An upgraded frequency-selectable laser source (FLS) calibrator for CMB bandpass characterization

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल, प्राचीन रेडियो स्टेशन है जो समय की शुरुआत से ही एक मंद, शोर-भरे सिग्नल का प्रसारण कर रहा है। यह सिग्नल, जिसे कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड (CMB) कहा जाता है, बिग बैंग की बची हुई गर्मी है। एक ब्रह्मांड विज्ञानी (cosmologist) के लिए, यह शोर केवल शोर नहीं है; यह एक खजाने का नक्शा है जिसमें इस बात के रहस्य छिपे हैं कि ब्रह्मांड कैसे शुरू हुआ, यह कैसे विकसित हुआ, और डार्क एनर्जी जैसी अदृश्य ताकतें आज इसके साथ क्या कर रही हैं। हालाँकि, इसमें एक पेंच है: हमारे रेडियो रिसीवर (टेलीस्कोप) पूर्ण नहीं हैं। उनका एक "बैंडपास" (bandpass) होता है, जो एक फिल्टर की तरह है जो यह तय करता है कि वे किन रेडियो आवृत्तियों (frequencies) को स्पष्ट रूप से सुन सकते हैं और किन्हें वे धुंधला या विकृत कर देते हैं। यदि हमें ठीक से पता नहीं है कि हमारा फिल्टर कैसे काम करता है, तो हम एक मामूली सिग्नल की गड़बड़ी को समय के आरंभ से आए किसी गुप्त संदेश के रूप में समझ सकते हैं, जिससे ब्रह्मांड के इतिहास के बारे में गलत निष्कर्ष निकल सकते हैं।

वर्षों से, वैज्ञानिक इन फिल्टरों की जांच करने के लिए फूरियर ट्रांसफॉर्म स्पेक्ट्रोमीटर (FTS) नामक उपकरण का उपयोग करते रहे हैं। FTS को एक बहुत अच्छे, लेकिन थोड़े पुराने जमाने के ऑडियो इंजीनियर के रूप में सोचें जो आपको बता सकता है कि आपका फिल्टर किन आवृत्तियों को गुजरने देता है। यह सटीक है, लेकिन यह एक सीमा से टकरा रहा है; यह अगली पीढ़ी के सुपर-सेंसिटिव टेलीस्कोप के लिए पर्याप्त सटीक होने के लिए संघर्ष कर रहा है। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिकों की एक टीम एक नया, हाई-टेक "ट्यूनर" बना रही है जिसे फ्रीक्वेंसी-सिलेक्टेबल लेजर सोर्स (FLS) कहा जाता है। यह उपकरण एक लेजर पॉइंटर की तरह है जो संगीत के हर सुर (नोट) को टेस्ट करने के लिए तुरंत अपना रंग (आवृत्ति) बदल सकता है, जिससे आपके टेलीस्कोप के फिल्टर की बहुत अधिक सटीक और विस्तृत जांच संभव हो सकेगी।

यह शोध पत्र इस टीम के FLS को पहले संस्करण के प्रोटोटाइप से एक बहुत अधिक मजबूत "वर्जन 2" में अपग्रेड करने की कहानी बताता है। उन्होंने केवल इसके नॉब्स (knobs) को ही नहीं सुधारा; बल्कि उन्होंने पूरी मशीन को अधिक पोर्टेबल, धूल और बिखरी हुई रोशनी से बेहतर तरीके से सुरक्षित, और कंप्यूटर के साथ बातचीत करने में अधिक स्मार्ट बनाया। लैब में हफ्तों बिताने के बाद—यह सुनिश्चित करने के लिए कि लेजर विचलित न हो या डगमगाए न (उन्होंने पाया कि इसे "वार्म अप" होने और स्थिर होने के लिए पूरे 24 घंटे चाहिए)—उन्होंने इस डिवाइस को चिली के अटाकामा रेगिस्तान में ले जाने का निर्णय लिया। वहां, उन्होंने इसे सिमंस ऑब्जर्वेटरी के लार्ज एपर्चर टेलीस्कोप (Large Aperture Telescope) से जोड़ा। परिणाम? उन्होंने सफलतापूर्वक मैप किया कि टेलीस्कोप विभिन्न आवृत्तियों को कैसे सुनता है, जिससे यह सिद्ध हुआ कि यह नया लेजर ट्यूनर वास्तविक दुनिया में काम करता है। सबसे प्रभावशाली बात यह है कि उन्होंने यह जांचने के लिए लेजर का उपयोग किया कि क्या टेलीस्कोप अनजाने में उन आवृत्तियों से संकेत सुन रहा है जिन्हें उसे नहीं सुनना चाहिए (जैसे "ब्लू लीक्स"), और उन्हें ऐसी कोई समस्या नहीं मिली, जिससे इस टेलीस्कोप के लिए ऐसे त्रुटियों की अब तक की सबसे सख्त सीमा निर्धारित हुई।

अपग्रेड किए गए लेजर ट्यूनर की कहानी

समस्या: ब्रह्मांडीय रेडियो को ट्यून करना
कल्पना कीजिए कि आप एक विशिष्ट रेडियो स्टेशन सुनने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन आपका रेडियो डायल चिपचिपा है और आप निश्चित नहीं हैं कि स्टेशन वास्तव में कहाँ है। यदि आप थोड़ा भी गलत ट्यून करते हैं, तो आप दो स्टेशनों का मिश्रण या कुछ अजीब शोर सुन सकते हैं। ब्रह्मांड विज्ञान की दुनिया में, "स्टेशन" शुरुआती ब्रह्मांड से आने वाली प्रकाश की विभिन्न आवृत्तियाँ हैं, और "रेडियो" एक विशाल टेलीस्कोप है। यदि टेलीस्कोप का "डायल" (इसका बैंडपास) पूरी तरह से कैलिब्रेटेड नहीं है, तो वैज्ञानिक डेटा की गलत व्याख्या कर सकते हैं, यह सोचकर कि वे ब्रह्मांड के फैलाव (inflation) या डार्क एनर्जी के प्रमाण देख रहे हैं, जबकि वह वास्तव में केवल एक कैलिब्रेशन त्रुटि हो सकती है।

वर्तमान में, वैज्ञानिक इन डायलों की जांच करने के लिए फूरियर ट्रांसफॉर्म स्पेक्ट्रोमीटर (FTS) नामक उपकरण का उपयोग करते हैं। यह एक कर्व (वक्र) को मापने के लिए रूलर का उपयोग करने जैसा है; यह काम तो करता है, लेकिन यह काम के लिए सबसे सटीक उपकरण नहीं है, और इसे लगभग 1% से 3% से अधिक सटीक बनाना कठिन है। ब्रह्मांड के गहरे रहस्यों को खोलने के लिए, सिमंस ऑब्जर्वेटरी जैसे प्रयोगों को यह जानने की आवश्यकता है कि उनके डायल 0.1% के भीतर कितने सटीक हैं। यह मानव बाल की चौड़ाई को रबर बैंड से बनी स्केल से मापने की आवश्यकता जैसा है।

समाधान: एक लेजर जो कोई भी सुर गा सकता है
यहाँ फ्रीक्वेंसी-सिलेक्टेबल लेजर सोर्स (FLS) का आगमन होता है। रूलर के बजाय, इसे एक जादुई लेजर के रूप में सोचें जो परीक्षण के लिए आवश्यक किसी भी विशिष्ट नोट (सुर) के लिए तुरंत अपना "रंग" (आवृत्ति) बदल सकता है। टीम ने एक प्रोटोटाइप (वर्जन 1) बनाया जो काम करता था, लेकिन वह थोड़ा अव्यवस्थित था। यह एक हाथ से बने वाद्य यंत्र की तरह था जो एक शांत कमरे में तो काम करता था, लेकिन अगर आप इसे बाहर ले जाने की कोशिश करते तो यह बिखर जाता।

अपग्रेड: वर्जन 2 का निर्माण
शोध पत्र विस्तार से बताता है कि टीम ने इस लेजर सिस्टम को "वर्जन 2" में कैसे अपग्रेड किया। उन्होंने इस डिवाइस के साथ एक उच्च श्रेणी के ऑडियो उपकरण की तरह व्यवहार किया जिसे एक लंबी यात्रा (रोड ट्रिप) के दौरान जीवित रहना था।

• सिग्नल की सुरक्षा (Shielding): पहले संस्करण में, बिखरी हुई रोशनी (अवांछित प्रतिबिंब) अंदर आ सकती थी और माप को खराब कर सकती थी, जैसे कोई शोर मचाने वाला पड़ोसी आपके संगीत के ऊपर चिल्ला रहा हो। नए संस्करण में आंतरिक दीवारों (बफल्स) और प्रिज्म के कवर शामिल हैं ताकि इस शोर को रोका जा सके।
• स्थिरता ही कुंजी है: टीम को एहसास हुआ कि लेजर को सुर में गाने से पहले "वार्म अप" होने की आवश्यकता है। ठीक वैसे ही जैसे सर्दियों में कार के इंजन को गर्म होने की आवश्यकता होती है, चालू होने के बाद कुछ समय के लिए लेजर की आवृत्ति बदलती रहती है। सावधानीपूर्वक परीक्षण के माध्यम से, उन्होंने पाया कि लेजर एक विशिष्ट ड्रिफ्ट पैटर्न का पालन करता है और इसे स्थिर आवृत्ति में सेटल होने के लिए कम से कम 24 घंटे की आवश्यकता होती है। यदि आप उससे पहले माप करने की कोशिश करते हैं, तो आपका डेटा अस्थिर होगा।
• बेहतर मैकेनिक्स: उन्होंने माउंट्स को फिर से डिजाइन किया ताकि लेजर और दर्पण हिलें नहीं। पुराने संस्करण में, माप के दौरान हिस्से थोड़ा खिसक सकते थे, जैसे एक डगमगाते ट्राइपॉड पर कैमरा। नया संस्करण सब कुछ पूरी तरह से स्थिर रखने के लिए उच्च-परिशुद्धता वाले लॉकिंग स्टेज का उपयोग करता है।
• सॉफ्टवेयर सिंक: उन्होंने एक नया सॉफ्टवेयर "कंडक्टर" (एक एजेंट) भी बनाया जो टेलीस्की के कंप्यूटर से बात करता है। यह सुनिश्चित करता है कि जब लेरा अपनी आवृत्ति बदलता है, तो टेलीस्कोप बिल्कुल उसी क्षण डेटा रिकॉर्ड करता है, एक सेकंड के सूक्ष्म अंश तक।

फील्ड टेस्ट: रेगिस्तान में परीक्षण
लैब में मशीन को पूर्ण करने के बाद, टीम ने इसे चिली के अटाका रेगिस्तान में सिमंस ऑब्जर्वेटरी में ले गई। यह एक उच्च ऊंचाई वाला रेगिस्तान है, जो अपने साफ आसमान और खगोल विज्ञान के लिए आदर्श स्थितियों के लिए प्रसिद्ध है। उन्होंने FLS को टेलीस्कोप के "लार्ज एपर्चर टेलीस्कोप" (LAT) ऑप्टिक्स ट्यूब से जोड़ा।

उन्हें सेटअप के साथ सावधान रहना पड़ा। लेजर बीम अविश्वसनीय रूप से शक्तिशाली होती है, इसलिए उन्होंने एक विशेष लेंस और एक "न्यूट्रल डेंसिटी फिल्टर" (टेलीस्कोप के लिए धूप के चश्मे की तरह) का उपयोग किया ताकि प्रकाश को धीमा किया जा सके ताकि वह संवेदनशील डिटेक्टरों को अंधा न कर दे। उन्होंने एक "चॉपर" (एक घूमता हुआ पहिया) का भी उपयोग किया जो लेजर बीम को तेजी से चालू और बंद करता है, जो टेलीस्कोप को बैकग्राउंड शोर से लेजर सिग्नल को अलग करने में मदद करता है।

परिणाम: एक परफेक्ट ट्यून-अप
टीम ने लेजर को आवृत्तियों की एक श्रृंखला के माध्यम से चलाया, विशेष रूप से 90 GHz और 150 GHz बैंडों के लिए, जो इन टेलीस्कोपों के लिए "स्वीट स्पॉट" हैं।

• इन-बैंड सफलता: उन्होंने पुष्टि की कि टेलीस्कोप की प्रतिक्रिया वैसी ही थी जैसी उन्होंने उम्मीद की थी। फ्रीक्वेंसी बैंड के किनारों को उच्च सटीकता के साथ मापा गया, जो पिछले लैब परीक्षणों के अनुरूप था लेकिन अब वास्तविक दुनिया में किया गया था।
• "ब्लू लीक" की खोज: सबसे बड़ा डर यह है कि एक टेलीस्कोप अनजाने में उन आवृत्तियों से संकेत पकड़ सकता है जिन्हें उसे नहीं देखना चाहिए (जैसे एक रेडियो जो दूसरे देश के स्टेशन को पकड़ लेता है)। टीम ने 200 GHz से लेकर 800 GHz तक स्कैन करने के लिए FLS का उपयोग किया। कुछ प्रकाश-रोधी प्रिज्मों को हटाकर, उन्होंने लेजर को इतना चमकदार बनाया ताकि यह देखा जा सके कि क्या कोई छोटा, अवांछित सिग्नल दिखाई देता है।
• निर्णय: उन्हें कुछ नहीं मिला। कोई अजीब सिग्नल नहीं। कोई लीकेज नहीं। इसने उन्हें इस विश्वास के साथ कहने की अनुमति दी कि कोई भी "आउट-ऑफ-बैंड" लीकेज 10⁻⁵ (एक लाख में एक भाग) से कम है। यह इस टेलीस्कोप के लिए अब तक की सबसे सख्त सीमा है।

आगे क्या है?
शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि यह नया लेजर ट्यूनर एक गेम-चेंजर है। यह लैब में काम करता है, और यह फील्ड में भी काम करता है। टीम सेटअप को और बेहतर बनाने की योजना बना रही है, शायद लेंस के बजाय दर्पणों का उपयोग करके ताकि टेलीस्कोप पर पड़ने वाले प्रकाश की मात्रा को कम किया जा सके, जिससे वे एक साथ और भी अधिक डिटेक्टरों का परीक्षण कर सकें। इस लेजर पद्धति को पुराने FTS पद्धति के साथ जोड़कर, वे एक पूर्ण, अत्यंत सटीक चित्र प्राप्त करने की आशा करते हैं कि उनके टेलीस्कोप ब्रह्मांड को कैसे देखते हैं, यह सुनिश्चित करते हुए कि बिग बैंग और डार्क एनर्जी के बारे में अगली महान खोजें ठोस डेटा पर आधारित हों।