สวัสดีครับ   วันนี้ผมขอเสนอกระทู้ดาราศาสตร์ในเรื่อง James Webb Space Telescope : JWST
หรือ  กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ ครับ  JWST นี้  คือกล้องโทรทรรศน์อวกาศรุ่นต่อไป
ที่จะมาแทนกล้อง Hubble ครับ  JWST นี้  แน่นอนว่ามีความสามารถเหนือกว่า Hubble มากพอสมควร
และจะเป็นเครื่องมือสำคัญของนักดาราศาสตร์ที่จะไขปริศนาของเอกภพนี้ได้  มันเปรียบเสมือนตาวิเศษ
ที่สามารถมองย้อนอดีตได้ไกลขึ้น  และ  มองปัจจุบันได้ละเอียดขึ้นครับ

(กระทู้ JWST นี้  ผมเคยตั้งไปเมื่อ 5 ปีที่แล้ว  แต่กระทู้นี้นำมาเรียบเรียงใหม่
เพิ่มเนื้อหา Update เข้าไปใหม่  ทำรูปภาพใหม่ด้วยครับ)



ประวัติของ JWST
James Webb Space Telescope ตั้งชื่อเพื่อเป็นเกียรติประวัติแก่ James E. Webb (1906- 1992)
ผู้อำนวยการ NASA คนที่สอง  ผู้ซึ่งมีบทบาทมากในโครงการ Apollo และโครงการย่อยอื่น ๆ
อีกกว่า 75 โครงการ  ในช่วงเริ่มโครงการ JWST นี้  JWST เดิมจะใช้ชื่อว่า Next Generation
Space Telescope (NGST)  และต่อมาได้เปลี่ยนไปใช้ชื่อ James Webb ในวันที่ 10 กันยายน 2002 ครับ  

โครงการ JWST เริ่มต้นในปี 1996 จากความร่วมมือจาก 17 ประเทศ นำโดย NASA
องค์การอวกาศยุโรป (ESA)  และ องค์การอวกาศแคนาดา (CSA)  โดยมีวัตถุประสงค์
เพื่อสำรวจเอกภพในระยะไกลที่เราไม่เคยทำได้  และสำรวจวัตถุที่ไกลที่สุดเพื่อทราบถึง
การกำเนิดเอกภพ  อีกทั้งสำรวจวัตถุอวกาศทั่วไป  เพื่อให้ทราบรายละเอียดมากขึ้น
ในด้านต่าง ๆ  เช่น  Spectrum , Infrared field  ซึ่งจะทำให้เราเข้าใจการกำเนิดดวงดาว
แกแลคซี่ และอื่น ๆ ที่เราถุกจำกัดความรู้มาตลอดเนื่องจากอุปกรณ์ไม่พร้อมครับ

ภาพของ James E. Webb



1. แสงย่าน Infrared นั้น  สำคัญอย่างไร ?
ก่อนที่จะไปพบกับ JWST  ผมก็ขอกล่าวถึงเรื่องการศึกษาอวกาศด้วยแสง Infrared (IR) ก่อนครับ
การที่ JWST ถูกออกแบบให้เป็นกล้องโทรทรรศน์อวกาศที่มีเลนส์ (กระจกสะท้อน) ขนาดใหญ่มาก  
และออกแบบให้มี sensor ตรวจจับแสงในย่าน IR โดยเฉพาะ  (ต่างจากกล้อง Hubble ที่มี sensor
ในย่านแสงที่ตามนุษย์มองเห็นด้วย)

นั่นเป็นเพราะ  JWST ถูกออกแบบให้สำรวจได้ไกลมากถึงช่วงที่เอกภพกำเนิดมาใหม่ ๆ เลยทีเดียวครับ
คือช่วงที่เอกภพกำเนิดใหม่  วัตถุที่กำเนิดในช่วงเวลานั้น (ประมาณ 13,600 ล้านปีที่แล้ว) ได้ วิ่งออกห่าง
จากเราไปมากแล้วตามการขยายตัวของเอกภพนั่นเอง  และการที่วัตถุเหล่านั้นวิ่งห่างออกจากเราไป นั้น
ยิ่งเป็นวัตถุที่ไกลมาก  ก็จะยิ่งวิ่งห่างออกไปเร็วมากด้วย  การที่วัตถุวิ่งออกห่างไปเร็วมากนี้เอง  แสงจาก
วัตถุเหล่านั้นจะ ยืดความยาวคลื่น ออกไปสู่ย่าน IR ครับ  เราสามารถส่องเห็นวันถุที่ไกลที่สุดได้
ในย่าน IR เท่านั้น  นี่เองที่ทำให้การสำรวจเอกภพในระยะเริ่มแรกจะต้องสำรวจด้วยกล้องโทรทรรศน์ที่มี
IR sensor ดีเยี่ยม และ ส่องได้ไกลเท่านั้นครับ

ซึ่ง JWST เกิดมาเพื่อสิ่งนี้ครับ  มันมี Primary mirror ที่ใหญ่โตมาก  ออกแบบให้มีการ
สะท้อนแสง 2 ชั้น (Promary to secondary)  และยังมี IR sensor ที่ออกแบบใหม่
ในช่วงหลายย่านแสงของ IR

ภาพนี้แสดงถึงหลักการของ Doppler effect ที่แสงจากแหล่งกำเนิดที่วิ่งออกห่างจากเราเร็วมาก ๆ
จะแสดงแสงในย่านออกไปทาง IR ให้เราเห็นเท่านั้น



2. ส่วนประกอบของ JWST
ส่วนประกอบหลักของ JWST ปรากฏตามภาพนี้ครับ  จะเห็นว่ามีกระจกสะท้อนแสง Primary Mirror
ขนาดใหญ่เส้นผ่านศูนย์กลาง 6.5 เมตร  โดยที่ primary mirror นี้จะรับแสงอันน้อยนิดจากวัตถุอวกาศ
แสนไกลทั้งหลาย  สะท้อนไปยัง Secondary mirror เพื่อรวมแสงตามหลักการของ Parabolic focusing
และส่ง (แสง) เข้าไปยังชุดอุปกรณ์ที่เรียกว่า Integrated Science Instrument Module (ISIM)  และยังมี
Sunshield ขนาดใหญ่ถึง 5 ชั้น  เพื่อปกป้องอุปกรณ์จากแสงอาทิตย์ และ รังสีต่าง ๆ ที่อาจทำอันตราย
ต่ออุปกรณ์  รวมถึงรบกวนการทำงานของอุปกรณ์ IR ได้ครับ  ที่ด้านล่างของ JWST ก็มี Spacecraft Bus
ซึ่งเป็นเหมือนกล่อง control สำหรับควบคุมระบบของ JWST ทั้งหมด

ภาพส่วนประกอบของ JWST


เทียบกับกล้อง Hubble .... ขนาดกระจกต่างกันมาก



3. รายละเอียดของอุปกรณ์ใน Integrated Science Instrument Module (ISIM)
อุปกรณ์ในส่วน ISIM นี้สำคัญมาก ๆ ครับ  เพราะเป็นตัวรับ แสงแรกสุด ที่สะท้อนมาจาก mirror ทั้งสอง
ISIM ประกอบด้วยส่วนสำคัญ 4 ส่วนดังนี้

3.1 Near-Infrared Camera  หรือ  NIRCam
ส่วนนี้เตรียมการโดย University of Arizona  และบริษัท Lockheed Martin  มันเป็นกล้องตรวจจับ
แสงย่าน InfraRed ตัวหลักครับ  ตัว NIRCam นี้ จะตรวจวิเคราะห์แสงย่าน IR จากดาวฤกษ์กำเนิดใหม่
หรือแกแลคซี่อันไกลโพ้นที่กำลัง form ตัว  โดยมีอุปกรณ์สำคัญคือ coronagraphs ซึ่งทำหน้าที่ block
แสงอันเจิดจ้าของวัตถุใด ๆ เพื่อตรวจหาวัตถุที่แสงจางกว่านั้นรอบ ๆ ตัวมัน  ซึ่งจะมีประโยชน์มากในการ
ตรวจหาดวงเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์

3.2 Near-Infrared Spectrograph  หรือ  NIRSpec
เตรียมการโดย European Space Agency (ESA)  และพัฒนาอุปกรณ์โดย NASA
และ Goddard Space Flight Center (GSFC)  อุปกรณ์ตัวนี้ก็กล่าวโดยสรุปเหมือนตัวแรกเลยครับ
แต่สามารถวิเคราะห์ได้ละเอียดขึ้นกว่า NIRCam โดยสามารถแยก spectrum ออกมา
เพื่อวิเคราะห์อุณหภูมิ  มวล  และ องค์ประกอบทางเคมีของแกแลคซี่ หรือ วัตถุอวกาศใด ๆ
ที่ระยะไกลโพ้นได้ครับ

3.3 Mid-Infrared Instrument  หรือ  MIRI
เตรียมการโดย European Space Agency (ESA)  และ  NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL)
MIRI เป็นอุปกรณ์ที่เป็นทั้งกล้อง และ  spectrograpth จะตรวจวัดแสงในย่านความยาวคลื่น 5 to 28 microns
(ย่าน Mid IR)  อุปกรณ์นี้จะตรวจจับปรากฏการณ์ red shift ของแกแลคซี่ไกลโพ้น , ดาวฤกษ์กำเนิดใหม่
และแสงอันอ่อนมากของดาวหาง และ วัตถุในบริเวณย่าน Kuiper Belt ครับ

3.4 Fine Guidance Sensor/ Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph หรือ FGS/NIRISS
เตรียมการโดย Canadian Space Agency  อุปกรณ์นี้จะตรวจจับแสงย่านความยาวคลื่น 0.8 to 5.0 microns
สำหรับตรวจวิเคราะห์ Exoplanet (ดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ) โดยเฉพาะเลยครับ  มันสามารถวิเคราะห์
transit spectroscopy ของ Exoplanet ทำให้ทราบถึงระยะทาง การโคจร และชั้นบรรยากาศของ Exoplanet
ดวงนั้นอย่างละเอียดครับ

ภาพนี้แสดงถึงย่านแสง IR ที่ JWST จะตรวจจับ



4. Sunshield (ฉนวนกั้นความร้อน)
JWST จะมี sunshield ขนาดใหญ่เท่าสนามเทนนิส  ประกอบด้วยแผ่น shield 5 แผ่นซ้อนกัน  เพื่อกัน
ความร้อนจากดวงอาทิตย์ไปรบกวนการทำงานอุปกรณ์ในฝั่ง Optic ครับ  เนื่องจากอุปกรณ์ในด้าน Optic นั้น
จะต้อง "เย็นจัด" เท่านั้น โดย NIRCam , NIRSpec , FGS/NIRISS จะทำงานที่อุณหภูมิ -234 องศา C    
ส่วน MIRI จะทำงานที่อุณหภูมิ -266 องศา C  ด้วยการทำความเย็นของฮีเลี่ยมที่เรียกว่า Cryo-Cooler  

แผ่น Sunshield ทำมาจากวัสดุที่ชื่อว่า Kapton  และฉาบด้วยอลูมินั่ม  โดยเฉพาะ 2 แผ่นแรกที่โดน
แสงอาทิตย์โดยตรงก็จะฉาบด้วย Silicon ด้วย  เพื่อสะท้อนแสงอาทิตย์ออกไปให้ได้มากที่สุดครับ  
Kapton นี้  เป็น polyimide film ที่พัฒนาโดย DuPont มาตั้งแต่ปี 1960 แล้วครับ  มีคุณสมบัติดีเยี่ยม
ในการต้านความร้อน  มันทนอุณหภูมิได้ตั้งแต่ -269 ถึง +400 องศา C  ได้อย่างเสถียรเลยทีเดียวครับ

ภาพการทำงานของ Sunshield


ภาพของ Sunshield ขณะทำการประกอบ



5. Spacecraft Bus
Spacecraft Bus นี้คือกล่องควบคุมหลักสำหรับ JWST ทั้งหมด  ประกอบด้วยอุปกรณ์หลัก 6 ส่วน คือ

5.1 ส่วนควบคุมพลังงานไฟฟ้า (Electrical Power Subsystem)
JWST ได้พลังงานจาก Solar Cell และใช้ในการขับเคลื่อนระบบทั้งหมด
เพราะ Solar cell หันเข้าหาดวงอาทิตย์ตลอดเวลาครับ

5.2 ส่วนควบคุมตำแหน่ง (Attitude Control Subsystem)
ควบคุมตำแหน่งในการโคจรให้ถูกต้อง และรับคำสั่ง
ในการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งให้ชี้ไปในทิศทางที่นักดาราศาสตร์ต้องการสำรวจ

5.3 ส่วนสื่อสาร (Communication Subsystem)
รับและส่งข้อมูลกับ Operations Control Center (OCC)
โดยสื่อสารตรงผ่านเสาอากาศไปยังสถานีบนพื้นโลก

5.4 ส่วนรับคำสั่งและประมวลผลข้อมูล (Command and Data Handling Subsystem)
ส่วนนี้เปรียบเสมือนสมองของ JWST จะประกอบด้วยคอมพิวเตอร์ทำหน้าที่
ประมวลผลข้อมูลจาก sensor ทั้งหมด และส่งกลับผ่านมาที่โลก

5.5 ส่วนขับเคลื่อน (Command and Data Handling Subsystem)
ประกอบด้วยถังเชื้อเพลิงสำหรับ thrusters ขนาดเล็ก
และทำงานร่วมกับส่วนคุมตำแหน่งเพื่อรักษาตำแหน่งให้ถูกต้องเสมอ

5.6 ส่วนควบคุมอุณหภูมิ (Thermal Control Subsystem)
ควบคุมอุณหภูมิในส่วน Spacecraft Bus ให้คงที่เสมอ


6. การส่งขึ้นวงโคจร
JWST มีแผนที่จะส่งขึ้นวงโคจรใรช่วงตุลาคม 2018  โดยจะส่งขึ้นไปด้วยจรวด Ariane 5
จากฐานปล่อย Arianespace's ELA-3 launch complex  ที่ประเทศ French Guiana
ซึ่งเป็นเมืองโพ้นทะเล ของประเทศฝรั่งเศส ครับ  เมื่อส่ง JWST ขึ้นสู่อวกาศแล้ว
ตัว JWST เองจะมีขั้นตอนที่เรียกว่าการ Deployment เยอะเลยครับ  การ deployment
พูดง่าย ๆ ก็คือการ แปลงร่าง ออกไปให้เป็นรูปร่างที่พร้อมทำงาน

ตอนที่ JWST ส่งขึ้นไปกับจรวด Ariane 5 นั้น  ตัว JWST จะต้องพับร่างเข้าไป
เพื่อให้ยัดเข้าตัวจรวดได้ครับ  ตามภาพนี้


เมื่อปล่อยขึ้นสู่อวกาศแล้ว  ตัว JWST ก็จะมีการ Depoyment ขยายร่างออกมา
เพื่อให้พร้อมทำงานได้  โดยมีขั้นตอนต่าง ๆ มากพอสมควรใช้เวลาถึง 14 วันหลังจากปล่อย


คลิปแสดงการ Deployment




7. JWST วางตำแหน่งการโคจรอย่างไร ?
JWST นั้นเป็นกล้องโทรทรรศน์ที่ออกแบบมาเพื่อตรวจจับย่าน Near IR โดยเฉพาะ ดังนั้น
จึงต้องวางตำแหน่งการโคจรใว้ที่ไกลระยะหนึ่ง  และในตำแหน่งหนึ่งที่ปลอดจากการรบกวน
การแพร่ IR จากดวงอาทิตย์  และ  IR จากโลกจะรบกวนการทำงานได้   ซึ่งก็คือตำแหน่ง
เรียงตัวระหว่างดวงอาทิตย์ โลก และ JWST เองครับ

ตำแหน่งที่ว่านี้  เรียกว่าจุด Lagrange points ของระบบ ดวงอาทิตย์ - โลก  โดย Lagrange points
ที่ JWST ประจำอยู่คือจุด L2 ครับ   ตำแหน่ง L2 นั้นมีที่มาการคำนวณจากสมการของ Joseph-Louis Lagrange
นักคณิตศาสตร์ในยุคศตวรรษที่ 18 ซึ่งได้ชื่อว่า  " The Five Lagrange points "  เพื่อให้เกียรติแก่ท่าน
ที่จุด L2 นี้ แรงโน้มถ่วงจะหว่าง 3 วัตถุจะสมดุลย์  เป็นผลให้ JWST สามารถคงตำแหน่งแบบนั้นได้ตลอด
โดยที่แทบจะไม่ต้องปรับแก้ตำแหน่งด้วย thrusters ของมันเลย

ภาพของระบบ Sun - Earth Lagrange points



การวางตัวของ JWST เปรียบเสมือนการโคจรรอบดวงอาทิตย์แบบ tidal lock กับดวงอาทิตย์ครับ
โดยที่มันจะหันด้าน  " ตูด "  ให้ดวงอาทิตย์และโลกเสมอ   ซึ่งด้านตูดนั้นก็มี Solar Cell เพื่อรับแสง
และมีจานเสาอากาศ Parabola สื่อสารกับโลกอยู่ตลอด .... ตามการวางตัวในภาพนี้ครับ


--- มีต่อครับ ---