กล้องโทรทรรศน์ Roman ของ NASA เตรียมใช้กระจกเปลี่ยนรูปทรงเพื่อค้นหา Earth 2.0
กล้องโทรทรรศน์อวกาศ Nancy Grace Roman ของ NASA ที่กำลังจะมาถึง เตรียมปฏิวัติการค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะผ่าน "การทำให้แสงดาวหายไป" อย่างชาญฉลาด ด้วยการใช้เทคโนโลยีการควบคุมหน้าคลื่นแบบแอคทีฟ (active wavefront control) ขั้นสูง ภารกิจนี้มีเป้าหมายเพื่อถ่ายภาพโดยตรงของดาวเคราะห์ที่ก่อนหน้านี้มักจะถูกกลืนหายไปในแสงจ้าอันมหาศาลของดาวฤกษ์แม่
ความแม่นยำของการควบคุมหน้าคลื่นแบบแอคทีฟ
ในขณะที่หอสังเกตการณ์ที่มีอยู่ในปัจจุบันอย่างกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Hubble และ James Webb (JWST) ใช้เครื่องโคโรนาโกรฟ (coronagraph) แบบคงที่เพื่อบดบังแสงดาว แต่มักจะประสบปัญหาเรื่องแสงฟุ้งกระจายที่เกิดจากความไม่สมบูรณ์ระดับไมโครสโคปของกระจก กล้องโทรทรรศน์อวกาศ Roman จึงนำเสนอการเปลี่ยนแปลงกระบวนทัศน์ใหม่ นั่นคือการใช้ "active" coronagraph ตัวแรกที่ส่งขึ้นสู่อวกาศ
หัวใจสำคัญของเทคโนโลยีนี้คือกระจกที่สามารถเปลี่ยนรูปทรงได้ (deformable mirrors) สองบาน โดยแต่ละบานประกอบด้วยชุดตัวขับเคลื่อน (actuators) เรียงกันแบบตารางหมากรุกขนาด 48x48 ตัว ลูกสูบขนาดจิ๋วเหล่านี้ทำหน้าที่เหมือนนิ้วมือระดับไมโครสโคป โดยการใช้แรงดันไฟฟ้าเพื่อดึงแผ่นกระจกบางๆ ความแม่นยำนั้นน่าทึ่งมาก กระจกสามารถเปลี่ยนรูปได้ละเอียดถึงเพียง 10 พิโกเมตร ซึ่งมีขนาดประมาณหนึ่งในสิบของเส้นผ่านศูนย์กลางอะตอมไฮโดรเจน สิ่งนี้ช่วยให้กล้องโทรทรรศน์สามารถทำ "active wavefront control" ซึ่งทำหน้าที่เสมือนหูฟังตัดเสียงรบกวน (noise-canceling headphones) สำหรับแสง ด้วยการปรับแต่งพื้นผิวกระจกเพื่อหักล้างคลื่นแสงที่ไม่ต้องการ ระบบจะสร้างบริเวณมืดรูปทรง "โดนัท" รอบดาวฤกษ์ ทำให้เกิดช่องว่างที่ชัดเจนในการสังเกตดาวเคราะห์ที่อยู่ใกล้เคียง
ก้าวข้ามยุคสมัยของ "Hot Jupiter"
จนถึงปัจจุบัน ดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะส่วนใหญ่ที่ถูกถ่ายภาพได้คือ "Hot Jupiters" ซึ่งเป็นดาวแก๊สยักษ์ขนาดมหึมาที่ส่องสว่างและโคจรอยู่ใกล้กับดาวฤกษ์ของมันมาก ขนาดและความร้อนของพวกมันทำให้ตรวจพบได้ง่ายในย่านแสงอินฟราเรด แต่ดาวเหล่านี้ไม่ใช่ตัวแทนของระบบสุริยะของเรา
กล้องโทรทรรศน์อวกาศ Roman ถูกออกแบบมาเพื่อปิดช่องว่างนี้ ด้วยการเพิ่มความไวในการตรวจจับดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะท่ามกลางแสงจ้าของดาวฤกษ์ได้มากขึ้นถึง 1,000 เท่า มันจะสามารถถ่ายภาพ "Jupiter analogues" (ดาวพฤหัสบดีจำลอง) ได้โดยตรง ดาวเหล่านี้คือดาวแก๊สยักษ์ที่มีอายุมากและมีอุณหภูมิต่ำกว่า ซึ่งโคจรรอบดาวฤกษ์ที่มีลักษณะคล้ายดวงอาทิตย์ในระยะห่างที่ใกล้เคียงกับดาวพฤหัสบดีของเรา โดยพวกมันจะสะท้อนแสงแทนที่จะแผ่ความร้อนรุนแรงออกมา ความสามารถนี้ถือเป็นก้าวสำคัญสู่เป้าหมายสูงสุดในการตรวจหาโลกที่มีลักษณะคล้ายโลก (Earth-like worlds)
การก้าวกระโดดครั้งยิ่งใหญ่ในด้านขอบเขตการสังเกตการณ์
กล้องโทรทรรศน์อวกาศ Roman ไม่ได้มีดีแค่ความแม่นยำ แต่ยังโดดเด่นในเรื่องของขนาดด้วย ด้วยกล้องถ่ายภาพมุมกว้างความละเอียด 300 เมกะพิกเซล กล้องโทรทรรศน์นี้จะสามารถถ่ายภาพที่มีพื้นที่กว้างกว่าภาพที่กว้างที่สุดของ Hubble ประมาณ 100 เท่า ในความละเอียดที่ใกล้เคียงกัน
ขอบเขตการมองเห็นที่กว้างขวางนี้ เมื่อรวมกับการถ่ายภาพความละเอียดสูง จะช่วยให้นักดาราศาสตร์เปลี่ยนจากการ "สัมภาษณ์คนเพียงไม่กี่คน" ไปสู่การ "ทำสำมะโนประชากรโลก" นอกเหนือจากดาวเคราะห์นอกระบบแล้ว ภารกิจนี้ยังมีหน้าที่ตรวจหาดาวเคราะห์ใหม่ประมาณ 100,000 ดวงผ่านปรากฏการณ์ไมโครเลนส์จากแรงโน้มถ่วง (gravitational microlensing) และสำรวจคุณสมบัติอันลึกลับของสสารมืด (dark matter) และพลังงานมืด (dark energy) และเพื่อให้แน่ใจว่าแสงจะไม่สะท้อนไปมาภายในกลไกภายใน NASA ถึงกับใช้ "silicon grass" ซึ่งเป็นกลุ่มหนามขนาดไมโครสโคปที่ออกแบบมาเพื่อดักจับและดูดซับโฟตอนที่ฟุ้งกระจาย
สรุปประเด็นสำคัญ
- การควบคุมหน้าคลื่นแบบแอคทีฟ (Active Wavefront Control): Roman ใช้กระจกที่เปลี่ยนรูปทรงได้สองบานพร้อมตัวขับเคลื่อนหลายพันตัวเพื่อปรับแต่งแสง ช่วยเพิ่มความไวในการตรวจจับดาวเคราะห์นอกระบบได้ถึง 1,000 เท่าเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีปัจจุบัน
- การค้นหา Jupiter Analogues: ต่างจากภารกิจก่อนๆ ที่มุ่งเน้นไปที่ "Hot Jupiters" ขนาดมหึมา ความสามารถของ Roman ในการลดแสงดาวจะช่วยให้สามารถถ่ายภาพโดยตรงของดาวแก๊สยักษ์ที่มีอายุมากและเย็นกว่า ซึ่งคล้ายกับดาวพฤหัสบดีของเรา
- ขอบเขตที่เหนือชั้น: ด้วยกล้องถ่ายภาพมุมกว้างความละเอียด 300 เมกะพิกเซล ภารกิจนี้จะทำการ "สำมะโน" จักรวาล โดยมีเป้าหมายที่จะตรวจพบดาวเคราะห์นอกระบบใหม่ 100,000 ดวง และไขปริศนาเกี่ยวกับพลังงานมืดและสสารมืด