Pollux: decisions affecting the optical architecture of a high-resolution spectrograph and polarimeter for the Habitable Worlds Observatory

कल्पना कीजिए कि आप एक ब्रह्मांडीय जासूस (cosmic detective) हैं, लेकिन उंगलियों के निशान खोजने के बजाय, आप प्रकाश-वर्ष दूर स्थित ग्रहों पर जीवन की धुंधली, भूतिया फुसफुसाहटों का शिकार कर रहे हैं। ऐसा करने के लिए, आपको एक ऐसे टेलीस्कोप की आवश्यकता है जो इतना शक्तिशाली और स्थिर हो कि वह एक उछलने वाले बाउंसिंग कैसल (bouncy castle) पर बैठे हुए भी एक पहाड़ की चोटी पर टिमटिमाते जुगनू को देख सके। यह 'हैबिटेबल वर्ल्ड्स ऑब्जर्वेटरी' (HWO) का सपना है, जो एक भविष्य का अंतरिक्ष टेलीस्कोप है जिसे विशेष रूप से परग्रही जीवन को खोजने के लिए डिज़ाइन किया गया है। लेकिन एक टेलीस्कोप केवल एक विशाल आँख है; वास्तव में सुरागों को पढ़ने के लिए, इसे एक मस्तिष्क और उपकरणों के सेट की आवश्यकता होती है। इस काम के लिए डिज़ाइन किए जा रहे सबसे आशाजनक उपकरणों में से एक का नाम POLLUX है। POLLUX को एक सुपर-पावर्ड प्रिज्म के रूप रूप में समझें जो न केवल प्रकाश को इंद्रधनुष में विभाजित करता है, बल्कि उस प्रकाश के "घुमाव" (पोलराइजेशन/ध्रुवीकरण) का भी विश्लेषण करता है ताकि दूरस्थ दुनिया के रहस्यों को उजागर किया जा सके।

POLLUX के लिए बड़ी चुनौती यह है कि इसे रंगों की एक विशाल श्रेणी देखनी होगी, अदृश्य, उच्च-ऊर्जा पराबैंगनी (सूर्य की सबसे गर्म किरणों की तरह) से लेकर निकट-अवरक्त (लाल रंग के ठीक परे की गर्म चमक) तक। यह एक ही कैमरे को बनाने जैसा है जो एक साथ एक नियॉन साइन, एक मोमबत्ती की लौ और एक दहकते अंगारे की आदर्श तस्वीरें ले सके। समस्या यह है कि प्रकाश के विभिन्न रंग अलग-अलग व्यवहार करते हैं, और टेलीस्कोप खुद थोड़ा सा हिल भी सकता है (जिसे "जिटर" कहा जाता है), जिससे तस्वीर धुंधली हो सकती है। यह शोध पत्र इस बारे में है कि इंजीनियर और वैज्ञानिक POLLUX के आंतरिक "अंगों" को बनाने का सबसे अच्छा तरीका कैसे तय कर रहे हैं ताकि यह बिना चक्कर खाए, धुंधला हुए या बहुत अधिक प्रकाश खोए बिना विभिन्न रंगों को संभाल सके। वे विभिन्न डिजाइनों का परीक्षण कर रहे हैं ताकि यह देख सकें कि टेलीस्कोप के हिलने पर भी छवि को स्पष्ट कैसे रखा जाए, और "पोलराइजेशन मोड" (प्रकाश के घुमाव का अध्ययन करने के लिए) और "प्योर स्पेक्ट्रोस्कोपी मोड" (सबसे स्पष्ट रासायनिक फिंगरप्रिंट प्राप्त करने के लिए) के बीच स्विच कैसे किया जाए, बिना पूरी मशीन को दोबारा बनाए।

हिलते हुए कैमरे की पहेली

पहला बड़ा अवरोध जिसका टीम सामना करती है, वह है टेलीस्कोप का "जिटर"। सबसे स्थिर अंतरिक्ष टेलीस्कोप भी पूरी तरह से स्थिर नहीं होता; इसमें सूक्ष्म कंपन होते हैं। कल्पना कीजिए कि आप एक ऐसे कैमरे से हमिंगबर्ड की फोटो खींचने की कोशिश कर रहे हैं जो थोड़ा हिल रहा है। यदि कंपन बड़ा है, तो पक्षी धुंधला दिखाई देगा। लेखकों ने सिमुलेशन चलाकर देखा कि यह कंपन POLLUX की बारीक विवरण देखने की क्षमता को कैसे प्रभावित करता है। उन्होंने पाया कि क्योंकि टेलीस्कोप का कंपन बहुत छोटा है, इसलिए जैसे-जैसे प्रकाश लाल होता जाता है, "धुंधलापन" (जिसे पॉइंट स्प्रेड फंक्शन कहा जाता है) बढ़ता जाता है। इसका मतलब है कि कैमरे को "ओवरसैंपलिंग" (यानी, आवश्यक से अधिक पिक्चर पिक्सेल लेना) को संभालने के लिए डिज़ाइन किया जाना चाहिए ताकि लाल छोर पर भी छवि स्पष्ट बनी रहे।

उन्होंने पाया कि यदि वे प्रत्येक रंग चैनल के लिए एक एकल, विशाल डिजिटल सेंसर (एक चिप जो छोटे पोस्टकार्ड के आकार की है, विशेष रूप से 9k × 8k पिक्सेल) का उपयोग करते हैं, तो वे पूरे इंद्रधनुषी डेटा को एक ही चिप पर फिट कर सकते हैं। यह बहुत अच्छा है क्योंकि इससे "ब्लाइंड स्पॉट" से बचा जा सकता है जहाँ दो छोटे चिप्स के बीच डेटा खो सकता है। हालाँकि, यह एक नई पहेली खड़ी करता है: इस पूरे डेटा को एक चिप पर फिट करने के लिए, ऑप्टिक्स को छवि को काफी छोटा करना होगा (एक प्रक्रिया जिसे डिमैग्निफिकेशन कहा जाता है)। टीम ने गणना की कि पराबैंगनी चैनलों के लिए, इसके लिए बहुत विशिष्ट, कस्टम-मेड दर्पणों और ग्रेटिंग्स की आवश्यकता होगी। उन्होंने पाया कि हालांकि टेलीस्कोप का जिटर नमूना लेने की प्रक्रिया को सुचारू बनाकर थोड़ा मदद करता है, लेकिन यह समस्या को पूरी तरह से हल नहीं करता है। डिजाइन को अभी भी कंपन के विभिन्न परिदृश्यों को संभालने के लिए पर्याप्त मजबूत होना चाहिए, जो कि 0.3 मिलीआर्कसेकंड की बहुत स्थिर स्थिति से लेकर 4 मिलीआर्कसेकंड के अधिक जिटर तक हो सकता है।

"रिट्रैक्टेबल" (खिंचने योग्य) दुविधा

कहानी का दूसरा, और शायद अधिक रोमांचक हिस्सा यह है कि POLLUX अपने "पोलारिमीटर" को कैसे संभालता है। एक पोलारिमीटर एक विशेष उपकरण है जो प्रकाश को विभाजित करता है ताकि ध्रुवीकरण को मापा जा सके, जो परग्रही ग्रहों के वायुमंडल का अध्ययन करने के लिए महत्वपूर्ण है। हालाँकि, ये उपकरण भारी, जटिल धूप के चश्मे की तरह हैं जो कुछ प्रकाश को रोक देते हैं। सबसे संवेदनशील पराबैंगनी प्रकाश (FUV चैनल) के लिए, हर फोटोन मायने रखता है। टीम जानना चाहती थी: क्या हम इन धूप के चश्मों को तब हटा सकते हैं जब हमें केवल एक तस्वीर लेनी हो, बिना कैमरे को फिर से फोकस किए?

अतीत में, अंतरिक्ष मिशनों में इन उपकरणों को रास्ते से हटाने के लिए जटिल यांत्रिक भुजाओं (mechanical arms) का उपयोग किया जा सकता था, लेकिन यह जोखिम और वजन बढ़ाता है। लेखकों ने FUV चैनल के लिए एक चतुर "पार्किंग" समाधान प्रस्तावित किया है। डिवाइस को बाहर खींचने के बजाय, वे पूरे टेलीस्कोप को थोड़ा सा पुन: निर्देशित करने (लग लगभग 14.9 आर्कसेकंड) का सुझाव देते हैं ताकि प्रकाश की किरण पोलारिमीटर को बायपास करने के लिए एक फोल्ड मिरर द्वारा निर्देशित होकर सीधे स्पेक्ट्रोग्राफ में जा सके। यह आपके कार को पार्क किए हुए ट्रक के चारों ओर चलाने जैसा है बजाय इसके कि आप उसे खींचकर हटाने की कोशिश करें। इस "बायपास" पद्धति का अर्थ है कि प्रकाश का पथ बिल्कुल वैसा ही रहता है, इसलिए कैमरे को फिर से फोकस करने की आवश्यकता नहीं होती है। परिणाम? प्रकाश संचरण में भारी वृद्धि—लगभग 6 गुना अधिक प्रकाश अंदर आता है! उन्होंने यह भी नोट किया कि यह डिज़ाइन "स्लिट मोड" को लागू करने में सक्षम बनाता है ताकि बड़ी, विस्तृत वस्तुओं को देखा जा सके, जो कि इस चैनल में पहले कठिन था।

अन्य पराबैंगनी चैनलों (MUV और NUV) के लिए, टीम ने प्रकाश को विभाजित करने वाले क्रिस्टल का उपयोग करने पर विचार किया। समस्या यहाँ यह है कि जब आप क्रिस्टल डालते हैं, तो यह प्रकाश के फोकस को बदल देता है, जैसे कि कैमरा लेंस के सामने कांच का एक मोटा टुकड़ा रखना। आमतौर पर, आपको फोकस ठीक करने के लिए सेंसर को आगे-पीछे करने के लिए एक मोटर की आवश्यकता होगी। लेकिन टीम को एक "जादुई लेंस" समाधान मिला। क्रिस्टल को लिथियम फ्लोराइड (LiF) से बने एक विशिष्ट प्रकार के लेंस से बदलकर, वे फोकस शिफ्ट को रद्द कर सकते हैं। यह लेंस एक कंपेनसेटर (compensator) के रूप में कार्य करता है, जो बिना किसी चलते हुए पुर्जे के छवि को स्पष्ट रखता है। यह मूल क्रिस्टल सेटअप की तुलना में अधिक प्रकाश भी गुजरने देता है, विशेष रूप से छोटी तरंग दैर्ध्य (wavelengths) पर।

निष्कर्ष

तो, भविष्य के एलियन हंटिंग के लिए इसका क्या अर्थ है? शोध पत्र सुझाव देता है कि POLLUX को उच्च-रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग और तेजी से मोड बदलने की आवश्यकता के बीच कठिन संतुलन को संभालने के लिए बनाया जा सकता है। सबसे संवेदनशील प्रकाश के लिए "बायपास" रणनीति और दूसरों के लिए "कंपेनसेटर लेंस" का उपयोग करके, यह उपकरण जटिल चलते हुए पुर्जों के बिना पकड़े जाने वाले प्रकाश की मात्रा को अधिकतम कर सकता है। टीम आश्वस्त है कि ये डिज़ाइन उनके सिमुलेशन में काम करते हैं, लेकिन वे यह भी चेतावनी देते हैं कि अंतिम सफलता इस बात पर निर्भर करती है कि टेलीस्कोप स्वयं कितना स्थिर है। यदि टेलीस्कोप बहुत अधिक हिलता है, तो डिज़ाइन में बदलाव की आवश्यकता हो सकती है। लेकिन फिलहाल, ये चतुर ऑप्टिकल तरीके एक ऐसी मशीन बनाने के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान करते हैं जो अंततः इस प्रश्न का उत्तर दे सके: क्या हम अकेले हैं?