Characterising transiting exoplanets at long orbital period: lessons learned for PLATO from 10 years of monitoring the HIP41378 system

कल्पना कीजिए कि आगामी PLATO मिशन एक विशाल, उच्च-शक्ति वाले अंतरिक्ष कैमरे की तरह है जिसका प्रक्षेपण 2027 में निर्धारित है। इसका विशेष कार्य उन चमकीले सितारों के चारों ओर घूमने वाले ग्रहों को खोजना है जो अपने सूर्य से बहुत दूर हैं—ऐसे ग्रह जो एक चक्कर पूरा करने में बहुत लंबा समय लेते हैं (जैसे पृथ्वी का एक वर्ष, या उससे भी अधिक)।

इन दूर स्थित, धीमी गति से चलने वाली दुनियाओं का अध्ययन कैसे किया जाए, यह समझने के लिए वैज्ञानिकों ने दस वर्षों तक HIP41378 नामक एक विशिष्ट तारा प्रणाली की निगरानी की। इस प्रणाली को एक "प्रशिक्षण पुतले" (training dummy) या एक अभ्यास रन के रूप में समझें। यह एक चमकीला तारा है जिसमें कई ग्रह परिक्रमा कर रहे हैं, जिनमें से कुछ को एक चक्कर लगाने में डेढ़ साल तक का समय लगता है। इस प्रणाली का अध्ययन करके, टीम ने इन मायावी ग्रहों को पकड़ने के बारे में मूल्यवान सबक सीखे।

यहाँ मुख्य सबक दिए गए हैं जो उन्होंने सीखे, जिन्हें सरल रूप में समझाया गया है:

1. "धीमा नृत्य" की समस्या (रेडियल वेलोसिटी)

इन ग्रहों को खोजने के लिए, वैज्ञानिक "रेडियल वेलोसिटी" नामक तकनीक का उपयोग करते हैं, जो एक तारे के "डगमगाने" (wobble) को सुनने जैसा है क्योंकि एक ग्रह उस पर खिंचाव डालता है।

• चुनौती: HIP41378 प्रणाली में, ग्रह एक तालबद्ध रूटीन में नाचने वाले नर्तकों की तरह हैं। वे एक ऐसे पैटर्न में परिक्रमा करते हैं जहाँ उनकी अवधि आपस में मेल खाती है (commensurability)। कभी-कभी, उनका गुरुत्वाकर्षण खिंचाव एक-दूसरे को रद्द कर देता है, जिससे तारा बिल्कुल स्थिर दिखाई देता है। अन्य समय में, वे सभी एक ही दिशा में खींचते हैं, जिससे एक बड़ा डगमगाहट पैदा होती है।
• सबक: यदि आप केवल थोड़े समय के लिए देखते हैं, तो आप सोच सकते हैं कि तारा शांत है और वहां कोई ग्रह नहीं है। पूरी तस्वीर देखने के लिए, आपको बहुत लंबे समय तक (वर्षों तक) देखना होगा और बहुत बार माप लेना होगा। यह एक जटिल गीत को समझने के लिए वैसा ही है जैसे कि केवल कुछ सेकंड सुनने के बाद पूरी धुन को समझने की कोशिश करना; आपको पूरी एल्बम की आवश्यकता है ताकि आप मेलोडी को समझ सकें।
• परिणाम: उन्हें छह ग्रहों के पूरे "संगीत" को सुनने के लिए एक दशक में 580 रातों तक तारे की निगरानी करनी पड़ी।

2. "पृथ्वी की छाया" की समस्या (मौसमी अंतराल)

चूंकि ये ग्रह लगभग एक वर्ष की कक्षा में घूमते हैं, इसलिए वे पृथ्वी की गति के समान गति से चलते हैं।

• चुनौती: जब हम पृथ्वी से इन सितारों को देखते हैं, तो हम उन्हें साल में केवल लगभग छह महीने ही देख सकते हैं (जब वे रात के आकाश में ऊपर होते हैं)। एक ग्रह के लिए जो 390 दिनों में एक चक्कर लगाता है, हम हर साल उसकी यात्रा का एक बड़ा हिस्सा मिस कर देते हैं। यह एक फिल्म देखने जैसा है लेकिन आपको केवल छह महीने देखने की अनुमति है, फिर आपको अगले छह महीने तक अगला हिस्सा देखने के लिए इंतजार करना पड़ता है।
• सबक: आप उन लापता अंतरालों को भरने के लिए कई वर्षों तक देखे बिना उस ग्रह के सटीक वजन या आकार का पता नहीं लगा सकते।

3. "चलते हुए लक्ष्य" की समस्या (ट्रांजिट टाइमिंग)

जब एक ग्रह अपने तारे के सामने से गुजरता है (एक ट्रांजिट), तो वह थोड़ी सी रोशनी को रोकता है। वैज्ञानिक इस घटना का उपयोग ग्रह का अध्ययन करने के लिए करते हैं।

• चुनौती: क्योंकि इस प्रणाली में ग्रह एक-दूसरे के बहुत करीब हैं, वे एक-दूसरे पर खिंचाव डालते हैं। यह उनके आगमन के समय को प्रभावित करता है, जिससे वे अपनी "क्रॉसिंग पॉइंट" पर उम्मीद से पहले या बाद में पहुँचते हैं। ये देरी (जिन्हें TTVs कहा जाता है) बहुत बड़ी हो सकती है—कभी-कभी घंटों या दिनों की!
• सबक: यदि आप 2018 के एक साधारण गणितीय अनुमान के आधार पर 2023 में एक ट्रांजिट देखने के लिए टेलीस्कोप का शेड्यूल बनाते हैं, तो आप इसे पूरी तरह से मिस कर सकते हैं क्योंकि ग्रह एक दिन जल्दी या देर से आया था।
• परिणाम: वैज्ञानिकों ने पाया कि CHEOPS उपग्रह के साथ एक नियोजित अवलोकन ने एक ट्रांजिट मिस कर दिया क्योंकि ग्रह एक दिन से अधिक देरी से आया था। इन ग्रहों को पकड़ने के लिए, आपको अपने अनुमानों को अपडेट करने के लिए उन्हें लगातार देखते रहना होगा, अन्यथा आप खाली आकाश की ओर देख रहे होंगे।

4. "लंबी रात" की समस्या (ट्रांजिट ड्यूरेशन)

ये ग्रह अपने तारों से दूर हैं, इसलिए जब वे उनके सामने से गुजरते हैं, तो यह घटना बहुत लंबे समय तक चलती है।

• चुनौती: कुछ ट्रांजिट 12 से 19 घंटे तक चलते हैं। यह अधिकांश वेधशालाओं में एक एकल रात से भी लंबा है।
• सबक: पृथ्वी पर कोई भी अकेला टेलीस्कोप पूरी घटना को नहीं देख सकता। यह एक 19 घंटे के मैराथन को शुरू से अंत तक देखने जैसा है, लेकिन आपके कैमरे की बैटरी केवल 8 घंटे चलती है।
• समाधान: पूरी घटना को देखने के लिए, आपको दुनिया भर के टेलीस्कोपों की एक "रिले रेस" की आवश्यकता है। जैसे ही एक टेलीस्कोप पश्चिम में अस्त होता है, दूसरा उसे पूर्व में संभाल लेता है। HIP41378 प्रणाली के लिए, वैज्ञानिकों ने एक एकल ट्रांजिट को पकड़ने के लिए दुनिया भर के नौ अलग-अलग टेलीस्कोपों का उपयोग किया।

5. "दुर्लभ अवसर" की समस्या

चूंकि ये ग्रह धीरे-धीरे परिक्रमा करते हैं और पृथ्वी भी चलती है, इसलिए वे समय जब एक ग्रह अपने तारे के सामने से गुजरता है और वह तारा पृथ्वी से दिखाई देता है, बहुत दुर्लभ होते हैं।

• चुनौती: आपको एक विशिष्ट ग्रह के अपने तारे के सामने से गुजरने का मौका हर कुछ वर्षों में ही मिल सकता है।
• सबक: जब वह दुर्लभ खिड़की खुलती है, तो आप असफल होने का जोखिम नहीं उठा सकते। आपको बैकअप योजनाओं की आवश्यकता है। यदि बारिश होती है या कोई टेलीस्कोप टूट जाता है, तो आप अवसर खो देंगे और वर्षों तक इंतजार करना होगा। वैज्ञानिक सीख गए हैं कि उन्हें एक साथ दर्जनों टेलीस्कोपों के समन्वय की आवश्यकता है ताकि वे इस घटना को मिस न करें।

बड़ी तस्वीर

पेपर यह निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि PLATO इन लंबी अवधि वाले ग्रहों को खोजने में अद्भुत होगा, लेकिन इन ग्रहों का अध्ययन करना अपने सितारों के करीब परिक्रमा करने वाले ग्रहों के अध्ययन की तुलना में बहुत कठिन होगा।

• इसमें धैर्य की आवश्यकता है: आपको महीनों के नहीं, बल्कि वर्षों के डेटा की आवश्यकता है।
• इसमें टीम वर्क की आवश्यकता है: लंबी घटनाओं को पकड़ने के लिए आपको दुनिया भर में टेलीस्कोपों की आवश्यकता है।
• इसमें सटीकता की आवश्यकता है: आप सरल गणित पर भरोसा नहीं कर सकते; आपको अपने अनुमानों को लगातार अपडेट करना होगा क्योंकि ग्रह लगातार अपना शेड्यूल बदल रहे हैं।

HIP41378 प्रणाली से ये सबक सीखकर, वैज्ञानिक अब तैयार हैं कि जब PLATO चमकीले सितारों के आसपास इन दुर्लभ, धीमी गति से चलने वाली दुनियाओं को खोजना शुरू करेगा, तो वे PLATO की सफलता में मदद कर सकें।