Assembly, integration, and verification of MITESI: an optical testbed for simulating the ELT in the laboratory

रात के आकाश की ओर देखते हुए कल्पना करें और एक ऐसे तारे को देखें जो इतना चमकीला और स्थिर है कि वह एक विशाल दूरबीन के लिए लाइटहाउस (प्रकाश स्तंभ) की तरह काम करता है। यह उन खगोलशास्त्रियों का सपना है जो एक्सट्रीमली लार्ज टेलिस्कोप (ELT) बना रहे हैं, जो एक भविष्य का दैत्य होगा और पृथ्वी पर अब तक की सबसे बड़ी आँख होगी। लेकिन इससे पहले कि वे 39 मीटर चौड़ी दूरबीन बना सकें, उन्हें एक पेचीदा समस्या को हल करना होगा: पृथ्वी का वायुमंडल एक डगमगाते, गर्मी उठते सूप की तरह है जो तारों को टिमटिमाने और धुंधला करने जैसा बनाता है। इसे ठीक करने के लिए, खगोलशास्त्री "एडेप्टिव ऑप्टिक्स" (Adaptive Optics) का उपयोग करते हैं, जो एक ऐसी प्रणाली है जो एक जादुई, आकार बदलने वाले दर्पण की तरह कार्य करती है। यह दर्पण हवा के डगमगातेपन को रद्द करने के लिए हर सेकंड सैकड़ों बार अपना आकार बदलता है, जिससे एक धुंधला तारा वापस एक तीक्ष्ण, स्पष्ट प्रकाश बिंदु में बदल जाता है।

हालाँकि, आप केवल अनुमान लगाकर इस प्रणाली को कैसे बना सकते हैं; आपको इसका परीक्षण करना होगा। समस्या यह है कि आप दुनिया की सबसे बड़ी दूरबीन के लिए डिज़ाइन की गई प्रणाली का परीक्षण एक सामान्य प्रयोगशाला के भीतर आसानी से नहीं कर सकते, क्योंकि वास्तविक दूरबीन अभी अस्तित्व में नहीं है, और वास्तविक आकाश बहुत अप्रत्याशित है। इसलिए, वैज्ञानिकों को एक "अभ्यास क्षेत्र" (practice field) की आवश्यकता है। उन्हें एक ऐसी मशीन चाहिए जो विशाल दूरबीन और टिमटिमाते आकाश का नाटक कर सके, और वह भी एक साफ, नियंत्रित कमरे के भीतर। यहीं से MITESI की कहानी शुरू होती है। यह एक विशेष ऑप्टिकल टेस्टबेड है—एक परिष्कृत लैब सेटअप जिसे ELT और इसके जटिल वायुमंडल की नकल करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जो इंजीनियरों को वास्तविक आकाश की ओर देखने से पहले अपनी एडेप्टिव ऑप्टिक्स प्रणाली को प्रशिक्षित करने की अनुमति देता है।

पेपर: "नकली आकाश" मशीन का निर्माण

इस पेपर में, मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट फॉर एस्ट्रोनॉमी की टीम बताती है कि उन्होंने MITESI (MIni elt TElescope SImulator) नामक एक मशीन कैसे बनाई, असेंबल की और उसका परीक्षण किया। MITESI को दूरबीनों के लिए एक हाई-टेक "फ्लाइट सिम्युलेटर" के रूप में समझें। जिस तरह पायलट जमीन छोड़े बिना वास्तविक विमान की नकल करने वाले कॉकपिट में अभ्यास करते हैं, वैसे ही METIS इंस्ट्रूमेंट (भविष्य के ELT के लिए एक कैमरा) के इंजीनियरों को अपने "सिंगल कंजुगेट एडेप्टिव ऑप्टिक्स" (SCAO) सिस्टम का अभ्यास करने के लिए एक स्थान की आवश्यकता थी। यह प्रणाली वह मस्तिष्क और आकार बदलने वाला दर्पण है जो तारों को स्पष्ट रखता है।

यह पेपर प्रारंभिक डिजाइन से लेकर क्लीनरूम में रखी अंतिम असेंबल की गई हार्डवेयर तक की यात्रा का विवरण देता है। टीम को एक ऐसी मशीन का निर्माण करना था जो कई असंभव लगने वाली चीजें कर सके: एक आदर्श कृत्रिम तारा बनाना, ELT के विशाल, हनीकॉम्ब (मधुमक्खी के छत्ते जैसे) आकार के प्यूपिल (पुतली) का अनुकरण करना, और यहाँ तक कि वायुमंडल की अराजक, डगमगाती हवा की नकल करना।

मशीन कैसे काम करती है
MITESI का हृदय एक प्रकाश स्रोत है जो "नेचुरल गाइड स्टार" के रूप में कार्य करता है। वास्तविक तारे के बजाय, वे एक बहुत छोटे पिनहोल (केवल 25 माइक्रोमीटर चौड़ा—मानव बाल से भी पतला) का उपयोग करते हैं जो एक तारे की तरह चमकता है। यह प्रकाश दर्पणों और लेंसों की एक श्रृंखला से होकर गुजरता है। सबसे महत्वपूर्ण हिस्सों में से एक "डिफॉर्मेबल मिरर" (Deformable Mirror) है जिसमें 820 छोटे मोटर (एक्टुएटर) हैं। यह दर्पण मुख्य आकर्षण है; यह नकली वायुमंडलीय डगमगाहट पैदा करने (यह परीक्षण करने के लिए कि क्या सिस्टम उन्हें ठीक कर सकता है) या सुधार लागू करने (यह देखने के लिए कि क्या सिस्टम काम करता है) के लिए मुड़ और ट्विस्ट हो सकता है।

मशीन में "प्यूपिल मास्क" (pupil masks) भी हैं। कल्पना करें कि आप एक की-होल (चाबी के छेद) के माध्यम से देख रहे हैं; छेद का आकार यह बदल देता है कि आप दुनिया को कैसे देखते हैं। ELT का एक बहुत ही विशिष्ट, जटिल आकार है (जैसे बीच में छेद वाला एक विशाल षट्कोण)। MITESI इस आकार की सटीक नकल करने के लिए इंटरचेंजेबल मास्क का उपयोग करता है। यदि इंजीनियर यह परीक्षण करना चाहते हैं कि सिस्टम एक ऐसे तारे के साथ कैसे व्यवहार करता है जो पूरी तरह से केंद्र में नहीं है, तो वे "तारे" की छवि को स्लाइड करने के लिए एक विशेष दर्पण का उपयोग कर सकते हैं, ठीक वैसे ही जैसे दीवार पर टॉर्च की रोशनी को इधर-उधर घुमाना।

असेंबली की चुनौती
इसे एक साथ जोड़ना एक विशाल, 3D पहेली को सुलझाने जैसा था जहाँ हर टुकड़े को सूक्ष्म सटीकता के साथ संरेखित (align) करना था। लेखक बताते हैं कि कैसे उन्होंने विशाल दर्पणों को संरेखित करने के लिए "रेफरेंस बॉल्स" (छोटे, पूर्ण गोले) और लेजर इंटरफेरोमीटर (प्रकाश तरंगों को मापने वाले उपकरण जो छोटी त्रुटियों की जांच करते हैं) का उपयोग किया। उन्हें यह सुनिश्चित करना था कि डिफॉर्मेबल मिरर पर पड़ने वाला प्रकाश बिल्कुल वहीं हो जहाँ उसे होना चाहिए, दस माइक्रोमीटर तक की सटीकता के साथ। उन्हें यह भी पता लगाना था कि चुंबकीय आधारों का उपयोग करके, जो LEGO ईंटों की तरह फिट होते हैं, प्यूपिल मास्क को बिना संरेखण बिगाड़े जल्दी से कैसे बदला जाए।

क्या यह काम कर गया? परिणाम
टीम ने फिर बड़ा सवाल पूछा: क्या यह नकली आकाश वास्तविक आकाश जैसा दिखता है और व्यवहार करता है? उन्होंने दो मुख्य परीक्षण किए।

सबसे पहले, उन्होंने "वेवफ्रंट एरर" (WFE) को मापा। इसे यह मापने के रूप में समझें कि प्रकाश कितना "लहरदार" या दोषपूर्ण है। उनका लक्ष्य कुल त्रुटि को 110 नैनोमीटर (एक नैनोमीटर एक मीटर का एक अरबवां हिस्सा है) से नीचे रखना था। जब उन्होंने जटिल डिफॉर्मेबल मिरर के शामिल हुए बिना सिस्टम को मापा, तो संख्याएँ बेहतरीन थीं—वे लक्ष्य से काफी नीचे थीं। हालाँकि, जब उन्होंने एक साथ पूरे सिस्टम को मापा, तो त्रुटि लक्ष्य से थोड़ी ऊपर चली गई। लेखक सुझाव देते हैं कि यह डिजाइन की विफलता नहीं थी, बल्कि संभवतः इसलिए हुआ क्योंकि उस विशिष्ट परीक्षण के दौरान डिफॉर्मेबल मिरर के कुछ छोटे मोटर "अटक" गए थे, जिससे दर्पण पर एक छोटा सा उभार बन गया जो वहां नहीं होना चाहिए था।

दूसरा, उन्होंने "पॉइंट स्प्रेड फंक्शन" (PSF) को देखा। यह केवल एक फैंसी तरीका है यह कहने का कि, "क्या तारा स्पष्ट दिखता है?" उन्होंने कृत्रिम तारे की एक तस्वीर ली और उसकी तुलना एक कंप्यूटर सिमुलेशन से की कि एक आदर्श ELT तारा कैसा दिखना चाहिए। परिणाम क्या रहा? वास्तविक तारा सिमुलेशन के बहुत समान था, जिसमें टेलीस्कोप के सपोर्ट स्ट्रट्स के कारण बनने वाली विशिष्ट "स्पाइक्स" (नुकीले उभार) भी शामिल थे। उन्होंने 0.72 का "स्ट्रेहल रेशियो" (Strehl ratio) निकाला। हालांकि यह उनके द्वारा मापी गई त्रुटियों के आधार पर उनके 0.92 के आदर्श स्कोर से कम है, लेखक बताते हैं कि यह संभवतः इसलिए है क्योंकि जिस कैमरे का उपयोग उन्होंने तस्वीर लेने के लिए किया था उसमें थोड़ा बैकग्राउंड "नॉइज़" (शोर/अस्पष्टता) था और क्योंकि वे अंतिम लेंस को पूरी तरह से नहीं माप सके। कम स्कोर के बावजूद, छवि इतनी स्पष्ट थी कि यह दिखा कि वे सही दिशा में हैं।

आगे क्या है?
पेपर इस निष्कर्ष के साथ समाप्त होता है कि MITESI अब असेंबल हो चुका है और अगले चरण के लिए तैयार है। इसे एक क्लीनरूम में पहुँचा दिया गया है जहाँ इसे वास्तविक SCAO सिस्टम से जोड़ा जाएगा ताकि "क्लोज्ड लूप" परीक्षण किए जा सकें। इसका अर्थ है कि सिस्टम नकली तारे को देखेगा, डगमगाहट को पहचानेगा, और दर्पण को वास्तविक समय में उसे ठीक करने के लिए कहेगा, ठीक वैसे ही जैसे यह वास्तविक दूरबीन पर करेगा। टीम परीक्षण जारी रखने की योजना बना रही है, यह जाँच रही है कि क्या मशीन "तारे" को सुचारू रूप से घुमा सकती है और यह सुनिश्चित कर रही है कि सॉफ्टवेयर हार्डवेयर को पूरी तरह से नियंत्रित कर सके।

संक्षेप में, पेपर यह दावा नहीं करता है कि उसने ब्रह्मांड की समस्याओं को हल कर दिया है, बल्कि यह साबित करता है कि उन्होंने सफलतापूर्वक "अभ्यास का मैदान" बना लिया है। उनके पास एक ऐसी मशीन है जो विशाल दूरबीन और डगमगाते आकाश की नकल कर सकती है, और यह जमीन छोड़ने से पहले वास्तविक सिस्टम को प्रशिक्षित करने में मदद करने के लिए तैयार है।