ใบความรู้ กล้องโทรทรรศน์วิทยุ

ใบความรู้ เร่อื ง กล้องโทรทรรศนว์ ิทยุ เบื้องต้น กล้องโทรทรรศนว์ ทิ ยุ (Radio Telescope) วัตถุท้องฟ้าปลดปล่อยพลังงานในรูปของการแผ่คล่ืนแม่เหล็กไฟฟ้าในหลายๆ ช่วงคล่ืน ได้แก่ คล่ืนวิทยุ คลื่นไมโครเวฟ รังสีอินฟราเรด คลื่นแสง รังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอ็กซ์ รังสีแกมมา ช่วงคลื่นแสง ที่ตาของมนุษย์มองเห็นเป็นเพียงเสี้ยวหนึ่งของคล่ืนแม่เหล็กไฟฟ้า เพ่ือให้มีความเข้าใจในธรรมชาติของวัตถุ ท้องฟ้าอย่างละเอียด จึงจาเป็นต้องสังเกตการณ์ในช่วงคล่ืนอ่ืนและนามาประกอบกันให้ได้มากที่สุด “ดาราศาสตร์วทิ ย”ุ เปน็ แขนงวชิ าหนึ่งของดาราศาสตร์ฟสิ กิ สท์ ี่ใช้ศกึ ษาวตั ถุท้องฟ้าในชว่ งความถ่ีของคล่ืนวิทยุ การศึกษาวตั ถทุ างดาราศาสตร์โดยใช้กล้องโทรทรรศน์ท่ีอยู่บนพ้ืนผิวโลก ศึกษาได้เฉพาะวัตถุท่ีปลดปล่อยแสง ในช่วงคล่ืนที่สามารถทะลุผ่านชั้นบรรยากาศของโลกได้เท่าน้ัน จากภาพที่ 1 จะเห็นว่า มีเพียงช่วงคลื่นแสงที่ ตามองเห็น คลื่นวทิ ยุ และรงั สีอินฟราเรดบางส่วนท่ีสามารถทะลุผ่านช้ันบรรยากาศของโลก โดยที่คล่ืนวิทยุนั้น สามารถทะลุผ่านช้ันบรรยากาศได้มากกว่าคลื่นชนิดอ่ืน อีกท้ังยังมีช่วงความยาวคลื่นให้ศึกษาได้หลากหลาย คลื่นวิทยุจึงเปรียบเสมือนหน้าต่างบานใหญ่ท่ีสาคัญท่ีจะทาให้มนุษย์เข้าใจในธรรมชาติของวัตถุต่างๆ ในเอก ภพไดม้ ากยิ่งขนึ้ ภาพที่ 1 แสดงคณุ สมบัติในการทะลผุ า่ นช้ัน บรรยากาศของคลื่นแมเ่ หล็กไฟฟ้าแต่ละชนิด

บคุ คลท่ีสาคัญในงานทางดาราศาสตร์วทิ ยุสมัยบกุ เบิกรนุ่ แรก คอื คารล์ แจนสกี (Karl Jansky) วิศวกรชาวอเมริกัน ทางานเป็นวศิ วกรด้านคลื่นวิทยุ ให้กับเบลแลบ็ ส์ (Bell Labs) เป็นศนู ยว์ ิจยั ชั้นนาของโลก ทสี่ รา้ งเทคโนโลยสี าคญั ใหก้ ับโลกมากมาย เขาไดร้ บั มอบหมายให้ศึกษาคล่ืนวิทยุที่เกดิ จากฝนฟ้าคะนองเพื่อนา ความรู้มาออกแบบเสารบั สญั ญาณที่สามารถลดสญั ญาณรบกวนจากสภาพอากาศ แจนสกีใช้เวลาอยู่หลาย เดือนในการบนั ทึกสญั ญาณวิทยุทมี่ าจากรอบทิศทางเขาพบสัญญาณ 3 ชนดิ ท่ีแตกต่างกัน คอื สัญญาณจาก ฟา้ ผ่าที่อยใู่ กล้สัญญาณจากฟ้าผา่ ที่อยู่ที่ไกล และสญั ญาณจางๆ คงที่ทไี่ มส่ ามารถระบแุ หลง่ กาเนดิ ได้แจนสกีใช้ เวลาศกึ ษาสญั ญาณปรศิ นาน้ีเปน็ เวลาร่วมปี เขาสังเกตเห็น การเปล่ียนแปลงของสัญญาณน้ีเปน็ คาบซง่ึ เทา่ กับ คาบการหมนุ รอบตัวเองของโลก จนในที่สดุ เขากค็ ้นพบวา่ สัญญาณปรศิ นาน้ีมาจากใจกลางกาแลก็ ซีทาง ช้างเผือกเพ่ือเป็นเกียรตปิ ระวัตติ ่อการค้นพบคลื่นวทิ ยุจากอวกาศของคารล์ แจนสกี เราจึงใชห้ นว่ ยมาตรวดั ปริมาณความเขม้ พลงั งานจากแหลง่ กาเนิดคล่ืนวทิ ยุ เรียกว่า แจนสกี (Jansky หรอื Jy ซ่งึ 1 Jy = 10-26 วัตต์ ตอ่ ตารางเมตรต่อเฮิรตซ์) ภาพท่ี 2 คาร์ล แจนสกี (ซา้ ย) และอุปกรณ์รับสญั ญาณวทิ ยุทเี่ ขาประดษิ ฐ์ขึน้ (ขวา) ในยคุ บุกเบิกดาราศาสตร์วทิ ยุยงั มีบคุ คลทสี่ าคญั อีกคนหนึ่ง คอื โกรท รเี บอร์ (Grote Reber) เขาต้องการทจี่ ะศึกษาต่อจากการค้นพบของ คาร์ล แจนสกี จึงไดป้ ระดิษฐก์ ล้องโทรทรรศนว์ ทิ ยุสาหรบั ใชง้ าน ด้านดาราศาสตรเ์ ปน็ ตัวแรกของโลก เรียกว่า กล้องโทรทรรศนว์ ทิ ยุรีเบอร์ (Reber Radio Telescope) รปู ทรงเปน็ จานพาราโบลาที่มีคุณสมบตั ริ วมคลื่นทต่ี กกระทบบนจานไปยงั จุดๆ เดียว รีเบอรใ์ ช้เวลาช่วง กลางคืนไปกับการสารวจท้องฟ้าด้วยกล้องโทรทรรศน์วิทยุของเขา และในท่ีสุดเขาก็สามารถศกึ ษาทาง ชา้ งเผือกในชว่ งคล่ืนวทิ ยโุ ดยใช้อปุ กรณร์ ับสัญญาณท่ีความถ่ี 160 เมกะเฮริ ตซ์ ได้สาเร็จ (ความยาวคล่ืน 1.9 เมตร) รีเบอร์จึงเป็นคนแรกท่ีศกึ ษาวัตถุทอ้ งฟา้ ในช่วงคล่ืนวทิ ยแุ ละได้ตีพมิ พ์ท้ัง ในวารสาร ทางดา้ นดาราศาสตร์และวศิ วกรรมศาสตร์คลื่นวทิ ยุมชี ว่ งความถ่ีกว้างมาก ครอบคลุมตั้งแต่ระดบั ต่ากวา่ 1 พนั

เฮริ ตซ์ ไปจนถงึ ระดบั 1 ล้านเฮริ ตซ์ (ความยาวคล่ืนระดบั มิลลเิ มตรไปจนถึงระดับกโิ ลเมตร) จึงมกี ารแบง่ ช่วง ความถข่ี องคล่ืนวิทยอุ อกตามลักษณะการใชง้ าน เรยี กช่วงความถี่ว่า “แบนด์” ตัวอย่างเชน่ L แบนด์ เปน็ ช่วงความถ่ี 1 - 2 จกิ ะเฮริ ตซ์ ใชส้ าหรับการสื่อสารทางไกล รวมไปถงึ ใช้ในการศึกษาคล่ืนวทิ ยุจากอะตอมของ ไฮโดรเจนในเอกภพและชว่ งความถ่ีทพ่ี บในชีวติ ประจาวันท่ีใชส้ าหรบั สง่ สัญญาณติดต่อสื่อสารทางไกลและ สัญญาณโทรทศั น์ เชน่ HF, VHF และ UHF ภาพท่ี 3 โกรท รเี บอร์ คลน่ื วิทยเุ กดิ จากอะไร คล่ืนวทิ ยุในทางธรรมชาติเกดิ จากกระบวนการหลกั ๆ 2 อย่าง ดังนี้ 1. การแผ่รังสเี น่อื งจากอุณหภมู ิ (Thermal Radiation) วตั ถุทุกชนิดที่มีอุณหภูมิ จะมีการแผร่ งั สีคลื่น แมเ่ หล็กไฟฟา้ ออกมา สามารถแบง่ เป็น 3 ประเภท ได้แก่ 1.1 การปลดปลอ่ ยคล่ืนวิทยุจากทฤษฎีการแผร่ ังสีของวัตถุดา (Blackbody Radiation) ระบุวา่ สสารตา่ งๆ ในเอกภพล้วนมีการปลดปล่อยคล่ืนแม่เหลก็ ไฟฟ้าเน่ืองจากอุณหภูมขิ องตัวมนั ภาพที่ 4 กราฟการแผพ่ ลังงานของวัตถุดาท่ีความยาวคล่ืนตา่ งๆ

จากภาพที่ 4 บ่งบอกว่าดาวฤกษ์ท่ีมีอุณหภูมิสูง จะแผ่รังสีท่ีความเข้มสูงสุดในช่วงคลื่นสั่น ในขณะท่ีดาว อณุ หภมู ิตา่ จะแผ่รังสที ี่ความเข้มสูงสุดในช่วงคล่ืนทยี่ าวกว่า เชน่ ดาวฤกษท์ มี่ ีสฟี า้ จะมีอุณหภูมิสูงกว่าดาวฤกษ์ สแี ดง เน่ืองจากสีฟ้ามคี วามยาวคล่ืนทส่ี ั้นกว่า สแี ดง การแผร่ ังสีลกั ษณะน้ีสามารถพบได้ท่ัวไปในเอกภพ 1.2 การปลดปล่อยคลื่นวิทยุจากอะตอมหรือโมเลกุลอิสระ (Free-Free Radiation) เมื่ออิเล็กตรอน หลดุ ออกจากอะตอมของแก๊ส แก๊สจะแตกตัวเป็นไอออนที่เคล่ือนท่ีอยู่ภายในกลุ่มแก๊สนั้นๆ แรงทางไฟฟ้าของ แกส๊ ท่ีเป็นไอออนจะกระทาตอ่ อเิ ล็กตรอนส่งผลให้ปลดปลอ่ ยคล่ืนวทิ ยุออกมา 1.3 การปลดปล่อยคลื่นวิทยุจากอะตอมในสถานะถูกกระตุ้น (Spectral Line Thermal Radiation) เมอ่ื อะตอมไดร้ ับพลังงานจนกระทง้ั อิเล็กตรอนเปล่ียนระดับช้ันพลังงานไปยังช้ันท่ีสูงกว่า เรียกว่า สถานะถูกกระตุ้น (excited state) ท่ีสถานะนี้อะตอมจะมีความเสถียรน้อย จึงจาเป็นจะต้องคายพลังงาน ออกมาเพ่ือที่จะกลับไปอยู่ในสถานะที่เสถียรที่สุด คือ สถานะพื้น (ground state) โดยจะปลดปล่อยพลังงาน ออกมาเป็นคลื่นแม่เหลก็ ไฟฟ้าซ่ึงคลน่ื วทิ ยุก็เป็นอกี หนึ่งช่วงความยาวคลื่นทถี่ ูกปลดปลอ่ ยออกมาได้เช่นกนั ภาพท่ี 5 แบบจาลองการปลดปลอ่ ยอนุภาคโฟตอนหรือคลื่นแมเ่ หล็กไฟฟ้าจากอะตอม ในสถานะถกู กระตุ้น (ภาพซา้ ย) และลดระดบั พลงั งานกลับสู่สถานะพ้ืน (ภาพขวา) 2. การแผ่รงั สีที่ไมเ่ กย่ี วข้องกบั อุณหภมู ิ (Non-Thermal Radiation) เปน็ กระบวน การแผ่รังสที ่ีจะไมเ่ ก่ียวข้องกบั ความร้อนหรืออุณหภมู ิ สามารถแบง่ ออกเปน็ 2 ประเภท ไดแ้ ก่ 2.1 การปลดปล่อยคลื่นวิทยุจากการแผ่รงั สแี บบซินโครตรอน (Synchrotron Radiation) เกิดจากการที่อนุภาคที่มีประจุเคลื่อนท่ีอยู่ในสนามแม่เหล็กท่ีมีความเข้มสูง อนุภาคเหล่าน้ีจะถูกเร่งอัตราเร็ว และเคล่ือนที่ควงเป็นเกลียวตามเส้นสนามแม่เหล็กแล้วปลดปล่อยคลื่นวิทยุออกมาพบได้ในดาวพฤหัสบดี กาแลก็ ซี ดาวนิวตรอน และหลุมดา ฯลฯ

ภาพท่ี 6 จาลองลกั ษณะการแผร่ งั สีแบบซินโครตรอน 2.2 การปลดปล่อยคลื่นวทิ ยุจากเมเซอร์ (Maser) เป็นปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ อยา่ งหน่ึงทค่ี ล้ายคลึงกนั กบั การเกิดเลเซอร์ กล่าวคอื อนุภาคอยใู่ นสถานะถกู กระตุ้นจะปลดปล่อย คล่ืนแม่เหล็กไฟฟา้ ออกมาแล้วกลับไปยังสถานะท่ีเรียกว่า “สถานะก่ึงเสถียร” เกิดการสะสมอนุภาคในสถานะ น้ีมากข้ึน จนมีจานวนมากกว่าอนุภาคสถานะพื้น จึงเกิดการเหนียวนาให้ปลดปล่อยพลังงานเป็นลูกโซ่ ต่อเนื่องกนั เป็นคล่ืนไมโครเวฟ สามารถพบได้ในบริเวณท่ีมีการก่อกาเนิดดาวฤกษ์ ช้ันบรรยากาศของดาวฤกษ์ บางชนดิ และดาวหาง ฯลฯ กลอ้ งโทรทรรศน์วิทยุ (Radio Telescope) หากพูดถึงกลอ้ งดูดาวหรือกล้องโทรทรรศน์ในช่วงคลื่นแสงที่ตามองเห็น คนส่วนใหญ่จะนึกถึงกล้อง ที่มีขาต้ัง สามขา มีลากล้องทรงกระบอกเรียวยาว และมีเลนส์อยู่ที่ปลายทั้งสองข้างแต่เมื่อพูดถึงกล้อง โทรทรรศน์วิทยุ แม้ว่าลักษณะโดยรวมจะทาหน้าท่ีคล้ายกัน แต่ทว่าแตกต่างกันที่รูปทรง ขนาดองค์ประกอบ ภายในทซ่ี ับซอ้ นยงิ่ กวา่ และความยาวคล่ืนท่ีจะศกึ ษา กล้องโทรทรรศน์โดยทั่วไปมีหลักการคร่าวๆ คือ รวบรวมแสงด้วยเลนส์หรือกระจก ขยายภาพด้วย เลนส์ตาหรืออุปกรณ์อื่นๆ และปรับโฟกัสให้ภาพชัดเจน กล้องโทรทรรศน์วิทยุก็ใช้หลักการเดียวกันน้ี แต่ด้วย คล่ืนวิทยุมีคุณสมบัติท่ีแตกต่างจากคล่ืนแสงท่ีตามองเห็น จึงมีอุปกรณ์ที่ใช้ในกระบวนการต่างๆ แตกต่างกัน ออกไปมีหลากหลายรูปทรง และหลากหลายขนาดขึ้น อยู่กับวัตถุประสงค์ของกล้องนั้น ว่าต้องการศึกษา คลื่นวทิ ยุช่วงความถ่ีเท่าไร โดยสิ่งทกี่ ล้องโทรทรรศน์วทิ ยทุ ุกชนิดจะต้องมี คือ สายอากาศหรือจานรับสัญญาณ และ อุปกรณร์ ับสัญญาณอย่างน้อย 1 ช้ิน องคป์ ระกอบกลอ้ งโทรทรรศนว์ ิทยุ มอี งคป์ ระกอบท่สี าคัญคือ 1.หนว่ ยรับคล่ืนหรือสายอากาศ (antenna) 2.เครื่องรับ (receiver) 3.หนว่ ยบันทึกข้อมลู

ภาพที่ 7 กล้องโทรทรรศนว์ ทิ ยุ เอฟ็ เฟ็ลสแ์ บรค์ (Effelsberg) ขนาดเส้นผา่ นศนู ยก์ ลาง 100 เมตรทีป่ ระเทศเยอรมนี เมื่อคล่ืนวิทยุเดินทางมาถึงกล้องโทรทรรศน์วิทยุ สายอากาศจะเป็นส่วนแรกในการรับคล่ืนวิทยุ ก่อนที่จะเข้าสู่อุปกรณ์อ่ืนๆ ซ่ึงมีรูปทรงหลายชนิดต้ังแต่สายอากาศแบบที่ใช้รับสัญญาณคล่ืนวิทยุ ตามบ้านเรือน (สายอากาศไดโพล) ไปจนถึงแบบจานรูปทรงพาราโบลา มีหลากหลายขนาดขึ้นอยู่กับความถี่ ของสัญญาณท่ีต้องการจะรับชนิดท่ีพบมากที่สุดคือ จานสะท้อนรูปทรงพาราโบลาสัญญาณท่ีเข้ามาจะสะท้อน ไปยังจุดโฟกสั ทม่ี ีอุปกรณร์ ับสญั ญาณติดต้งั อยู่อุปกรณร์ บั สัญญาณจะทาหน้าที่สาคัญ ในการแปลงคลื่นวิทยุที่ ตรวจจับได้เป็นข้อมูลดิจิทัลเปรียบได้กับ กล้องถ่ายภาพท่ีจะบอกว่าภาพๆ นั้น มีความเข้มของคลื่นวิทยุมาก น้อยเพียงใด อุปกรณ์รับสัญญาณนั้นหลากหลายแบนด์หรือหลากหลายช่วงความถ่ี เช่น KU แบนด์, L แบนด์ หรอื C แบนด์ เป็นต้น จากนั้น จะขยายสัญญาณให้อ่านค่าได้ง่ายย่ิงข้ึน และส่งข้อมูลผ่านทางสายส่งสัญญาณ หรือใยแก้วนาแสง ไปยังอุปกรณ์บันทึกข้อมลู หรอื คอมพวิ เตอร์ ภาพที่ 2 แสดงสว่ นประกอบสาคญั ของกล้องโทรทรรศนว์ ิทยุ เควเี อ็น ยอ็ นเซ (KVN Yonsei) ท่ีประเทศเกาหลใี ต้

กล้องโทรทรรศน์วิทยุที่สาคญั ของโลกในปัจจบุ ัน ปัจจุบันมีกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่มีประสิทธิภาพสูงมีอยู่ท่ัวโลก ท้ัง กล้องที่เป็นสายอากาศและ กล้องแบบจานเดียว ครอบคลุม ช่วงความถี่ในการศึกษาที่หลากหลาย ด้วยเทคโนโลยีและองค์ความรู้ต่างๆ นามาซึ่งการพัฒนาศักยภาพของกล้อง เช่น กล้องท่ีมีขนาดจานใหญ่ถึง 500 เมตร หรือการนากล้องมาทางาน เป็นเครอื ขา่ ยร่วมกัน เกดิ เปน็ เครอื ข่ายกล้องโทรทรรศนห์ รอื “อาเรยข์ องกล้องโทรทรรศนว์ ิทยุ” กล้องโทรทรรศน์วิทยุท่ีใช้ศึกษาในช่วงความถี่ต่าจะมีลักษณะเป็นสายอากาศไดโพล คล้ายกับ สายอากาศโทรทัศน์ที่ใช้ตามบ้านเรือน สามารถรับสัญญาณคล่ืนวิทยุจากทั่วทุกทิศทาง ไม่สามารถเคลื่อน ตาแหน่งได้ การศกึ ษาวตั ถทุ อ้ งฟ้าจงึ มีข้อจากัดอยู่มาก จะต้องอาศัยการหมุนรอบตัวเอง ของโลกให้วัตถุเคลื่อน ผ่านบนท้องฟ้าจึงจะสามารถบันทึกข้อมูลได้ ในปัจจุบันมีการพัฒนาอาเรย์ของชุดสายอากาศหลายๆ ตัวให้อยู่ ด้วยกนั เพ่ือเพิ่มความไวต่อการตอบสนองต่อสัญญาณ โดยเฉพาะท่ีความถ่ีต่า ได้แก่ “โลฟาร์ (LOFAR : Low- Frequency Array)” เป็นชดุ อาเรย์ไดโพลแบบทุกทิศทาง จานวน 20,000 ตัว แบ่งเป็น 48 สถานีหลัก โดยใน 40 สถานีหลัก จัดตั้งอยู่ท่ีเนเธอแลนด์ อีก 8 สถานีหลักท่ีเหลือจัดตั้งที่ประเทศในเครือสหภาพยุโรป ได้แก่ สหราชอาณาจักร เยอรมนี ฝร่ังเศส สวีเดนและไอร์แลนด์ ภารกิจหลักเพื่อสร้างแผนท่ีเอกภพในย่านความถี่ต่า ต้ังแต่ 10 - 240 เมกะเฮริ ตซ์ ในขณะน้ี (ข้อมูลปี พ.ศ. 2561) โลฟาร์เป็นกล้องโทรทรรศน์วิทยุช่วงความถี่ต่าท่ี มปี ระสิทธิภาพสูงที่สดุ ในโลก ภาพที่ 3 หนึ่งในสถานีหลกั ของกล้องโทรทรรศนว์ ทิ ยโุ ลฟารใ์ นประเทศเนเธอแลนด์ สาหรับกลอ้ งโทรทรรศนว์ ิทยุทศ่ี ึกษาตั้งแต่ความถ่ีปานกลางไปจนถงึ ความถ่ีสูงจะมีลักษณะเปน็ จาน รับสัญญาณรปู ทรงพาราโบลา ส่วนมากสามารถหันหนา้ กล้องเพ่ือตดิ ตามวัตถบุ นท้องฟา้ ได้และเพ่ือให้ได้พื้นที่ รับสัญญาณ และความละเอยี ดของข้อมูลมากที่สดุ กลอ้ งโทรทรรศน์ประเภทนี้จงึ มีขนาดใหญ่ กล้องจานเด่ียวที่ สามารถเคลื่อนไหวได้และมีขนาดเสน้ ผ่านศูนยก์ ลางใหญ่ท่ีสุดในขณะน้ี (พ.ศ. 2561) คอื กล้องโทรทรรศน์เอ็ฟ เฟล็ สแ์ บรค์ ทปี่ ระเทศเยอรมนีและกล้องโทรทรรศน์กรีนแบงค์ (Green Bank) ทปี่ ระเทศสหรฐั อเมรกิ า ทงั้ สอง กลอ้ งมีขนาดเสน้ ผา่ นศูนย์กลาง 100 เมตรเท่ากนั

ภาพท่ี 4 กล้องโทรทรรศน์วทิ ยุพารคส์ (Parkes) ภาพที่ 5 กลอ้ งโทรทรรศนว์ ิทยุโลเวลล์ (Lovell) ขนาดเสน้ ผ่านศนู ย์กลาง 64 เมตรทปี่ ระเทศออสเตรเลยี ขนาดเส้นผา่ นศนู ย์กลาง 76.2 เมตรทส่ี หราชอาณาจักร ภาพท่ี 6 กล้องโทรทรรศน์วิทยุเอฟ็ เฟล็ สแ์ บร์ค ภาพท่ี 7 กลอ้ งโทรทรรศนว์ ิทยกุ รีนแบงค์ (Green (Effelsberg) ขนาดเส้นผา่ นศูนยก์ ลาง 100 เมตร Bank)ขนาดเส้นผา่ นศนู ย์กลาง 100 เมตร ทปี่ ระเทศ ทปี่ ระเทศเยอรมนี สหรฐั อเมริกา ประเทศจนี มแี ผนในการสรา้ งกลอ้ งโทรทรรศนว์ ิทยุจานเด่ียวทสี่ ามารถเคล่ือนไหวได้ ช่ือว่า กล้องโทรทรรศน์ฉีไถ (Qitai) มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 110 เมตร คาดว่าจะแล้วเสร็จภายในปี พ.ศ. 2566 และจะกลายเป็นกล้องโทรทรรศน์จานเดี่ยวแบบเคล่ือนไหวไดท้ มี่ ขี นาดใหญท่ ส่ี ุดในโลกแทนที่กล้องโทรทรรศน์ เอ็ฟเฟ็ลส์แบร์คและกล้องโทรทรรศน์กรีนแบงค์ขนาดจานรับสัญญาณที่ใหญ่จะทาให้ได้ความสามารถในการ แยกภาพ และความไวต่อสัญญาณวิทยุที่มากขึ้น กล้องโทรทรรศน์วิทยุขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 305 เมตร จึงถูกสร้างขึ้น มาในปี พ.ศ. 2506 ท่ีประเทศเปอร์โตริโก คือ กล้องโทรทรรศน์วิทยุอาเรซิโบ (Arecibo) (ภาพที่ 8) กลายเป็นกล้องโทรทรรศน์แบบจานเดี่ยวท่ีมีขนาดใหญ่ท่ีสุดในโลกในขณะนั้นจนกระทั้งปี พ.ศ. 2559 กล้องโทรทรรศนว์ ทิ ยุฟาสต์ (FAST : Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope) (ภาพท่ี 9) ขนาดเสน้ ผ่านศนู ยก์ ลาง 500 เมตร สร้างเสร็จท่ีประเทศจีน จงึ กลายเปน็ กล้องโทรทรรศนจ์ านเดี่ยวท่ีมขี นาดใหญ่ทสี่ ดุ ในโลกจนถงึ ปัจจบุ ัน

ภาพท่ี 8 กล้องโทรทรรศนว์ ทิ ยอุ าเรซิโบ ขนาดเส้น ภาพที่ 9 กล้องโทรทรรศนว์ ทิ ยุฟาสต์ จานรับ ผา่ นศนู ยก์ ลาง 305 เมตร ทป่ี ระเทศเปอรโ์ ตริโก สัญญาณรูปทรงกลมขนาด 500 เมตร ทป่ี ระเทศจีน ขอ้ เสียที่เห็นไดอ้ ย่างชัดเจนสาหรบั กล้องขนาดใหญ่ คอื นา้ หนักทมี่ ากทาให้หน้ากลอ้ ง (จานรับสญั ญาณ) ไมส่ ามารถเคลื่อนไหวได้ กลา่ วคือ จะสามารถศึกษาได้เฉพาะวัตถุที่เคล่ือนทผี่ ่านหนา้ กล้องเท่าน้ัน รวมไปถงึ คา่ ใชจ้ า่ ยในการบารงุ รักษากล้องทส่ี งู มาก จึงเกดิ แนวคิด ในการพัฒนาศักยภาพของกล้อง ทอี่ าศยั หลกั การ “แทรกสอด” ของคล่ืนวิทยุ โดยใช้กลอ้ งโทรทรรศนว์ ิทยุขนาดเลก็ จานวนหลายตวั ทางานรว่ มกนั เป็นกลอ้ งๆ เดยี ว เกิดเป็นอาเรย์กลอ้ งโทรทรรศนว์ ทิ ยุ (ภาพที่ 10) ทม่ี ปี ระสิทธภิ าพเท่ากบั หรือมากกวา่ กล้องขนาดใหญ่ หลายเท่า ภาพท่ี 10 อาเรย์ของกลอ้ งวิทยุวแี อลเอ (VLA : Very Large Array) ประกอบไปด้วยกล้องโทรทรรศน์ วทิ ยุขนาด 25 เมตร จานวน 27 ตวั วางจัดเรียงอย่างเปน็ ระบบ ทรี่ ัฐนวิ เม็กซิโก ประเทศสหรัฐอเมรกิ า หลักการทางานของอาเรยก์ ล้องโทรทรรศนว์ ิทยุ คอื หากย่ิงวางตาแหน่งกล้องโทรทรรศน์ แตล่ ะตวั หา่ งกนั มาก เทา่ ใด กจ็ ะทาให้ได้ขอ้ มูลทมี่ ีความละเอยี ดมากยิ่งขนึ้ เชน่ กลอ้ งโทรทรรศน์วทิ ยุวีแอลเอ (ภาพท่ี 10) กล้องโทรทรรศนว์ ทิ ยุอลั มา (ALMA : Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) ฯลฯ ต่อมาได้ เกดิ แนวคดิ ในการขยายเครือข่ายเพ่ือให้ไดร้ ะยะหา่ งระหวา่ งกลอ้ งมากทสี่ ุด จากทเ่ี คยเป็นอาเรย์ในพื้นทข่ี อง ประเทศเดียว กลายเปน็ อาเรยข์ นาดใหญ่ระดบั ทวปี เรียกเทคนิคนี้ว่า “การแทรกสอดระยะไกล (Very Long Baseline Interferometry)”หรอื VLBI

ภาพท่ี 11 แผนภาพแสดงการทางานของกล้องโทรทรรศน์วิทยดุ ้วยเทคนิค VLBI ในการรวมสญั ญาณ ในปัจจุบันมเี ครือขา่ ย VLBI กระจายอยทู่ ั่วโลก เช่น VLBA (Very LongBaseline Array) ในทวีปอเมริกาเหนือ EVN (European VLBI Network) ในสหภาพยุโรป, LBA (Australian Long Baseline Array) ในทวีป ออสเตรเลีย และ EAVN(East Asian VLBI Network) ในกลมุ่ ประเทศเอเชียตะวันออก (ภาพที่ 12) นอกจากนี้ ยังมีเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุทางไกลที่ถูกส่งออกไปนอกโลกเพ่ือให้ได้ขีดความสามารถของ VLBI ท่ีสูง ที่สุด เช่น HALCA กล้องโทรทรรศน์วิทยุขนาด 8 เมตร ของประเทศญี่ปุ่น และ Spetkr-R (RadioAstron) กลอ้ งโทรทรรศน์วทิ ยุขนาด 10 เมตร ของประเทศรสั เซยี กลอ้ งทง้ั สองตวั จะทางานรว่ มกับกล้องบนพ้ืนโลก ทาให้ได้ข้อมลู ทมี่ คี วามละเอยี ดสูงมาก ภาพที่ 12 เครือขา่ ย VLBI จากท่ัวทกุ มมุ โลก ซ่ึงในอนาคตจะมีประเทศไทยเป็นหนึ่งในน้ัน

โครงการ Square Kilometre Array หรือ SKA เป็นโครงการเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุระดับ โลก มแี ผนจะสร้างในประเทศแอฟรกิ าใต้ และออสเตรเลีย หากโครงการแล้วเสร็จ SKA จะมีขนาดพ้ืนท่ีในการ รับสัญญาณมากถงึ 1 ตารางกโิ ลเมตร และจะกลายเปน็ กล้องที่มปี ระสทิ ธิภาพสูงท่ีสุดในโลก ครอบคลุมความถี่ ท่ีจะศึกษาตั้งแต่ความถี่ต่าไปจนถึงความถี่สูงโครงการน้ีเกิดจากความร่วมมือระดับนานาชาติกว่า 18 ประเทศ จากเกือบทุกทวีปทั่วโลก คาดว่าจะเสร็จสมบูรณ์ในปี พ.ศ. 2573 เพ่ือสร้างองค์ความรู้ที่จะนาไปสู่การตอบ คาถามท่ีสาคัญในทางดาราศาสตร์ เช่น ดาวฤกษ์และหลุมดาดวงแรกเกิดขึ้นมาได้อย่างไร กาแล็กซี มวี วิ ัฒนาการอย่างไร ทฤษฎีของไอน์สไตน์ถูกต้องหรือไม่ รวมไปถงึ คาถามยอดนยิ ม คือ “มนุษยอ์ ยู่อย่างโดด เดยี่ วในเอกภพจริงหรือไม่ ซ่ึงการทจี่ ะสรา้ งเครอื ขา่ ยกลอ้ งโทรทรรศน์ท่ีมีประสิทธิภาพสูงขนาดน้ีจาเป็นจะต้อง อาศัยเทคโนโลยีขั้นสูงมารองรับ จะนามาซึ่งการพัฒนาเทคโนโลยีทั้งทางวิศวกรรม ไปจนถึงการจัดการกับ กระแสขอ้ มลู จานวนมหาศาล โดยท้ายทส่ี ุดแลว้ เทคโนโลยเี หล่าน้ีจะถูกนามาประยุกต์ใช้เพื่อพัฒนานวัตกรรมท่ี ใชใ้ นชวี ติ ประจาวันของมนษุ ย์ ภาพที่ 13 ภาพจาลองจานรับสัญญาณส่วนหนึ่งของโครงการ SKA กระจายบนพื้นทรี่ ะยะ 5 กิโลเมตร ทป่ี ระเทศออสเตรเลยี อีกหนึ่งการประยุกต์ใช้เครือขา่ ยกล้องโทรทรรศน์วิทยุ VLBI คือ การศึกษาด้านยีออเดซี (Geodesy) เป็นการศกึ ษาเพอ่ื สารวจและวัดพิกัดตาแหน่งท่ีคานึง ถึงอิทธิพลของผิวโค้งของโลกมีเป้าหมายเพ่ือให้ได้ข้อมูล ต่างๆ เก่ียวกับโลกไม่ว่าจะเป็นสัณฐาน ลักษณะของช้ันบรรยากาศลักษณะของสนามโน้มถ่วง ไปจนถึงการ วางตัวในอวกาศของโลก เน่ืองจากโลกเป็นดาวเคราะห์ท่ีมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ตัวแปรดังกล่าวจึงมี ความจาเป็นต่อการวจิ ยั และพฒั นาในหลากหลายด้านเพ่ือตอบสนองตอ่ การดารงชีวิตของมนุษย์ข้อมูลตาแหน่ง ท่ีได้จากเครือข่าย VLBI ท่ัวโลก เป็นข้อมูลท่ีมีความแม่นยาสูงในระดับมิลลิเมตร และไม่ได้รับผลกระทบจาก การเปลี่ยนแปลงของศูนย์กลางแรงโน้มถ่วงโลก จึงสามารถใช้เป็นตาแหน่งอ้างอิงของระบบพิกัดโลกได้เป็น อย่างดี รวมถึงใช้ศึกษาการเคลื่อนตัวของแผ่นเปลือกโลกได้อีกด้วย ปัจจุบันมีการพัฒนากล้องโทรทรรศน์วิทยุ สาหรับใช้งานด้านยีออเดซีโดยเฉพาะ ทางานภายใต้ระบบที่เรียกว่า “วีกอส (VGOS : VLBI Global Observing System)” เป็นแนวคิดในการออกแบบระบบกล้องให้มีขนาดหน้าจานรับสัญญาณ อยู่ท่ีประมาณ

12 ถึง 15 เมตร เพ่ือความคล่องตัว ในการติดตามแหล่งกาเนิดคลื่นวิทยุและรับสัญญาณคลื่นวิทยุในช่วง ความถ่ี 2 ถึง 14 จิกะเฮิรตซ์ ภาพที่ 14 ภาพแสดงทิศทางและความเร็วในการเคล่ือนตัวของแผน่ เปลือกโลกที่ได้จากการสงั เกตการณ์ ตาแหนง่ ของกล้องโทรทรรศน์วิทยุ โดยขอ้ มูล นี้ได้จากฐานขอ้ มลู ในปี พ.ศ. 2551 ในอนาคตอันใกล้น้ี ประเทศไทยกาลังจะเปน็ สว่ นหน่ึงของเครอื ข่าย VLBI ในการพัฒนาเครือข่าย กล้องโทรทรรศน์วทิ ยุใหม้ ปี ระสทิ ธภิ าพมากยิ่งขนึ้ โดยจะเปน็ กลอ้ งโทรทรรศนว์ ทิ ยขุ นาด 40 เมตร ทมี่ ขี นาด ใหญท่ ส่ี ดุ ในภูมภิ าคเอเชยี ตะวันออกเฉียงใต้ รวมถงึ กล้องโทรทรรศนว์ ิทยุขนาด 13 เมตร สาหรับการศึกษา ดา้ นยีออเดซี เพอ่ื การพัฒนาความถกู ต้องดา้ นตาแหนง่ และระบบพิกดั ของประเทศไทย กลอ้ งโทรทรรศน์วทิ ยใุ นประเทศไทย ปัจจุบันสถาบันวิจัยดาราศาสตร์แหง่ ชาติ (องคก์ ารมหาชน) มกี ล้องโทรทรรศนว์ ิทยุท่ีสามารถ ใชง้ านได้ จานวน 1 ตวั ซึ่ง เป็นกล้องขนาดเล็ก เสน้ ผ่านศูนย์กลาง 4.5 เมตร ช่วงความถ่ีทศ่ี ึกษา 1,420 เมกะเฮิรตซ์ หรอื ความถม่ี ูลฐานของอะตอมไฮโดรเจนที่เปน็ กลาง สถานทต่ี ดิ ตั้งอุทยานดาราศาสตรส์ ิรินธร สถาบันวจิ ยั ดาราศาสตร์แหง่ ชาติ (องคก์ ารมหาชน) ต.ดอนแก้ว อ.แม่รมิ จ.เชยี งใหม่ (ภาพท่ี 15)

ภาพที่ 15 กล้องโทรทรรศน์วิทยขุ นาดเส้นผา่ นศูนย์กลาง4.5 เมตร และห้องควบคุม (ต้ทู รงสี่เหล่ียมดา้ นข้างกล้อง) ณ อทุ ยานดาราศาสตร์สิรินธร จังหวัดเชยี งใหม่ พันธะกิจหลัก ของการใช้งานกล้องโทรทรรศน์วิทยุตัวนี้ เพื่อใช้ประกอบการเรียนการสอนใน ห้องปฏิบัติการดาราศาสตร์วิทยุ ระดับช้ันมัธยมศึกษาตอนปลายไปจนถึงอุดมศึกษารวมถึงใช้ประกอบการ อบรมให้กับนักศึกษาท้ังในประเทศและประเทศในแถบเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ ส่งผลให้เกิดการพัฒนาองค์ ความรู้ทง้ั ด้านดาราศาสตร์วิทยุและวิศวกรรมแก่นักศึกษาและบุคลากร เห็นความสาคัญของดาราศาสตร์วิทยุ ในประเทศไทย รวมถึงกระตุ้นความสนใจให้กับนักศึกษาหรือผู้สนใจในสาขาอื่นให้เข้ามาเรียนรู้ในด้านนี้มาก ยิ่งขน้ึ หอสังเกตการณด์ าราศาสตรว์ ิทยุแห่งชาติ (Thai National Radio Astronomy Observatory) หอสังเกตการณด์ าราศาสตรว์ ิทยุแห่งชาติ ประกอบด้วยกลอ้ งโทรทรรศนว์ ิทยุ 2 ตวั ไดแ้ ก่ กล้องโทรทรรศน์ขนาดเสน้ ผา่ นศนู ยก์ ลาง 40 เมตร ทมี่ ีตน้ แบบมาจากกล้องโทรทรรศน์วทิ ยเุ ยเบส (Yebes) (ภาพท่ี 16 ซา้ ย) และกล้องโทรทรรศน์ขนาดเสน้ ผ่านศูนย์กลาง 13 เมตร (ภาพท่ี 16 ขวา) มีศูนยว์ ิศวกรรมข้ัน สงู เฉพาะทางเพ่ือการรักษาและพัฒนาเทคโนโลยที างด้านดาราศาสตร์วิทยุรวมถึงมีอาคารบริการข้อมูล เพอื่ การเรียนรู้ดาราศาสตรว์ ิทยุทจี่ ะเป็นแหล่งเรยี นรสู้ าหรบั นักเรยี นนักศึกษา และประชาชนทั่วไป ภาพที่ 16 แสดงตัวอยา่ งกล้องโทรทรรศน์วิทยุเยเบส ขนาด 40 เมตรทปี่ ระเทศสเปน(ซ้ายมอื ) และกล้องโทรทรรศนว์ ทิ ยวุ ีกอส ขนาด 13 เมตร (ขวามือ)

สถาบันวจิ ยั ดาราศาสตร์แหง่ ชาติ (องคก์ ารมหาชน) ร่วมกับศูนยศ์ กึ ษาการพฒั นาหว้ ยฮอ่ งไคร้ อัน เนื่องมาจากพระราชดาริ วางแผนการจัด ตัง “อุทยานการเรียนรู้ดาราศาสตร์และพิพิธภัณฑ์ธรรมชาติที่มี ชวี ิต” บริเวณรอบสถานท่ีก่อสร้างหอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์วิทยุแห่งชาติ ภายในศูนย์ศึกษาการพัฒนาห้วย ฮ่องไคร้อันเน่ืองมาจากพระราชดาริ อาเภอดอยสะเก็ด จังหวัดเชียงใหม่เนื่องจากเป็นพ้ืน ที่ห่างไกลจาก แหล่งกาเนิดสัญญาณรบกวนของชาวบ้านพอสมควร (ดังภาพที่ 17 ท่ีตาแหน่งรูปดาวสีแดง) รวมไปถึงสถานี ตรวจอากาศที่ใช้ในการศกึ ษาชั้นบรรยากาศของโลก กต็ ดิ ตงั้ ทบี่ ริเวณใกล้เคยี งกันน้ี ภาพที่ 17 จุดติดตง้ั ตังหอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์วทิ ยุแห่งชาติ อย่ภู ายในศนู ย์ศึกษาการพัฒนาห้วยฮ่องไคร้ อนั เน่ืองมาจากพระราชดาริ อาเภอดอยสะเกด็ จังหวดั เชยี งใหม่ (รปู ดาวสีแดง) ปัจจบุ ัน ประเทศไทยมบี ุคลากรด้านดาราศาสตร์วิทยุอยู่แล้ว ท้ังในสถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) และในมหาวิทยาลัยต่างๆ แต่ยังไม่มีกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่มีประสิทธิภาพเพียงพอสาหรับ การทาวิจยั เชงิ ลกึ การสร้างหอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์วิทยุแห่งชาติจะเป็นการเติมเต็มส่วนสาคัญของวงการ ดาราศาสตร์วิทยุในประเทศไทย รวมถึงทางด้านยีออเดซีและวิทยาศาสตร์บรรยากาศนอกจากการพัฒนา สาขาวชิ าดังกลา่ วแลว้ กล้องโทรทรรศนว์ ทิ ยุจะเปรียบเสมอื นห้องเรียนสาขาวิชาใหม่ ที่ไม่เคยมีในประเทศไทย มาก่อน จะทาให้เกดิ การพัฒนาศกั ยภาพของบุคลากร ทั้งวิศวกรและนักวิจัยสาขาอื่นที่เก่ียวข้องจนนาไปสู่การ พัฒนาทางด้านเทคโนโลยีและวิศวกรรมข้ันสูงในประเทศไทยตัวอย่างเช่น เม่ือปี พ.ศ. 2517 วิศวกรชาว ออสเตรเลีย จอห์น โอซุลลิแวน (John O’Sullivan) ได้ศึกษาคลื่นวิทยุที่มาจากหลุมดา หลุมดาแห่งนี้ อยู่ไกล ออกไปจากโลกมาก สัญญาณวิทยุที่มาถึงมีความแผ่วเบาท่ีแทบจะไม่แตกต่างจากสัญญาณรบกวนพื้นหลังใน อวกาศ เขาจึงได้คิดค้นวิธีทีจะตรวจจับสัญญญาณที่อย่ท่ามกลางสัญญาณรบกวนขึ้น ซ่ึงวิธีเดียวกันน้ีกลายมา เป็นส่วนหนึ่งในเทคโนโลยีการเชื่อมต่อแบบไร้สายหรือ Wi-Fi ท่ีกลายมาเป็นส่วนหนึ่งในชีวิตประจาวัน ของ มนษุ ยต์ วั อย่างขา้ งตน้ แสดงให้เห็นว่า โจทย์ปัญหาท่ียากที่สุด จะเป็นตัวผลักดันให้เกิดเทคโนโลยีท่ีล่าสมัยท่ีสุด

การวิจัยดาราศาสตร์จะนามาซ่ึง โจทย์ปัญหาที่ไม่สามารถพบได้บนโลกใบนี้ การสร้างหอสังเกตการณ์ดารา ศาสตร์วิทยุแห่งชาติ จะเป็นการเริ่มต้นสู่โจทย์ปัญหาที่ท้าทาย เทคโนโลยีใหม่ๆ จะสร้างกาลังคนทาง วทิ ยาศาสตร์และเทคโนโลยีข้ัน สูงเพอื่ พฒั นาประเทศตอ่ ไป ที่มา: สถาบนั วจิ ัยดาราศาสตร์แหง่ ชาติ (สดร.) https://public.nrao.edu