กล้อง James Webb ส่งรูปผ่านอวกาศ 1.5 ล้านกิโลเมตรกลับมายังโลกได้อย่างไร?
ช่วงต้นเดือนกรกฎาคมที่ผ่านมา องค์การนาซาได้โชว์ภาพจากกล้องอวกาศเจมส์เว็บบ์ (James Webb Space Telescope: JWST) เป็นครั้งแรก และนั่นทำให้หลายคนตกตะลึง เพราะว่าเราไม่เคยเห็นภาพจากอวกาศที่ชัดขนาดนี้มาก่อน
ที่ชัดก็เพราะกล้องนี้มีความละเอียดสูงมาก และที่น่าสนใจอีกอย่างก็คือ มันไม่ได้ถ่ายจากบนโลก แต่ถ่ายจากตำแหน่งที่ห่างจากโลกไป 1.5 ล้านกิโลเมตร
ถามว่ารูปละเอียดแค่ไหน ‘ความจุ’ ของแต่ละรูปที่เราเห็นนั้น โดยทั่วไปตอนที่ส่งมาเป็นไฟล์ดิบๆ จะอยู่ที่ประมาณ 100 MB ดังนั้นมันก็ถือว่าละเอียดมากๆ เลยแหละ
คำถามคือ แล้วรูปพวกนี้ถูกส่งกลับมาโลกได้ยังไง?
คำตอบที่คนมีพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์ก็คงจะรู้อยู่แล้วคือ มันถูกส่งกลับมาผ่าน ‘คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า’ อธิบายง่ายๆ แสงที่เราเห็นก็คือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบบหนึ่ง ดังนั้นคลื่นแบบนี้เดินทางข้ามอวกาศได้แน่นอน ซึ่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าก็มีหลายย่านความถี่ และพวกคลื่นวิทยุ สัญญาณไวไฟ รวมถึงสัญญาณมือถือทั้งหลายมันก็คือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งนั้น
ดังนั้นในแง่นี้ การบอกว่ามันส่งมาด้วย ‘คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า’ จึงไม่ใช่เรื่องแปลกอะไรสำหรับคนมีเบสิคทางวิทยาศาสตร์ คำถามที่ลึกกว่านั้นคือ มันใช้ย่านความถี่แบบไหนต่างหาก
ถ้าจะตอบเชิงเทคนิคแบบซีเรียสเลย มันใช้ย่านที่เรียกว่า Ka (ออกเสียงว่า เค–เอ) ซึ่งเป็นย่านคลื่นความถี่สูง นั่นหมายความว่าเป็นย่านที่สามารถส่งข้อมูลจำนวนมากได้ในระยะเวลาอันสั้น หรือถ้าเรียกในทางเทคนิคก็จะเรียกว่า ‘แบนด์วิธ’ สูง โดยพวกระบบดาวเทียมใหม่ๆ จนถึงระบบสตาร์ลิงก์อันลือลั่นของ SpaceX ก็ใช้ย่านความถี่นี้ส่งข้อมูล เพราะมันส่งข้อมูลได้เยอะ
แล้วทำไมระบบนี้ถึงเพิ่งถูกใช้? คำตอบง่ายและเร็วที่สุดก็คือ พวกคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่ยิ่งสูงมันก็ยิ่งต้องการอุปกรณ์รับส่งข้อมูลที่ ‘แพง’ หรือถ้าจะพูดง่ายๆ คือเทคโนโลยีพวกนี้สมัยก่อนมันแพงมาก คนเลยไม่ใช้ แต่เวลาผ่านไป เทคโนโลยีก็ถูกลง คนก็เลยนิยมใช้มากขึ้น
ถามว่ากล้องอวกาศเจมส์เว็บบ์ใช้ระบบสื่อสารแค่ย่าน Ka เท่านั้นหรือ? คำตอบคือ ไม่ใช่ จริงๆ มันมีระบบแบ็คอัพอีกหลายย่าน พวกระบบที่ใช้สั่งการต่างๆ กล้องก็ใช้ระบบย่านคลื่นความถี่ที่ต่ำกว่า เป็นต้น
อย่างไรก็ดี โดยรวมแล้วถ้าเราไม่ได้เป็นคนสนใจเรื่องคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ก็คงไม่ต้องสนใจเรื่องย่านความถี่ยิบย่อยหรอก จำแค่ง่ายๆ ว่า ยิ่งเวลาผ่านไป อุปกรณ์รับส่งจำพวกคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูงมันก็จะยิ่งราคาถูกลง และนั่นหมายถึงเราก็สามารถรับส่งข้อมูลจำนวนมากขึ้นได้ในเวลาที่เร็วขึ้น
ส่วน ‘ระยะทาง’ ของการส่งข้อมูล ก็อย่างที่เห็น 1.5 ล้านกิโลเมตรมันก็ส่งได้ ถึงไกลกว่านั้นก็ส่งได้
คำถามสุดท้าย เผื่อจะสงสัยกันว่าหากกล้องอวกาศเจมส์เว็บบ์นั้นส่งข้อมูลมาจากตำแหน่งที่ห่างจากโลกตั้ง 1.5 ล้านกิโลเมตร แล้วข้อมูลจะมาถึงโลกในเวลาเท่าไหร่?
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าใดๆ ในจักรวาล มันวิ่งด้วยความเร็วเท่ากันหมด คือประมาณ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที (เอาให้เป๊ะคือ 299,792,458 เมตรต่อวินาที) ซึ่งนี่คือความเร็วที่เรารู้จักกันทั่วๆ ไปว่า ‘ความเร็วแสง’ (ดังที่บอก แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่ง ซึ่งมีความเร็วเท่ากันหมด) ดังนั้น จากระยะห่าง 1.5 ล้านกิโลเมตร ระยะเวลาในการส่งข้อมูลกลับมายังโลกด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าก็อยู่ที่ประมาณ 5 วินาที
แน่นอนข้อมูลอาจไม่ได้วิ่งเร็วเพียงชั่วเสี้ยววินาทีแบบที่เรารับส่งข้อมูลบนโลก แต่นี่คือระยะทางเป็นล้านกิโลเมตร ส่งมาถึงโลกได้ใน 5 วินาที ก็น่าจะเรียกว่าเป็นสิ่งมหัศจรรย์ทางวิทยาศาสตร์แล้ว
อ้างอิง
- IEEE. The Webb Space Telescope’s Profound Data Challenges. https://bit.ly/3yLjrmC
- TechCrunch. How the Webb sends its hundred-megapixel images a million miles back to Earth https://tcrn.ch/3ob506r