดังกล่าวเมื่อหลายพันล้านปีก่อน

แสงจากกาแล็กซีเดินทางผ่านอวกาศมาหลายพันล้านปีเพื่อมาถึงกระจกของกล้องโทรทรรศน์ ราวกับเว็บบ์เป็น "เครื่องย้อนเวลา" ที่บันทึกภาพจักรวาลในช่วงแรกเริ่ม

เวบบ์กำลังเปิดเผยความลับใหม่ๆ เกี่ยวกับจักรวาลโดยใช้กระจกขนาดยักษ์เพื่อรวบรวมแสงโบราณนี้

เวบบ์: กล้องโทรทรรศน์ที่ "มองเห็น" ความร้อน

ต่างจากกล้องโทรทรรศน์ฮับเบิลหรือกล้องถ่ายภาพทั่วไปที่จับได้เฉพาะแสงที่มองเห็นเท่านั้น กล้องเวบบ์ได้รับการออกแบบมาเพื่อจับแสงอินฟราเรด

แสงอินฟราเรดมีความยาวคลื่นยาวกว่าแสงที่มองเห็น จึงไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า อย่างไรก็ตาม เวบบ์สามารถจับแสงประเภทนี้เพื่อศึกษาวัตถุโบราณยุคแรกสุดและวัตถุที่อยู่ไกลที่สุดในจักรวาลได้

แม้ว่าแสงอินฟราเรดจะไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า แต่ด้วยอุปกรณ์เฉพาะทาง เช่น กล้องอินฟราเรดหรือเซนเซอร์ตรวจจับความร้อน สามารถตรวจจับแสงดังกล่าวเป็นความร้อนได้

แว่นตามองกลางคืน ซึ่งใช้แสงอินฟราเรดเพื่อตรวจจับวัตถุที่อุ่นในความมืด เป็นตัวอย่างที่ดี เวบบ์ยังนำเทคโนโลยีที่คล้ายคลึงกันมาประยุกต์ใช้ในการศึกษาดวงดาว กาแล็กซี และดาวเคราะห์อีกด้วย

เหตุผลที่เวบบ์ใช้แสงอินฟราเรดก็เพราะว่าเมื่อแสงที่มองเห็นได้จากกาแล็กซีที่อยู่ห่างไกลเดินทางผ่านอวกาศ แสงจะถูกยืดออกเนื่องจากการขยายตัวของจักรวาล

การขยายตัวนี้แปลงแสงที่มองเห็นให้เป็นแสงอินฟราเรด ส่งผลให้กาแล็กซีที่อยู่ห่างไกลที่สุดในอวกาศไม่เรืองแสงในแสงที่มองเห็นอีกต่อไป แต่เรืองแสงในแสงอินฟราเรดจางๆ เวบบ์ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อตรวจจับแสงประเภทนี้

กระจกทองคำยักษ์: รวบรวมแสงสลัวที่สุด

ก่อนที่แสงจะไปถึงกล้อง จะต้องถูกจับภาพโดยกระจกทองคำขนาดยักษ์ของเว็บบ์ ซึ่งกว้างกว่า 21 ฟุต (6.5 เมตร) และประกอบด้วยกระจกขนาดเล็ก 18 บานที่จัดเรียงเหมือนรังผึ้ง

พื้นผิวกระจกถูกเคลือบด้วยทองคำบางๆ ไม่เพียงเพื่อเพิ่มความสวยงามเท่านั้น แต่ยังเป็นเพราะทองคำสามารถสะท้อนแสงอินฟราเรดได้ดีเยี่ยมอีกด้วย

กระจกนี้รวบรวมแสงจากอวกาศอันไกลโพ้นและสะท้อนไปยังอุปกรณ์ของกล้องโทรทรรศน์ ยิ่งกระจกมีขนาดใหญ่เท่าใดก็ยิ่งรวบรวมแสงได้มากขึ้นและมองเห็นได้ไกลขึ้นเท่านั้น กระจกเวบบ์เป็นกระจกที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่มนุษย์เคยส่งขึ้นสู่อวกาศ

NIRCam และ MIRI: "ดวงตา" ไวต่อแสงเป็นพิเศษของเวบบ์

เครื่องมือ ทางวิทยาศาสตร์ ที่สำคัญที่สุดสองชิ้นของเว็บบ์ซึ่งทำหน้าที่เป็นกล้องคือ NIRCam และ MIRI

NIRCam (กล้องอินฟราเรดใกล้) คือกล้องหลักของ Webb ซึ่งถ่ายภาพกาแล็กซีและดวงดาวได้อย่างน่าทึ่ง นอกจากนี้ยังมีโคโรนาแกรฟ ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ปิดกั้นแสงดาว ทำให้สามารถถ่ายภาพวัตถุที่จางมากใกล้แหล่งกำเนิดแสงสว่าง เช่น ดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์สว่าง

NIRCam ทำงานโดยจับแสงอินฟราเรดใกล้ (ซึ่งเป็นแสงที่ใกล้เคียงกับที่ตามนุษย์มองเห็นมากที่สุด) แล้วแยกแสงออกเป็นความยาวคลื่นต่างๆ วิธีนี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ไม่เพียงแต่สามารถระบุรูปร่างของวัตถุได้เท่านั้น แต่ยังเรียนรู้ว่าวัตถุนั้นทำมาจากอะไรอีกด้วย

สสารต่าง ๆ ในอวกาศจะดูดซับและปล่อยแสงอินฟราเรดที่ความยาวคลื่นเฉพาะ ทำให้เกิด “ลายนิ้วมือเคมี” ที่เป็นเอกลักษณ์ การศึกษาลายนิ้วมือเหล่านี้จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เรียนรู้เกี่ยวกับคุณสมบัติของดวงดาวและกาแล็กซีที่อยู่ห่างไกลได้

MIRI (เครื่องมืออินฟราเรดกลาง) ตรวจจับคลื่นอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่นยาว ซึ่งมีประโยชน์อย่างยิ่งในการตรวจจับวัตถุที่เย็นกว่าและมีฝุ่นมากกว่า เช่น ดาวฤกษ์ที่ยังคงก่อตัวอยู่ภายในกลุ่มก๊าซ MIRI ยังสามารถช่วยค้นหาเบาะแสเกี่ยวกับประเภทของโมเลกุลในชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ที่อาจเอื้อต่อการดำรงชีวิตได้อีกด้วย

กล้องทั้งสองตัวมีความไวแสงสูงกว่ากล้องทั่วไปที่ใช้บนโลกมาก กล้อง NIRCam และ MIRI สามารถตรวจจับความร้อนที่เล็กที่สุดจากระยะทางหลายพันล้านปีแสงได้ ถ้าคุณมีกล้อง NIRCam ของ Webb เป็นดวงตา คุณจะสามารถมองเห็นความร้อนจากผึ้งบนดวงจันทร์ได้

เพื่อตรวจจับความร้อนจางๆ จากวัตถุที่อยู่ไกลออกไป เวบบ์จำเป็นต้องรักษาอุณหภูมิให้เย็นจัด นั่นเป็นเหตุผลที่เขาพกแผ่นบังแดดขนาดยักษ์เท่าสนามเทนนิส แผ่นบังแดดห้าชั้นนี้ช่วยป้องกันความร้อนจากดวงอาทิตย์ โลก และแม้แต่ดวงจันทร์ ช่วยให้เวบบ์รักษาอุณหภูมิไว้ที่ประมาณ -223 องศาเซลเซียส

MIRI จำเป็นต้องเย็นกว่านี้อีก ดังนั้นจึงมีตู้เย็นพิเศษของตัวเองที่เรียกว่า cryocooler เพื่อรักษาอุณหภูมิให้ใกล้เคียงกับ -266 องศาเซลเซียส หาก Webb อุ่นกว่านี้อีกนิด ความร้อนของตัวมันเองจะกลบสัญญาณจางๆ ที่มันพยายามตรวจจับได้

เปลี่ยนแสงโดยรอบให้เป็นภาพที่สดใส

เมื่อแสงมาถึงกล้องของ Webb แสงจะไปกระทบกับเซ็นเซอร์ที่เรียกว่าตัวตรวจจับ ตัวตรวจจับเหล่านี้ไม่ได้ถ่ายภาพแบบปกติเหมือนกล้องโทรศัพท์

แทนที่จะทำเช่นนั้น พวกเขาแปลงแสงอินฟราเรดให้เป็นข้อมูลดิจิทัล จากนั้นจึงส่งกลับมายังโลก ซึ่งนักวิทยาศาสตร์จะประมวลผลและแปลงเป็นภาพสีเต็มรูปแบบ

สีที่เราเห็นในภาพของ Webb ไม่ใช่สิ่งที่กล้อง "มองเห็น" โดยตรง เนื่องจากแสงอินฟราเรดมองไม่เห็น นักวิทยาศาสตร์จึงกำหนดสีให้กับความยาวคลื่นต่างๆ เพื่อช่วยให้เราเข้าใจสิ่งที่อยู่ในภาพ

ภาพที่ผ่านการประมวลผลเหล่านี้ช่วยเผยให้เห็นโครงสร้าง อายุ และองค์ประกอบของกาแล็กซี ดวงดาว และอื่นๆ อีกมากมาย

ด้วยการใช้กระจกขนาดยักษ์เพื่อรวบรวมแสงอินฟราเรดที่มองไม่เห็นและส่งไปยังกล้องถ่ายภาพอุณหภูมิเย็นจัด กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ทำให้เราสามารถมองเห็นกาแล็กซีที่ก่อตัวขึ้นตั้งแต่จุดเริ่มต้นของจักรวาล ซึ่งหมายความว่าเรากำลังเห็นสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อประมาณ 14,000 ล้านปีก่อน

ที่มา: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/bi-mat-giup-kinh-vien-vong-james-webb-co-the-kham-pha-vu-tru-so-khai-20250710034510062.htm