เมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา แนวคิดที่ว่าสามารถค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบมากกว่า 700 ดวงในการศึกษาเดียวนั้นดูเป็นเรื่องเหลือเชื่อ แต่นั่นเป็นสิ่งที่นักดาราศาสตร์ที่ทำงานเกี่ยวกับ ภารกิจ เพิ่งทำไป จากการวิเคราะห์ข้อมูลที่ได้รับจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศระหว่างเดือนพฤษภาคม 2552 ถึงมีนาคม 2554 ทีมงานได้ยืนยันการมีอยู่ของดาวเคราะห์นอกระบบ 715 ดวง ทำให้จำนวนดาวเคราะห์ทั้งหมด
ที่โคจร
รอบดาวฤกษ์นอกเหนือจากดวงอาทิตย์มีเกือบ 1,700 ดวง การค้นพบล่าสุดเหล่านี้จำนวนมากถูกพบในระบบดาวเคราะห์หลายดวง ซึ่งบ่งชี้ว่าระบบสุริยะของเราอาจเป็นสิ่งปกติ สำหรับผู้ที่ต้องการค้นหาสิ่งมีชีวิตบนดาวเคราะห์ดวงอื่น ดาวเคราะห์นอกระบบใหม่ 4 ดวงมีขนาดน้อยกว่าโลก 2.5 เท่า
และโคจรอยู่ในเขตเอื้ออาศัยได้ของดาวฤกษ์ ตามภาพด้านบนแสดงให้เห็นว่าดาวเคราะห์นอกระบบดวงล่าสุดนี้เบ้ไปทางวัตถุที่มีขนาดเล็กกว่าเช่นโลก ซึ่งแตกต่างจากการค้นพบก่อนหน้านี้ ซึ่งมักจะเป็นโลกขนาดเท่าดาวพฤหัสบดีที่ตรวจจับได้ง่ายกว่า ผลก็คือ มีความเป็นไปได้มากขึ้นที่ดาวเคราะห์คล้ายโลก
ของตัวอย่าง เครื่องมือที่หลากหลายมากขึ้นสำหรับการถ่ายภาพอะตอมบนพื้นผิวคือกล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์สแกน ซึ่งคิดค้นในเมืองซูริกในปี 1982 แม้ว่า จะเป็นกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน แต่ก็ไม่ได้ขึ้นอยู่กับลำแสงอิเล็กตรอนใน สุญญากาศ เช่น กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านหรือแบบส่องกราด
แต่จะอาศัยการขุดอุโมงค์ทางกลเชิงควอนตัมของอิเล็กตรอนระหว่างปลายที่แหลมกับพื้นผิวตัวนำ จำนวนอิเล็กตรอนที่สามารถลอดผ่านช่องว่างนี้ไวต่อความกว้างมาก ทำให้สามารถสร้างภาพที่มีความละเอียดสูงของ “ลอน” ของอะตอมบนพื้นผิวตัวอย่างได้ ยังได้กำเนิดกล้องจุลทรรศน์หัววัดแบบสแกน
“แบบตั้งโต๊ะ” เช่น กล้องจุลทรรศน์แรงปรมาณูและกล้องจุลทรรศน์แรงแม่เหล็ก บินนิก ขีดจำกัดทางแม่เหล็กไฟฟ้า มักประกอบด้วยลำแสงสูงประมาณ 2.5 ม. เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 30 ซม. และสามารถให้ความละเอียดได้ประมาณ 0.2 นาโนเมตร อย่างไรก็ตาม การเพิ่มตัวแก้ไขความคลาดเคลื่อน
อาจพบได้
ทั่วไปในเอกภพท้องถิ่น เป้าหมายของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนมีมานานเพื่อให้ได้ความละเอียดหนึ่ง (1 Å หรือ 0.1 นาโนเมตร) แม้ว่าสิ่งนี้อาจดูเหมือนเป็นตัวเลขที่ค่อนข้างไม่มีกฎเกณฑ์ แต่กล้องจุลทรรศน์แบบส่องผ่านที่สามารถแยกค่า 1 Å นั้นสามารถเปิดเผยระยะห่างระหว่างอะตอมส่วนใหญ่
ที่น่าสนใจในผลึกได้ เหตุใดจึงต้องใช้เวลาเกือบเจ็ดทศวรรษในการวิจัยเพื่อให้ได้ข้อยุติที่แย่กว่าขีดจำกัดพื้นฐานที่กำหนดโดยความยาวคลื่น ถึง 50 เท่า คำตอบคือการเลี้ยวเบน: เกณฑ์ ระบุว่ากำลังการแยกภาพของกล้องจุลทรรศน์ที่มีรูรับแสงของเลนส์ทรงกลมคือ d = 1.22λ/θ โดยที่ λ คือความยาวคลื่น
และ θ คือมุมที่ลดทอนด้วยรูรับแสงตามที่ตัวอย่างเห็น เพื่อให้ได้ความละเอียด 78 pm โดยใช้อิเล็กตรอนที่มีความยาวคลื่น 2 pm รูรับแสงของเลนส์ที่ควบคุมความกว้างของลำแสงจึงต้องลดมุมที่ตัวอย่างมากกว่า 1.8° เนื่องจากความยาวโฟกัสโดยทั่วไปของเลนส์อิเล็กตรอนคือ 2 มม.
ความกว้างของลำแสงจึงต้องเป็น 62 μmเท่านั้น และเพื่อการโฟกัสที่แม่นยำ เลนส์จำเป็นต้องสร้างรูปร่างของหน้าคลื่นในระยะนี้ด้วยความแม่นยำที่ดีกว่าหนึ่งในสี่ของความยาวคลื่น (เช่น 0.5 pm) ในหน่วยที่เข้าใจได้ง่ายกว่าเล็กน้อย นี่เทียบเท่ากับการสร้างพื้นผิวที่มีความกว้างของสหรัฐอเมริกา
โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงความสูงเกิน 3 ซม.! ความท้าทายดูยากขึ้นเมื่อคุณพิจารณาว่าเครื่องมือเดียวที่ใช้สร้างลำอิเล็กตรอนได้คือสนามแม่เหล็กหรือสนามไฟฟ้า รูปร่างของเลนส์ในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนถูกกำหนดโดยสมการของแมกซ์เวลล์ ไม่เหมือนกับเลนส์แก้วที่เราสามารถเจียรและขัดเงา
ได้ตามต้องการ สิ่งนี้ทำให้เราไม่สามารถสร้างสนามที่มีรูปร่างที่ถูกต้องแม่นยำ และส่งผลให้เกิดความคลาดเคลื่อนที่จำกัดประสิทธิภาพของกล้องจุลทรรศน์ อันที่จริง ไม่นานหลังจากการประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน ชาวเยอรมันได้แสดงให้เห็นว่าเลนส์สมมาตรแบบวงกลม
ที่สมบูรณ์แบบ
ไม่แปรผันตามเวลา ไม่สามารถเกิดขึ้นได้จากสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็กในพื้นที่ว่าง: จะมีความคลาดเคลื่อนทรงกลมโดยธรรมชาติเสมอ คำว่าความคลาดเคลื่อนทรงกลมถูกนำมาใช้ครั้งแรกในออปติกแสง และเกิดขึ้นจากความพร่ามัวที่มองเห็นได้เมื่อใช้เลนส์หรือกระจกที่มีพื้นผิวทรงกลม
ในเลนส์อิเล็คตรอน ความคลาดเคลื่อนทรงกลมทำให้รังสีในมุมกว้างหลุดโฟกัสก่อนเวลาอันควร ลำแสงที่ได้จึงมี “เอว” ที่หากถูกฉายภาพบนจอภาพ จะเกิดแผ่นดิสก์พร่ามัว ความคลาดเคลื่อนทรงกลมเป็นผลลำดับที่สาม ซึ่งหมายความว่าการเบี่ยงเบนเชิงมุมของลำแสงที่เกี่ยวกับแกนออปติกขึ้นอยู่กับลูกบาศก์
ของมุม ห้องพักสำหรับการปรับปรุงในการบรรยายที่มีชื่อเสียงของเขาเรื่อง “มีที่ว่างมากมายที่ด้านล่าง” ในปี 1959 ได้อุทิศเวลาส่วนหนึ่งให้กับความต้องการกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่ดีขึ้น เมื่อตระหนักว่าเลนส์อิเลคตรอนทรงกลมมักประสบความคลาดทรงกลมอยู่เสมอ เขาจึงถามคำถามง่ายๆ
ว่าทำไมเลนส์จึงต้องเป็นทรงกลม การใช้เลนส์สมมาตรที่ไม่ใช่วงกลมเป็นกุญแจสำคัญในการแก้ไขความคลาดเคลื่อนทรงกลมในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน แท้จริงแล้ว ได้ตระหนักแล้วในทศวรรษที่ 1940 ว่าการแก้ไขลำดับที่สามที่จำเป็นสามารถทำได้โดยใช้ฟิลด์ออคทูโพลและควอดรูโพลผสมกัน
ออคทูโพลมีขั้วสลับกันแปดขั้ว: ศักย์บวกและลบในกรณีของออคทูโพลไฟฟ้าสถิต และขั้วเหนือและใต้ในกรณีของออคทูโพลแม่เหล็ก (รูปที่ 2) เส้นสนามที่ได้จะมีโปรไฟล์ที่มีสมมาตรแบบหมุนสี่เท่า แต่ที่สำคัญที่สุดคือ ความแรงของสนามจะเพิ่มขึ้นเมื่อลูกบาศก์ของระยะห่างจากจุดศูนย์กลางของเลขฐานแปด เป็นผลให้อิเล็กตรอนเบี่ยงเบนไปจากแกนของลำแสงในสองทิศทางที่ตั้งฉากกัน
