ดวงตาของชาวโลก

ภาพเนบิวล่าอินทรีย์	เราคงคุ้นกับชื่อยานอวกาศ ฮับเบิ้ล และคุ้นกับภาพอันงดงามจากจักรวาลโดยกล้อง ฮับเบิลกันมามากแล้ว      บนยานอวกาศฮับเบิ้ล มีกล้องหลายๆตัว แต่ตัวที่ทำหน้าที่หลัก ถ่ายภาพจำนวนมากที่สุดมาให้เราได้เห็นคือ กล้อง WFPC2 ซึ่งย่อมาจาก Wide Field and Planetary Camera 2 คือเป็นกล้องตัวที่สอง ชื่อย่อนี้ก็เรียกกันง่ายๆว่า วิฟพิค-ทู กล้องนี้ได้ถ่ายภาพสำคัญๆมาให้เราชมมากมาย ที่เป็นที่ฮือฮาที่สุด ก็คงเป็นภาพ เนบิวล่าอินทรีย์ ในปี ค.ศ. ๑๙๙๔ เพราะเป็นภาพที่แสดงแหล่งกำเนิดของดาวฤกษ์ เป็นครั้งแรก
	กล้อง วิฟพิคทู นี้ ถ่ายรูปมาแทบจะทุกอย่าง ตั้งแต่กาแล้กซี่อันไกลโพ้น มาจนถึงดาวเคราะห์ใกล้บ้านของเรา เช่น ดาวอังคาร โดยกล้องตัวนี้มีเลนส์กรองแสงถึง ๔๘ ตัว เพื่อให้กล้องถ่ายภาพในรังสีตั้งแต่ อุลตร้าไวโอเล็ต มาจนถึงรังสีอินฟราเรดใกล้ ตาของฮับเบิ้ล จึงมองเห็นคลื่นแสงได้ช่วงกว้างกว่าสายตามนุษย์      กล้องนี้ไม่ได้ใช้ฟิล์มดังเช่นกล้องถ่ายภาพที่เราใช้กัน แต่ใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า ซีซีดี หรือ CCD - Charged Coupling Devices ที่แต่ละชิ้นมีขนาด 800x800 pixels และมีความไวต่อคลื่นแสงเป็นอันมาก โดยสามารถมองเห็นคลื่นแสงได้น้อยกว่าตาเปล่าๆของคนเราจะรับรู้ได้ถึง หนึ่งพันล้านเท่า ! ปัจจุบันเราก็มี อุปกรณ์ซีซีดี ใช้กันในกล้องวีดีโอหรือกล้องถ่ายรูปแบบดิจิตอล แต่กล้องที่ทำมาขายให้ชาวมนุษย์ใช้ ก็ยังเอาความไวมาเทียบกับกล้องส่องสวรรค์เช่น กล้องวิฟพิคทู กันไม่ได้เลย      อุปกรณ์ ซีซีดี นี้ก็คือ วงจรอีเลคทรอนิคส์ ที่ทำด้วยสารที่ไวต่อพลังงานของคลื่นแสง ที่มีชิ้นส่วนขนาดเล็กมาก ซึ่งแต่ละชิ้นนับเป็นหนึ่งพิกเซลล์ของภาพ ที่มาวางเรียงต่อๆกันคล้ายมุ้งลวด เป็นหนึ่งกล้อง กล้องซีซีดี แต่ละตัวใน วิฟพิคทู จะมีเซลล์รับภาพ ๖๔๐,๐๐๐ เซลล์ หรือ พิกเซลล์นั่นเอง ใน วิฟพิคทู มีกล้อง ๔ ตัว รวมแต่ละภาพที่ถ่ายมาจะได้ ๒,๕๖๐,๐๐๐ พิกเซลล์ ด้วยกัน ภาพเหล่านี้จะถูกส่งลงมายังฝ่ายควบคุมภาคพื้นดิน แล้วถูกนำไปผ่านซอฟท์แวร์ที่วิเคราะห์และปรับปรุงแล้วประกอบเข้าด้วยกันเป็นภาพหนึ่งๆที่เราเห็น"ภาพ" หรือข้อมูลต่างๆในจักรวาล มาในรูปแบบของคลื่นแสงทั้งนั้น
	คลื่นแสงที่ "เรามองเห็นได้" จากดวงดาวจะมีสีขาว ประกอบด้วยคลื่นที่ตาของเรามองเห็นเป็นสีต่างๆที่แยกออกมาได้ แต่ละสีนั้น ที่จริงแล้วก็คือ คลื่นที่มีพลังงานต่างกัน กล่าวคือ มีความถี่และความยาวคลื่นต่างกันนั่นเอง คลื่นแสงที่เรามองเห็นได้ จะมีความยาวคลื่นระหว่าง ๔๐๐ ถึง ๗๐๐ นาโนเมตร(๑ นาโนเมตร = ๑ x ๑๐-๙เมตร) แต่กล้องวิฟพิคทู สามารถ "มองเห็น" คลื่นช่วงความถี่ยาวและสั้นกว่าที่ตาเราเห็นเล็กน้อย
	กล้องวิฟพิคทู เปลี่ยนความถี่ที่จะรับภาพ โดยอาศัยเลนส์กรองแสง ๔๘ ตัวที่ติดตั้งบนล้อหมุนดังภาพ เพื่อเปลี่ยนตำแหน่งตามแต่จะเลือกใช้ตัวไหน เช่น ถ้าต้องการจับภาพในรังสียูวี(หรืออุลตร้าไวโอเล็ตนั่นเอง) ก็ใช้เลนส์กรองแสงยูวีตรงคลื่นช่วงที่ต้องการ เลนส์กรองแสงก็จะปล่อยเฉพาะคลื่นที่มีความถี่ในช่วงยูวีที่ต้องการให้ตกมาที่ส่วนรับภาพ ซีซีดี เท่านั้น คลื่นความถี่อื่นๆจะถูกกรองออกไปหมด
	แสงที่ผ่านเลนส์กรองแสงออกไปก็จะมีแต่แสงที่เราต้องการเช่นนี้ ดังในภาพเป็นเลนส์ที่กรองแสงอื่นออกให้เหลือแต่สีเหลืองผ่านเข้ามาได้เพียงคลื่นเดียว

ที่มา : http://www.vcharkarn.com/astronomy/space/?Aid=110

ผสมสีระบายรูปให้ฮับเบิ้ล

     ภาพจากฮับเบิ้ล สร้างความตื่นตะลึงให้ชาวโลกมานับไม่ถ้วน แต่ถ้าเราสามารถขี่ยานไปดูเอง จะได้เห็นสีสรรค์จรรโลงใจเช่นนี้หรือไม่ สีสวยๆพวกนี้เป็นสีจริงๆหรือเปล่า

     คำถามพวกนี้ถ้าตอบโดยเอาสายตาของมนุษย์เป็นเกณฑ์เท่านั้น ก็คงต้องตอบว่าไม่ใช่ในบางกรณี และใช่ในบางกรณี

     การถ่ายรูปของกล้องดูดาวโดยทั่วไปไม่เหมือนกันที่เราใช้กล้องถ่ายภาพบนโลก เพราะโฟตอนที่เราได้รับจากดาวอันไกลโพ้นมีน้อยมาก การพยายามจับโฟตอนให้ได้มากที่สุด เราก็ต้องซอยช่วงคลื่นให้แคบลงกว่าที่ตามนุษย์จะมองเห็นตามปกติได้ จึงต้องรับภาพมาหลายๆช่วงคลื่นดังที่กล่าวมาแล้ว แล้วเอามาประกอบกันทีหลัง เมื่อตอนนำมาประกอบกันนี้ เราจึงสามารถ"กำหนด"ใช้สีอะไรแทนคลื่นช่วงไหนก็ได้ ขึ้นอยู่กับว่า นักวิทยาศาตร์ต้องการเห็นส่วนใดเป็นพิเศษ กล้องดูดาวไม่ได้มีไว้เพื่อถ่ายภาพสวยๆเป็นบุญตาให้เราดูว่า ถ้าเราท่องไปในอวกาศแล้วจะเห็นดาวเป็นอย่างไร แต่มีไว้เพื่อทำหน้าที่หลัก คือเพื่อศึกษาว่าดาวประกอบด้วยอะไร ระบบมันทำงานอย่างไร ฯลฯ เรื่องความสุนทรีย์เป็นเพียงผลพลอยได้เท่านั้น

     แต่ละภาพจากฮับเบิ้ล จึงจะมีรายละเอียดบอกไว้ว่าเป็นภาพในคลื่นรังสีอะไร เพื่อศึกษาความเป็นไปในพลังงานช่วงนั้นๆ สี จึงเป็นเพียงเครื่องมืออย่างหนึ่งที่นักวิทยาศาสตร์ใช้เป็นที่อ้างอิง ที่บางครั้งก็เพียงเพื่อบอกว่า ที่ตรงนั้นๆมีพลังงานในระดับใดเท่านั้นเอง หาใช่สีจริงๆที่ตาของเราจะเห็นได้ไม่ การที่เราได้รู้ว่า ส่วนไหนมีระดับพลังงานเท่าใด ก็ช่วยให้นักดาราศาสตร์เข้าใจกลไกทางฟิสิกส์ของดวงดาวได้ดีขึ้น

ดังตัวอย่าง ในภาพ เป็นภาพที่กล้องวิฟพิคทู ถ่ายในช่วงคลื่น มารวมกันให้ออกมาได้ภาพรวมเช่นนี้ ซึ่งจะเป็นสีที่ใกล้เคียงกับที่เรามองเห็นได้
สีแดง	สีเขียว	สีน้ำเงิน

     เนื่องจากการทำงานของสายตามนุษย์ จะผสมสีกันเองในสมองของเรา จริงๆแล้วประสาทตาแต่ละส่วนของเรา ก็แยกหน้าที่กันรับคลื่นที่ต่างกันนั่นแหละ จากคลื่นต่างๆที่เรติน่ารับมา เรติน่า หรือปลายประสาทรับคลื่นแสงในลูกตาของเรา ก็มีความไวต่อคลื่นแสงต่างๆกัน ทำให้แต่ละส่วนประสาทตาก็รับคลื่นแสงที่ซอยออกต่างกันไปเล็กน้อย ที่มาจาก "สี" ต่างกัน แล้วสมองจะผสมผสานกันทีหลังให้เกิดเป็นภาพสีรวมขึ้นมาทีหลัง การทำงานของ ซีซีดี ก็คล้ายๆกันกับการทำงานของประสาทตาของคน(ที่เราไม่รู้สึกตัว)นั่นเอง เราเลียนแบบภาพที่สมองของเราจะรับรู้ได้ ด้วยการเอาภาพที่รับมาในคลื่นความถี่ต่างๆกัน แล้วมากำหนดสีผสมกันทีหลัง หากผสมให้ถูกส่วนเช่นกันกับตาของเรา ก็จะได้ภาพ "ธรรมชาติ" คือใกล้เคียงตามที่ "ตามนุษย์" จะรับรู้ แต่ในบางครั้ง

นักดาราศาสตร์ต้องการศึกษาโครงสร้างในคลื่นรังสีอื่นที่มนุษย์มองไม่เห็น "ตามธรรมชาติ" ก็จะมีการ "กำหนด" สีเอามาใช้แทนรังสีนั้นๆ ภาพในรังสีอื่นที่ตาคนมองไม่เห็น จึงเป็นภาพที่ "ไม่เป็นธรรมชาติ" เมื่อเอาภาพรวมที่ตาคนมองเห็นเป็นหลักอ้างอิง

ตัวอย่างภาพสี "ธรรมชาติ" ของฮับเบิ้ล	ภาพ กาแลกซี่ Sombrero หรือหมวกเม็กซิกัน ซึ่งเป็นกาแล้กซี่ที่อายุค่อนข้างมาก สังเกตจากสีออกเหลือง ไม่มีดาวใหม่ๆที่จะออกสีฟ้าที่ปลายแขนกังหันมาก ในรูปที่เคยถ่ายด้วยกล้องดูดาวภาคพื้นดิน(โดย Anglo-Australian Observatory) จะมองไม่เห็นโครงสร้างของแขนมากนัก เพราะมุมมองจากโลกจะมองจากขอบตรงๆ แต่ฮับเบิ้ลสามารถเก็บรายละเอียดได้มากกว่า จึงเห็นได้ชัดว่า แขน spiral arms ของกาแล้กซี่นี้บิดเบี้ยวไปเล็กน้อย ไม่ตรงกับแนวระนาบของขอบ ซึ่งนักทฤษฎีอธิบายว่า คงจะมาจากแรงชนปะทะกับกาแล้กซี่อื่นในอดีตมาก่อน
ตัวอย่างภาพที่ถ่ายในคลื่นแสง อินฟราเรด	ภาพดาวเสาร์ในรังสีอินฟราเรด ซึ่งมีพลังงานต่ำกว่าที่ตาคนสามารถมองเห็นได้ นักดาราศาสตร์ที่ถ่ายภาพ เทียบสีโดยกำหนดให้ใช้สี น้ำเงิน แทนช่วงคลื่นอินฟราเรดที่มีพลังงานมากที่สุด(ความยาวคลื่นสั้นที่สุด) สีเขียว แทนคลื่นช่วงกลาง และ สีแดง แทนคลื่นช่วงที่มีพลังงานน้อยที่สุด ในช่วงคลื่นอินฟราเรดที่จับภาพมาได้ จึงเป็นสีที่ตาเราจะมองไม่เห็นเป็นอย่างนี้ แต่จะช่วยให้นักดาราศาสตร์ ศึกษารายละเอียดของชั้นเมฆในบรรยากาศของดาวเสาร์ ที่"ปกติ" เราไม่มีทางศึกษาได้จากกล้อง "ธรรมดา" ที่จับภาพในคลื่นแสงที่ตาคนมองเห็นบรรยากาศดาวเสาร์ได้ดีขึ้นด้วย
ในแถบศูนย์สูตร เมฆสะท้อนรังสีกลับได้มากที่สุด จากมุมมองของฮับเบิ้ล จึงได้ทั้งคลื่นที่กำหนดให้เป็นสีเขียวและแดงผสมกันออกมาเป็นสีเหลือง(ตามการผสมคลื่นแสงแบบนี้ ไม่ใช่สีที่ได้ออกมาเวลาผสมสีวาดรูป) เหนือขึ้นไปแถบขั้วดาว ชั้นเมฆชั้นบนมีมุมสะท้อนไม่ตรงมาก จึงสะท้อนรังสีกลับมาไม่มาก ทำให้เราสามารถมอง "ทะลุ" ลงไปในชั้นเมฆได้มากกว่าแถบศูนย์สูตร เมฆชั้นล่างลงไปมีพลังงานมากกว่า จึงสะท้อนสีน้ำเงินออกมาดังภาพ
ตัวอย่างภาพที่ "เล่นสีเสริม"	ภาพ เนบิวล่าตาแมว เป็น เนบิวล่าดาวเคราะห์ คือดาวฤกษ์ขนาดใกล้เคียงกับดวงอาทิตย์ ที่ใกล้ถึงจุดดับของชีวิต กำลังโยนสาดมวลสารออกสู่อวกาศ ด้วยแรงปะทะจากการระเบิดภายใน ที่ให้พลังงานให้มวลแต่ละส่วนแต่ละสาร เปล่งแสงเรืองออกมาต่างกันแล้วแต่ธาตุของมวลเหล่านั้น      ภาพนี้ ถ่ายมาตรงคลื่นแสงจำเพาะ ที่ธาตุบางอย่างเปล่งแสงออกมาเมื่ออีเลคตรอนคายพลังงานที่ได้รับออกโดยกำหนด สี ให้ สีแดง แทนคลื่นที่เปล่งจาก อะตอมของไฮโดรเจน สีน้ำเงิน จาก อะตอมของออกซิเจน และ สีเขียว จากไออ้อนของไนโตรเจน(คืออะตอมไนโตรเจนที่สูญอีเลคตรอนไปหนึ่งตัว)

แล้วทำไมขอบมันต้องหยึกหยักด้วย

	หลายๆครั้งที่เราเห็นภาพจากฮับเบิ้ล จะมีขอบเป็นหยักๆ เหลือพื้นที่สีดำๆเหมือนกับงบไม่พอถ่ายยังงั้นแหละ หลายคนคงจะเคยสงสัยมาบ้าง เช่น เมื่อได้เห็นภาพล่าสุด ซึ่งเป็นภาพที่ออกข่าวโดยไม่ได้คร็อพของ กลุ่มเมฆ Thackeray's Globules ใน IC 2944 ดังภาพข้างซ้ายมือ
	ที่เป็นเช่นนี้ก็เนื่องจากว่า กล้องวิฟพิคทู ประกอบด้วยกล้องย่อยๆสี่ตัว ซึ่งทำให้มันสามารถเห็นขอบฟ้าได้กว้างกว่ากล้องเดี่ยวๆจะทำได้ โดยมีกล้องที่มองได้ไกลๆมีเลนส์หน้ากว้าง คือกล้อง Wide Field สามตัว และกล้องตัวที่สี่เป็นกล้องไว้ดูรายละเอียดคือ Planetary camera ที่มีหน้าแคบกว่า แม้จะมีจำนวนพิกเซลส์เท่ากัน แต่จะให้รายละเอียดมากกว่า หรือมี resolution สูงกว่า      โดยการรับแสงจากกระจกหลายตัวที่ติดตั้งด้วยระบบซับซ้อน ส่งแสงต่อกันจนมาถึงตัวอุปกรณ์ซีซีดีของกล้อง แสงจะถูกหักเหให้ตกไปที่กล้องแต่ละตัวต่างกัน
	เนื่องจากกล้องสามตัวที่มีหน้ากล้องกว้าง รูปที่ได้เอามาต่อกันจากสี่เหลี่ยมจตุรัสสามรูปมาต่อกันเป็นตัว L ก็ได้ขนาดเท่าๆกัน
	แต่จากกล้องที่สี่ ที่มีกำลังขยายสูงกว่า เมื่อมาปรับให้สเกลเท่ากันกับกล้องเลนส์กว้างแล้ว รูปที่ได้มาจากกล้อง PC มีพื้นที่ครอบคลุมน้อยกว่า WF สามกล้องแรก แต่เพื่อความถูกต้องของสเกลก็ต้องปรับรูปที่ ๔ ให้มีสเกลเดียวกัน เมื่อเอามาต่อกันที่เรียกว่า โมเสค แล้ว ก็จะได้รูปไม่เต็ม มีพื้นที่สีดำที่เหลือ ดูรวมๆกันแล้วก็มีขอบหยึกหยักดังภาพข้างบน (เพื่อประกันว่า ภาพโมเสคที่มาต่อซ้อนกันในขั้นสุดท้าย จะต่อได้สนิทไม่มีรอย ในการถ่ายภาพ จะถ่ายซ้ำตรงขอบ เพื่อให้มาประสานกันได้โดยไม่มีรอยต่อ โดยจะมีข้อกำหนดมาอย่างชัดเจนเป็นหลักปฏิบัติเลยว่า ให้มีกี่พิกเซลล์ตรงขอบที่จะให้ถ่ายซ้ำซ้อนกับขอบของภาพจากกล้องอื่น)

เพราะว่าถ้าไม่สเกลรูป ภาพในส่วนที่ได้จาก PC จะได้สัดส่วนไม่เท่ากันกับสามภาพที่ได้จาก WF รูปก็จะต่อกันไม่สนิท และออกมาอย่างนี้

      แทนที่จะเป็นอย่างนี้

แต่ในหลายครั้ง ภาพที่นำออกสู่สายตาก็ได้รับการคร็อพให้เต็มพื้นที่สี่เหลี่ยมดังเช่นภาพกาแล้กซี่ NGC 6782 นี้

จากตามัวมาเป็นตาใส

     จากความซับซ้อนของการตัดทอน หักเห ส่งลำแสงแบ่งไปยังกล้องต่างๆภายในกล้องวิฟพิคนี้ ต้องอาศัยความแม่นยำของส่วนโค้งในกระจกเป็นอย่างสูง ความโค้งของกระจกหลัก(Primary Mirror) ต้องกรอให้คลาดเคลื่อนได้อย่างมากไม่เกิน หนึ่งในล้านนิ้ว

(อุปกรณ์ COSTAR ที่กำลังถูกนำไปประกอบในยานฮับเบิ้ล)	เมื่อยานฮับเบิ้ลขึ้นไปปฏิบัติการเป็นครั้งแรกในปี ค.ศ. ๑๙๙๐ นักดาราศาสตร์ก็พบว่า มีปัญหาที่กระจกหลักกรอมาไม่ถูก ทำให้ภาพมัวไปอย่างแก้อะไรไม่ได้ จนในปี ค.ศ. ๑๙๙๓ ก็ได้นำอุปกรณ์ COSTAR(Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement) ตัวใหม่ไปใส่ แล้วเปลี่ยนกล้อง WFPC มาใช้ตัวใหม่คือ WFPC2 ที่ใช้มาจนถึงปัจจุบัน
	ทำให้ภาพหลังจากการซ่อมปรับปรุง ออกมาได้คมชัดกว่าก่อนมาก

     การถ่ายภาพนั้นมีขั้นตอนซับซ้อนยุ่งยากมาก สรุปโดยคร่าวๆแล้ว นักวิทยาศาสตร์จะต้องเขียนโครงการนำเสนอขอใช้กล้อง และต้องบอกตำแหน่งที่จะถ่าย จะให้เป้าที่ถูกถ่ายอยู่ตรงส่วนไหนของกล้องไหนอย่างแจ่มชัด เมื่อโครงการได้รับอนุมัติ โดยคณะกรรมการอันประกอบด้วยผู้ทรงคุณวุฒิระดับโลกทางดาราศาสตร์ ที่ต้องพิจารณาว่า เป็นโครงการที่จะได้ผลคุ้มค่ากับการปฏิบัติการของฮับเบิ้ลแล้ว การปฏิบัติการก็โดยเล็งกล้องไปยังเป้าหมายที่จะถ่าย ให้ภาพตกลงยังกล้องที่กำหนด โดยนักวิทยาศาสตร์ผู้ขออนุมัติ (ที่จะต้องศึกษาวิธีการทำงานของกล้องมาอย่างละเอียดเสียก่อนที่จะมาขอใช้ ไม่ใช่หวังว่ามีไอเดียดีแล้วจะมาสั่งๆให้คนอื่นเอาไปปฏิบัติให้ทั้งหมด โดยไม่ต้องลงแรงเองบ้าง) แล้วปรับให้ตัวกล้องเคลื่อนย้ายไปให้ได้ภาพตกลงยังตำแหน่งที่ต้องการ ดังในภาพ เป้าหมายที่จะถ่าย เป็นวัตถุที่มีนิวเคลียส และลำเจ๊ทเป็นส่วนประกอบ ก็ต้องกำหนดมาก่อนให้แน่นอนว่า จะให้นิวเคลียสถ่ายโดยกล้องไหน ลำเจ๊ตหันไปทางไหน และตกลงที่กล้องไหน ฯลฯ เป็นต้น จากนั้นนักดาราศาสตร์ผู้ขออนุมัติใช้ ก็ต้องเอาข้อมูลที่ได้ ซึ่งทางโครงการฮับเบิ้ลจะทำมาให้ขั้นหนึ่ง แต่ไม่ใช่ขั้นสุดท้าย นักดาราศาสตร์เป็นผู้เอาไปประกอบเป็นภาพไปทำการศึกษาวิจัยเอาเอง ที่บางครั้งต้องใช้เวลาเป็นปีๆ เมื่อสรุปผลให้แถลงเป็นข่าวได้แล้ว ก็จะแถลงในนามของโครงการฮับเบิ้ล ชื่อของนักดาราศาสตร์เจ้าของผลงาน จะปรากฏอยู่ใต้รูปที่ออกมาพร้อมกับข่าว

เช่น ภาพโปรโตสตาร์ที่มีลำเจ๊ต หรือที่เรียกว่า วัตถุเฮอร์บิกขฮาโร เช่นนี้ มาจากผลงานของนักดาราศาสตร์สามท่านดังชื่อที่ปรากฏในภาพ