MiraSOL: a DMD-based spectrograph for resolved solar spectroscopy

सूर्य की कल्पना एक विशाल, उबलते हुए सूप के बर्तन के रूप में करें, जो लगातार गर्म प्लाज्मा के ऊपर उठने और ठंडे प्लाज्मा के नीचे बैठने से उबल रहा है। यह केवल एक सुंदर चित्र नहीं है; यह एक शोर भरा मलबे जैसा है जो खगोलविदों के लिए दूर के संसारों की शांत फुसफुसाहट को सुनना अविश्वसनीय रूप से कठिन बना देता है। जब हम पृथ्वी जैसे ग्रहों को खोजने के लिए अन्य तारों को देखते हैं, तो हम आमतौर पर पूरे तारे को प्रकाश के एक एकल, धुंधले बिंदु की तरह देखते हैं। लेकिन सूर्य की तरह, उन तारों का भी अपना "मौसम" होता है—सूर्य के धब्बे (sunspots), चुंबकीय तूफान और उबलती हुई सतहें—जो झूठे संकेत पैदा करती हैं। ये संकेत हमारे उपकरणों को यह विश्वास दिला सकते हैं कि वहां एक ग्रह मौजूद है, जबकि वास्तव में वह केवल तारे की अपनी हलचल होती है। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिकों को एक बार में पूरे तारे को देखना बंद करना होगा और सतह के विशिष्ट स्थानों को देखना शुरू करना होगा ताकि यह समझा जा सके कि तारा वास्तव में कैसे हिल रहा है और बदल रहा है। यह एक पूरे ऑर्केस्ट्रा को एक साथ बजते हुए सुनने बनाम वायलिन को अलग करके यह सुनने के बीच का अंतर है कि क्या वह सुर से बाहर है।

यहाँ MiraSOL आता है, जो एक नया प्रयोगात्मक उपकरण है जिसे ठीक यही करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जो हमारे अपने सूर्य के लिए एक अभ्यास मैदान के रूप में कार्य करता है ताकि अन्य तारों का अध्ययन किया जा सके। इस परियोजना के पीछे की टीम, जिसका नेतृत्व पेंसिल्वेनिया स्टेट यूनिवर्सिटी (Penn State) के शोधकर्ताओं ने किया है, एक ऐसा उपकरण बना रही है जो एक डिजिटल माइक्रोमिरर डिवाइस (DMD) का उपयोग करता है—इसे हजारों छोटे, झुकने वाले दर्पणों से बने एक उच्च-तकनीकी, सुपर-फास्ट कैलीडोस्कोप का उन्नत संस्करण समझें। सूर्य के कुछ हिस्सों को बाहर करने के लिए एक भौतिक मास्क का उपयोग करने के बजाय, MiraSOL इन दर्पणों का उपयोग वास्तविक समय में एक डिजिटल "मास्क" पेंट करने के लिए करता है। यह तुरंत तय कर सकता है कि सौर डिस्क के किन हिस्सों को एक उच्च-परिशुद्धता स्पेक्ट्रोग्राफ (प्रकाश का अध्ययन करने के लिए) को भेजना है और किन हिस्सों को एक कैमरे (यह देखने के लिए कि क्या हो रहा है) को भेजना है। यह उन्हें सूर्य के धब्बों जैसे विशिष्ट लक्षणों को अलग करने या यह सिम्युलेट करने की अनुमति देता है कि एक ग्रह सूर्य के सामने से गुजर रहा है, जिससे वे समझ सकें कि तारकीय "शोर" (stellar noise) एलियन दुनिया की खोज को कैसे प्रभावित करता है।

यह शोध पत्र वैज्ञानिक लक्ष्यों, प्रारंभिक डिज़ाइन और इस उपकरण के एक कार्यात्मक प्रोटोटाइप को प्रस्तुत करता है। शोधकर्ताओं ने उपकरण के इलेक्ट्रॉनिक्स में एक पेचीदा "फ्लिकर" (झिलमिलाहट) की खोज की—एक 60 हर्ट्ज (Hz) का सिग्नल जो संभवतः दर्पणों को नियंत्रित करने के लिए उपयोग किए गए कमर्शियल बोर्ड के कारण हुआ है—जिसे उन्हें ध्यान में रखना होगा। हालांकि, उन्होंने सफलतापूर्वक एक प्रूफ-ऑफ-कांसेप्ट प्रोटोटाइप बनाया जो सूर्य की इमेजिंग कर सकता है और "PSU" जैसे पैटर्न गतिशील रूप से बना सकता है। यह सिद्ध करता है कि अवधारणा काम करती है: हम एक डिजिटल मिरर ऐरे का उपयोग करके सूर्य के प्रकाश को विभाजित और विश्लेषित कर सकते हैं, जिससे भविष्य के उन उपकरणों का मार्ग प्रशस्त होगा जो अंततः तारकीय शोर के पार देख सकेंगे और उन छिपे हुए, रहने योग्य ग्रहों को खोज सकेंगे।

बड़ा विचार: हमें करीब से देखने की आवश्यकता क्यों है

द दशकों से, खगोलविद हमारे सूर्य जैसे तारों के आसपास ग्रहों की खोज के लिए रेडियल वेलोसिटी (radial velocity) तकनीक का उपयोग कर रहे हैं। यह एक गरजते हुए जेट इंजन के बगल में मच्छर की भिनभिनाहट को सुनने की कोशिश करने जैसा है। "जेट इंजन" स्वयं तारा है, जो एक शांत, स्थिर लाइट बल्ब नहीं है। इसमें ग्रेनुलेशन (उबलता हुआ प्लाज्मा), सूर्य के धब्बे और चुंबकीय गतिविधि होती है जो इसे डगमगाती और इसकी चमक को बदलती है। ये परिवर्तन "फॉल्स पॉजिटिव" (झूठे संकेत) पैदा करते हैं, जिससे ऐसा लगता है कि एक ग्रह तारे को खींच रहा है, जबकि वास्तव में वह केवल तारे की अपनी सतह की हलचल होती है।

वास्तविक पृथ्वी जैसे संसारों को खोजने के लिए, हमें एक्सट्रीम प्रिसिजन रेडियल वेलोसिटी (EPRV) नामक स्तर की सटीकता तक पहुँचना होगा, जिसका लक्ष्य 10 सेंटीमीटर प्रति सेकंड से बेहतर स्थिरता है। लेकिन अभी, तारे का अपना "मौसम" सबसे बड़ी बाधा है। समाधान क्या है? पूरे तारे को एक गोले के रूप में देखना बंद करें। यदि हम तारे की सतह के विशिष्ट क्षेत्रों को देख सकते हैं, तो हम मानचित्रित कर सकते हैं कि विभिन्न हिस्से वास्तव में कैसे चल रहे हैं और उस शोर को अपने डेटा से घटा सकते हैं। यहीं पर MiraSOL काम आता है। इसे सूर्य के लिए एक "स्मार्ट मास्क" के रूप में डिज़ाइन किया गया है, जो वैज्ञानिकों को यह चुनने की अनुमति देता है कि वे सौर डिस्क के किन हिस्सों का विस्तार से अध्ययन करना चाहते हैं।

जादुई दर्पण: MiraSOL कैसे काम करता है

MiraSOL के केंद्र में एक डिजिटल माइक्रोमिरर डिवाइस (DMD) है। आप इन्हें उन प्रोजेक्टर्स से जानते होंगे जो दीवार पर चित्र फेंकते हैं। इसके अंदर हजारों सूक्ष्म दर्पण होते हैं, जिनमें से प्रत्येक मानव बाल से भी छोटा होता है। एक प्रोजेक्टर में, ये दर्पण प्रकाश को या तो स्क्रीन की ओर (ON) या उससे दूर (OFF) भेजने के लिए झुकते हैं। MiraSOL इस तकनीक का खगोल विज्ञान के लिए पुन: उपयोग करता है।

एक फिल्म प्रोजेक्ट करने के बजाय, टेलीस्कोप सूर्य की एक छवि इस दर्पण चिप पर केंद्रित करता है। कंप्यूटर फिर प्रत्येक व्यक्तिगत दर्पण को झुकने का निर्देश दे सकता है।

• ON अवस्था: दर्पण सूर्य के एक विशिष्ट स्थान (जैसे सूर्य का धब्बा) से प्रकाश को एक फाइबर ऑप्टिक केबल में भेजने के लिए झुकते हैं, जो एक अति-सटीक स्पेक्ट्रोग्राफ को फीड करता है। यह हमें उस विशिष्ट स्थान का विस्तृत रासायनिक और वेग मानचित्र प्रदान करता है।
• OFF अवस्था: दर्पण शेष सूर्य के प्रकाश को एक कैमरे में भेजने के लिए झुकते हैं। यह एक वास्तविक समय की छवि बनाता है जहाँ अध्ययन किए जा रहे हिस्से अंधेरे दिखाई देते हैं, जिससे वैज्ञानिक सत्यापित कर सकते हैं कि वे वास्तव में कहाँ देख रहे हैं।

यह सेटअप दो मुख्य प्रकार के प्रयोगों की अनुमति देता है:

1. सतह मानचित्रण (Surface Mapping): वैज्ञानिक विशिष्ट सक्रिय क्षेत्रों को अलग कर सकते हैं ताकि उनके विशिष्ट रेडियल वेगों को मापा जा सके, जिससे उन्हें यह समझने में मदद मिले कि सूर्य का घूर्णन और संवहन (convection) उस प्रकाश को कैसे प्रभावित करते हैं जिसे हम देखते हैं।
2. ट्रांजिट का सिमुलेशन (Simulating Transits): दर्पणों को तेजी से चालू और बंद करके, यह उपकरण सूर्य के एक हिस्से को "मिटा" सकता है ताकि यह नकल की जा सके कि एक ग्रह उसके सामने से गुजर रहा है। यह वैज्ञानिकों को "ट्रांजिट लाइट सोर्स इफेक्ट" का अध्ययन करने में मदद करता है—एक ऐसी घटना जहाँ एक ग्रह का वायुमंडल इस बात पर निर्भर करता है कि वह तारे के किस हिस्से को पार कर रहा है।

मुश्किलें और हार्डवेयर

इसे बनाना बिना किसी आश्चर्य के नहीं था। टीम ने DMD को नियंत्रित करने के लिए एक कमर्शियल, ऑफ-द-शेल्फ (COTS) इवैल्यूएशन बोर्ड का उपयोग किया। हालांकि ये बोर्ड प्रोजेक्टर्स के लिए बेहतरीन हैं, लेकिन वे वैज्ञानिक सटीकता के लिए नहीं बने हैं। परीक्षण के दौरान, शोधकर्ताओं ने एक निरंतर 60 Hz का फ्लिकर देखा, जो संभवतः बोर्ड के फर्मवेयर में प्रोग्राम किए गए एक स्वचालित "रीसेट" अनुक्रम के कारण था ताकि छोटे दर्पण फंस न जाएं (जिसे "स्टिक्शन" कहा जाता है)।

जब उन्होंने प्रकाश को मापा, तो उन्हें एक सिग्नल मिला जो 120 Hz की लहर जैसा दिखता था, लेकिन जब उन्होंने टाइमिंग का बारीकी से विश्लेषण किया, तो उन्हें एहसास हुआ कि यह वास्तव में दो ऑफसेट 60 Hz सिग्नल थे। यह फ्लिकर इमेज के कंट्रास्ट को खराब करता है, जिससे सूक्ष्म विवरण देखना कठिन हो जाता है। लेखक संदेह करते हैं कि यह उनके द्वारा उपयोग किए जा रहे विशिष्ट कमर्शियल बोर्ड की सीमा है, न कि स्वयं दर्पणों की। उन्होंने यह भी नोट किया कि DMD की कांच की खिड़की दृश्य प्रकाश (visible light) के लिए अनुकूलित है, लेकिन उनके कुछ प्रयोगों (नियर-इन्फ्रारेड लाइट का उपयोग करते हुए) के लिए, दक्षता में सुधार के लिए एक अलग विंडो की आवश्यकता होगी।

प्रोटोटाइप: सूर्य पर "PSU" लिखना

इस विचार को सिद्ध करने के लिए कि यह केवल एक सपना नहीं था, टीम ने पेंसिल्वेनिया स्टेट यूनिवर्सिटी की छत पर एक कार्यात्मक प्रोटोटाइप बनाया। उन्होंने एक छोटा टेलीस्कोप, उपकरण की सुरक्षा के लिए एक सोलर फिल्टर और DLP801RE DMD चिप का उपयोग किया।

परिणाम उत्साहजनक थे।

• इमेजिंग: उन्होंने सफलतापूर्वक सूर्य की छवियां कैप्चर कीं। जब उन्होंने सभी दर्पणों को "OFF" अवस्था में सेट किया (सारा प्रकाश कैमरे की ओर भेजना), तो वे सौर सतह पर सूर्य के धब्बों को स्पष्ट रूप से देख सके।
• डायनेमिक मास्किंग: एक मजेदार प्रदर्शन में, उन्होंने दर्पणों को सौर डिस्क पर "PSU" (पेंसिल्वेनिया स्टेट यूनिवर्सिटी) शब्द लिखने वाला एक गहरा आकार बनाने के लिए प्रोग्राम किया। इसने दिखाया कि उपकरण वास्तविक समय में "मास्क" के आकार को गतिशील रूप से बदल सकता है।
• बैंडिंग (Banding): छवियों में कुछ क्षैतिज बैंडिंग दिखाई दी। टीम को संदेह है कि यह कैमरा के शॉर्ट एक्सपोजर समय और पहले खोजी गई 60 Hz मिरर रीसेट अनुक्रम के बीच टकराव के कारण है। वे भविष्य के संस्करणों में इसे ठीक करने के लिए फिल्टर जोड़ने की योजना बना रहे हैं।

भविष्य के लिए इसका क्या अर्थ है

शोध पत्र इस निष्कर्ष पर पहुँचता है कि सौर अवलोकनों के लिए DMD का उपयोग करने की मूल अवधारणा व्यवहार्य है। प्रोटोटाइप ने सफलतापूर्वक प्रदर्शित किया कि हम सूर्य की छवि को पिक्सेल-दर-पिक्सेल नियंत्रित कर सकते हैं। हालांकि 60 Hz फ्लिकर और बेहतर ऑप्टिकल विंडो की आवश्यकता जैसी चुनौतियाँ हैं, टीम के पास आगे बढ़ने का एक स्पष्ट रास्ता है।

अपने डिज़ाइन को परिष्कृत करके और इस सिस्टम को NEID या HPF जैसे उच्च-परिशुद्धता स्पेक्ट्रोग्राफ के साथ एकीकृत करके, MiraSOL एक शक्तिशाली उपकरण बन सकता है। यह न केवल हमें अपने सूर्य को बेहतर ढंग से समझने में मदद करेगा; यह अन्य तारों का अध्ययन करने के लिए बेहतर मॉडल बनाने के लिए आवश्यक "ग्राउंड ट्रुथ" डेटा भी प्रदान करेगा। यदि हम सूर्य के शोर को छानना सीख जाते हैं, तो हम अंततः अन्य सितारों की परिक्रमा कर रहे पृथ्वी जैसे ग्रहों के शांत संकेतों को सुनने में सक्षम होंगे, जो हमें इस शाश्वत प्रश्न का उत्तर देने के एक कदम करीब ले जाएगा: क्या हम अकेले हैं?