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The Sunrise Chromospheric Infrared Spectro-Polarimeter SCIP: an instrument for SUNRISE III

यह शोधपत्र सनराइज क्रोमोस्फेरिक इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रो-पोलारिमीटर (SCIP) को प्रस्तुत करता है, जो 2024 के सनराइज III बैलून मिशन के लिए डिज़ाइन किया गया एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन उपकरण है, जिसका उद्देश्य निकट-इन्फ्रारेड तरंगदैर्ध्यों का उपयोग करके फोटोस्फीयर और क्रोमोस्फीयर में सौर चुंबकीय क्षेत्रों और वेगों के सीइंग-मुक्त (seeing-free), उच्च-परिशुद्धता वाले स्पेक्ट्रो-पोलारिमेट्रिक अवलोकन करना है।

मूल लेखक: Y. Katsukawa, J. C. del Toro Iniesta, S. K. Solanki, M. Kubo, H. Hara, T. Shimizu, T. Oba, Y. Kawabata, T. Tsuzuki, F. Uraguchi, K. Shinoda, T. Tamura, Y. Suematsu, T. Matsumoto, R. T. Ishikawa, Y. Na

प्रकाशित 2026-03-19

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Y. Katsukawa, J. C. del Toro Iniesta, S. K. Solanki, M. Kubo, H. Hara, T. Shimizu, T. Oba, Y. Kawabata, T. Tsuzuki, F. Uraguchi, K. Shinoda, T. Tamura, Y. Suematsu, T. Matsumoto, R. T. Ishikawa, Y. Naito, K. Ichimoto, S. Nagata, T. Anan, D. Orozco Suárez, M. Balaguer Jiménez, A. C. López Jiménez, C. Quintero Noda, D. Álvarez García, J. L. Ramos Mas, B. Aparicio del Moral, A. Sánchez Gómez, D. Hernández Expósito, E. Bailón Martínez, J. M. Morales Fernández, A. J. Moreno Mantas, A. Tobaruela, I. Bustamante, A. Álvarez Herrero, J. Piqueras Carreño, I. Pérez Grande, A. Korpi-Lagg, A. Gandorfer, T. Berkefeld, P Bernasconi, A. Feller, T. L. Riethmüller, H. N. Smitha, V. Martínez Pillet, B. Grauf, A. Bell, M. Carpenter

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि सूर्य एक हलचल भरा, अराजक शहर है। यह समझने के लिए कि इसका "मौसम" कैसे काम करता है—ऊर्जा कैसे चलती है, चुंबकीय तूफान कैसे बनते हैं, और वायुमंडल क्यों गर्म होता है—हमें इसकी सड़कों और इमारतों को बहुत करीब से देखने की आवश्यकता है। लेकिन सूर्य बहुत दूर है, और पृथ्वी का वायुमंडल एक मोटे, डगमगाते कंबल या धुंध की तरह है जो हमारे दृश्य को धुंधला कर देता है।

इस समस्या को हल करने के लिए, वैज्ञानिकों ने एक विशाल, ऊँचाई पर उड़ने वाला गुब्बारा लॉन्च किया जिसे Sunrise III कहा जाता है। यह पृथ्वी के 99% वायुमंडल से ऊपर तैरता है (व्यावसायिक जेट विमानों से भी ऊपर), जो इसे सूर्य का एक स्पष्ट, "धुंध-मुक्त" दृश्य प्रदान करता है।

इस कहानी का मुख्य पात्र टेलीस्कोप से जुड़ा एक नया उपकरण है जिसे SCIP (Sunrise Chromospheric Infrared spectroPolarimeter) कहा जाता है। SCIP को सूर्य के चुंबकीय क्षेत्रों के रहस्य को सुलझाने के लिए डिज़ाइन किया गया एक सुपर-पावर्ड, मल्टी-स्पेक्ट्रल डिटेक्टिव कैमरा समझें।

यहाँ बताया गया है कि SCIP कैसे काम करता है, जिसे सरल अवधारणाओं में विभाजित किया गया है:

1. जासूस का टूलकिट: अदृश्य को देखना

सूर्य पर चुंबकीय क्षेत्र नग्न आंखों से अदृश्य होते हैं। हालाँकि, जब प्रकाश एक चुंबकीय क्षेत्र से गुजरता है, तो वह थोड़ा "मुड़" (twist) जाता है। इसे पोलराइजेशन (ध्रुवीकरण) कहा जाता है।

उपमा: कल्पना कीजिए कि आप विशेष चश्मे के माध्यम से एक नदी को देख रहे हैं। यदि पानी शांत है, तो प्रकाश सामान्य दिखता है। लेकिन यदि वहां छिपी हुई धाराएं (चुंबकीय क्षेत्र) हैं, तो प्रकाश एक विशिष्ट पैटर्न में लहरें पैदा करेगा जिसे केवल आपके विशेष चश्मे ही देख सकते हैं।
SCIP का काम: SCIP केवल तस्वीर नहीं लेता; यह प्रकाश की इन "लहरों" को मापता है। प्रकाश के मुड़ने के तरीके का विश्लेषण करके, SCIP सूर्य की सतह (फोटोस्फीयर) से लेकर निचले वायुमंडल (क्रोमोस्फीयर) तक चुंबकीय क्षेत्रों की शक्ति और दिशा का मानचित्र बना सकता है।

2. "जादुई चश्मा": धुंध के पार देखना

SCIP प्रकाश के दो विशिष्ट "रंगों" (वेवलेंथ) को देखता है जो जमीन से अदृश्य या धुंधले होते हैं: 770 nm और 850 nm (नियर-इन्फ्रारेड)।

समस्या: जमीन पर, पृथ्वी का वायुमंडल गंदे चश्मे की तरह काम करता है जो इन विशिष्ट रंगों को रोकता है, विशेष रूप से 770 nm के आसपास।
समाधान: क्योंकि गुब्बारा स्ट्रैटोस्फीयर में तैरता है, इसलिए यह "गंदे चश्मे" से ऊपर होता है। यह SCIP को पहली बार एक उच्च-ऊंचाई वाले प्लेटफॉर्म से इन विशिष्ट रंगों को स्पष्ट रूप से देखने की अनुमति देता है। ये रंग सूर्य के वायुमंडल की विभिन्न परतों के बारे में जानकारी अनलॉक करने वाली एक "चाबी" की तरह काम करते हैं।

3. घूमता हुआ पहिया: घुमाव को पकड़ना

प्रकाश के पोलराइजेशन (घुमाव) को मापने के लिए, SCIP एक स्पिनिंग वेवप्लेट (घूमती हुई तरंग-पट्टिका) का उपयोग करके एक चतुर तकनीक का उपयोग करता है।

उपमा: कल्पना कीजिए कि एक लाइटहाउस की बीम तेजी से घूम रही है। जैसे-जैसे यह घूमती है, यह प्रकाश के विभिन्न पैटर्न फ्लैश करती है। SCIP एक विशेष क्रिस्टल प्लेट (वेवप्लेट) को बहुत तेजी से घुमाता है। जैसे-जैसे यह घूमता है, यह बदल देता है कि प्रकाश कैमरे में कैसे प्रवेश करता है।
परिणाम: कैमरा पहिये के प्रत्येक चक्कर के लिए 16 तीव्र स्नैपशॉट लेता है। इन स्नैपशॉट्स की तुलना करके, कंप्यूटर गणितीय रूप से चुंबकीय क्षेत्र के आकार और शक्ति का पुनर्निर्माण कर सकता है। यह एक घूमते हुए पंखे का वीडियो लेने जैसा है ताकि यह पता लगाया जा सके कि वह कितनी तेजी से घूम रहा है और उसके ब्लेड का आकार क्या है।

4. "स्कैनर": एक चित्र बनाना

SCIP एक स्पेक्ट्रोग्राफ है, जिसका अर्थ है कि यह एक साथ पूरे सूर्य की विस्तृत फोटो नहीं लेता है। इसके बजाय, यह सूर्य के एक पतले हिस्से (एक स्लिट) को देखता है, जैसे कि किसी चाबी के छेद (keyhole) के माध्यम से देखना।

समस्या: यदि आप केवल चाबी के छेद से देखते हैं, तो आप कमरे का बाकी हिस्सा मिस कर देते हैं।
समाधान: SCIP में एक स्कैन मिरर (SMM) होता है। इसे एक छोटे, अत्यंत तीव्र दर्पण के रूप में समझें जो आगे और पीछे झुकता है। यह सूर्य की सतह पर "चाबी के छेद" वाले दृश्य को पिक्सेल-दर-पिक्सेल बनाता है।
गति: यह इतनी तेजी से और इतनी सटीकता से चलता है कि गुब्बारा हवा में तैरते हुए भी सूर्य के एक बड़े क्षेत्र का मानचित्र बना सकता है, जिससे छवि धुंधली न हो।

5. मस्तिष्क और शरीर

यह उपकरण दो मुख्य भागों में विभाजित है:

O-यूनिट (शरीर): यह टेलीस्कोप के ठीक पीछे स्थित होता है। इसमें दर्पण, घूमने वाला पहिया, कैमरे और स्लिट शामिल हैं। इसे अत्यधिक स्थिर और हल्का बनाया गया है, जिसमें विशेष सामग्रियों का उपयोग किया गया है जो तापमान परिवर्तन के साथ फैलती या सिकुड़ती नहीं हैं।
E-यूनिट (मस्तिष्क): यह गुब्बारे के गोंडोला (टोकरी) के अंदर स्थित होता है। इसमें कंप्यूटर और इलेक्ट्रॉनिक्स होते हैं। यह एक कंडक्टर की तरह कार्य करता है, जो घूमते हुए पहिये को कब घूमना है, दर्पण को कब झुकना है और कैमरों को कब फोटो खींचनी है, यह बताता है। यह डेटा को तुरंत प्रोसेस भी करता है, कच्चे चित्रों को चुंबकीय क्षेत्र के मानचित्रों में बदलने के लिए जटिल गणित करता है और फिर उन्हें पृथ्वी पर भेजता है।

6. यह क्यों महत्वपूर्ण है?

सूर्य का वायुमंडल निरंतर नाटक का स्थान है। गैस की छोटी जेट धाराएं ऊपर की ओर निकलती हैं, और लहरें चुंबकीय क्षेत्रों के माध्यम से टकराती हैं। वैज्ञानिक जानना चाहते हैं: ऊर्जा सतह से ऊपरी वायुमंडल तक कैसे पहुँचती है?

SCIP इन घटनाओं को वास्तविक समय में देखने के लिए डिज़ाइन किया गया है। सूर्य की विभिन्न परतों में चुंबकीय क्षेत्रों और गैस की गतिविधियों को एक साथ मापकर, यह उस "इंजन" को समझने में मदद करता है जो सौर मौसम को संचालित करता है।

सारांश

संक्षेप में, SCIP एक उच्च-तकनीकी, गुब्बारे से चलने वाला कैमरा है जो बादलों के ऊपर तैरता है। यह घूमते हुए क्रिस्टल और तेज दर्पणों का उपयोग करके सूर्य के अविश्वसनीय रूप से तीक्ष्ण, 3D "चुंबकीय मानचित्र" लेने के लिए बनाया गया है। यह प्रकाश के उन विशिष्ट रंगों को देखता है जिन्हें जमीनी टेलीस्कोप नहीं देख सकते, जिससे वैज्ञानिकों को यह समझने में मदद मिलती है कि सूर्य के चुंबकीय क्षेत्र उसके गतिशील और ऊर्जावान वायुमंडल को कैसे संचालित करते हैं।

तकनीकी सारांश: सनराइज III के लिए सनराइज क्रोमोस्फेरिक इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रो-पोलारिमीटर (SCIP)

समस्या और वैज्ञानिक प्रेरणा
सौर वायुमंडल में गतिशील घटनाओं, जैसे कि जेट और मैग्नेटोहाइड्रोडायनामिक (MHD) तरंगों को समझने के लिए, फोटोस्फीयर से लेकर क्रोमोस्फीयर तक सटीक चुंबकीय क्षेत्रों और वेगों के मापन की आवश्यकता होती है। पिछले अवलोकन, विशेष रूप से प्रथम दो सनराइज बैलून-बोर्न ऑब्जर्वेटरी (2009 और 2013) की उड़ानों के, क्रोमोस्फीयर में स्पेक्ट्रो-पोलारिमेट्रिक क्षमता के अभाव के कारण सीमित थे। जबकि इमेजिंग मैग्नेटोग्राफ एक्सपेरिमेंट (IMaX) ने उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाले फोटोस्फेरिक चुंबकीय मानचित्र प्रदान किए, क्रोमोस्फीयर मुख्य रूप से केवल इमेज किया गया था न कि स्पेक्ट्रोपोलारिमेट्रिक रूप से विश्लेषित। यह अंतराल सौर पवन में ऊर्जा हस्तांतरण और त्वरण तंत्रों की मात्रात्मक समझ में बाधा डालता है। इसके अलावा, प्रमुख निकट-अवरक्त (near-infrared) स्पेक्ट्रल लाइनों (विशेष रूप से 770 nm के आसपास K I डबलट) के लिए जमीनी अवलोकन, वायुमंडलीय ऑक्सीजन अवशोषण द्वारा गंभीर रूप से बाधित होते हैं, जिससे वे सटीक पोलारिमेट्री के लिए अप्राप्य हो जाते हैं। इन सीमाओं को दूर करने के लिए, 2024 में आयोजित सनराइज ऑब्जर्वेटरी की तीसरी उड़ान (सनराइज III) के लिए एक नए उपकरण की आवश्यकता थी जो निकट-अवरक्त में 'सीइंग-मुक्त' (seeing-free), उच्च-परिशुद्धता स्पेक्ट्रो-पोलारिमेट्री करने में सक्षम हो।

कार्यप्रणाली और उपकरण डिजाइन
SCIP को 770 nm और 850 nm के आसपास निकट-अवरक्त स्पेक्ट्रल लाइनों का अवलोकन करने के लिए एक फोकल-प्लेन उपकरण के रूप में विकसित किया गया था। उपकरण को एक 1-मीटर अपर्चर ग्रेगोरियन टेलीस्कोप पर स्ट्रैटोस्फेरिक ऊंचाई (>33 किमी) पर संचालित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जो वायुमंडलीय 'सीइंग' को समाप्त करता है।

ऑप्टिकल आर्किटेक्चर: SCIP एक संशोधित चेर्नी-टर्नर (Czerny-Turner) डिजाइन पर आधारित लॉन्ग-स्लिट स्पेक्ट्रोग्राफ का उपयोग करता है जो एक क्वाज़ी-लिट्रो (quasi-Littrow) विन्यास में है। यह एक एशेल ग्रेटिंग (echelle grating) का उपयोग करता है जो दो तरंग बैंडों का एक साथ अवलोकन करता है: चैनल 1 (CH1) जो 850 nm (19वीं विवर्तन ऑर्डर) पर केंद्रित है और चैनल 2 (CH2) जो 770 nm (21वीं विवर्तन ऑर्डर) पर केंद्रित है। एक स्लिट-जॉ (SJ) ऑप्टिकल सिस्टम गाइडिंग और संदर्भ के लिए स्लिट प्ले का 2D चित्र प्रदान करता है।
पोलारिमेट्री: पूर्ण स्टोक्स वेक्टर माप ऑप्टिकल प्रवेश द्वार पर एक रोटेटिंग वेवप्लेट (पोलराइजेशन मॉड्यूलेशन यूनिट, PMU) और डिटेक्टरों के सामने रखे गए पोलराइजेशन बीम स्प्लिटर (PBS) का उपयोग करके प्राप्त किया जाता है। PMU एक स्थिर गति (0.512 सेकंड/घूर्णन) पर घूमता है, जो पोलराइजेशन अवस्था को मॉड्यूलेट करता है। सिस्टम तीन बैक-इल्यूमिनेटेड CMOS कैमरों का उपयोग करता है (दो स्पेक्ट्रोग्राफ चैनलों के लिए, एक स्लिट-जॉ के लिए) जिनमें 2048×2048 पिक्सेल हैं।
मैकेनिज्म: एक स्कैन मिरर मैकेनिज्म (SMM), जो इमेज स्टेबिलाइजेशन एंड लाइट डिस्ट्रीब्यूशन (ISLiD) यूनिट में स्थित है, फील्ड ऑफ व्यू (FoV) को स्लिट के लंबवत स्कैन करने के लिए एक उत्तल दर्पण को झुकाता है, जिससे 2D मैपिंग संभव होती है।
इलेक्ट्रॉनिक्स और कंट्रोल: गोंडोला पर एक दबावयुक्त पात्र (vessel) में स्थित इलेक्ट्रॉनिक्स यूनिट (E-unit) में डिजिटल प्रोसेसिंग यूनिट (DPU), एनालॉग/मैकेनिक्स/हीटर्स ड्राइवर (AMHD), और पावर कनवर्टर मॉड्यूल (PCM) शामिल हैं। DPU, जिसमें एक FPGA और एक सिस्टम कंट्रोलर है, PMU रोटेशन, SMM स्कैनिंग और कैमरा एक्सपोजर को सिंक्रोनाइज़ करता है। यह ऑनबोर्ड पोलराइजेशन डिमॉड्यूलेशन, एक्युमुलेशन और डेटा कम्प्रेशन भी करता है।
थर्मल कंट्रोल: स्ट्रैटोस्फेरिक वातावरण को देखते हुए, O-यूनिट (ऑप्टिक्स) को सिंगल-लेयर इंसुलेशन (SLI) और सक्रिय हीटरों का उपयोग करके गोंडोला से थर्मल रूप से अलग रखा गया है ताकि लगभग कमरे के तापमान (~20°C) को बनाए रखा जा सके। सेंसर तापमान को 15°C और 30°C के बीच उच्च स्थिरता के साथ बनाए रखने के लिए कैमरों को समर्पित रेडिएटर्स और कॉपर स्ट्रैप्स के माध्यम से सक्रिय रूप से ठंडा किया जाता है।

प्रमुख योगदान और प्रदर्शन विशिष्टताएँ
यह शोध पत्र SCIP के डिजाइन, एकीकरण और ग्राउंड टेस्टिंग का विवरण देता है, जो निम्नलिखित तकनीकी उपलब्धियों को रेखांकित करता है:

स्पेक्ट्रल कवरेज: SCIP Ca II इन्फ्रारेड ट्रिपलेट (849.8 nm और 854.2 nm) और K I डबलट (766.4 nm और 769.9 nm) के साथ-साथ कई Fe I और Si I लाइनों को कवर करता है। यह फोटोस्फीयर और क्रोमोस्फीयर के निर्बाध कवरेज की अनुमति देता है।
रिज़ॉल्यूशन और संवेदनशीलता:
- स्थानिक रिज़ॉल्यूशन (Spatial Resolution): 0.21 आर्कसेकंड (850 nm पर डिफ्रैक्शन-लिमिटेड)।
- स्पेक्ट्रल रिज़ॉल्यूशन: $1 \times 10^5$ (अप टू $2 \times 10^5$ सैंपलिंग के साथ)।
- पोलारिमेट्रिक संवेदनशीलता: 0.03% (1 $\sigma$ ) निरंतर तीव्रता (continuum intensity) का, जो 850 nm बैंड में (2-पिक्सेल बिनिंग के साथ) 10-सेकंड के एकीकरण समय के साथ और 770 nm बैंड में बिना बिनिंग के प्राप्त किया गया है।
फील्ड ऑफ व्यू: स्लिट की लंबाई 58 आर्कसेकंड है, जिसमें 58" $\times$ 58" क्षेत्र को मैप करने की स्कैनिंग क्षमता है।
कैलिब्रेशन: इंस्ट्रूमेंट रिस्पॉन्स मैट्रिक्स प्राप्त करने के लिए ट्यूनेबल लेजर और पोलराइज़र का उपयोग करके व्यापक जमीनी-आधारित पोलराइजेशन कैलिब्रेशन किया गया था। सिस्टम CMOS सेंसर के रोलिंग शटर प्रभाव और टेलीस्कोप तथा ISLiD के पोलराइजेशन गुणों को ध्यान में रखता है।
परीक्षण: उपकरण ने कठोर ऑप्टिकल अलाइनमेंट, सिंक्रोनाइज़ेशन परीक्षण (PMU, SMM और कैमरा टाइमिंग को सत्यापित करना), और थर्मल-वैक्यूम टेस्ट (TVT) को सफलतापूर्वक पूरा किया, जिससे उड़ान जैसी स्थितियों में प्रदर्शन को प्रमाणित किया जा सके। TVT ने थर्मल मॉडल की पुष्टि की और सत्यापित किया कि हवा और वैक्यूम के बीच फोकस शिफ्ट को सुधारा जा सकता है।

परिणाम और परिचालन स्थिति
यह पेपर रिपोर्ट करता है कि SCIP को सफलतापूर्वक Sunrise III पेलोड में एकीकृत किया गया था। जुलाई 2024 में उड़ान के दौरान, उपकरण ने सफलतापूर्वक कार्य किया, और शांत सूर्य (quiet Sun), सनस्पॉट्स और प्लेजेस सहित विभिन्न सौर लक्ष्यों के लिए स्पेक्ट्रोपोलरिमेट्रिक डेटा एकत्र किया। ग्राउंड टेस्टिंग ने प्रदर्शित किया कि उपकरण ने वेवफ्रंट एरर, स्थानिक रिज़ॉल्यूशन और पोलराइजेशन संवेदनशीलता के लिए अपने डिजाइन आवश्यकताओं को पूरा किया।

महत्व
लेखकों का कहना है कि SCIP फोटोस्फीयर और क्रोमोस्फीयर दोनों में चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति संवेदनशील निकट-अवरक्त स्पेक्ट्रल लाइनों को देखने के लिए एक नवीन क्षमता प्रदान करता है। अन्य Sunrise III उपकरणों (SUSI और TuMag) के डेटा के साथ इन अवलोकनों को जोड़कर, SCIP सौर वायुमंडल में ऊर्जा हस्तांतरण और समय-निर्भर घटनाओं को चलाने वाले तंत्रों को स्पष्ट करने की उम्मीद करता है। SCIP का सफल संचालन उच्च-रिज़ॉल्यूशन, 'सीइंग-मुक्त' सौर पोलारिमेट्री, विशेष रूप से निकट-अवरक्त शासन में एक महत्वपूर्ण प्रगति है जहाँ जमीनी अवलोकन वायुमंडलीय अवशोषण द्वारा सीमित हैं।