Blockdit Logo (Mobile)
Spaceth.co
•
3 พ.ค. 2021 เวลา 12:36 • วิทยาศาสตร์ & เทคโนโลยี
Thai National Radio Telescope พาชมกล้องโทรทรรศน์วิทยุของคนไทย 40 เมตร เจาะลึกการทำงาน - ตอนที่ 1
ใครที่เคยดูหนังเรื่อง Contact คงจะรู้จักดาราศาสตร์วิทยุ หรือ Radio Astronomy กันบ้างแล้ว เพราะที่ทำงานของนางเอกในเรื่องได้พูดถึงจาน Radio Telescope ที่สำคัญของโลกถึง 2 แห่ง ได้แก่จาน Arcibo ที่เปอโตริโก และจาน Very Large Array ที่ New Mexico (ที่ปรากฏในภาพปกของหนัง) รู้หรือไม่ว่าประเทศไทยของเรา ก็มีกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่เพิ่งสร้างขึ้นมาใหม่ ซึ่งเป็นโครงการของสถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (NARIT) ตั้งอยู่ที่ห้วยห้องไคร้ อำเภอดอยสะเก็ด จังหวัดเชียงใหม่
จานของเรานั้นมีชื่อว่า Thai National Radio Telescope หรือย่อ ๆ ว่า TNRO ซึ่งเป็นโครงสร้างทางดาราศาสตร์ระดับ Flagship ตัวใหม่ของ NARIT นอกจากหอดูดาว 2.4 เมตร บนดอยอินทนนท์ และหอดูดาวภูมิภาคต่าง ๆ ที่ปัจจุบันก็ได้สร้างผลงานการตีพิมพ์งานวิจัยไปแล้วหลากหลายฉบับ ได้รับการยอมรับระดับโลก ตัวกล้อง TNRO นี้จริง ๆ ก็นับว่าเป็นอุปกรณ์ทางดาราศาสตร์ที่ใหญ่ที่สุดของประเทศไทย ถ้าวัดกันตามขนาด
กล้องโทรทรรศน์วิทยุ TNRO ภาพถ่ายจากโดรน จะสังเกตเห็นว่าบริเวณโดยรอบเป็นพื้นที่ป่า ทำให้ปลอดสัญญาณรบกวนจากกิจกรรมของมนุษย์ ที่มา – NARIT
สำหรับดาราศาสตร์วิทยุนั้นนับว่ามีความสำคัญเป็นอย่างมาก อย่างโครงการ Even Horizon Telescope ก็นับว่าเป็นหนึ่งในโครงการดาราศาสตร์วิทยุที่ถูกพูดถึงกันมากที่สุดในช่วง 2-3 ปีที่ผ่านมา จากผลงานการถ่ายภาพหลุมดำ (อ่าน – https://spaceth.co/the-first-black-hole-pic/) หรือการนำจานรับสัญญาณต่าง ๆ มาเชื่อมต่อเข้าหากันด้วยเทคนิค Very-long-baseline interferometry (อ่าน – https://spaceth.co/telescope-array/) ซึ่งก็ยิ่งเพิ่มศักยภาพในการทำงานของตัวกล้องจากที่เดี่ยว ๆ ก็มารวมกันเป็นกลุ่ม (ซึ่งไทยเอง ก็มีแผนจะนำ TNRO เข้ากับเครือข่าย VLBI ทั่วโลกอีกด้วย)
1
อธิบายง่าย ๆ ก็คือ Radio Telescope เป็นการสังเกตการณ์ในช่วงคลื่นวิทยุ ซึ่งเราจะไม่สามารถสังเหตเห็นได้ด้วยตาเปล่า การสังเกตการณ์ทางวิทยุจึงจำเป็นต้องทำด้วยจานขนาดใหญ่ เพราะความถี่ของคลื่นเป็นความถี่ต่ำ มีความยาวคลื่นเยอะ จึงต้องอาศัยหลักการทำ interferometry มาช่วยนั่นเอง
สำหรับประวัติที่มาของตัวจานในบทความนี้เราจะไม่พูดถึงมากเพราะ NARIT ได้เขียนไว้ในเว็บหมดแล้ว สามารถไปดูได้ที่ https://www.narit.or.th/index.php/rangd-story
ส่วนข้อมูลเชิงเทคนิคของตัวจาน แนะนำให้อ่าน Paper ชื่อว่า Status of the Thai 40-m Radio Telescope โดยข้อมูลคร่าว ๆ ก็คือ
- เส้นผ่านศูนย์กลางจาน 40 เมตร
- ใช้การออกแบบที่ชื่อว่า Cassegrain-Nasmyth (มีทั้ง Primary Focus และ สัญญาณลง Feed-Horn มาด้านล่าง)
- Primary Focus Receiver (จุดที่ติดตั้ง Receiver L-Band) 300 MHz – 4 GHz
- จุดรับสัญญาณฝั่ง Nasmyth รับได้ 4 – 115 GHz
- f/D ratio (อัตราส่วนของระยะ Primary Focus จากฐานจาน กับเส้นผ่านศูนย์กลางจาน) อยู่ที่ 0.375
ซึ่งเรื่องพวกนี้เราเรียนกันมาหมดแล้วในวิชาวิทยาศาสตร์ ม.ต้น เรื่องการโฟกัส (ไม่ได้มีอะไรเกินไปกว่านี้)
ข้อมูลที่เราจะเอามาเล่าให้ฟังส่วนมากเราจะนำมาจาก Progress of the 40m Thai National Radio Telescope & RANGD project (http://vlbi.sci.ibaraki.ac.jp/vcon19/P-21s.pdf) ซึ่งถูกนำเสนอในงาน Japan VLBI Consortium Symposium 2019
โครงสร้างและการทำงานทั่วไปของจาน TNRO
ทีมสเปซทีเอช ได้เดินทางไปชมการก่อสร้างจาน TNRO มาแล้วในช่วงปี 2019 และได้บันทึกไว้ในบทความ https://spaceth.co/thailand-national-radio-telescope-preview/ เราได้กลับไปเข้าชมอีกครั้งในวันที่ 8 เมษายน 2021 ซึ่งจาน TNRO ได้รับการยกขึ้นไปติดตั้งบนตัวฐานแล้ว ตอนนี้เหลือแต่งานระบบต่าง ๆ เท่านั้น โดยคาดว่า TNRO จะสามารถเปิดรับ First Light ได้ในช่วงปลายปี 2021 หรือต้นปี 2022 โดยสามารถทำการศึกษาได้ตั้งแต่ความถี่ต่ำ ๆ ไปจนถึงความถี่สูงสุดที่ ประมาณ 115 GHz (ซึ่งด้วยขนาดประมาณนี้ เรียกได้ว่าสุดความสามารถ)
เปรียบเทียบขนาดของกล้อง Thai National Radio Telescope (TNRO) กับจานวิทยุอื่น ๆ
การออกแบบโครงสร้างโดยทั่วไปของตัวจาน TNRO นั้นจะประกอบไปด้วยจุดสำคัญ ๆ ได้แก่
- ตัวจานสำหรับสะท้อนสัญญาณจากฟากฟ้า เส้นผ่านศูนย์กลาง 40 เมตร ซึ่งนับว่าใหญ่ที่สุดในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้
- ฐานจานที่ประกอบไปด้วยห้องสำหรับควบคุม ติดตั้งคอมพิวเตอร์สำหรับนักดาราศาสตร์ใช้งาน ควบคุมกล้อง ตั้งวัตถุที่จะสังเกตต่าง ๆ
- ห้อง HPC หรือ High Performance Computer และ Data Center สำหรับจัดการกับข้อมูลขนาดใหญ่ที่ Receiver สามารถรับได้ และจัดการเก็บ ประมวลผล เพื่อส่งต่อให้นักดาราศาสตร์ได้นำไปใช้เพื่อวิเคราะห์
- ห้องน้ำ (นักดาราศาตร์ก็ต้องขี้ต้องเยี่ยว)
-Facility สำหรับจ่ายกำลังไฟ และสำรองไฟฟ้า เนื่องจากงานด้านดาราศาสตร์จำเป็นต้องใช้ Phase ของไฟที่นิ่ง สเถียรมาก ๆ รวมถึงระบบไฟสำรองที่ช่วยให้อุปกรณ์ต่าง ๆ ที่ต้องทำงานในอุณหภูมิต่ำไม่พังไปเสียก่อน
ซึ่งหลักการทำงานของกล้องนั้น เราได้สรุปไว้ในบทความด้านล่างนี้แล้ว
L-Band Receiver สำหรับติดตั้ง และระบบการหมุนกระจกสะท้อนเพื่อส่งสัญญาณ
ในวันที่เราเข้าไปเยี่ยมชมนั้น ส่วนที่เป็นตัว L-Band Receiver ยังไม่ได้ถูกนำขึ้นไปติดตั้ง แต่ยังอยู่ในห้อง Optic Lab ของ NARIT ซึ่งข้อมูลของตัว L-Band Receiver ฉบับเต็ม ๆ สามารถอ่านได้จาก Paper ชื่อ Quasi-Optical design of K, Q and W-band receiver system for 40-meter Thai National Radio Telescope (40m TNRT) (อ่าน Paper นี้ที่ได้ที่ https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9232235)
ตัว L-Band Receiver นี้คือตัวรับสัญญาณ ซึ่งจะถูกนำไปติดตั้งไว้ที่จุด Focus แรกหลังจากที่คลื่นวิทยุจากดาวอันไกลโพ้นเดินทางมาสะท้อนกับจานรับสัญญาณ 40 เมตรของเรา
ตัว L-Band Receiver นี้อธิบายง่าย ๆ มันก็คือเหมือนกับเป็น Sensor กล้องของเรา ใครที่เล่นกล้อง ไม่ว่าจะเป็น Mirrorless หรือ DSLR ก็น่าจะรู้ว่าสุดท้ายแล้วไม่ว่าเราจะใช้เลนส์แบบไหน ขนาดเท่าไหร่ แสงก็จะสะท้อนไปมาแล้วตกกระทบจุดโฟกัสมาอยู่ที่ Sensor ของเรา ยิ่ง Sensor ใหญ่ยิ่งเก็บรายละเอียดได้มาก ตัว L-Band Receiver นี้ก็คือ Sensor กล้องเรานั่นเอง
นอกจากนั้นแล้ว ตัว Receiver นี้มันก็เหมือนกับ Sensor กล้องของเราเลย ก็คือมันอาจจะมี Noise ได้ ทำให้ผลการอ่านค่าของนักดาราศาสตร์เปลี่ยนไปคลาดเคลื่อน ดังนั้นเราก็ต้องมีวิธีลด Noise ให้มันด้วยการทำสิ่งที่เรียกว่า Cyrogenic ฟังดูเท่ แต่อธิบายง่าย ๆ ก็คือ หล่อเย็น ทำยังไงก็ได้ให้มันเย็น ๆ แล้ว Noise (จากอินฟราเรด) จะลดลง เพราะวัตถุที่ร้อนมันจะคายอินฟราเรด (กล้องจับอุณหภูมิที่เราใช้วัดไข้กันในช่วง COVID ใช้หลักการนี้)
วิธีการหล่อเย็นของเราคือเดี๋ยวพอเอาไปติดตั้งจะต้องมีการ Feed เอาไนโตรเจนเหลวเข้าไป ทำให้ตัว Receiver ของเราทำงานได้โดยไม่มี Noise มากจนเกินไป
จริง ๆ หลักการนี้ไม่ได้ใช้แค่กับกล้องบนโลกด้วย เราเคยเขียนบทความเล่าเรื่อง วาระสุดท้ายของกล้อง Spitzer Space Telescope ที่ความตายอบอุ่นกว่าชีวิต (https://spaceth.co/spitzer-ending/) ที่ตอนแรกมันถูกออกแบบมาให้ถ่ายภาพในย่าน IR จึงต้องนำเอาระบบ Cyrogenic ไปด้วย พอสารสำหรับใช้ Cyrogenic หมด มันก็ถ่ายภาพย่าน IR ไม่ได้แล้ว (เพราะถ่ายไปก็มีแต่ Noise)
ตัว L-Band Receiver นี้จะถูกนำไปติดตั้งกับ TNRO ในช่วงปลายปี 2021 นี้ วิธีการติดตั้งคือ จะต้องเอียงจานลงมาในองศาที่รถเครนสามารถยกขึ้นไปติดได้
Cassegrain-Nasmyth คือชื่อการออกแบบระบบการทำงานของระบบโฟกัสของ TNRO วิธีคิดก็คือ ถ้าเราเอาตัว L-Band Receiver ไปติดตั้งไว้ที่จุด Primary Focus อย่างเดียว (เหมือนกล้องโทรทรรศน์ Cassegrain) แปลว่านักดาราศาสตร์ถ้าเกิดจะทำงานอย่างอื่นที่ใช้จานนี้ แต่ไม่อยากใช้ L-Band Receiver นักดาราศาสตร์ต้องปีนจานขึ้นไปอยู่ตรง Primary Focus แล้วเอาอุปกรณ์ Receiver ตัวอื่น ไปแปะทับ L-Band Receiver นั่นก็เป็นวิธีที่โง่มาก ๆ เขาไม่ทำกัน มันก็เลยเกิดการดีไซน์แบบเท่ ๆ Cassegrain + Nasmyth ขึ้นมา ซึ่งเวลาเข้าโหมด Nasmyth เขาก็จะพลิกเอาด้าน L-Band Receiver หันไปทางอื่น แล้วเอาด้านที่เป็นกระจกสะท้อน (หรือจานสะท้อน) สะท้อนลงมาทางรูที่อยู่กลางกล้อง แล้วลงมาในห้องที่เราจะพาไปดู แล้วเอากระจกอีกตัวสะท้อนสัญญาณเข้าไปที่ Receiver ที่นักดาราศาสตร์อยากใช้ โดยที่พวกเขาไม่ต้องปีนขึ้นไปที่ Primary Focus (เท่สาด) จะติดตั้งกี่ตัวก็เอาไว้ในห้องนั้นได้เลย แล้วสลับโหมดทำงานเอา
หลังจากที่ดูตัว Receiver ที่ยังอยู่ที่ Lab ของ NARIT ที่อุทยานดาราศาสตร์ฯ แล้ว เราก็เดินทางต่อมาที่ห้วยห้องไคร้ซึ่งเป็นจุดติดตั้งจาน TNRO ของเรา
มื่อมาถึงก็จะพบว่า ตัวโครงสร้างต่าง ๆ นั้นเสร็จเกือบสมบูรณ์แล้ว เราจะพาเข้าไปดูด้านใน ซึ่งด้านในก็จะประกอบไปด้วยอาคารประมาณ 3-4 ชั้น (ที่บอกว่า 3-4 ชั้น เพราะไม่รู้ว่าจะนับตัว Cabin ซึ่งเป็นส่วนที่หมุนไปกับจานด้วยหรือเปล่า) โดยเริ่มจากชั้นหนึ่ง ซึ่งจะมีห้องน้ำและ Data Center
ห้อง Data Center และระบบ Infrastructure ด้านคอมพิวเตอร์ของกล้อง
ถ้าใครอ่านข่าวการถ่ายภาพหลุมดำด้วยโครงข่ายกล้อง Even Horizon Telescope เราจะพบว่าข้อมูลที่เกิดขึ้นจากการสังเกตนั้นมหาศาลมาก ตัวกล้อง Mauna Kea Observatory ในฮาวาย บันทึกข้อมูลได้มากถึง 700 TB ดังนั้น งานดาราศาสตร์จำเป็นต้องทำงานกับข้อมูลมหาศาล
จริง ๆ แล้วถามว่าทำไมต้องมี Data Center และ High Performance Computer หรือ HPC อยู่ที่ใต้ฐานจาน ทั้ง ๆ ที่จริง ๆ NARIT มีห้อง Data Center และ HPC ที่แรงสัส ๆ อยู่ที่อุทยานดาราศาสตร์อยู่แล้วฯ หรือใช้วิธีบ้านรวย จ่ายเงินซื้อ AWS หรือ Google Cloud ก็ได้ เหตุผลก็คือเรื่องของ Data Transfer คิดดูขนาด CERN แม่งยังต้องแบ่ง Grid Computer เป็น Tier 0, 1, 2 .. การจะโยนข้อมูลทุกอย่างผ่านอินเทอร์เน็ต (หรือต่อให้ลากสาย Fiber ตรง ๆ จากห้วยห้องไหร้ไปที่แม่ริมก็ไม่ค่อย Makesense ในตอนนี้)
ข้อมูลจาก NARIT บอกว่า Data Center ของ TNRO ออกแบบให้เก็บข้อมูลได้ ประมาณ 320 TB ถ้าจะต้องส่งข้อมูล 320 TB ผ่าน Fiber จริง ๆ เราก็เชื่อว่า ขับรถขน Harddisk จากที่นี่ไปเองยังไวกว่า (ฮา) เพราะ NARIT ทำการติดเน็ตให้กับ TNRO เป็นเน็ต CAT ความเร็วอยู่ที่ประมาณ 10-20 Gbps สมมติต้องส่ง 320 TB จะต้องใช้เวลาถึง 128,000 วินาทีหรือ 35 ชั่วโมงครึ่ง ในขณะที่แค่ถ้าขับรถจะใช้เวลาแค่ 45 นาที
2
HPC และ Data Center สำหรับตัวจาน ซึ่งจริง ๆ ไม่ได้มีแค่นี้ แต่ยังมาไม่ครบ
การมี Data Center และ HPC ที่อยู่ที่ Site งานจึงเป็นสิ่งที่จำเป็นมาก ๆ สำหรับโครงสร้างทางดาราศาสตร์ที่จะต้องทำงานกับข้อมูลมหาศาลนี้ และนับว่าเป็น Tier 0 ของข้อมูลที่จะเกิดขึ้นเมื่อ TNRO ทำงานเลย โดย Bandwidth ที่วิ่งกันจะอยู่ที่ประมาณ 144 Gbps ใช้ Interface กันแบบ Fiber และ Ethernet แบบ 100 Gbps Ethernet
อีกหนึ่งข้อสังเกตก็คือ ห้อง HPC ที่นี่อยู่ในห้องเหล็กหนามาก ๆ ที่เป็น Faraday Cage ด้วย เพื่อป้องกันไม่ให้สัญญาณการทำงานของคอมพิวเตอร์ขึ้นไปรบกวนจาน หลังจากที่ตำนานเคยกล่าวไว้ว่า นักดาราศาสตร์เคยตีความสัญญาณจากเตาอบไมโครเวฟเป็นสัญญาณจากต่างดาวมาแล้ว (ฮา) เราจึงไม่ต้องการให้เกิดเหตุการณ์นั้นซ้ำอีก
2
รวมถึงการเดินสาย งานระบบต่าง ๆ ถ้าเป็นข้อมูล Data เขาก็จะใช้เป็นสาย Fiber Optic แทน ไม่ได้ใช้สายไฟทองแดง เพื่อลดการเกิด Noise กับระบบให้ได้มากที่สุดนั่นเอง
ตัว Node Fiber Optic ที่นำเอาข้อมูลจากตัวจานลงมาที่ HPC ที่อยู่ที่ชั้น 1 ของจาน

ดูเพิ่มเติมในซีรีส์

โฆษณา