กล้องโทรทรรศน์อวกาศ XRISM เปิดมิติใหม่แห่งการสำรวจอวกาศ

การศึกษาจักรวาลไม่ได้จำกัดอยู่เพียงแค่แสงที่เรามองเห็นได้ด้วยตาเปล่าเท่านั้น แต่ยังมีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอีกหลายช่วงที่ให้ข้อมูลอันล้ำค่า หนึ่งในนั้นคือ “รังสีเอกซ์” ซึ่งเป็นกุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจปรากฏการณ์ในอวกาศที่รุนแรงและมีพลังงานสูง และกล้องโทรทรรศน์อวกาศ (space telescope) ที่ถูกสร้างขึ้นมาเพื่อภารกิจนี้โดยเฉพาะก็คือ กล้องโทรทรรศน์อวกาศ XRISM นั่นเอง

กล้องโทรทรรศน์อวกาศ XRISM คืออะไร?

XRISM ย่อมาจาก X-ray Imaging and Spectroscopy Mission เป็นภารกิจความร่วมมือระหว่างองค์การสำรวจอวกาศญี่ปุ่น (JAXA) องค์การบริหารการบินและอวกาศแห่งชาติสหรัฐอเมริกา (NASA) และองค์การอวกาศยุโรป (ESA) โดยมีเป้าหมายหลักเพื่อสำรวจจักรวาลในช่วงรังสีเอกซ์พลังงานต่ำ (soft X-ray)

กล้องโทรทรรศน์อวกาศตัวนี้ถูกส่งขึ้นสู่อวกาศเมื่อวันที่ 7 กันยายน พ.ศ. 2566 พร้อมกับยานลงจอดดวงจันทร์ SLIM (สลิม) โดยจรวดนำส่ง H-IIA (เอช-ทู-เอ) ของญี่ปุ่น เพื่อไปปฏิบัติภารกิจในวงโคจรโลกระดับต่ำ (Low Earth Orbit) ที่ความสูงประมาณ 550 กิโลเมตร

ภารกิจและวัตถุประสงค์หลักของ XRISM

XRISM เป็นภารกิจความร่วมมือระดับนานาชาติที่นำโดยองค์การสำรวจอวกาศญี่ปุ่น (JAXA) โดยมีองค์การบริหารการบินและอวกาศแห่งชาติสหรัฐอเมริกา (NASA) และองค์การอวกาศยุโรป (ESA) เข้าร่วมอย่างแข็งขัน ภารกิจนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อฟื้นฟูความสามารถทางวิทยาศาสตร์ที่สูญเสียไปจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Hitomi (ASTRO-H) ของญี่ปุ่นที่ประสบอุบัติเหตุในปี พ.ศ. 2559 โดยเน้นไปที่การสังเกตการณ์ในช่วง รังสีเอกซ์พลังงานต่ำ (Soft X-ray)

วัตถุประสงค์ทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญ

1. การทำความเข้าใจโครงสร้างและวิวัฒนาการของเอกภพ:
   • ก๊าซร้อนในกระจุกกาแล็กซี: กระจุกกาแล็กซีเป็นโครงสร้างที่ใหญ่ที่สุดในเอกภพที่ยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงโน้มถ่วง ก๊าซส่วนใหญ่ในกระจุกกาแล็กซีมีอุณหภูมิหลายสิบล้านองศาเซลเซียสและปล่อยรังสีเอกซ์ออกมา
   • XRISM ใช้การวิเคราะห์สเปกตรัมความละเอียดสูงเพื่อวัดความเร็วการเคลื่อนที่ (ผ่านปรากฏการณ์ดอปเปลอร์) และองค์ประกอบทางเคมีของก๊าซร้อนเหล่านี้ เพื่อทำความเข้าใจว่าสสารและพลังงานมีการไหลเวียนอย่างไรในโครงสร้างขนาดมหึมา และการก่อตัวของโครงสร้างเอกภพเป็นไปตามทฤษฎีได้อย่างไร
2. การศึกษาการสร้างและการกระจายตัวของธาตุหนัก:
   • กำเนิดธาตุ: ธาตุหนัก เช่น เหล็ก ซิลิคอน และกำมะถัน ถูกสร้างขึ้นจากการระเบิดของดาวฤกษ์ขนาดใหญ่ (ซุปเปอร์โนวา) และถูกพัดพาไปในอวกาศ
   • XRISM จะตรวจวัด “ลายเซ็น” ของธาตุเหล่านี้ในสเปกตรัมรังสีเอกซ์ของซากซุปเปอร์โนวาและก๊าซระหว่างดวงดาว ทำให้ทราบได้อย่างแม่นยำว่าธาตุสำคัญต่อชีวิตเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นและกระจายตัวออกไปทั่วจักรวาลอย่างไร
3. ฟิสิกส์สุดขั้วรอบหลุมดำมวลมหาศาล:
   • หลุมดำ: สสารที่กำลังหมุนวนและตกลงสู่หลุมดำมวลมหาศาลที่ใจกลางกาแล็กซีจะร้อนจัดและปล่อยรังสีเอกซ์ออกมาอย่างรุนแรง
   • XRISM จะศึกษาพฤติกรรมของสสารในบริเวณที่มีแรงโน้มถ่วงสูงที่สุด รวมถึงกระแสลมความเร็วสูงที่พัดออกมาจากหลุมดำ (Outflows) ซึ่งเป็นกลไกสำคัญที่เชื่อว่าควบคุมการเติบโตของกาแล็กซี

เครื่องมือทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสำคัญ

XRISM มีเครื่องมือหลัก 2 ตัว ที่ติดตั้งอยู่บนยานอวกาศ แต่ละตัวมีระบบกระจกสะท้อนรังสีเอกซ์เฉพาะของตัวเอง (X-ray Mirror Assembly: XMA) ที่ใช้หลักการสะท้อนรังสีเอกซ์ในมุมต่ำมาก (Grazing Incidence) เพื่อรวมแสงรังสีเอกซ์ไปที่ตัวตรวจจับ

1. Resolve (Soft X-ray Spectrometer – SPS)

• หน้าที่หลัก: การถ่ายภาพรังสีเอกซ์ด้วย สเปกโตรสโกปีความละเอียดสูง (High-Resolution X-ray Spectroscopy) ซึ่งเป็นความสามารถหลักของภารกิจ
• หลักการทำงาน: Resolve ใช้เทคโนโลยี X-ray Micro-Calorimeter Spectrometer ซึ่งเป็นเครื่องวัดแคลอรีที่เย็นจัด ทำงานโดยการวัดพลังงานของโฟตอนรังสีเอกซ์แต่ละตัวที่ชนเข้ากับตัวตรวจจับ ซึ่งจะทำให้ตัวตรวจจับอุณหภูมิสูงขึ้นเพียงเล็กน้อย การวัดความร้อนนี้จะแปลงเป็นค่าพลังงานของรังสีเอกซ์นั้นๆ
• อุณหภูมิทำงาน: เครื่องมือ Resolve ต้องถูกทำให้เย็นจัดถึง 50 มิลลิเคลวิน (mK) หรือ 0.050 องศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์ โดยใช้ระบบทำความเย็นหลายขั้นตอน รวมถึงการใช้ ฮีเลียมเหลว (Liquid Helium) เป็นตัวหล่อเย็นหลัก
• ความละเอียด: มีความละเอียดด้านพลังงาน (Energy Resolution) ที่ยอดเยี่ยม น้อยกว่า 7 อิเล็กตรอนโวลต์ (eV) ที่ 6 keV ทำให้สามารถแยกแยะ “ลายเซ็น” ของธาตุต่างๆ ได้อย่างแม่นยำอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน

2. Xtend (Soft X-ray Imager – SXI)

• หน้าที่หลัก: การถ่ายภาพรังสีเอกซ์แบบมุมกว้าง (Wide-Field X-ray Imaging)
• หลักการทำงาน: Xtend ใช้กล้อง CCD (Charge-Coupled Device) เหมือนกับกล้องดิจิทัลทั่วไป แต่ได้รับการปรับแต่งให้ไวต่อรังสีเอกซ์
• ขอบเขตการมองเห็น (Field of View): มีขอบเขตการมองเห็นที่กว้างถึง 38 x 38 อาร์กนาที (arcminutes) ซึ่งช่วยให้นักดาราศาสตร์สามารถถ่ายภาพวัตถุขนาดใหญ่ เช่น กระจุกกาแล็กซีทั้งหมด หรือค้นหาแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ใหม่ๆ ในบริเวณกว้างได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ผลงานการสำรวจอวกาศที่สำคัญ (Early Science Results)

XRISM ได้เผยแพร่ผลงานทางวิทยาศาสตร์ชุดแรกออกมา ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความสามารถอันโดดเด่นของเครื่องมือ Resolve

1. การค้นพบเหล็กที่ร้อนจัดในซากซุปเปอร์โนวา N132D

• วัตถุเป้าหมาย: ซากซุปเปอร์โนวา N132D ในกาแล็กซีเมฆแมกเจลแลนใหญ่ (Large Magellanic Cloud)
• การค้นพบ: Resolve สามารถตรวจวัดรังสีเอกซ์จากธาตุหนัก เช่น เหล็ก (Iron) และ กำมะถัน (Sulfur) ได้อย่างละเอียด
• ผลลัพธ์ที่น่าทึ่ง: พบว่าอะตอมของเหล็กที่อยู่ส่วนในของซากซุปเปอร์โนวานั้น มีอุณหภูมิสูงถึง 10,000 ล้านองศาเคลวิน ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่สูงกว่าที่เคยมีการคาดการณ์หรือตรวจวัดได้จากกล้องโทรทรรศน์รังสีเอกซ์อื่นๆ การค้นพบนี้เป็นการยืนยันทฤษฎีที่ว่าคลื่นกระแทกที่รุนแรงจากการระเบิดจะพัดกลับเข้าสู่ใจกลางซากซุปเปอร์โนวาและทำให้ธาตุภายในร้อนจัดถึงขีดสุด

2. การเปิดเผยโครงสร้างสสารรอบหลุมดำในกาแล็กซี NGC 4151

• วัตถุเป้าหมาย: กาแล็กซี NGC 4151 ซึ่งมีหลุมดำมวลมหาศาลแบบ Active Galactic Nucleus (AGN) อยู่ที่ใจกลาง
• การค้นพบ: Resolve ให้รายละเอียดที่ไม่เคยมีมาก่อนของ สสารที่ไหลเข้าสู่และไหลออกจากหลุมดำ
  • สามารถระบุ ลมของก๊าซ (Outflow/Wind) ที่พัดออกจากหลุมดำด้วยความเร็วสูง
  • ช่วยให้ระบุตำแหน่งและโครงสร้างของ “วงแหวนโมเลกุล (Molecular Torus)” ซึ่งเป็นม่านก๊าซและฝุ่นหนาทึบที่ล้อมรอบหลุมดำ โดยกำหนดขอบเขตในได้ว่าอยู่ห่างจากหลุมดำประมาณ 0.1 ปีแสง

3. การเปรียบเทียบกระแสลมจากนิวตรอนสตาร์กับหลุมดำ

• วัตถุเป้าหมาย: ระบบดาวคู่ GX13+1 ซึ่งประกอบด้วยดาวนิวตรอนที่กำลังดูดกลืนสสารจากดาวคู่
• การค้นพบ: Resolve ตรวจพบ กระแสลม (Wind) ที่มีความหนาแน่นสูงแต่มีความเร็วค่อนข้าง ช้า (ประมาณ 1 ล้าน กม./ชม.) ซึ่งแตกต่างจากกระแสลมความเร็วสูงมากที่เคยตรวจพบจากหลุมดำมวลมหาศาลที่สว่างใกล้ขีดจำกัด Eddington Limit
• ความสำคัญ: การเปรียบเทียบนี้ชี้ให้เห็นว่ากลไกการเกิดและคุณสมบัติของลมคอสมิก (Cosmic Winds) ที่พัดพาพลังงานและสสารออกจากวัตถุรุนแรงนั้นมีความซับซ้อนกว่าที่คาดไว้ และอาจขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและชนิดของรังสีในบริเวณจานรวมมวล (Accretion Disk) อย่างมาก

สถานะวงโคจรปัจจุบัน

กล้องโทรทรรศน์อวกาศ XRISM โคจรอยู่ใน วงโคจรโลกระดับต่ำ (Low Earth Orbit – LEO) และยังคงปฏิบัติการอยู่:

XRISM จึงเป็นผู้สืบทอดที่สำคัญในด้านดาราศาสตร์รังสีเอกซ์ ที่พร้อมจะไขปริศนาทางเคมี พลศาสตร์ และฟิสิกส์พลังงานสูงของเอกภพต่อไป