The "dark dips" phenomenon in the LSST Camera on-sky images

कल्पना कीजिए कि LSST कैमरा ब्रह्मांड की सबसे विस्तृत तस्वीरें लेने के लिए डिज़ाइन की गई एक विशाल, अत्यंत संवेदनशील डिजिटल आँख है। यह आँख 189 व्यक्तिगत "रेटिना" (सेंसर) से बनी है, जिनमें से प्रत्येक लाखों छोटे प्रकाश-पकड़ने वाले पिक्सेल से भरा हुआ है।

हाल ही में, जब इस कैमरे ने रात के आकाश की तस्वीरें लेना शुरू किया, तो वैज्ञानिकों ने इन कुछ रेटिनाओं पर एक अजीब सी खराबी देखी। वे इसे "डार्क डिप" (Dark Dip) कहते हैं।

यहाँ क्या हो रहा है, उन्होंने इसे कैसे खोजा, और वे इसके बारे में क्या कर रहे हैं, इसका एक सरल विवरण दिया गया है।

1. खराबी: जहाँ प्रकाश होना चाहिए था, वहाँ एक छाया

आमतौर पर, जब एक बहुत चमकीला तारा कैमरा सेंसर पर चमकता है, तो वह इतना उज्ज्वल हो जाता है कि पिक्सेल ओवरफ्लो (अतिप्रवाह) हो जाते हैं, जैसे पानी से भरा कप किनारों से छलक जाता है। एक सामान्य कैमरे में, इससे केवल एक चमकीली लकीर या "ब्लीडिंग" (रक्तस्राव जैसा प्रभाव) पैदा होती है।

लेकिन LSST के कुछ सेंसरों पर, उस ओवरफ्लो होने वाले तारे के आसपास कुछ अजीब होता है।

• घटना: चमकीले तारे के ठीक ऊपर और नीचे के पिक्सेल कॉलम आसपास के आकाश की तुलना में अचानक अधिक गहरे (darker) हो जाते हैं।
• उपमा: एक व्यस्त राजमार्ग (सेंसर) की कल्पना करें जहाँ एक विशाल ट्रक (चमकीला तारा) बीच वाली लेन में फँसा हुआ है और अपना सामान हर जगह बिखेर रहा है। आप उम्मीद करेंगे कि ट्रक के आस-पास की सड़क कचरे और मलबे से भरी होगी। इसके बजाय, ट्रक के ठीक बगल वाली लेन अचानक खाली और शांत हो जाती है, जबकि उससे थोड़ी दूर वाली लेन थोड़ी अधिक भीड़भाड़ वाली हो जाती है।
• परिणाम: फोटो में, बैकग्राउंड आकाश में चमकीले तारे के माध्यम से लंबवत रूप से चलती हुई एक गहरी, छायादार "डिप" या खाई दिखाई देती है।

2. रहस्य: केवल कुछ ही सेंसरों में क्यों?

कैमरे में दो प्रकार के सेंसर हैं। यह खराबी केवल एक विशिष्ट प्रकार के सेंसर (जिसे ITL नामक कंपनी ने बनाया है) पर होती है। इससे भी अजीब बात यह है कि यह हर ITL सेंसर पर नहीं होती।

• कुछ सेंसर "संवेदनशील कानों" की तरह हैं: वे मध्यम चमकीले तारों के साथ भी यह डार्क डिप दिखाते हैं।
• अन्य "बधिर" हैं: वे डिप तभी दिखाते हैं जब तारा अंधा कर देने वाला चमकीला हो।
• और कुछ में यह बिल्कुल भी नहीं दिखता।

यह 72 समान माइक्रोफोनों के एक बैच की तरह है, लेकिन उनमें से केवल 30 ही शोर मचाने लगते हैं जब एक लाउडस्पीकर चालू किया जाता है, और वे सभी अलग-अलग तीव्रता से शोर करते हैं।

3. उन्होंने इसे कैसे पकड़ा

वैज्ञानिकों को इसे खोजने के लिए जासूस बनना पड़ा।

• खोज: उन्होंने हजारों तस्वीरों को स्कैन किया, उन चमकीले तारों की तलाश की जो "सैचुरेटेड" (ओवरफ्लो) हो गए थे।
• मापन: प्रत्येक चमकीले तारे के लिए, उन्होंने उसके ऊपर और नीचे के पिक्सेल की चमक को मापा। उन्होंने यह देखने के लिए एक गणितीय सूत्र का उपयोग किया कि क्या यह अंधेरा वास्तविक था या केवल कैमरा शोर (noise) था।
• फ़िल्टर: उन्हें सावधान रहना था कि वे धोखा न खा जाएँ। कभी-कभी, कैमरे की कोई खामी या दो तारों का एक-दूसरे के ऊपर आना ऐसा दिख सकता है जैसे डार्क डिप हो। उन्होंने इन "नकली" सुरागों को बाहर निकालने के लिए एक प्रणाली बनाई।

4. जाँच: इसका कारण क्या है?

टीम ने डिप के पीछे के भौतिक विज्ञान (physics) को समझने के लिए कई परीक्षण किए।

• यह तापमान के बारे में नहीं है: उन्होंने अत्यधिक ठंड और थोड़े गर्म वातावरण में परीक्षण किया; डिप वैसा ही रहा।
• यह रंग के बारे में नहीं है: उन्होंने अलग-अलग रंगों के फिल्टर (जैसे लाल, नीला और हरा) का उपयोग किया, और डिप सभी में दिखाई दिया।
• यह रीडआउट त्रुटि नहीं है: डिप फोटो खींचे जाने के दौरान होता है, न कि बाद में डेटा को रीड आउट करते समय।

प्रमुख सिद्धांत:
वैज्ञानिकों का मानना है कि इसका संबंध सेंसर के भीतर के इलेक्ट्रिक फील्ड्स (विद्युत क्षेत्रों) से है।

• "ट्रैफिक जाम" का सिद्धांत: जब एक पिक्सेल इलेक्ट्रॉनों (प्रकाश के कणों) से बहुत अधिक भर जाता है, तो वह छलक जाता है। वैज्ञानिकों का मानना है कि यह छलकना इलेक्ट्रॉनों को निर्देशित करने वाले इलेक्ट्रिक फील्ड में एक स्थानीय "ट्रैफिक जाम" पैदा कर सकता है।
• मार्ग परिवर्तन: यह जाम इलेक्ट्रॉनों को केंद्र वाले कॉलम (जहाँ तारा है) से बगल वाले कॉलमों की ओर धकेल सकता है। इससे केंद्र वाले कॉलमों में उम्मीद से कम इलेक्ट्रॉन रह जाते हैं (जिससे डार्क डिप बनता है) और पड़ोसी कॉलमों में थोड़े अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन आ जाते हैं (जिससे चमकीली रिम बनती है)।
• रहस्य बना हुआ है: हम 100% निश्चित नहीं हैं कि यह कुछ सेंसरों पर ही क्यों होता है, या यह एक ही सिलिकॉन के टुकड़े से कटे हुए सेंसरों के बीच भी क्यों बदलता रहता है। यह एक निर्माण संबंधी विचित्रता (manufacturing quirk) है जिसे हमने अभी तक पूरी तरह से डिकोड नहीं किया है।

5. समाधान: समस्या को छिपाना

चूंकि वे सेंसर के भीतर के भौतिक विज्ञान को ठीक नहीं कर सकते (वे अंतरिक्ष में कैमरे को फिर से वायर नहीं कर सकते), इसलिए उन्होंने समस्या को सॉफ्टवेयर में छिपाने का निर्णय लिया।

• रणनीति: उन्होंने एक "मास्क" (mask) बनाया।
• यह कैसे काम करता है: यदि कंप्यूटर देखता है कि एक तारा इतना चमकीला है कि किसी ज्ञात "संवेदनशील" सेंसर पर डिप पैदा करेगा, तो वह बस सॉफ्टवेयर को निर्देश देता है कि उस तारे के ठीक ऊपर और नीचे के पिक्सेल कॉलमों को अनदेखा (ignore) कर दिया जाए।
• परिणाम: अंतिम वैज्ञानिक छवियों में वे विशिष्ट कॉलम ब्लैक आउट (काले) कर दिए जाते हैं। चूंकि तारा स्वयं इतना चमकीला है कि उसे पहले से ही मास्क करने की आवश्यकता है, इसलिए बैकग्राउंड आकाश के कुछ अतिरिक्त कॉलमों को खोने से समग्र गुणवत्ता पर कोई फर्क नहीं पड़ता।

सारांश

"डार्क डिप" एक अजीब ऑप्टिकल भ्रम है जो विशिष्ट कैमरा सेंसरों के आंतरिक इलेक्ट्रिक फील्ड्स के साथ ओवरफ्लो होने वाले प्रकाश के हस्तक्षेप के कारण होता है। यह एक चमकीले तारे द्वारा डाली गई छाया की तरह दिखता है। वैज्ञानिक पूरी तरह से स्पष्ट नहीं कर सकते कि यह क्यों होता है, लेकिन उन्होंने मानचित्रित किया है कि किन सेंसरों में समस्या है और एक सॉफ्टवेयर फ़िल्टर बनाया है ताकि प्रभावित क्षेत्रों को छिपाया जा सके, जिससे यह सुनिश्चित हो सके कि ब्रह्मांड की अंतिम तस्वीरें सटीक बनी रहें।