Noise reduction in suspension control with photon-pressure actuator for CHRONOS gravitational wave detector

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल, शांत महासागर है, और इसकी सतह के नीचे भारी, अदृश्य तूफान छिपे हुए हैं। ये तूफान ब्लैक होल के बीच होने वाली टक्करों के कारण उत्पन्न होते हैं, जो अस्तित्व की सबसे चरम वस्तुएं हैं। जब वे आपस में टकराते हैं, तो वे अंतरिक्ष और समय के ताने-बाने में लहरें भेजते हैं, जिन्हें गुरुत्वाकर्षण तरंगें (gravitational waves) कहा जाता है। दशकों से, वैज्ञानिक इन फुसफुसाहटों को सुनने के लिए विशाल, अत्यंत संवेदनशील कान—LIGO और Virgo जैसे डिटेक्टर—बनाते रहे हैं। लेकिन एक समस्या है: यह महासागर शोर से भरा है। ज़मीन हिलती है, चुंबक गूँजते हैं, और यहाँ तक कि हवा भी कंपन करती है। ये शोर दूर स्थित भारी ब्लैक होल के टकराने से मिलने वाले मंद संकेतों को दबा देते हैं। इन भारी टक्करों की गहरी, कम-आवृत्ति (low-frequency) वाली गूँज को सुनने के लिए, वैज्ञानिकों को ऐसे डिटेक्टर बनाने की आवश्यकता है जो अविश्वसनीय रूप से शांत हों, विशेष रूप से ध्वनि स्पेक्ट्रम के बिल्कुल निचले स्तर पर।

यहीं CHRONOS प्रयोग काम आता है। भारी दर्पणों का उपयोग करने के बजाय जो एक पेंडुलम की तरह आगे-पीछे फिसलते हैं, CHRONOS एक विशाल, छड़ के आकार के वजन का उपयोग करता है जो एक घूमते हुए लट्टू की तरह मुड़ता और घूमता है। यह "टॉर्शन बार" (torsion bar) उन कम-आवृत्ति वाली गूँजों के प्रति संवेदनशील होने के लिए डिज़ाइन किया गया है। हालाँकि, इस घूमते हुए लट्टू को स्थिर रखने और इसकी सूक्ष्म गतिविधियों को मापने के लिए, वैज्ञानिकों को आमतौर पर इसे एक मोटर से धकेलने की आवश्यकता होती है। समस्या यह है कि पारंपरिक मोटर शोर करती हैं; वे कंपन करती हैं और चुंबकीय क्षेत्रों से भ्रमित हो जाती हैं, जिससे उनके सिग्नल में अपना स्वयं का शोर जुड़ जाता है। इस पेपर में जिसका आप अध्ययन करने जा रहे हैं, वह एक चतुर, शांत समाधान का अन्वेषण करता है: बार को मोटर से नहीं, बल्कि प्रकाश के कोमल, अदृश्य धक्के से नियंत्रित करना।

द पेपर: "फोटॉन-प्रेशर एक्चुएटर के साथ सस्पेंशन कंट्रोल में शोर में कमी, CHRONOS ग्रेविटेशनल वेव डिटेक्टर के लिए"

इस पेपर के लेखक, जो ताइवान और जापान के भौतिकविदों की एक टीम है, CHRONOS डिटेक्टर में घूमते हुए विशाल बार को नियंत्रित करने का एक नया तरीका प्रस्तावित कर रहे हैं। उनका बड़ा विचार शोर करने वाली, कंपन करने वाली मोटरों का उपयोग बंद करना और "फोटॉन प्रेशर" (प्रकाश के दबाव) का उपयोग करना शुरू करना है। इस "फोटॉन प्रेशर" को ऐसे समझें: प्रकाश को केवल देखने वाली चीज़ के रूप में नहीं, बल्कि नन्हे, अदृश्य बिलियर्ड बॉल्स (फोटोन) की एक धारा के रूप में देखें जो संवेग (momentum) ले जाते हैं। जब ये प्रकाश के कण किसी सतह से टकराते हैं, तो वे उसे धकेलते हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक हल्की हवा पाल को धकेलती है। टीम ने सुझाव दिया है कि CHRONCORS बार को धक्का देने के लिए लेजर का उपयोग किया जाए, जिससे शोर करने वाली मोटर की जगह प्रकाश की एक किरण ले ले।

यह गेम-चेंजर क्यों है? कल्पना कीजिए कि आप एक डगमगाती हुई नाव पर खड़े होकर अपनी उंगली पर झाड़ू को संतुलित करने की कोशिश कर रहे हैं। यदि आप अपने हाथ से धक्का देकर उसे स्थिर करने की कोशिश करते हैं, तो आपका हाथ हिल सकता है, जिससे समस्या और बढ़ सकती है। लेकिन यदि आप झाड़ू को स्थिर करने के लिए एक स्थिर, अदृश्य हवा का उपयोग कर सकें, तो आपके हाथ को हिलने की आवश्यकता ही नहीं पड़ेगी। फोटॉन प्रेशर यही करता है। क्योंकि प्रकाश का कोई द्रव्यमान नहीं होता, इसलिए यह एक भारी मोटर की तरह कंपन नहीं करता है। यह चुंबकीय क्षेत्रों की भी परवाह नहीं करता, जो अक्सर इलेक्ट्रॉनिक मोटरों को खराब कर देते हैं। बार को धकेलने के लिए प्रकाश का उपयोग करके, वैज्ञानिक डिटेक्टर को उस "भूकंपीय" (earth-shaking) और चुंबकीय शोर से अलग कर सकते हैं जो आमतौर पर कम-आवृत्ति वाले मापन को खराब कर देता है।

टीम ने इस "लाइट पुशर" (प्रकाश से धकेलने वाले यंत्र) के लिए एक विशिष्ट सेटअप डिजाइन किया है। वे कल्पना करते हैं कि चार लेजर बीम घूमते हुए बार के पीछे अलग-अलग कोणों से टकरा रही हैं। प्रत्येक बीम की शक्ति को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, वे बार को बाएं या दाएं घुमा सकते हैं (yaw), आगे या पीछे झुका सकते हैं (pitch), या ऊपर और नीचे भी हिला सकते हैं (translation)। यह चार अदृश्य उंगलियों की तरह है, जिनमें से प्रत्येक को एक कंप्यूटर द्वारा नियंत्रित किया जाता है, जो बार को हल्का सा धकेलकर उसे पूरी तरह से स्थिर रखने या उसकी गतिविधियों को कैलिब्रेट करने का काम करती हैं।

शोधकर्ताओं ने गणना की यह देखने के लिए कि क्या यह "लाइट पुशर" काम करने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली है। उन्होंने पाया कि चार बीमों के साथ, जिनमें से प्रत्येक लगभग 2.5 वॉट की शक्ति (एक शक्तिशाली टॉर्च की चमक के बराबर) ले जा रही है, वे 1.0 × 10⁻⁸ N·m का अधिकतम घुमाव बल (torque) उत्पन्न कर सकते हैं। हालांकि यह संख्या बहुत छोटी लग सकती है, लेकिन इतने संवेदनशील डिटेक्टर के लिए यह वास्तव में बहुत बड़ी है। उन्होंने गणना की कि यह बल CHRONOS बार को उसकी जगह पर बनाए रखने और उसकी गतिविधियों को नियंत्रित करने के लिए पर्याप्त से अधिक है। वास्तव में, सिस्टम इतना संवेदनशील है कि लेजर कंट्रोलर को भेजे गए प्रत्येक वोल्ट बिजली के लिए, बार 6.6 × 10⁻¹³ रेडियन घूमता है।

लेकिन केवल शक्तिशाली होना ही काफी नहीं है; सिस्टम को शांत भी होना चाहिए। टीम को डर था कि लेजर स्वयं नया शोर पैदा कर सकते हैं, शायद उनकी चमक में उतार-चढ़ाव या उन्हें नियंत्रित करने वाली इलेक्ट्रॉनिक्स के कारण। उन्होंने शोर के स्तर का अनुकरण (simulation) किया और पाया कि 1 Hz की आवृत्ति (एक बहुत ही कम आवृत्ति वाला हम) पर, उनके लाइट-पुश सिस्टम से होने वाला शोर 5.3 × 10⁻¹⁹ rad Hz⁻¹/² होगा। यह CHRONOS डिटेक्टर की लक्षित संवेदनशीलता से काफी कम है, जिसका अर्थ है कि "लाइट पुशर" इतना शांत है कि वह उन गुरुत्वाकर्षण तरंगों को नहीं दबाएगा जिन्हें वह सुनने की कोशिश कर रहा है।

पेपर यह भी देखता है कि यदि इसका उपयोग एक "कैलिब्रेटर" के रूप में किया जाता है—एक ऐसा उपकरण यह जांचने के लिए कि क्या डिटेक्टर सही माप ले रहा है—तो यह सिस्टम कितना सटीक होगा। चूंकि प्रकाश का बल बहुत ही अनुमानित होता है (यह केवल लेजर की शक्ति और प्रकाश की गति पर निर्भर करता है), इसलिए यह एक आदर्श पैमाने के रूप में कार्य कर सकता है। टीम ने अनुमान लगाया कि इस प्रणाली का उपयोग करने से केवल 1.14% की व्यवस्थित त्रुटि (systematic error) होगी। यह बहुत कम मार्जिन है, जो बताता है कि प्रकाश-धक्का देने की विधि न केवल शांत है, बल्कि अत्यधिक विश्वसनीय भी है।

इस प्रस्ताव का सबसे रोमांचक हिस्सा यह है कि यह पूरे मशीन को सरल बना सकता है। वर्तमान में, डिटेक्टरों को भारी "रिकोइल मास" (अतिरिक्त वजन) की आवश्यकता होती है ताकि अतिरिक्त भार मुख्य बार को धकेलने में मदद कर सके। ये अतिरिक्त भार जटिलता और कंपन बढ़ाते हैं। चूंकि प्रकाश का कोई द्रव्यमान नहीं होता, इसलिए फोटॉन-प्रेशर एक्चुएटर वैज्ञानिकों को इन भारी, शोर करने वाले हिस्सों को पूरी तरह से हटाने की अनुमति दे सकता है, जिससे सस्पेंशन संरचना सरल और स्वच्छ हो जाएगी।

संक्षेप में, लेखक सुझाव देते हैं कि शोर करने वाली, कंपन करने वाली मोटरों को लेजर बीमों के सटीक, शांत धक्के से बदलकर भारी ब्लैक होल के रहस्यों को खोलने की कुंजी मिल सकती है। उनके सिमुलेशन दिखाते हैं कि यह "फोटॉन-प्रेशर एक्चुएटर" CHRONOS डिटेक्टर को नियंत्रित करने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली, हस्तक्षेप न करने के लिए पर्याप्त शांत और प्रदर्शन को मापने के लिए पर्याप्त सटीक है। हालांकि यह वर्तमान में एक डिजाइन और सिमुलेशन अध्ययन है, यह अगली पीढ़ी के गुरुत्वाकर्षण तरंग डिटेक्टरों के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है, जो संभावित रूप से ब्रह्मांड के "शोर" को ब्रह्मांडीय टकरावों के स्पष्ट, श्रव्य गीत में बदल सकता है।