ภารกิจพลิกโฉมดวงอาทิตย์ให้เป็นเลนส์กล้อง เพื่อค้นหาสิ่งมีชีวิตต่างดาว

Highlights

• ความหวังที่จะได้เห็นพื้นผิวของดาวเคราะห์ต่างระบบ
• ความเป็นไปได้ทั้งในเชิงทฤษฎีและปฏิบัติ
• ความท้าทาย
• อนาคตจะพาเรามองย้อนอดีต

ตลอดระยะเวลาหลายสิบปีที่ผ่านมานี้ เราได้ค้นพบดาวเคราะห์ที่อยู่นอกเหนือไปจากระบบสุริยะของเราไว้อย่างมากมายเป็นจำนวนถึง 4,905 ดวง ซึ่งก็มีดาวเคราะห์หลายสิบดวงด้วยกันที่อยู่ในระยะห่างจากดาวฤกษ์เหมาะสมพอดิบพอดี ทำให้มีอุณหภูมิพอเหมาะที่น้ำคงสถานะเป็นของเหลวได้ ดังนั้นจึงมีความเป็นไปได้มหาศาลที่จะมีสิ่งมีชีวิตถือกำเนิดขึ้นมา แต่ทว่ากลับเป็นเรื่องน่าเศร้าที่เราไม่สามารถยืนยันการมีอยู่ของสิ่งมีชีวิตต่างดาวได้เลย เนื่องจากกล้องโทรทรรศน์ของเราในปัจจุบันไม่มีศักยภาพเพียงพอที่จะเผยโฉมลักษณะพื้นผิวของดาวเคราะห์ห่างไกลได้ แม้แต่กล้องโทรทรรศน์อวกาศสุดล้ำยุคอย่าง เจมส์ เว็บบ์ (James Webb) เองก็ตาม ยิ่งวิธีการส่งยานอวกาศข้ามระบบดาวนั้นก็ยังเป็นเรื่องที่ไกลเกินเอื้อมสำหรับมนุษย์อยู่มาก นักดาราศาสตร์จึงพยายามเสาะหาทุกวิถีทางเพื่อที่จะถ่ายภาพคุณภาพสูงของดาวเคราะห์นอกระบบขึ้นมา โดยหนึ่งในวิธีที่ดีสุดอาจเป็นการจ้องมองกลับไปที่ดวงอาทิตย์ของเราเอง…

รู้จักกับเลนส์ความโน้มถ่วง (Gravitational Lensing)

ย้อนกลับไปเมื่อร้อยกว่าปีก่อน อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ได้คาดการณ์ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปว่าแรงโน้มถ่วงสามารถบิดโค้งพื้นที่ปริภูมิเวลาได้ ทำให้แสงมีทิศทางที่เปลี่ยนไปเมื่อปะทะกับสนามโน้มถ่วงที่ทรงพลัง ไม่ต่างอะไรจากการที่เลนส์กล้องหักเหแสงก่อนที่จะตกลงไปยังเซนเซอร์ ทำให้นักดาราศาสตร์ต่างเรียกคุณสมบัตินี้ว่า เลนส์ความโน้มถ่วง (Gravitational Lensing) ซึ่งเราสามารถสังเกตเห็นได้อย่างชัดเจนผ่านปรากฏการณ์ที่เรียกว่า “วงแหวนไอน์สไตน์” (Einstein Ring) โดยที่ในเวลาต่อมาคุณสมบัตินี้ก็ได้กลายเป็น 1 ใน 5 วิธีหลักในการค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบ และช่วยให้นักดาราศาสตร์ระบุตำแหน่งของสสารมืดระหว่างดวงดาวได้อย่างแม่นยำมากขึ้นอีกด้วย

จนกระทั่งในปี 2020 หนึ่งในหน่วยงานของนาซาที่มีชื่อว่า ห้องปฏิบัติการแรงขับเคลื่อนไอพ่น (Jet Propulsion Laboratory) ได้ตีพิมพ์งานวิจัยชิ้นหนึ่งออกมา โดยนักฟิสิกส์ชื่อ ดร.สลาวา ทูรีเชฟ (Slava Turyshev) เสนอว่าเราสามารถถ่ายภาพดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะด้วยความคมชัดสูงได้ โดยใช้คุณสมบัติเลนส์ความโน้มถ่วงจากดวงอาทิตย์ของเราเอง โดยวิธีการส่งยานอวกาศเดินทางออกไปยังจุดโฟกัส (Focal Point) หรือบริเวณที่ลู่แสงเดินทางไปตัดกันพอดี ในระยะที่อยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ไปราว 8 หมื่นล้านกิโลมตร ซึ่งเมื่อนำข้อมูลมวลดวงอาทิตย์ที่ส่งผลกระทบต่อปริภูมิเวลามาคำนวณ ก็จะพบว่าเลนส์ความโน้มถ่วงจากดวงอาทิตย์จะมีกำลังขยายมากกว่า 1 แสนล้านเท่า เทียบกับกล้องโทรทรรศน์ของ กาลิเลโอ ที่มีกำลังขยายเพียง 20 เท่า ดังนั้นผลลัพธ์ที่ได้จะไม่ใช่แค่ภาพเพียง 1 พิกเซลอย่างแน่นอน แต่เป็นหลายร้อยถึง 1 พันพิกเซล ทรงพลังมากพอที่จะเห็นผืนทวีปและมหาสมุทรของดาวเคราะห์ห่างไกล หรือแม้แต่แสงสว่างจากมหานครของอารยธรรมต่างดาว

หากปราศจากกำลังขยายจากดวงอาทิตย์แล้ว เราก็คงจะต้องสร้างกล้องโทรทรรศน์อวกาศที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางกว่า 75,000 กิโลเมตร หรือใหญ่กว่าโลกถึง 6 เท่า ซึ่งไม่มีทางเป็นไปได้ เมื่อคำนวณจากมวลมหาศาลในการขนส่งและผลกระทบจากแรงไทดัลของโลกที่จะบดขยี้กล้องโทรทรรศน์อวกาศออกเป็นเสี่ยง ๆ ทำให้วิธีการเปลี่ยนดวงอาทิตย์ให้เป็นเลนส์กล้องดูเป็นไปได้ในทางปฏิบัติมากกว่า แต่เราก็ปฏิเสธไม่ได้ว่าแนวคิดนี้มีความท้าทายทางวิศวกรรมอยู่มากเช่นกัน

ความท้าทาย

เริ่มจากระยะของจุดโฟกัสที่อยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ถึง 80,000 ล้านกิโลเมตร หรือคิดเป็น 550 เท่าของระยะทางระหว่างโลกและดวงอาทิตย์ (หรือเรียกว่า 550 หน่วยดาราศาสตร์) เพื่อให้เห็นภาพได้ง่ายขึ้น ยานอวกาศวอยเอเจอร์ 1 ของนาซาได้เดินทางออกนอกระบบสุริยะของเราไปด้วยความเร็วประมาณ 17 กิโลเมตรต่อวินาที เมื่อเทียบกับโลก สมมติว่ายานอวกาศวอยเอเจอร์ต้องเดินทางจากโลกไปยังจุดโฟกัสนี้จะต้องใช้เวลาถึง 200 ปี ดังนั้นการออกแบบกล้องโทรทรรศน์สำหรับใช้เลนส์สุริยะจะต้องใช้เครื่องยนต์ยานอวกาศรุ่นใหม่แทน ไม่ว่าจะเป็นแบบนิวเคลียร์หรือเรือใบสุริยะที่ใช้โฟตอนในการขับเคลื่อนก็ตาม

อีกหนึ่งความท้าทายต่อมาก็คงจะเป็นเรื่องความสว่างจ้าจากชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ ที่อาจฉาบให้ภาพของเรากลายเป็นสีขาวทั้งหมด ทำให้เราต้องเลื่อนจุดโฟกัสออกไปให้ไกลมากขึ้นกว่าเดิมถึง 100 หน่วยดาราศาสตร์ เพื่อลดผลกระทบจากแสงรบกวนจากดวงอาทิตย์ลง ควบคู่กับการพัฒนาเทคโนโลยีสำหรับการบดบังแสงอาทิตย์ภายในเซนเซอร์กล้องที่เรียกว่าโคโรนากราฟ (Coronagraph) โดยเครื่องมือนี้จะบดบังแสงอาทิตย์ด้วยวิธีการสร้างสุริยุปราคาแบบหลอก ๆ ขึ้นมา ซึ่งตามปกติแล้วเรามักจะใช้โคโรนากราฟบดบังแสงของดวงดาวห่างไกลมากกว่าที่จะใช้กับดวงอาทิตย์

หากเราสามารถแก้ไขปัญหาทางด้านวิศวกรรมได้สำเร็จแล้วละก็ นักดาราศาสตร์ก็ยังต้องเจอปัญหาด้านภาพถ่ายเป็นลำดับต่อไป เนื่องจากภาพที่เราจะได้เห็นจากเลนส์ดวงอาทิตย์จะไม่ได้มีลักษณะเป็นภาพดาวเคราะห์กลมมนสวยงามแต่อย่างใด แต่กลับเป็นภาพพื้นผิวของดาวเคราะห์กระจัดกระจายอยู่ในวงแหวนเบลอ ๆ ที่ถูกบิดโค้งวนรอบดวงอาทิตย์ แบบภาพวงแหวนไอนสไตน์ที่เราเคยเห็น จนยากที่จะนำข้อมูลแต่ละพิกเซลกลับมาเรียงกันใหม่ให้สมบูรณ์ ในขณะที่ตัวกล้องโทรทรรศน์อวกาศก็ต้องปรับโฟกัสไล่ไปตามแต่ละบริเวณพื้นผิวของดาวเคราะห์นอกระบบอย่างแม่นยำตามช่วงเวลาที่ดาวเหล่านั้นหมุนรอบตัวเอง ซึ่งต้องอาศัยซอฟต์แวร์คอมพิวเตอร์ขั้นสูงมาช่วยจัดวางภาพใหม่เพิ่มเติม

บทส่งท้าย

เรียกได้ว่าการใช้ดวงอาทิตย์เป็นเลนส์ขนาดยักษ์นั้น ทำให้เรามีศักยภาพกล้องโทรทรรศน์อวกาศขนาดใหญ่หลายหมื่นล้านกิโลเมตรอยู่ในมือ ซึ่งอาจพลิกโฉมวงการสำรวจอวกาศไปอย่างสิ้นเชิง จากการสังเกตเห็นพื้นผิวทวีปของดาวเคราะห์ต่างระบบ ไม่ว่าจะเป็นสายน้ำ หุบเขา ป่าเขตร้อน หรือแม้แต่มหานครของอารยธรรมต่างดาว ก็ไม่อาจรอดพ้นสายตาเราไปได้ เพียงแต่เราต้องแก้ไขปัญหาทางวิศวกรรมให้ได้เสียก่อนเท่านั้นเอง ไม่แน่ว่าในอนาคตหากมนุษยชาติสามารถคิดค้นเทคโนโลยีที่เดินทางเร็วกว่าแสงได้จริง ลูกหลานของเราอาจจะสร้างกล้องโทรทรรศน์ที่ใช้ดาวฤกษ์ห่างไกลเป็นเลนส์หันกลับมามองโลกของเราเอง เพื่อเรียนรู้เรื่องราวของบรรพบุรุษไร้นามทั้งหลายที่ได้พามนุษยชาติไปสู่ดวงดารา

อ้างอิง

Using the Sun as a Cosmic Telescope

The Future of Space-based Astronomy

Einstein’s ‘Impossible’ Experiment Finally Performed

Image formation for extended sources with the solar gravitational lens

Direct Multipixel Imaging and Spectroscopy of an Exoplanet with a Solar Gravitational Lens Mission

If We Used the Sun as a Gravitational Lens Telescope, This is What a Planet at Proxima Centauri Would Look Like