Nancy Grace Roman Space Telescope Wide Field Instrument: Bright Point Source Saturation Response and Persistence Properties from Thermal-Vacuum Testing
यह शोध पत्र नैन्सी ग्रेस रोमन स्पेस टेलीस्कोप के वाइड फील्ड इंस्ट्रूमेंट की विशेषता बताने वाले प्री-फ्लाइट थर्मल-वैक्यूम परीक्षण परिणामों को प्रस्तुत करता है, जो यह प्रकट करता है कि चमकीले सितारों (~4 मैग) से होने वाला गहरा संतृप्ति (deep saturation) बड़े संतृप्त क्षेत्रों (~150 पिक्सेल) और आस-पास के गैर-रैखिक चार्ज लीकेज (non-linear charge leakage) को जन्म देता है, जबकि पर्सिस्टेंस सिग्नल (persistence signals) स्रोत की चमक की परवाह किए बिना लगभग 20 मिनट के भीतर बैकग्राउंड स्तर तक कम हो जाते हैं।
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कल्पना कीजिए कि आप रात के तारों भरे आसमान की एक बेहतरीन तस्वीर लेने की कोशिश कर रहे हैं। आप दूर की आकाशगंगाओं की हल्की, टिमटिमाती रोशनी को कैद करना चाहते हैं, लेकिन आपके कैमरे के साथ एक समस्या है: यदि कोई चमकीला तारा सीधे लेंस में बहुत अधिक चमकता है, तो सेंसर अभिभूत हो जाता है। खगोल विज्ञान की दुनिया में, इसे "सैचुरेशन" (संतृप्ति) कहा जाता है। एक कैमरा सेंसर में एक पिक्सेल को एक छोटे बाल्टी की तरह समझें जो बारिश (प्रकाश) को पकड़ने का इंतजार कर रही है। यदि बारिश बहुत तेज होती है, तो बाल्टी भर जाती है और ओवरफ्लो हो जाती है। एक डिजिटल कैमरे में, यह ओवरफ्लो केवल किनारे से बाहर नहीं गिरता; यह पड़ोसी बाल्टियों में भी लीक हो सकता है, जिससे वे उन बाल्टियों में भी भर जाती हैं जिन्होंने इसे कमाया नहीं है। यहाँ तक कि तूफान गुजर जाने और बाल्टियाँ खाली होने के बाद भी, कुछ पानी किनारों पर चिपका रह सकता है या बाद में वापस लीक हो सकता है, जिससे एक काल्पनिक "आफ्टरइमेज" (छवि का अवशेष) बनता है जिसे "परसिस्टेंस" (स्थिरता) कहा जाता है।
यह नैन्सी ग्रेस रोमन स्पेस टेलीस्कोप के लिए एक बड़ी बात है, जो एक विशाल अंतरिक्ष वेधशाला है जिसे वाइड-एंगल ब्रह्मांडीय तस्वीरें लेने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यह ब्रह्मांड के अत्यंत घने तारा क्षेत्रों, जैसे कि गैलेक्टिक बल्ज (Galactic Bulge), की ओर ताक रहा है, जहाँ एक साथ हजारों चमकीले तारे इसके सेंसरों पर टकराएंगे। यदि टेलीस्कोप के कैमरे इन चमकीले तारों से बहुत अधिक भर जाते हैं, तो ओवरफ्लो आसपास की धुंधली वस्तुओं की तस्वीरों को खराब कर सकता है, या भविष्य के अवलोकनों को बाधित करने वाले लंबे समय तक रहने वाले "घोस्ट्स" (भूतिया छवियों) को छोड़ सकता है। वैज्ञानिकों को यह जानने की आवश्यकता थी कि कैमरा कितना प्रकाश झेल सकता है इससे पहले कि वह लीक होना शुरू हो जाए और वे "घोस्ट्स" कितनी देर तक बने रहते हैं, विशेष रूप से उन सितारों के लिए जो उनके द्वारा परीक्षण किए गए किसी भी तारे से कहीं अधिक चमकीले थे।
बड़ी परीक्षा: एक कैमरे पर टॉर्च जलाना
इस रहस्य को सुलझाने के लिए, वैज्ञानिकों की एक टीम ने रोमन टेलीस्कोप के कैमरे, जिसे वाइड फील्ड इंस्ट्रूमेंट (WFI) कहा जाता है, को एक विशाल वैक्यूम चैंबर के अंदर कठोर परीक्षण से गुजारा, जो अंतरिक्ष की ठंडी, खाली स्थितियों का अनुकरण करता है। उन्होंने केवल साधारण रोशनी का उपयोग नहीं किया; उन्होंने कैमरे के सेंसरों पर कृत्रिम तारों को बीम करने के लिए एक विशेष प्रोजेक्टर का उपयोग किया। ये "तारे" बहुत धुंधले से लेकर अविश्वसनीय रूप से चमकीले तक थे—कुछ शुक्र ग्रह जितने चमकीले या उससे भी अधिक, जो एक एकल स्नैपशॉट में कैमरा सामान्यतः जो देखता है, उससे कहीं अधिक थे।
शोधकर्ता मुख्य रूप से दो चीजें देखना चाहते थे: पहला, जब एक सुपर-ब्राइट तारा कैमरे से टकराता है तो "ओवरफ्लो ज़ोन" (अतिप्रवाह क्षेत्र) कितना बड़ा हो जाता है, और दूसरा, प्रकाश बंद होने के बाद "घोस्ट्स" (स्थिरता) कितनी देर तक टिकते हैं। उन्होंने यह परीक्षण दो विशिष्ट कैमरा चिप्स पर किया, जिन्हें उन्होंने SCA 4 और SCA 11 कहा, उन पर नौ अलग-अलग "तारों" को चमकाया, जो 4 (बहुत चमकीला) से 18 (बहुत धुंधला) की तीव्रता (मैग्निट्यूड) तक फैले हुए थे।
ओवरफ्लो: प्रकाश की फैलती लहर
परिणाम बेहद दिलचस्प थे। जब उन्होंने लगभग 170 सेकंड के लिए सेंसर पर एक मध्यम चमकीले तारे (लगभग मैग्नीट्यूड 12) को चमकाया, तो वह क्षेत्र जहाँ पिक्सेल पूरी तरह से भर गए और ओवरफ्लो हो गए, लगभग 15 पिक्सेल चौड़ा हो गया। लेकिन जब उन्होंने डायल घुमाकर इसे एक सुपर-ब्राइट तारे (मैग्नीट्यूड 4) पर कर दिया, तो ओवरफ्लो ज़ोन का आकार विस्फोट की तरह बढ़ा, जो समान समय के बाद लगभग 150 पिक्सेल चौड़े एक विशाल घेरे में बदल गया।
इससे भी अधिक दिलचस्प यह था कि ओवरफ्लो के ठीक बगल वाले पिक्सेल के साथ क्या हुआ। वैज्ञानिकों ने पाया कि जैसे-जैसे "बाढ़" का प्रकाश फैलता गया, किनारे के पिक्सेल केवल स्थिर नहीं रहे; वे अजीब व्यवहार करने लगे। वे अपने संतृप्त (saturated) पड़ोसियों से चार्ज को लीक करने लगे, जिससे सिग्नल गैर-रैखिक (non-linear) तरीके से ऊपर उठने लगा। यह ऐसा ही है जैसे यदि आप एक बाथटब को लबालब भर दें, और पानी केवल किनारे से बाहर न गिरे, बल्कि वास्तव में अगली बाल्टी को भी भरने के लिए पानी को धक्का दे दे, भले ही वह दूसरी बाल्टी अभी भरी न हो। टीम ने देखा कि यह "चार्ज लीकेज" तब तुरंत होता है जब एक पड़ोसी संतृप्त हो जाता है, जिससे एक गतिशील, बदलता हुआ पैटर्न बनता है जो सेंसर के प्रत्येक रीड के साथ बदलता रहता है।
घोस्ट्स: तेजी से गायब होना
इसके बाद, उन्होंने "घोस्ट्स" की जांच की। चमकीले प्रकाश को चमकाने के बाद, उन्होंने लाइट बंद कर दी और अंधेरे में सेंसरों को देखते रहे कि लंबे समय तक रहने वाला सिग्नल कितनी देर तक रहता है। उन्होंने पाया कि परीक्षण किए गए सभी सितारों के लिए, सबसे धुंधले से लेकर सबसे चमकीले तक, काल्पनिक सिग्नल आश्चर्यजनक रूप से तेजी से कम हो गया। लगभग 20 मिनट के भीतर, सिग्नल डिटेक्टर के सामान्य बैकग्राउंड स्तर (0.05 इलेक्ट्रॉन्स प्रति सेकंड से कम) तक गिर गया।
यह टेलीस्कोप के भविष्य के लिए बहुत अच्छी खबर है। इसका मतलब है कि भले ही कैमरा एक सुपर-ब्राइट तारे द्वारा अंधा कर दिया जाए, लेकिन "आफ्टरइमेज" अगले कुछ घंटों के अवलोकनों को बर्बाद नहीं करेगा। पर्सिस्टेंस (स्थिरता) बैकग्राउंड लेवल तक एक ऐसे समय सीमा में कम हो जाता है जो मिशन के शेड्यूल के हिसाब से प्रबंधनीय है। दिलचस्प रूप से, उन्होंने सबसे चमकीले सितारों के साथ कुछ अजीब भी देखा: एक हल्का, चमकता हुआ प्रभामंडल (halo) जो केंद्र से बाहर की ओर फैलता हुआ प्रतीत हुआ, लेकिन इसमें कैमरे की सामग्री में मौजूद सूक्ष्म दोषों द्वारा छाया डाली गई थी। उनका मानना है कि यह कैमरे की सामग्री के अंदर उत्पन्न होने वाले प्रकाश के कारण होता है, जो तिरछा यात्रा करता है और दोषों द्वारा अवरुद्ध हो जाता है, जिससे छाया का प्रभाव पैदा होता है।
अंतरिक्ष अन्वेषण के लिए इसका क्या अर्थ है
पेपर यह निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि रोमन टेलीस्कोप के कैमरे ब्रह्मांड के सबसे चमकीले सितारों द्वारा निश्चित रूप से संतृप्त (saturated) होंगे, लेकिन परिणामी "लीकेज" और "घोस्ट्स" इतने सुव्यवस्थित हैं कि उन्हें प्रबंधित किया जा सकता है। संतृप्ति क्षेत्र अनुमानित रूप से बढ़ते हैं, और पर्सिस्टेंस इतनी जल्दी कम हो जाता है कि यह ब्रह्मांड का अध्ययन करने की टेलीस्कोप की क्षमता को खराब नहीं करेगा। टीम ने अपना सारा डेटा और विश्लेषण उपकरण जनता के साथ साझा किया है, अन्य वैज्ञानिकों को गहराई से शोध करने और इन चमकीले सितारों को संभालने के बेहतर मॉडल बनाने में मदद करने के लिए आमंत्रित किया है। उन्होंने ओवरफ्लो को पूरी तरह से रोकने का तरीका नहीं खोजा, लेकिन उन्होंने साबित कर दिया कि कैमरा बिना टूटे इसे संभाल सकता है, और घोस्ट्स इतने लंबे समय तक नहीं रहते कि वे एक बड़ी समस्या बन सकें।
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