บทที่4

บทที่ 4 เครื่องมือพื้นฐานทางดาราศาสตร์
4.1. ความนำ
          ก่อนศตวรรษที่ 17 การสังเกตทางดาราศาสตร์อาศัยตาเปล่า และเครื่องกลช่วยในการวัดมุม ต่อมาในประเทศฮอลแลนด์ได้มีผู้ประดิษฐ์กล้องส่องทางไกลขึ้น จากนั้นในปี ค.ศ.1609 กาลิเลโอ กาลิเลอีได้สร้างกล้องโทรทรรศน์ที่ใช้ดูดาวขึ้นเป็นครั้งแรก นับเป็นการเปลี่ยนแปลงวงการดาราศาสตร์ที่สำคัญยิ่ง จนมาถึงปลายศตวรรษที่ 19
         ภาพวัตถุท้องฟ้าจากกล้องดูดาวจึงถูกบันทึกได้บนกระจกอาบน้ำยาถ่ายภาพ และเพียงไม่กี่สิบปีมานี้เองที่เครื่องมือทางอีเลคโทรนิกเข้ามาแทนที่ฟิลม์ ปัจจุบันด้วยกล้องถ่ายภาพระบบดิจิตัลที่มีอยู่ทั่วไปในท้องตลาดช่วยให้การถ่ายภาพจากกล้องดูดาวสะดวกมากขึ้น ทุกวันนี้นักดาราศาสตร์ได้ขยายขอบเขตของการสังเกตไปสู่ความยาวคลื่นอื่นๆของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านับตั้งแต่ความยาวคลื่นที่สั้นที่สุดย่านรังสีแกมมาถึงช่วงที่ยาวที่สุดของคลื่นวิทยุ

4.2. หลักการกล้องดูดาว ทั้งชนิดหักเห และสะท้อนแสง
4.2.1 หน้าที่ของกล้องดูดาว
          สำหรับผู้สังเกตบนโลกคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าย่านแสงที่เห็นได้ด้วยตาเปล่าสะดวกที่จะศึกษาด้วยกล้องดูดาวที่ใช้อุปกรณ์ทัศนศาสตร์ โดยทำหน้าที่ที่สำคัญ 3 อย่าง คือ
          ก.สะสมแสงจากวัตถุท้องฟ้า เพื่อให้ศึกษาแหล่งกำเนิดคลื่นที่มีแสงน้อยได้
          ข.ทำหน้าที่เพิ่มขนาดปรากฏเชิงมุมของวัตถุ หรือเพิ่มกำลังแยกภาพ
          ค.ใช้วัดตำแหน่งของวัตถุท้องฟ้า
          พื้นที่ผิวของกล้องดูดาวที่ใช้ในการรวบรวมแสงมีทั้งที่เป็นเลนส์และกระจก ทำให้แบ่งชนิดของกล้องดูดาวได้เป็นสองชนิดคือ กล้องหักเหแสง(refractors) และ กล้องสะท้อนแสง(reflectors)
          กล้องดูดาวทั้งสองชนิดนี้มีหลักการของทางเดินแสงเช่นเดียวกัน ดังแสดงในภาพที่ 1 คือ มีเลนส์ใกล้วัตถุทำหน้าที่รับแสงดาวแล้วรวมแสงนั้นให้เกิดภาพที่ระนาบโฟกัส เลนส์นี้จะเป็นเลนส์นูนในกล้องหักเหแสง แต่จะเป็นกระจกเว้าในกล้องสะท้อนแสง ภาพที่เกิดขึ้นสามารถขยายให้เห็นรายละเอียดได้ด้วยเลนส์ใกล้ตา โดยที่ระยะระหว่างเลนส์ใกล้ตาและระนาบโฟกัสสามารถปรับได้เพื่อให้ได้ภาพชัดเจน

ภาพที่ 1 แสดงทางเดินแสงผ่านระบบทัศนูปกรณ์ของกล้องดูดาว

4.2.2 คุณสมบัติของกล้องดูดาวที่ควรรู้
          4.2.2.1 ค่า f / n : n คืออัตราส่วนระหว่างความยาวโฟกัสของกล้อง ต่อขนาดของเส้นผ่านศูนย์กลางของกล้องนั้น อัตราส่วนนี้บ่งถึงความไวในการสะสมแสงของกล้องดูดาว ถ้าค่าอัตราส่วนมีค่าน้อย เช่น f / 1…f / 3 จะเรียกว่าเป็นกล้องที่มีความไวแสงสูง แต่โดยทั่วไปกล้องมักจะมีความไวแสงต่ำกว่านี้เช่น f / 8…f / 15 เป็นต้น
          4.2.2.2 ขนาดของภาพที่เกิดตรงระนาบโฟกัสของเลนส์ใกล้วัตถุ (I) จะมีค่าเท่ากับ f tan u : f คือความยาวโฟกัสของเลนส์ใกล้วัตถุ u คือขนาดปรากฏเชิงมุมของวัตถุท้องฟ้า ขนาดของภาพที่ปรากฏตรงระนาบโฟกัสนี้สามารถบันทึกลงบนกล้องถ่ายภาพได้ และถ้านำเลนส์ใกล้ตามาขยายก็จะเห็นภาพมีขนาดใหญ่ขึ้น เช่นขณะที่ใช้ส่องดูดาว ดวงจันทร์ หรือดาวเคราะห์ แต่สำหรับกรณีดาวฤกษ์ ขนาดปรากฏเชิงมุมของดาวฤกษ์มีขนาดเล็กเกินไปที่จะขยายให้เห็นใหญ่ขึ้นมาได้
          4.2.2.3 กำลังขยายของภาพเมื่อส่องผ่านกล้องดูดาว มีค่าเท่ากับ ความยาวโฟกัสของเลนส์ใกล้วัตถุ หารด้วย ความยาวโฟกัสของเลนส์ใกล้ตา ดังนั้นจะเห็นว่าสามารถเปลี่ยนกำลังขยายได้ถ้าเปลี่ยนความยาวโฟกัสของเลนส์ใกล้ตา แต่ในทางปฏิบัติ กำลังขยายที่จะให้รายละเอียดของภาพได้เต็มที่คือมีค่าประมาณเท่ากับค่าของเส้นผ่านศูนย์กลางหน้ากล้องในหน่วยมิลลิเมตร เช่นกล้องขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 60 มิลลิเมตร กำลังขยายสูงสุดที่ดีคือ 60 เท่า ถ้ามากกว่านี้ก็ใช้ได้แต่จะไม่ช่วยให้เห็นรายละเอียดเพิ่มมากขึ้น และผลของบรรยากาศก็จะทำให้คุณภาพของภาพที่เห็นด้อยลงได้
4.2.3 ความคลาดของอุปกรณ์ทัศนศาสตร์ ที่สำคัญ
          4.2.3.1 ความคลาดทรงกลม ในกรณีเลนส์ใกล้วัตถุมีผิวโค้งเป็นทรงกลม จะทำให้แสงที่มาตกกระทบบริเวณขอบกล้องจะมีจุดโฟกัสต่างไปจากจุดโฟกัสของแสงที่ตกบริเวณกลางกล้อง ทำให้ภาพที่เห็นไม่คมชัด วิธีแก้ไขคือเพิ่มความยาวโฟกัสเมื่อเทียบกับขนาดหน้ากล้อง หรือ ทำให้ค่า f /n มากขึ้น
          4.2.3.2 ความคลาดรงค์ จะเกิดขึ้นกับกล้องระบบหักเหแสง เนื่องจากแสงสีขาวประกอบด้วยคลื่นแสงสีต่างๆ การหักเหของคลื่นเหล่านี้ผ่านเลนส์จะมีค่าต่างกันทำให้จุดโฟกัสของแต่ละสีเป็นคนละตำแหน่ง ผลลัพธ์ที่ได้จะทำให้ภาพเกิดสีรุ้ง วิธีแก้ไขจะทำได้ยาก โดยการใช้เลนส์ประกอบ ทำจากเนื้อแก้วต่างชนิดกันเพื่อให้ตำแหน่งสุดท้ายของลำแสงทุกสีมารวมกันที่จุดเดียว
4.2.4 กล้องดูดาวชนิดต่างๆ
          กล้องหักเหแสงใช้เลนส์เป็นที่รวบรวมแสง กล้องขนาดเล็กจะเป็นระบบนี้ แม้จะใช้เลนส์ประกอบ แต่ก็ยังคงมีผลของความคลาดรงค์สูง ส่วนกล้องขนาดใหญ่และคุณภาพดีจะมีราคาแพงมาก>กล้องสะท้อนแสงใช้กระจกเป็นตัวรวมแสง ก่อนสะท้อนออกสู่เลนส์ใกล้ตาทางด้านข้าง หรือด้านท้ายกล้อง การใช้กระจกทำให้ไม่มีผลของความคลาดรงค์ กล้องขนาดใหญ่สร้างได้ในราคาถูกกว่ากล้องหักเหแสง แต่เนื่องจากมีกระจกเล็กใช้สะท้อนแสงบังหน้ากล้องบางส่วนทำให้ภาพลดความคมชัดได้บ้าง
          กล้องที่ใช้ทั้งการหักเหแสงและสะท้อนแสง เพื่อการใช้งานที่สะดวกขึ้นและทำให้ได้คุณภาพของภาพที่ดี แม้เรื่องความคมชัดยังคงด้อยกว่ากล้องหักเหแสงที่คุณภาพดีที่สุดอยู่ แต่ก็ได้รับความนิยมสูงด้วยคุณภาพโดยรวมที่ดีและราคาปานกลาง

ภาพที่ 2 รูปแสดงโครงสร้างภายในกล้องหักเหแสง

ภาพที่ 3 รูปแสดงโครงสร้างภายในกล้องที่ใช้หลักการหักเหแสงและสะท้อนแสงเข้าด้วยกัน

4.2.5 ฐานกล้องดูดาว
          อุปกรณ์ทางทัศนศาสตร์ของกล้องดูดาวเป็นส่วนสำคัญของกล้องดูดาว แต่สิ่งสำคัญอีกส่วนหนึ่งคือ ฐานตั้งกล้อง เนื่องจากการหมุนรอบตัวเองของโลกทำให้ดาวมีการเคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลา ผู้สังเกตต้องอาศัยฐานตั้งกล้องตามดาวที่สังเกตนั้น ฐานตั้งกล้องแบ่งได้สองชนิดคือ
          4.2.5.1 ฐานระบบขอบฟ้า มีแกนหมุนได้ในแนวนอนและแนวตั้ง ง่ายต่อการสร้าง แต่ระบบควบคุมการเคลื่อนที่จะซับซ้อนถ้าต้องการตามดาวให้พอดีตลอดเวลา เนื่องจากมีการเปลี่ยนตำแหน่งทั้งสองแกน ด้วยอัตราที่ไม่คงที่
          4.2.5.2 ฐานระบบศูนย์สูตร มีแกนหมุนสองแกนเช่นกัน แต่เลียนแบบการขึ้นตก ของดาวจริง ทำให้แกนที่มีการหมุนอยู่ตลอดเวลาเหลือเพียงแกนเดียว ด้วยอัตราเท่ากับการหมุนรอบตัวเองของโลก ส่วนอีกแกนใช้สำหรับชี้ตำแหน่งดาวที่ต้องการเท่านั้น จึงไม่ยุ่งยากในระบบควบคุมการเคลื่อนที่ แต่ก่อนใช้งานต้อง ตั้งแกนให้ขนานกับแกนหมุนของโลก
4.3. ฝึกตั้งกล้องและประกอบกล้องดูดาว
          กล้องดูดาวโดยทั่วไปในส่วนที่เป็นอุปกรณ์ทางท้ศนศาสตร์เมื่อถูกผลิตขึ้นมาแล้ว ถ้าไม่มีการกระทบกระเทือนจนกระทั่งแนวทางเดินของแสงเปลี่ยนไปก็ไม่จำต้องปรับแต่งใดๆ เมื่อ ประกอบเข้ากับฐานสามารถนำไปใช้งานได้ทันที
4.3.1 กิจกรรมฝึกตั้งกล้องและประกอบกล้องดูดาว
          ศึกษาการหมุนของแกนทั้งสองของฐานกล้องดูดาว และอุปกรณ์ควบคุมการหมุน รวมทั้งอุปกรณ์การปรับระดับหรือการวางตัวอื่นๆของฐานกล้องตั้งกล้องดูดาวพร้อมใช้งานภาคสนามในเวลากลางคืน ในกรณีฐานแบบขอบฟ้าควรตั้งฐานให้ได้ระดับไม่เอนเอียง และศึกษาทิศต่างๆตรงบริเวณที่ทำการสังเกตแต่ในกรณีฐานแบบศูนย์สูตรต้องตั้งแกนตะวันออกตะวันตกให้ขนานกับแกนหมุนของโลก
          การตั้งแกนอย่างง่ายที่สุดคืออาศัยดาวเหนือ ควรใช้กำลังขยายน้อยที่สุดในการเล็ง หรือใช้กล้องเล็งขนาดเล็กที่อาจติดอยู่ข้างๆกล้องใหญ่ (ในกรณีมีกล้องเล็งขนาดเล็ก ต้องทำการปรับกล้องเล็งให้ขนานกับกล้องใหญ่ก่อนตามวิธีที่เขียนไว้ในหมายเหตุท้ายหัวข้อนี้) จากนั้นตั้งขาตั้งให้ได้ระดับ หมุนแกนเหนือใต้ให้กล้องชี้ไปทางทิศเหนือแล้วปรับความเอียงของส่วนบนของฐานให้ได้มุมเงยเท่ากับค่าเส้นรุ้งของตำบลที่ทำการสังเกต
          เมื่อส่องผ่านเลนส์ใกล้ตาของกล้องเล็งควรจะเห็นดาวเหนือปรากฏอยู่ที่ใดที่หนึ่งในช่องมองภาพนั้น จากนั้นปรับให้ส่วนบนของฐานหมุนไปทางซ้ายหรือขวาขนานกับพื้นดิน และปรับมุมเงยของส่วนบนของฐานนี้ด้วยถ้าจำเป็น เพื่อให้ภาพดาวเหนือมาปรากฏอยู่บริเวณกลางช่องมองภาพของกล้องเล็ง วิธีนี้เป็นวิธีปรับแบบพอใช้งานได้ จากนี้ก็สามารถชี้ดาวที่ต้องการ และปรับแกนตะวันออกตะวันตกให้หมุนตามดาวได้อย่างสอดคล้องกับการหมุนของโลกหมายเหตุ : การปรับกล้องเล็งให้ขนานกับกล้องใหญ่ เริ่มจากเล็งกล้องใหญ่ไปที่วัตถุที่เห็นได้ง่ายเช่นดวงจันทร์ หรือยอดสิ่งก่อสร้างที่อยู่ระยะไกล เลือกตำแหน่งวัตถุให้แน่นอน เช่นหลุมบนดวงจันทร์ หรือยอดเสาอากาศเป็นต้น จากนั้นปรับปุ่มบังคับตัวกล้องเล็กให้ชี้ไปที่เดียวกับกล้องใหญ่ ทำให้กล้องเล็งพร้อมใช้งานสำหรับเล็งวัตถุอื่นๆก่อนใช้กล้องใหญ่
คำถาม ฐานกล้องที่เป็นระบบขอบฟ้า จะปรับให้ใช้งานเป็นฐานระบบศูนย์สูตรได้หรือไม่

ภาพที่ 5 แสดงฐานระบบขอบฟ้า และแนวการหมุน

ภาพที่ 6 แสดงฐานระบบศูนย์สูตร และแนวการหมุน
4.4. สร้างกล้องดูดาวอย่างง่าย
          กล้องดูดาวแบบง่ายที่สุดประกอบจากเลนส์ใกล้วัตถุ 1 ชิ้นและเลนส์ใกล้ตา1 ชิ้น คุณภาพของเลนส์จะขึ้นกับราคา กระบอกที่ใช้ประกอบเลนส์ทำได้จากทั้งท่อประปาสำเร็จรูปและท่อโลหะ ควรเลือกให้เหมาะสมกับราคาและคุณภาพของเลนส์
          4.4.1 กิจกรรมสร้างกล้องดูดาวอย่างง่าย
          4.4.1.1 ก่อนลงมือทำตัวกระบอกกล้องควรตรวจสอบความยาวโฟกัสทุกครั้ง อาจวัดในห้องโดยการวัดระยะวัตถุและระยะภาพแล้วคำนวณหาความยาว โฟกัส หรือวัดด้วยภาพดวงอาทิตย์ซึ่งจะเห็นระยะโฟกัสได้ชัดเจน โดยการนำไปรับภาพดวงอาทิตย์ซึ่งถือว่าเป็นแสงขนานเข้าสู่เลนส์ ภาพจุดสว่างที่ตกบนฉากรับภาพ (ห้ามใช้ตาเปล่าส่องดวงอาทิตย์โดยตรง) เมื่อได้ขนาดเล็กที่สุดจะเป็นตำแหน่งของระนาบโฟกัสที่ต้องการ
          4.4.1.2 จากนั้นประกอบเลนส์เข้ากับท่อที่ตัดตามความยาวโฟกัส ในส่วนของเลนส์ ใกล้ตาให้อยู่ในท่อขนาดเล็กที่สามารถเลื่อนเข้าออกจากระยะโฟกัสของ เลนส์ใกล้วัตถุได้
          4.4.1.3 สร้างฐานที่มั่นคงเพื่อยึดกล้องดูดาวที่สร้างขึ้น ฐานแบบระบบขอบฟ้าจะสร้างได้ง่าย
          4.4.1.4 ทดสอบผลของความคลาดทรงกลม จัดเครื่องมือดังรูป เพื่อใช้กล้องส่องสเกล ที่เขียนบนกระดานดำตัดกระดาษรูปวงแหวน ที่มีรูตรงกลางหลายขนาด จากนั้นนำมาบังหน้าเลนส์ทีละอัน สังเกตผลที่เกิดขึ้น อันใดเหมาะสมที่สุด สำหรับความชัดเจนของภาพและความสว่างที่ยอมรับได้

ภาพที่ 7 การจัดเครื่องมือเพื่อดูผลความคลาดทรงกลม


          4.4.2 สังเกตวัตถุท้องฟ้าจริง เช่น ดวงจันทร์
          4.4.2.1 เล็งกล้องไปที่ดวงจันทร์แล้วถอดเลนส์ใกล้ตาออก นำกระดาษขาวมาเป็นฉากรับภาพของดวงจันทร์เลื่อนกระดาษเข้าออกตามแนวกล้องจนได้ภาพคมชัดที่สุด แล้ววัดขนาดที่ปรากฏเทียบกับค่าที่คำนวณได้จากข้อ 2.2 (ถ้าเป็นวันที่ดวงจันทร์เต็มดวงจะเห็นได้ชัดเจน) ถ้าเปลี่ยนฉากรับภาพเป็นกล้องถ่ายภาพก็จะสามารถบันทึกภาพดวงจันทร์ได้
          4.4.2.2 ใส่เลนส์ใกล้ตาแล้วปรับโฟกัสให้ชัด สังเกตขนาดของดวงจันทร์ที่ใหญ่ขึ้นเป็นกี่เท่าเมื่อเทียบกับขนาดของภาพดวงจันทร์บนกระดาษ ภาพที่ขยายนี้เป็นผลจากกำลังขยายของเลนส์ใกล้ตาและถ้าเทียบกับขนาดของดวงจันทร์ที่มองด้วยตาเปล่า จะต่างกันกี่เท่า ซึ่งจะเป็นผลของกำลังขยายของกล้องดูดาวทั้งระบบ
          4.4.2.3 เส้นผ่านศูนย์กลางของดวงจันทร์ที่ส่องผ่านกล้องเป็นกี่ส่วนของมุมมองทั้งหมดที่เห็นได้จากกล้องดูดาวนี้ ผลที่ได้ใช้คำนวณหามุมมองของกล้องดูดาว เนื่องจากขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางปรากฏของดวงจันทร์ค่าประมาณ 30 ลิปดา
          4.4.2.4 วาดภาพดวงจันทร์ที่เห็นได้จากกล้องดูดาว เน้นรายละเอียดของหลุมบนดวงจันทร์ที่เล็กที่สุดที่เห็นได้ นำไปเทียบกับแผนที่ดวงจันทร์เพื่อคำนวณหาขนาดของหลุมที่เล็กที่สุดที่เห็นได้ในหน่วยกิโลเมตร (ดวงจันทร์ขึ้นกี่ค่ำจะเห็นรายละเอียดของหลุมได้ดีที่สุด)
          4.4.2.5 ในกรณีที่มีกล้องสองตา ลองทำการสังเกตเช่นเดียวกับการใช้กล้องดูดาว และสังเกตว่ากล้องสองตาให้ความแตกต่างจากกล้องดูดาวอย่างไรบ้าง ซึ่งมีทั้งข้อได้เปรียบและข้อเสียเปรียบ