New techniques for high-resolution imaging and high-precision wavefront sensing via masked-aperture interferometry

कल्पना कीजिए कि आप एक नन्हे, चमकते जुगनू की एकदम स्पष्ट तस्वीर लेने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन आपने चश्मा पहना हुआ है जो धुंधला, खरोंच वाला और थोड़ा टेढ़ा-मेढ़ा है। आपका कैमरा कितना भी अच्छा क्यों न हो, तस्वीर धुंधली ही आएगी। विज्ञान की दुनिया में, यह दो बहुत अलग समूहों के खोजकर्ताओं के लिए एक बड़ी समस्या है: वे जो सितारों को देख रहे हैं और वे जो विशाल मशीनों के भीतर सूक्ष्म कणों को देख रहे हैं। दोनों समूह एक चालाक तकनीक का उपयोग करते हैं जिसे "इंटरफेरोमेट्री" (interferometry) कहा जाता है। इसे इस तरह सोचें: एक विशाल आँख का उपयोग करने के बजाय, वे एक दूरी पर फैले कई छोटे नेत्रों (या छिद्रों) का उपयोग करते हैं। प्रत्येक छोटे नेत्र पर पड़ने वाले प्रकाश की तुलना करके, वे जानकारी को गणितीय रूप से एक साथ जोड़ सकते हैं ताकि एक अत्यंत स्पष्ट छवि बनाई जा सके, जैसे कि उनके पास एक विशाल दूरबीन या सूक्ष्मदर्शी हो।

हालांतु, इसमें एक पेंच है। हवा, कांच के लेंस, और यहाँ तक कि स्वयं प्रकाश भी डिटेक्टर तक पहुँचने के रास्ते में गंदा हो सकता है, जो छवि को विकृत कर देता है, ठीक उन धुंधले चश्मों की तरह। दशकों तक, रेडियो तरंगों (जो लंबी और मापने में आसान होती हैं) को देखने वाले खगोलविदों ने इन धुंधलेपन को वास्तविक समय (real-time) में ठीक करने का तरीका खोज लिया था। लेकिन दृश्य प्रकाश (जो सूक्ष्म और तीव्र होता है) को देखने वाले वैज्ञानिकों को इसे करने में संघर्ष करना पड़ा क्योंकि वे प्रकाश के "फेज" (उसकी टाइमिंग) को सीधे नहीं माप सकते। यह शोध पत्र एक बड़ा सवाल पूछता है: क्या हम प्रकाश वैज्ञानिकों की धुंधली तस्वीरों को ठीक करने के लिए रेडियो खगोलविदों के "सीक्रेट सॉस" (गुप्त नुस्खे) को उधार ले सकते हैं? यदि हम ऐसा कर पाते हैं, तो इसका अर्थ होगा कि हम महंगे और उत्तम हार्डवेयर की आवश्यकता के बिना कण पुंजों (particle beams) और अंतरिक्ष दूरबीनों के अविश्वसनीय सूक्ष्म विवरण देख पाएंगे।

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रेडियो खगोलविदों का सीक्रेट सॉस

यह शोध पत्र एक ऐसे वैज्ञानिकों के दल के बारे में है जिन्होंने दृश्य प्रकाश की दुनिया में धुंधली छवियों को ठीक करने के लिए रेडियो खगोलविदों की कार्यप्रणाली से एक पन्ना चुराने का निर्णय लिया। उन्होंने ALBA सिनक्रोट्रॉन नामक स्थान पर काम किया, जो एक विशाल मशीन है जो सूक्ष्म चीजों का अध्ययन करने के लिए अत्यंत चमकीला प्रकाश छोड़ती है। आमतौर पर, जब वैज्ञानिक किसी कण पुंज या प्रकाश के आकार को मापने की कोशिश करते हैं, तो उन्हें इसे धीरे-धीरे, एक-एक करके करना पड़ता है, या वे अटक जाते हैं क्योंकि उनका उपकरण पूर्ण नहीं होता।

शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि रेडियो टेलीस्कोप और ऑप्टिकल (प्रकाश) टेलीस्कोप वास्तव में एक ही गणितीय भाषा बोलते हैं। रेडियो खगोल विज्ञान में, उनके पास "सेल्फ-कैलिब्रेशन" (स्व-अंशांकन) नामक एक महाशक्ति है। कल्पना कीजिए कि आप एक पहेली को हल करने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन उसके टुकड़े थोड़े मुड़े हुए हैं। सेल्फ-कैलिब्रेशन एक स्मार्ट कंप्यूटर की तरह है जो कहता है, "मुझे ठीक से नहीं पता कि तस्वीर कैसी दिखती है, और मुझे ठीक से नहीं पता कि टुकड़े कितने मुड़े हुए हैं, लेकिन मैं दोनों का एक साथ अनुमान लगा सकता हूँ जब तक कि वे पूरी तरह फिट न हो जाएं।"

टीम ने इस विचार को प्रकाश के सामने रखे गए एक विशेष प्रकार के मास्क (छेद वाले पर्दे, जैसे कि छलनी) पर लागू किया। उन्होंने दो मुख्य तरीकों का उपयोग किया:

1. "अनुमान और जाँच" विधि (सेल्फ-कैलिब्रेशन): उन्होंने एक ऐसी प्रणाली बनाई जो कण पुंज के आकार और प्रकाश के मार्ग में होने वाले विरूपण (distortions) दोनों का एक साथ पता लगा सकती है। यह वैसा ही है जैसे यह पता लगाना कि कोई गाना कैसा सुनाई देता है और साथ ही यह भी पता लगाना कि आपके हेडफ़ोन कैसे खराब हैं। दोनों को एक साथ करके, वे अद्भुत सटीकता के साथ वास्तविक आकार को पुनः प्राप्त कर सके—लगभग 1 माइक्रोमीटर तक (जो कि एक लाल रक्त कोशिका की चौड़ाई के बराबर है)।
2. "ग्रुप हग" विधि (क्लोजर इनवैरिएंट्स): कभी-कभी, आप टूटे हुए हिस्सों का अनुमान बिल्कुल नहीं लगाना चाहते। टीम ने "क्लोजर इनवैरिएंट्स" नामक एक तकनीक का भी उपयोग किया। इसे दोस्तों के एक समूह द्वारा नोट्स की तुलना करने के रूप में सोचें। यदि तीन दोस्त एक इमारत के बारे में थोड़ा अलग दृष्टिकोण रखते हैं, लेकिन वे एक विशिष्ट घेरे में अपने नोट्स की तुलना करते हैं, तो त्रुटियाँ रद्द हो जाती हैं, और वे बिना यह जाने कि उनकी व्यक्तिगत दृष्टि कितनी खराब थी, इमारत का सटीक वर्णन कर सकते हैं। इसने उन्हें विरूपणों को मापने की कोशिश किए बिना ही बीम के आकार को पुनर्गठित करने की अनुमति दी।

उन्होंने क्या पाया

परिणाम रोमांचक थे। टीम ने ALBA सिनक्रोट्रॉन बीमलाइन पर इन विधियों का सफलतापूर्वक परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि रेडियो से प्रेरित इन तकनीकों का उपयोग करके, वे:

• पुंज को तुरंत देख सकते हैं: मास्क को धीरे-धीरे घुमाकर तस्वीर लेने के बजाय, वे एक ही झटके में पुंज की पूरी, स्पष्ट 2D छवि प्राप्त कर सकते हैं।
• विकृतियों को माप सकते हैं: वे प्रकाश तरंग के "लहरों" को नैनोमीटर-स्तर की सटीकता के साथ माप सकते हैं। इसे समझने के लिए, एक नैनोमीटर एक मीटर का अरबवां हिस्सा होता है। उन्होंने इसका परीक्षण एक दर्पण को थोड़ा झुकाकर भी किया और दिखाया कि उनकी विधि उस झुकाव के कारण प्रकाश के पथ में होने वाले सूक्ष्म परिवर्तनों का पता लगा सकती है।
• अपने काम की दोबारा जाँच कर सकते हैं: दोनों अलग-अलग विधियों (अनुमान और जाँच, और ग्रुप हग) के बीच पूर्ण सामंजस्य था। इसने उन्हें विश्वास दिलाया कि परिणाम वास्तविक थे और केवल कोई इत्तेफाक नहीं थे।

यह क्यों महत्वपूर्ण है

यह केवल सुंदर तस्वीरें लेने के बारे में नहीं है। इन सूक्ष्म विवरणों को तुरंत और सटीक रूप से देखने की क्षमता कण त्वरकों (particle accelerators), जैसे कि लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (LHC), के लिए एक गेम-चेंजर है। यदि वैज्ञानिक वास्तविक समय में अपने कण पुंजों के आकार को ठीक से देख सकते हैं, तो वे मशीनों को बेहतर ढंग से ट्यून कर सकते हैं, जिससे वे अधिक शक्तिशाली और कुशल बन सकेंगी।

शोध पत्र यह भी सुझाव देता है कि इस दृष्टिकोण का उपयोग जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप जैसे अंतरिक्ष दूरबीनों पर भी किया जा सकता है, ताकि कैमरे तक पहुँचने से पहले प्रकाश को ठीक करके वे ब्रह्मांड को अधिक स्पष्ट रूप से देख सकें। जबकि टीम अभी भी इन विधियों को और भी जटिल सेटअप (जैसे अधिक छेदों वाले मास्क) के साथ काम करने के लिए विकसित कर रही है, उन्होंने यह सिद्ध कर दिया है कि रेडियो खगोल विज्ञान से विचारों को उधार लेना ऑप्टिकल विज्ञान की सबसे कठिन समस्याओं को हल कर सकता है। उन्होंने केवल यह सुझाव नहीं दिया कि यह काम कर सकता है; उन्होंने इसे बनाया, परीक्षण किया और दिखाया कि यह सब-माइक्रोन सटीकता के साथ काम करता है।