นับตั้งแต่โบราณกาล ผู้คนส่วนใหญ่รู้จักเพียงว่า เราสามารถมองเห็นสิ่งที่อยู่บนฟากฟ้าได้ ก็ต้องอาศัยแสง (ในช่วงคลื่นที่เรามองเห็น) เป็นตัวกลางเท่านั้น
ดังนั้น อุปกรณ์ช่วยในการดูดาวยุคแรกๆ จึงเป็นกล้องที่อาศัยหลักการหักเหของแสง ที่เรียกว่า “กล้องโทรทรรศน์ แบบหักเหแสง” (The Reflacting Telescope) ซึ่งถูกสร้างขึ้น ตั้งแต่ยุค 1570s โดยให้แสงหักเห ผ่านเลนส์วัตถุ (Object lens) ชนิดเลนส์นูน (Corvex lens) แล้วรวมแสงเข้าหาเลนส์ตา (Eye lens) ชนิดเลนส์เว้า (Concave lens) แล้วหักเหผ่านเลนส์ตาอีกครั้ง ทำให้ภาพที่ปรากฏ ขยายใหญ่ขึ้น 3-4 เท่า
กาลิเลโอ
(Galileo Galilei, 1564-1642)
ต่อมา กาลิเลโอ (Galileo Galilei, 1564-1642) นักดาราศาสตร์, นักคณิตศาสตร์ และนักฟิสิกส์ชาวอิตาลี ได้พัฒนาให้มีกำลังขยายเพิ่มขึ้น เป็นประมาณ 20 เท่า ซึ่งทำให้กาลิเลโอมีชื่อเสียง และเป็นที่รู้จัก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เมื่อเขานำกล้องโทรทรรศน์ที่สร้างขึ้น ไปสำรวจดวลจันทร์, ดาวพฤหัส และค้นพบดาวบริวารทั้งสี่ ของดาวพฤหัส และเสนอว่า โลกกลม กล้องดูดาวแบบหักเหแสง จึงมีอีกชื่อเรียกหนึ่งว่า “กล้องดูดาวแบบกาลิเลโอ” (Galileo’s Telescope)
การเพิ่มกำลังขยาย ของกล้องโทรทรรศน์ แบบหักเหแสงนี้ แปรตามระยะโฟกัสของเลนส์วัตถุ นั่นคือ การทำให้กำลังขยาย ของกล้องดูดาวเพิ่มขึ้น ระยะโฟกัสจะต้องมากขึ้น เลนส์ก็ต้องมีขนาดใหญ่ขึ้น และความยาวของกล้อง ก็ต้องมากตามไปด้วย ทำให้มีข้อจำกัดของกล้องประเภทนี้ อยู่ที่ความยาวของตัวมันเอง เนื่องจาก เมื่อของเส้นผ่านศูนย์กลางเลนส์ เกิน 1 เมตรแล้ว มันจะรับน้ำหนักของตัวมันเองไม่ไหวนั่นเอง
ไอแซค นิวตัน
(Isaac Newton,1642-1727)
ในปี ค.ศ. 1671 (พ.ศ. 2214) ไอแซค นิวตัน (Isaac Newton,1642-1727) ได้ออกแบบกล้องดูดาวขึ้นใหม่ โดยอาศัยกระจกเงาโค้ง แบบพาราโบล่า (Parabola) ที่สะท้อนแสง แล้วโฟกัสให้ตกลงบนเลนส์ตา (Eye lens) ชนิดเลนส์นูนอีกครั้ง ซึ่งมีข้อดีคือ นอกจากลดระยะความยาวของกล้องแล้ว ยังแก้ปัญหาของกล้องโทรทรรศน์ แบบหักเหแสง ที่ทำให้แสงที่หักเหนั้น แตกออกเป็นแถบแสงของสเปกตรัมได้อีกด้วย กล้องที่อาศัยหลักการสะท้อนแสงนี้ มีชื่อเรียกว่า “กล้องโทรทรรศน์ แบบสะท้อนแสง” (The Reflecting Telescope) หรือมีอีกชื่อเรียกหนึ่งว่า “กล้องดูดาวแบบนิวตัน” (Newtonian’s Telescope)
นอกจากนี้ นิวตันยังสามารถอธิบายปรากฏการณ์สเปกตรัม (Spectrum) ว่า แสงสีขาวที่เรามองเห็น ประกอบด้วย แสงสีต่างๆ ที่มีมุมหรือองศาการหักเหไม่เท่ากัน ทำให้ เมื่อแสงหักเหผ่านเลนส์ หรือปริซึมแล้ว จะแตกออกเป็นแถบสีที่เรียกว่า สเปกตรัม และทำให้ วัตถุที่มองผ่านกล้องโทรทรรศน์ แบบหักเหแสง จะมองเห็นวัตถุมีวงแหวนคล้ายกับรุ้งกินน้ำอยู่รอบๆ
กล้องโทรทรรศน์ฮับเบิ้ล
(The Hubble Space Telescope)
กระทั่งทุกวันนี้ กล้องดูดาวขนาดใหญ่ที่ใช้อยู่ ก็อาศัยกลักการพื้นฐานการสะท้อนของแสง แบบกล้องโทรทรรศน์ แบบสะท้อนแสง เป็นส่วนใหญ่ แม้กระทั่งมีการส่ง กล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ ออกไปโคจรอยู่นอกโลกอย่าง กล้องโทรทรรศน์ฮับเบิ้ล (The Hubble Space Telescope) เพื่อเลี่ยงการรบกวนแสง ที่เกิดจากชั้นบรรยากาศโลกก็ตาม
รูปซ้ายมือ: กล้องโทรทรรศน์ฮับเบิ้ล (The Hubble Space Telescope) ขึ้นไปโคจรรอบโลก ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1990(พ.ศ. 2533)
หลังจากนั้น จึงมีการศึกษาคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างจริงจัง นอกจากคลื่นแสงที่มองเห็นเท่านั้น ซึ่งต่อมา Karl Jansky ได้ค้นพบคลื่นความถี่ต่ำ ที่ออกมาจากใจกลางกาแล็กซี่ของเรา ในปี ค.ศ.1933 (พ.ศ.2476) และได้ออกแบบเสาของกล้องโทรทรรศน์วิทยุ แบบหมุนได้ เพื่อศึกษาคลื่นวิทยุที่ส่งได้รับ
หลักการของกล้องโทรทรรศน์วิทยุ ต้องใช้หลักการ ของการสะท้อนคลื่นวิทยุที่ได้รับ ซึ่งก็ต้องมีตัวสะท้อนและตัวรับคลื่น เช่นเดียวกับกล้องโทรทรรศน์ แบบใช้แสง เพียงแต่คลื่นวิทยุ มีขนาดของความยาวคลื่นมากกว่า มีความถี่ต่ำกว่า และมีพลังงานต่ำกว่า จึงต้องอาศัยขนาดของจานสะท้อน ที่มีขนาดค่อนข้างใหญ่
ภาพซ้ายมือแสดงกล้องโทรทรรศน์วิทยุ VLR (The Very Large Radio Telescope) ในประเทศแม็กซิโก ซึ่งประกอบด้วยจานรับคลื่นวิทยุ จำนวน 27 จาน ประกอบกันเสาวิทยุเสมือน ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 36 กิโลเมตร
ทั้งกล้องโทรทรรศน์แบบที่ใช้แสง และกล้องโทรทรรศน์คลื่นวิทยุ ต่างก็มีข้อจำกัด อันเนื่องมาจากบรรยากาศของโลก เนื่องจากชั้นบรรยากาศจะดูดซับรังสี หรือคลื่นหลังงานบางช่วงคลื่นไว้ โดยเฉพาะช่วงคลื่นที่มีความถี่ หรือพลังงานสูง เพื่อไม่ให้เป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตบนโลก นอกจากนี้ กล้องโทรทรรศน์วิทยุบนโลก ยังถูกรบกวนโดยคลื่นวิทยุ หรือโทรทัศน์ที่ใช้กันบนโลก จึงเป็นที่มาของโครงการ ที่จะส่งกล้องโทรทรรศน์เหล่านี้ ออกไปอยู่นอกโลก เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาดังกล่าว
The NASA Infrared Telescope Facility 3.0 meter telescope ที่ the summit of Mauna Kea ในฮาวาย
กล้องโทรทรรศน์ที่อาศัยช่วงคลื่นอินฟราเรด (IR) และอัลตราไวโอเลต (UV) ก็มีปัญหานี้เช่นเดียวกัน จึงเป็นเหตุผลให้ กล้องโทรทรรศน์แบบอินฟราเรด ตั้งอยู่บนที่สูง เพื่อลดอัตราของไอน้ำในอากาศ ที่จะมีผลรบกวนคลื่นอินฟราเรด เช่น กล้องโทรทรรศน์ Mauna Kea ในฮาวาย เป็นต้น
ส่วนกล้องโทรทรรศน์อัลตราไวโอเลต ก็จะตั้งอยู่บนที่สูงกว่านั้นอีก โดยจะอยู่สูงกว่าระดับน้ำทะเลปกติ 20-40 กิโลเมตรเลยทีเดียว เพื่อให้สูงกว่าชั้นโอโซน ซึ่งทำหน้าที่ป้องกันคลื่นอัลตราไวโอเลตนั่นเอง
การศึกษาวัตถุบนท้องฟ้า โดยอาศัยช่วงคลื่นที่มีพลังงานสูง อย่างรังสีเอ็กซ์ (X-ray), และรังสีแกมมา (Gamma ray) เริ่มต้นราวปี ค.ศ.1960 (พ.ศ.2503) เนื่องจากรังสีเอ็กซ์ มีพลังงานสูงกว่าคลื่นแสงมาก จึงไม่สามารถ สะท้อนกระจกได้เหมือนแสง จึงต้องให้สะท้อนอยู่ในมุมที่เหมาะสม เสมือนยิงกระสุน (ของโฟตอน) แฉลบกระจก ที่เคลือบด้วยโลหะหนัก ทะลุเข้าหาผนังนั่นเอง กล้องโทรทรรศน์แบบรังสีเอ็กซ์ มีหน้าตาเป็นทรงกระบอก คล้ายกล้องโทรทรรศน์แบบทั่วไป
โดยอาศัยกล้องที่ติดตั้งบนบอลลูน หรือจรวด ซึ่งองค์การนาซ่า (NASA) ได้จัดส่งกล้องโทรทรรศน์รังสีเอ็กซ์ครั้งแรก ในปี ค.ศ.1970 (พ.ศ.2513) ในโอกาสครบรอบ 7 ปีที่ประเทศเคนยา เป็นอิสรภาพ โดยมีชื่อดาวเทียมว่า Uhuru หมายถึง “อิสรภาพ” (freedom) ส่วนกล้องโทรทรรศน์รังสีเอ็กซ์อื่นๆ ได้แก่ สกายแล็ป (Skylab) ในปี ค.ศ.1973 (พ.ศ.2516), จันทรา (Chandra X-ray Observatory) ในปี ค.ศ.1999 (พ.ศ.2542) เป็นต้น
Skylab Space Staion -1973
Chandra X-ray Observation – 1999
ส่วนรังสีแกมมา มีความยาวคลื่นน้อยกว่ารังสีเอ็กซ์ และพลังงานสูงกว่ามาก และไม่สามารถป้องกันการทะลุของรังสีแกมมาได้ จึงไม่สามารถอาศัยหลักการโฟกัส ของรังสีได้เหมือนกล้องแบบอื่นๆ จึงต้องอาศัยหลักการตรวจจับ (detect) รังสีแกมมาแทน โดย Arthur Holly Compton เป็นผู้สามารถออกแบบเครื่องมือ ที่สามารถตรวจจับการแตกตัวของอิเลคตรอน เมื่อรังสีแกมมาผ่านเข้ามาได้ ทำให้ Compton ได้รับรางวัลโนเบล (Nobel Prize) สาขาฟิสิกส์ เมื่อปี ค.ศ.1927 (พ.ศ.2470) โดยกล้องโทรทรรศน์รังสีแกมมา ชื่อ Explorer X1 ถูกส่งออกไปโคจรนอกโลก เป็นครั้งแรก เมื่อปี ค.ศ.1961 (พ.ศ.2504)
หรือกล้องโทรทรรศน์ Compton Gamma Ray Observatory ถูกส่งออกไปโคจรนอกโลก ในปี ค.ศ. 1991 (พ.ศ.2534) โดยตั้งชื่อเพื่อเป็นเกียรติแก่ Arthur Holly Compton (1892-1962)
รูปทางซ้ายมือ: กล้องโทรทรรศน์ Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) โคจรนอกโลก ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1991 (พ.ศ.2534)
จะเห็นว่า กล้องโทรทรรศน์ที่ใช้สำหรับการสำรวจ และศึกษาสิ่งที่อยู่นอกโลก มีได้มากมายหลายแบบ ไม่เฉพาะเพียงแต่ช่วงคลื่นแสง ที่มนุษย์เรามองเห็นเท่านั้น แต่ถึงอย่างไรก็ตาม การสร้างกล้องโทรทรรศน์ แบบหลายๆช่วงคลื่น (Milti-wave Telescope) ในตัวเดียวกัน ก็ยังมีข้อจำกัดทั้งด้านเทคโนโลยี และงบประมาณ รวมถึงบุคลากรที่จะใช้งานอีกด้วย จึงทำให้การสำรวจ หรือศึกษาด้วยกล้องโทรทรรศน์ โดยอาศัยที่แต่ละแบบแยกอิสระจากกัน ยังคงเป็นที่นิยมต่อไป
