Fast Radio Burst ปริศนาสัญญาณวิทยุจากฟากฟ้า

Fast Radio Burst ปริศนาสัญญาณวิทยุจากฟากฟ้า

ช่วง 10 ปีที่ผ่านมานี้ นักดาราศาสตร์ตรวจพบสัญญาณวิทยุจากอวกาศหลายครั้ง โดยมีไม่กี่ครั้งที่พบสัญญาณที่มีความเข้มเป็นพิเศษ หนึ่งในนั้นก็คือ Fast Radio Burst หรือการลุกจ้าอย่างฉับพลันในช่วงคลื่นวิทยุที่นักดาราศาสตร์ให้ความสนใจมากๆ ด้วยอาจไขปริศนาบางอย่างของเอกภพได้

หลายคนคงเคยดูภาพยนตร์แนววิทยาศาสตร์อย่างเรื่อง Contact (1997) ที่นางเอกซึ่งเป็นนักดาราศาสตร์พบสัญญาณวิทยุแปลกประหลาดจากดวงดาวอันไกลโพ้น ก่อนจะพบว่าเป็นคลื่นวิทยุจากโลกของเราที่สะท้อนกลับมา จึงออกแบบยานอวกาศเพื่อเดินทางไปยังแหล่งกำเนิดของมันโดยเชื่อว่าผู้ที่ส่งมาอาจเป็นมนุษย์ต่างดาวที่พยายามติดต่อกับมนุษย์โลก ปัจจุบันเรื่องดังกล่าวไม่ได้เรื่องเพ้อฝันอีกต่อไป เมื่อมนุษย์พบสัญญาณขนาดใหญ่อย่างที่ว่าจริงๆ

ปกติวัตถุต่างๆ ในอวกาศมีการปลดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาอยู่แล้ว แม้แต่ดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์ต่างๆ รวมถึงหลุมดำก็ปลดปล่อยออกมาทุกช่วงคลื่น เพียงแต่เป็นช่วงที่เรามองไม่เห็น สำหรับคลื่นวิทยุเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเหมือนแสงที่เรามองเห็น เพียงแต่ความถี่ต่ำกว่า จึงมีพลังงานต่ำกว่าและไม่เป็นอันตรายมาก ในชีวิตประจำวันเราใช้คลื่นวิทยุในการติดต่อสื่อสาร ดูหนังฟังเพลง ใช้ wi-fi ได้ก็ด้วยคลื่นวิทยุ รวมถึงใช้ในการสำรวจต่างๆ อย่างการสำรวจท้องทะเลด้วย SONAR หรือสำรวจสภาพอากาศด้วย RADAR นอกจากนี้ดาวเทียมและยานอวกาศต่างๆ ก็นิยมส่งข้อมูลด้วยคลื่นวิทยุเนื่องจากสูญเสียพลังงานต่ำ สามารถทะลุชั้นบรรยากาศมายังพื้นโลกได้ รวมถึงใช้ศึกษาโครงสร้างและองค์ประกอบของดวงอาทิตย์ ดาวเคราะห์ ดวงจันทร์ และวัตถุอื่นๆ ได้

ในส่วนของคลื่นที่มาจากอวกาศ คลื่นวิทยุที่มีความเข้มสูงมักจะมาจากวัตถุพลังงานสูง อย่าง “พัลซาร์ (Pulsar)” ดาวนิวตรอนที่หมุนรอบตัวเองอย่างรวดเร็วและปลดปล่อยคลื่นวิทยุออกมา หรือไม่ก็ AGN แก่นดาราจักรที่มีหลุมดำมวลยิ่งยวดพลังงานสูงอยู่ตรงกลาง

chandra-crab_sciren
พัลซาร์ในเนบิวลาปู (M1) จากการซ้อนภาพสีแดงในช่วงแสงที่มองเห็นได้ (Optical) โดยกล้องฮับเบิล กับภาพรังสีเอกซ์โดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทรา (สีน้ำเงิน) สังเกตดีๆ จะเห็นลำพลังงานพวยพุ่งออกมา
m87_jet_sciren
ลำพลังงานพวยพุ่งออกมาจากแก่นของกาแล็กซี M87 ซึ่งกล้องฮับเบิลถ่ายไว้ได้ บ่งชี้ว่าใจกลางของมันอาจเป็น AGN ที่มีหลุมดำมวลยิ่งยวดอยู่ภายใน

ทั้งนี้ วัตถุส่วนใหญ่มักปลดปล่อยคลื่นวิทยุออกมาอย่างต่อเนื่อง คือสามารถวัดได้เรื่อยๆ แต่มีปรากฏการณ์บางอย่างที่ปลดปล่อยคลื่นวิทยุออกมาครั้งเดียวแต่พลังงานสูงมาก มีทั้งจากภายในกาแล็กซีทางช้างเผือกของเรา และบริเวณที่อยู่ห่างออกไปหลายล้านปีแสง ปรากฏการณ์นี้ก็คือ Fast Radio Burst นั่นเอง

Fast Radio Burst คืออะไร

Fast Radio Burst (FRB) หรือการลุกจ้าฉับพลันของคลื่นวิทยุที่เกิดขึ้นในเวลาสั้นๆ แต่ละครั้งกินเวลาไม่กี่มิลลิวินาที วัดได้จากกล้องโทรทรรศน์วิทยุบนโลกและในอวกาศ โดยกราฟของ FRB จะเป็นยอดคลื่นเดี่ยวๆ ที่พุ่งขึ้นมาท่ามกลางสัญญาณขนาดเล็กต่อเนื่อง ไม่เหมือนกับพัลซาร์ที่เกิดขึ้นต่อเนื่องและสัญญาณบนกราฟออกมาเป็นคาบชัดเจน

FRB ถูกค้นพบเป็นครั้งแรกในปี 2544 การตั้งชื่อ FRB จะตั้งตามปี เดือน วันที่ถูกค้นพบ เช่น FRB 010621 ซึ่งเป็น FRB อันแรกถูกค้นพบในวันที่ 21 มิถุนายน ค.ศ. 2001 เนื่องจาก FRB เกิดขึ้นสั้นๆ เพียงครั้งเดียว นักดาราศาสตร์จึงสันนิษฐานว่า ปรากฏการณ์ที่ทำให้เกิดการลุกจ้าสั้นๆ ได้ มี 4 สาเหตุหลักๆ ได้แก่

  1. การระเบิดหรือการชนกันระหว่างวัตถุที่มีพลังงานสูงอย่างดาวนิวตรอนหรือหลุมดำ
  2. การระเบิดของซูเปอร์โนวาพลังงานสูงที่อยู่ห่างไกล
  3. Blitzar หรือพัลซาร์ที่หมุนช้าลงจนแรงหนีศูนย์กลางสู้แรงโน้มถ่วงไม่ไหว จึงยุบตัวกลายเป็นหลุมดำ ปัจจุบันยังไม่มีการค้นพบ Blitzar เป็นเพียงข้อสมมติฐานเท่านั้น
  4. การระเบิดของดาวนิวตรอนในระบบดาวคู่ มักเกิดกับระบบที่เป็นดาวนิวตรอน 1 ดวงกับดาวฤกษ์หรือดาวแคระขาว เมื่อดาวนิวตรอนเกิดเข้าไปใกล้คู่ของมันจนไปดึงมวลของอีกฝ่ายมาเพิ่มให้กับตนเอง กระทั่งเกินขีดจำกัดที่รับไหวจึงเกิดการระเบิดหรือยุบตัว

ส่วนมาก FRB จะเกิดขึ้นเพียงครั้งเดียว ไม่เกิดซ้ำที่จุดเดิมอีก ดูเผินๆ จึงเป็นเหมือนปรากฏการณ์ธรรมดาทั่วไป แต่จะเกิดอะไรขึ้นหากสิ่งที่ทำให้ FRB เกิดไม่ธรรมดาขึ้นมา คือการที่มันมีสัญญาณปรากฏขึ้นซ้ำๆ ตรงจุดเดิม แถมเกิดถี่ขึ้นเรื่อยๆ เกินกว่าจะเป็นเรื่องบังเอิญ ปรากฏการณ์ดังกล่าวเพิ่งเกิดขึ้นไม่นานมานี้เอง หลังตรวจพบ FRB ที่มาจากแหล่งกำเนิดเดิมไม่ต่ำกว่า 17 ครั้ง แถมมาจากจุดที่ห่างไกลมากๆ ในเอกภพด้วย

121102 – Rogue One ในหมู่ FRB

FRB 121102 เป็นแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุพลังงานสูงที่อยู่ห่างออกไปราว 3 พันล้านปีแสงในกลุ่มดาวสารถี (Auriga) ค้นพบเมื่อวันที่ 2 พฤศจิกายน พ.ศ. 2555 โดย Dr. Laura Spitler จาก Max Planck Institute for Radio Astronomy ทว่าหลังจากนั้น 3 ปี คือปี 2558 กลับพบการปะทุอีก 2 ครั้งในเดือนพฤษภาคม อีก 8 ครั้งในเดือนมิถุนายน และล่าสุดอีก 6 ครั้งรวดในเดือนพฤศจิกายน โดยครั้งหลังสุดเกิดขึ้นในเวลาเพียง 10 นาที การค้นพบดังกล่าวได้รับการยืนยันในเดือนมีนาคม 2559 และตีพิมพ์ในวารสาร Astrophysics Journal เมื่อ 16 ธันวาคมที่ผ่านมา

frb121102_stel
ตำแหน่งของ FRB 121102 บนท้องฟ้า (วงกลมสีขาว) (ภาพจากโปรแกรม Stellarium 0.15.1 โดยผู้เขียน)

ในส่วนของสัญญาณวิทยุที่เกิดขึ้นซ้ำๆ นั้น ถูกพบโดยกลุ่มนักดาราศาสตร์จากหลายประเทศ นำโดย Paul Scholz จาก McGill University ประเทศแคนาดา โดยการปะทุ 6 ครั้งล่าสุดนั้น ถูกตรวจพบโดยกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่มีชื่อเสียงของโลก 2 ตัว ตัวแรกคือกล้องโทรทรรศน์ Green Bank (GBT) ในรัฐเวสต์เวอร์จิเนีย สหรัฐอเมริกา ตรวจพบการปะทุ 5 ครั้ง แต่ละครั้งมีขนาด 2.0 GHz ส่วนอีก 1 ครั้งมีขนาด 1.4 GHz พบโดยกล้องโทรทรรศน์วิทยุ Arecibo ทางตอนเหนือของเครือรัฐเปอร์โตริโก (Puerto Rico) ที่หลายคนอาจคุ้นเคยจากภาพยนตร์ James Bond ภาค GoldenEye และยังปรากฏในภาพยนตร์เรื่อง Contact ด้วย

graph
กราฟแสดงสัญญาณของ FRB 121102 ที่พบทั้งหมด 17 ครั้ง
greenbankarecibo
กล้องโทรทรรศน์ Green Bank และ Arecibo พระเอกของการค้นพบ FRB 121102 ในครั้งนี้ (ภาพซ้ายอนุเคราะห์โดย NRAO/AUI ภาพขวาโดย H. Schweiker/WIYN & NOAO/AURA/NSF)

เหตุผลที่ทำให้เชื่อว่าเป็นสัญญาณวิทยุจากที่เดียวกันจริงๆ เนื่องจากในการศึกษา FRB จะมีการวัดค่า Dispersion Measure (DM) หรือความหนาแน่นของประจุไฟฟ้าตลอดเส้นทางจากแหล่งกำเนิดจนถึงโลก อนุภาคเหล่านี้จะหน่วงให้คลื่นวิทยุเดินทางช้าลง ซึ่ง FRB มักจะมีค่านี้สูงมากเทียบกับวัตถุที่อยู่ในบริเวณเดียวกันแต่อยู่ในทางช้างเผือก จึงสามารถระบุได้ว่าเป็นการลุกจ้าที่มาจากนอกกาแล็กซีของเรา

dm_mix
(ซ้าย) กราฟแสดงค่า DM ของพัลซาร์ที่พบในบริเวณต่างๆ ของกาแล็กซีทางช้างเผือก สังเกตว่า DM จะมีค่าสูงเมื่อเข้าใกล้ระนาบกาแล็กซี เนื่องจากมีความหนาแน่นของสสารระหว่างดาวมาก (ขวา) จุดสีแดงที่เพิ่มเข้าไปมาจากสัญญาณที่อยู่นอกระนาบกาแล็กซีแต่มีค่า DM สูงพอๆ กัน แสดงให้เห็นว่ามีแหล่งกำเนิดมาจากนอกกาแล็กซี (ภาพจาก Astronomy & Space)
frb-graphic-online
แผนภาพแสดงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าขนาดต่างๆ ที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดพร้อมกันแต่ถูกอิเล็กตรอนหน่วงจนเคลื่อนที่ช้าลง โดยมีผลกับคลื่นยาว (สีแดง) มากกว่าคลื่นสั้น (สีฟ้า) คลื่นยาวจึงเดินทางช้ากว่าคลื่นสั้น เลยเห็นเป็นยอดคลื่นที่เวลาต่างกัน (Cr. Nik Spencer/Nature; Source: Fig. 1 In Keane, E. F. et al. Nature 530, 453–456 (2016))

สำหรับคลื่นที่ออกมาจาก FRB 121102 พบว่าทุกครั้งมีค่า DM เท่ากันคือ 559 ตัวต่อลูกบาศก์เซนติเมตรในหนึ่งพาร์เซก (cm−3 pc) ซึ่งมากกว่าค่าเฉลี่ยของกาแล็กซีทางช้างเผือกถึง 3 เท่า สัญญาณทั้ง 17 ครั้งจึงน่าจะมาจากแหล่งกำเนิดเดียวกัน

ว่าแต่สัญญาณดังกล่าวมีลักษณะออกมาซ้ำๆ แบบนี้ จะเป็นสัญญาณจากมนุษย์ต่างดาวแบบในเรื่อง Contact หรือเปล่านะ?

การปะทุซ้ำๆ เป็นลักษณะเฉพาะของ FRB 121102 ที่นักดาราศาสตร์ให้ความสนใจมาก เพราะปัจจุบันยังไม่สามารถหาข้อสรุปมาอธิบายได้ว่าเกิดจากสาเหตุใด แต่ไม่น่าจะมาจากดาวระเบิดหรือดาวชนกันที่ทำให้เกิดการปะทุได้ครั้งเดียวแน่ๆ นักดาราศาสตร์จึงสันนิษฐานเหตุการณ์ที่อาจทำให้เกิด FRB ไว้ 3 รูปแบบ คือ

  1. เป็นพัลซาร์อายุน้อย หรือดาวนิวตรอนสนามแม่เหล็กสูง (Magnestar) ที่เพิ่ง active ในช่วงแรกๆ
  2. พัลซาร์ธรรมดาๆ ถูกบังโดยดาวเคราะห์น้อยในแถบดาวเคราะห์น้อย สัญญาณจึงขาดหายเป็นช่วงๆ
  3. โนวาของดาวนิวตรอนในระบบดาวคู่ที่เข้าใกล้คู่ของมันมากเกินไป เพียงแต่เกิดการการระเบิดเป็นช่วงๆ

ทั้งนี้ คลื่นวิทยุที่ถูกส่งจากจุดที่ไกลถึง 3 พันล้านปีแสง ไกลกว่ากระจุกกาแล็กซีของเราที่มีขนาด 10 ล้านปีแสงเสียอีก แสดงว่าแหล่งกำเนิดของมันต้องอยู่ไกลออกไปมากๆ แถมไม่ใช่จากการระเบิดเพียงครั้งเดียว ปรากฏการณ์ที่ทำให้เกิดการปะทุนี้จะต้องใหญ่มากๆ หากสิ่งที่ทำให้มันเกิดขึ้นอยู่นอกเหนือไปจาก 3 เหตุการณ์ที่ทำนายไว้แล้ว อาจเป็นสิ่งที่ซับซ้อนเกินกว่าที่ความรู้ในปัจจุบันจะอธิบายได้ แต่ที่แน่ๆ ไม่น่าจะเป็นฝีมือของมนุษย์ต่างดาวแน่นอน ด้วยพลังงานของ FRB ที่เกิดขึ้นมีค่ามหาศาลมาก คิดเป็นประมาณ 1036 TeV (หรือ 4π x 1036 TeV เนื่องจากพลังงานจากแหล่งกำเนิดมีการแผ่ออกไปทุกทิศทางเป็นคลื่นทรงกลม) ขนาดเครื่องเร่งอนุภาคที่ CERN ยังสร้างได้สูงสุดเพียง 14 TeV ไม่ถึงเศษเสี้ยวของ FRB ด้วยซ้ำ จึงต้องเป็นปรากฏการณ์ใหญ่ยักษ์ระดับดวงดาวเท่านั้น

อย่างไรก็ตาม ไม่ได้มีแค่ FRB 121102 ที่เกิดการปะทุซ้ำ ยังมี FRB 121002 ในกลุ่มดาว Octant ที่เคยเกิดการปะทุ 2 ครั้งไล่เลี่ยกันเพียงแค่ 5.1 มิลลิวินาทีเท่านั้น แต่การปะทุซ้ำๆ ที่ดูเหมือนจะเกิดขึ้นกับ FRB 121102 เพียงแห่งเดียว ทำให้มันเป็นแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุที่นักดาราศาสตร์วิทยุทั่วโลกจับตามอง ด้วยคาดหวังว่าจะมีการปะทุเกิดขึ้นอีกในอนาคตอันใกล้

Fast Radio Burst สำคัญอย่างไร?

ตั้งแต่ FRB ถูกค้นพบมา นักดาราศาสตร์ก็ให้ความสนใจกับการตรวจจับสัญญาณของ FRB ให้ได้มากๆ โดยมองว่าการศึกษา FRB ก็เหมือนกับการฉายแสงไฟไปบนที่มืดที่ไม่เคยมีการสำรวจมาก่อน แต่ปัจจุบันมีการค้นพบ FRB บนท้องฟ้าเพียง 20 กว่าแห่งเท่านั้น ทั้งนี้ นักดาราศาสตร์เชื่อว่าในหนึ่งวันมี FRB เกิดขึ้นราว 2,000 ถึง 10,000 ครั้ง เพียงแต่เกิดขึ้นเร็วมากจนกล้องตรวจจับไม่ทัน หรือมีพลังงานอ่อนเกินไปจนกล้องแยกแยะไม่ได้ เพราะการจะพบ FRB ได้นั้น กล้องดังกล่าวจะต้องบังเอิญกราดผ่านตำแหน่งที่เกิดขึ้นพอดี

ในส่วนของการศึกษาตัว FRB เอง นอกจากหาข้อสรุปว่า FRB เกิดขึ้นจากอะไรกันแน่แล้ว นักดาราศาสตร์ยังพยายามหาความสัมพันธ์ระหว่างการระเบิดในช่วงคลื่นวิทยุกับช่วงคลื่นอื่นด้วย โดยล่าสุดนักดาราศาสตร์ได้ตรวจพบการปะทุของรังสีแกมมา (Gamma ray burst) ใน FRB อีกอันหนึ่งที่ชื่อ FRB 131104 นอกเหนือจากคลื่นวิทยุแล้วด้วย  เมื่อเราได้ข้อมูลจากช่วงคลื่นต่างๆ มากพ เราอาจสร้างโมเดลของ FRB ขึ้นมาเพื่ออธิบายตัว FRB ได้ชัดเจนมากขึ้น

FRB-150418-zoom
ภาพของ FRB 1504่18 ที่ซูมเข้าไปจนถึงแหล่งกำเนิด โดยใช้ภาพในช่วงแสงที่มองเห็นได้ (สีแดง) จากกล้องโทรทรรศน์ Subara ซ้อนกับภาพในช่วงคลื่นวิทยุจาก Parkes Radio Telescope (สีฟ้า) (เครดิตภาพ: © D. Kaplan (UWM), E. F. Keane (SKAO))

ในส่วนของนักดาราศาสตร์ที่เชื่อว่า FRB เกิดจากการระเบิดหรือการชนกันของดาวนิวตรอนหรือหลุมดำที่สามารถทำให้เกิดคลื่นแรงโน้มถ่วงได้ ไม่แน่ว่า FRB อาจเป็นร่องรอยแรกๆ ของปรากฏการณ์แรงโน้มถ่วงเชิงควอนตัม (Quantum Gravity Effect) ที่กำลังเป็นที่สนใจอยู่ ณ ขณะนี้

นอกจากนี้ ผลที่ได้โดยอ้อมจากการศึกษา FRB ก็คือค่า Dispersion Measure ที่วัดได้ เพราะค่านี้สามารถบอกได้ว่าแต่ละจุดในเอกภพมีความหนาแน่นเท่าไร หากเราพบ FRB มากขึ้น ก็อาจทำแผนที่คร่าวๆ ของเอกภพได้ ยิ่งไปกว่านั้น FRB ยังอาจบอกเราได้ว่าเอกภพประกอบด้วยอะไรบ้าง เพราะปัจจุบันเราเชื่อว่าเอกภพมีสสารที่เรามองเห็นเป็นส่วนประกอบเพียง 5% เท่านั้น ที่เหลือเป็นสสารมืดและพลังงานมืดที่มองไม่เห็น แต่มีอิทธิพลกับวิวัฒนาการของเอกภพ ไม่แน่การศึกษา FRB อาจนำไปสู่คำนวณสัดส่วนองค์ประกอบของเอกภพได้แม่นยำขึ้น

จะเห็นได้ว่า แม้แต่การระเบิดเล็กๆ (แต่ยิ่งใหญ่ไม่น้อย) ในอวกาศอย่าง FRB ก็สามารถแตกแขนงให้เกิดคำถามใหม่ๆ รวมถึงเป็นหนทางหนึ่งที่จะช่วยนักดาราศาสตร์หาคำตอบของจักรวาลได้อีกมากมาย ตั้งแต่องค์ประกอบของสสารระหว่างดาวจนถึงวิวัฒนาการของเอกภพ ไม่แน่ FRB นี่ละที่อาจช่วยไขปริศนาการกำเนิดของเอกภพให้เราก็เป็นได้

ดาราศาสตร์วิทยุ: กุญแจสู่เอกภพยุคแรกเริ่ม

parkes-radio-telescope
กล้องโทรทรรศน์วิทยุ Parkes Radio Telescope ท่ามกลางทางช้างเผือกยามค่ำคืน ถ่ายโดย Wayne Englund (ภาพจากเว็บไซต์ของ Australia Telescope National Facility)

ดาราศาสตร์วิทยุ (Radio Astronomy) เป็นสาขาหนึ่งของดาราศาสตร์ที่ศึกษาปรากฏการณ์ในอวกาศต่างๆ ในช่วงคลื่นวิทยุ ตามที่กล่าวเอาไว้ในตอนต้นว่า คลื่นวิทยุเป็นคลื่นพลังงานต่ำสามารถทะลุผ่านชั้นบรรยากาศของโลกมาได้ ในขณะที่คลื่นอื่นๆ จะถูกบล็อกหรือดูดซับโดยโมเลกุลแก๊สต่างๆ ในชั้นบรรยากาศ การจะเก็บข้อมูลในช่วงคลื่นที่สูงขึ้นไปได้ชัดเจน จะต้องส่งกล้องโทรทรรศน์ที่ออกแบบมาสำหรับความยาวคลื่นนั้นๆ ขึ้นไปอยู่ในวงโคจรรอบโลกเพื่อลดผลกระทบจากชั้นบรรยากาศ ในขณะที่คลื่นวิทยุเราสามารถสร้างกล้องโทรทรรศน์ที่รับจากบนพื้นโลกได้เลย แถมกล้องวิทยุยังสามารถเก็บข้อมูลจากวัตถุท้องฟ้าในเวลากลางวันก็ได้ ต่างจากกล้องเชิงแสงที่ต้องรอให้ถึงเวลากลางคืนจึงจะเปิดใช้งาน

jansky1
Karl Jansky กับ “กล้องวิทยุ” ตัวแรกของโลกที่ทำให้เขาค้นพบคลื่นวิทยุจากอวกาศ (ภาพอนุเคราะห์โดย National Radio Astronomy Observatory (NRAO))

นับตั้งแต่ Karl Jansky วิศวกรของ Bell Labs ค้นพบสัญญาณวิทยุจากนอกโลกเป็นครั้งแรกในปี 1933 ปัจจุบันมีกล้องโทรทรรศน์วิทยุบนโลกมากกว่า 100 แห่งกระจายตัวอยู่ในทุกทวีป โดยแบ่งออกเป็นกล้องวิทยุแบบเดี่ยว (Individual radio telescope) และแบบแทรกสอด (Interferometer) ซึ่งใช้จานรับสัญญาณหลายจานเรียงต่อกัน แต่ละแห่งจะออกแบบจานรับสัญญาณให้มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางสอดคล้องกับความยาวคลื่นของคลื่นวิทยุที่ต้องการตรวจวัด เพื่อให้มี “กำลังขยาย” สูงพอจะแยกสัญญาณดังกล่าวออกได้

1. กล้องโทรทรรศน์วิทยุแบบเดี่ยว (Individual Radio Telescope) เป็นกล้องโทรทรรศน์กำลังขยายไม่สูง สำหรับศึกษาวัตถุท้องฟ้าในช่วงคลื่นวิทยุความยาวคลื่นระดับมิลลิเมตร ประกอบด้วยตัว mount กับจานรับสัญญาณ (single-dish) แบบจานดาวเทียม หรือเป็นเสาอากาศ (antenna) รูปร่างต่างๆ ก็ได้ กล้องวิทยุแบบเดี่ยวที่สำคัญ ได้แก่

  • Arecibo Observatory ขนาด 305 เมตร เมือง Arecibo เครือรัฐเปอร์โตริโก
  • Robert C. Byrd Green Bank Telescope (GBT) ขนาด 100 เมตร สูงพอๆ กับอนุสาวรีย์วอชิงตัน
  • Parkes Radio Telescope ขนาด 64 เมตร ตั้งอยู่ที่รัฐนิวเซาท์เวลส์ ประเทศออสเตรเลีย
  • RATAN-600 ขนาด 576 เมตร เป็นกล้องวิทยุที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในโลก ตั้งอยู่ที่ Zelenchukskaya ประเทศรัสเซีย ประกอบด้วยกระจกปฐมภูมิสี่เหลี่ยมผืนผ้าต่อกันในแนวรัศมี มีกระจกทุติยภูมิเป็นวงแหวนอยู่ล้อมรอบ สัญญาณวิทยุจะสะท้อนจากกระจกปฐมภูมิไปยังกระจกทุติยภูมิก่อนสะท้อนเข้าเครื่องรับสัญญาณ

ล่าสุดที่ประเทศจีน มีการสร้างกล้องโทรทรรศน์วิทยุ Tianyan หรือ FAST (Five-hundred Meter Aperture Spherical Telescope) ขนาด 500 เมตร ขึ้นบนแอ่งระหว่างหุบเขาในมลฑลกุ้ยโจว เมื่อเปิดใช้งานจะเป็นกล้องโทรทรรศน์วิทยุเดี่ยวแบบจานรับสัญญาณที่ใหญ่ที่สุดในโลก ไม่นับ RATAN-600 เนื่องจากอันหลังไม่ได้เป็นจานเดี่ยว แต่ประกอบขึ้นจากกระจกหลายๆ แผ่นต่อกัน

csiro_scienceimage_4350_csiros_parkes_radio_telescope_with_moon_in_the_background
Parkes Radio Telescope ในประเทศออสเตรเลีย
1467733998_15_china-has-completed-the-creation-of-one-of-the-worlds-largest-radio-telescopes
500-m FAST ในประเทศจีน

2. กล้องโทรทรรศน์วิทยุแบบแทรกสอดสัญญาณ (Radio Interferometer) ประกอบด้วยกล้องวิทยุหลายๆ ตัวเรียงต่อกัน อยู่เป็นกลุ่ม หรือจะเป็นเครือข่ายของกล้องวิทยุที่อยู่ห่างกันข้ามทวีปก็ได้ มีไว้ศึกษาโครงสร้างภายในของวัตถุที่อยู่ห่างไกลมากๆ อย่างใจกลางกาแล็กซีอื่นๆ ซึ่งต้องใช้กล้องที่มีกำลังขยายสูงมากๆ ถึงจะสังเกตเห็นได้ ซึ่งลำพังกล้องตัวเดียวทำไม่ไหวแน่ๆ จึงต้องใช้กล้องหลายๆ ตัวทำงานร่วมกัน รวมถึงศึกษาคลื่นวิทยุคลื่นยาวในระดับเซนติเมตรจนถึงหลายเมตร ตั้งแต่คลื่นจาก AGN ที่อยู่ไกลออกไปมากจนถึงคลื่นที่เหลืออยู่จากเอกภพยุคแรกๆ กล้องที่มีชื่อเสียง ได้แก่

  • Very Large Array (VLA) ในรัฐนิวเม็กซิโก สหรัฐอเมริกา
  • Atacama Large Millimeter Array (ALMA) ตั้งอยู่บนเทือกเขาแอนดีส ประเทศชิลี
  • Very Large Baseline Interferometer (VLBI) เป็นเครือข่ายระหว่างกล้องวิทยุหลักๆ ทั่วโลก ทำหน้าที่เหมือนเป็น “จานรับสัญญาณ” ขนาดเท่าโลก ไว้คอยรับสัญญาณคลื่นวิทยุที่ความยาวคลื่นยาวมากๆ
vla_panorama_lo
Very Large Array ในรัฐนิวเม็กซิโก สหรัฐอเมริกา (ภาพจาก NRAO)
alma
กล้องโทรทรรศน์วิทยุ ALMA บนเทือกเขาแอนดีส (ภาพจาก Eurepean Southern Observatory (ESO))
vlbi_array
เครือข่ายของกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่เป็นส่วนหนึ่งของ VLBI (ภาพจาก NSF/HartRAO)

ในส่วนของประเทศไทยก็ไม่ยอมน้อยหน้า เพราะสถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติหรือ NARIT ของเรา ก็มีแผนจะสร้างกล้องโทรทรรศน์วิทยุแบบจานเดี่ยวขนาด 40 เมตร และแบบเสาอากาศขนาด 13 เมตรขึ้นที่ จ.เชียงใหม่ด้วยเช่นกัน ซึ่งจะถือเป็นกล้องวิทยุตัวแรกในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ด้วย หากกล้องตัวนี้สร้างเสร็จ วงการดาราศาสตร์วิทยุของไทยจะต้องก้าวไกลไม่น้อยไปกว่าประเทศอื่นๆ แน่นอน

เหตุที่นักดาราศาสตร์ทั่วโลกทุ่มเทกับการศึกษาคลื่นวิทยุเป็นอย่างมาก เนื่องจากคลื่นวิทยุทำให้เราเห็นเอกภพในมุมมองที่ตาของเราไม่สามารถมองเห็นได้ ได้เห็นโครงสร้างที่ซ่อนอยู่ภายในดวงอาทิตย์ หรือแม้แต่กาแล็กซีของเราจนนำไปสู่การค้นพบพัลซาร์และแหล่งคลื่นวิทยุ Sagittarius A* ที่ใจกลางกาแล็กซี รวมถึงช่วยให้เราพบวัตถุพลังงานสูงที่อยู่ห่างไกลอย่าง AGN หรือเควซาร์

342px-m87_vla_vlba_radio_astronomy
ภาพของกาแล็กซี M87 ในช่วงคลื่นวิทยุจาก VLA และ VLBI เผยให้เห็นสิ่งที่เหมือนจะเป็นหลุมดำอยู่ภายใน (ภาพอนุเคราะห์โดย NASA/NRAO/NSF/STScI/JHU)
gcrt-j1745-3009
ใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือกในช่วงคลื่นวิทยุ เผยให้เห็นโครงสร้างที่ถูกแสงและฝุ่นระหว่างดาวบดบัง อย่างซากซูเปอร์โนวาและแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุที่ปลายลูกศร (ภาพอนุเคราะห์โดย NRL/SBC Galactic Center Radio Group)

นอกจากนี้ นักดาราศาสตร์ก็กำลังให้สนใจกับการศึกษาเอกภพยุคแรกเริ่ม เพื่อหาคำตอบเกี่ยวกับการกำเนิดของเอกภพ รวมถึงโครงสร้างของเอกภพในยุคนั้น เช่น ดาวดวงแรกๆ หรือกาแล็กซีในยุคแรกๆ มีหน้าตาเป็นอย่างไร แต่การที่จะเข้าใจเอกภพในยุคแรกได้นั้น จะต้องค้นหาวัตถุท้องฟ้าที่ถือกำเนิดในยุคนั้นซึ่งอยู่ห่างออกไปเป็นหลักพันล้านปีแสง แม้วัตถุเหล่านั้นจะดับสิ้นไปแล้ว แต่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากมันยังหลงเหลืออยู่เนื่องจากแสงต้องใช้เวลาเดินทางเป็นพันล้านปีกว่าจะมาถึงเรา คลื่นที่แผ่ออกมามีหลายชนิดก็จริง แต่ก็ถูกการขยายตัวเอกภพยืดออกเป็นคลื่นวิทยุหมดสิ้น ยิ่งห่างออกไปมาก คลื่นก็ยิ่งยาวมาก เลยต้องใช้กล้องวิทยุที่มีกำลังขยายสูงๆ ถึงจะแยกสัญญาณจากวัตถุเหล่านั้นได้

universe-radio
ภาพจากดาวเทียมสำรวจคลื่นไมโครเวฟ Wilkinson (WMAP) เผยให้เห็นอุณหภูมิของเอกภพเมื่อประมาณ 13,000 ล้านปีก่อน (ภาพอนุเคราะห์โดย NASA/WMAP จากเว็บไซต์ The Hindu)

ถึงตรงนี้ จะเห็นได้ว่า ดาราศาสตร์วิทยุก็เป็นอีกสาขาหนึ่งที่มีความสำคัญต่อการไขปริศนาเอกภพ ถึงขนาดที่ชาติต่างๆ ยังให้ความร่วมมือสร้างเครือข่ายระหว่างกล้องแต่ละแห่งขึ้นมาเพื่อให้ได้ข้อมูลที่ใหญ่ขึ้น เพราะโดยพื้นฐานของดาราศาสตร์แล้ว การที่เราค้นพบสิ่งใหม่ๆ บ่งชี้ว่าเอกภพของเรายังมีอีกหลายอย่างที่เรายังไม่รู้จักและรอการค้นหา การค้นหาความรู้ใหม่ๆ จึงเป็นสิ่งที่มองข้ามไม่ได้

ผู้เขียนขอขอบคุณ พี่ภูมิ หรือนายจอมพจน์ วงศ์เพชรอักษร บัณฑิตภาควิชาฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ซึ่งปัจจุบันกำลังศึกษาต่อในระดับปริญญาโทสาขา Astrophysics ที่ Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn ประเทศเยอรมนี ที่ช่วยตรวจทานและให้คำแนะนำแก่ผู้เขียนตลอดในการเขียนบทความฉบับนี้

ขอบคุณข้อมูลจาก: Astrophysics Journal, AstronomyNowAncient-Code, NARITNature, NRAONSF/HartRAO, Sciencenew, Wikipedia (Fast Radio Burst, Radio Astronomy, Radio Telescope)

หมายเหตุ

– พาร์เซก (parsec; pc) เป็นหน่วยระยะทางที่ใช้ในอวกาศ วัตถุที่อยู่ห่างจากโลก 1 พาร์เซก จะมีการเปลี่ยนตำแหน่งไปเมื่อใช้วิธี Parallax (การวัดตำแหน่งดาวจากโลกห่างกัน 6 เดือน) เป็นมุม 1 พิลิปดา (arcsecond) หรือ 1/3600 องศา เทียบกับดาวพื้นหลัง โดย 1 พาร์เซก มีขนาดเท่ากับ 3.26 ปีแสงหรือประมาณ 30.8 ล้านล้านกิโลเมตร

– หน่วย [cm-3 pc] หมายถึงความหนาแน่นของอิเล็กตรอนตลอดความยาว 1 พาร์เซก หากต้องการทราบความหนาแน่นของอิเล็กตรอนในอวกาศจริงจะต้องหารด้วยระยะทางจากโลกถึงวัตถุนั้นในหน่วยพาร์เซกอีกทีหนึ่ง

– อิเล็กตรอนโวลต์ (electronvolt) เป็นหน่วยวัดพลังงาน 1 eV เท่ากับพลังงานที่ใช้เร่งอิเล็กตรอน 1 ตัวให้เคลื่อนที่ผ่านบริเวณที่มีความต่างศักย์ 1 โวลต์ มีค่าเท่ากับ 1.602 x 10-19 J  สำหรับพลังงานขนาด 1 TeV เท่ากับ 1 x 10¹² eV หรือ 1.602 x 10-7 J ยังถือว่าน้อยมาก เท่ากับพลังงานจลน์ของยุง 1 ตัวที่บินอยู่เท่านั้น

เขียนโดย

Pakawee Surarittikul

นิสิตชั้นปีที่ 4 ภาควิชาฟิสิกส์ ชอบทุกเรื่องราวเกี่ยวกับฟิสิกส์ วิทยาศาสตร์ ดาราศาสตร์ รวมถึงสุขภาพและการดูแลตนเอง