Pollux UV & FUV polarimeters: first lab results

कल्पना कीजिए कि आप एक ब्रह्मांडीय जासूस (cosmic detective) हैं जो इस रहस्य को सुलझाने की कोशिश कर रहे हैं कि तारे कैसे जन्म लेते हैं और ग्रह कैसे बनते हैं। इस काम को करने के लिए, आप केवल एक तारे की तस्वीर नहीं लेना चाहते; बल्कि आप उसके प्रकाश को आकार देने वाले अदृश्य चुंबकीय बलों को समझना चाहते हैं। यहीं पर "पोलारिमेट्री" (polarimetry) नामक विज्ञान की एक शाखा काम आती है। प्रकाश को केवल ऊर्जा की एक किरण के रूप में नहीं, बल्कि छोटी, कंपन करती हुई रस्सियों के एक झुंड के रूप में सोचें। आमतौर पर, ये रस्सियाँ हर दिशा में एक साथ कंपन करती हैं, जैसे कि एक अराजक भीड़। लेकिन जब प्रकाश किसी ग्रह से टकराता है या किसी चुंबकीय क्षेत्र से होकर गुजरता है, तो रस्सियाँ एक विशिष्ट, व्यवस्थित पैटर्न में कंपन करने लगती हैं। यह "पोलराइजेशन" (ध्रुवीकरण) एक गुप्त कोड है जो खगोलविदों को उन चुंबकीय क्षेत्रों और उन सामग्रियों के बारे में बताता है जिनसे वह प्रकाश छूकर गुजरा है।

चुनौती यह है कि सबसे दिलचस्प रहस्य प्रकाश के स्पेक्ट्रम के एक हिस्से में छिपे हुए हैं जिसे "पराबैंगनी" (ultraviolet - UV), विशेष रूप से "दूर-पराबैंगनी" (far-ultraviolet - FUV) कहा जाता है। यह एक उच्च-ऊर्जा वाला, अदृश्य क्षेत्र है जहाँ हमारे आसपास की हवा एक घने कोहरे की तरह काम करती है, जो प्रकाश को हमारी आँखों या मानक दूरबीनों तक पहुँचने से रोक देती है। इन सुरागों को पकड़ने के लिए, वैज्ञानिकों को विशेष उपकरणों की आवश्यकता है जो निर्वात (vacuum) में काम कर सकें और ऐसे प्रकाश को संभाल सकें जो इतना ऊर्जावान है कि उसे सामान्य कांच के लेंसों द्वारा मोड़ा नहीं जा सकता। आप जो शोध पत्र अब पढ़ने जा रहे हैं, वह एक नए, उच्च-तकनीकी "लाइट डिकोडर" (प्रकाश डिकोडर) के निर्माण और परीक्षण के बारे में है, जिसे इन UV कोड्स को तोड़ने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जो अन्य दुनियाओं में जीवन के अस्तित्व को खोजने में मदद करने के लिए एक भविष्य के अंतरिक्ष टेलीस्कोप का मार्ग प्रशस्त करेगा।

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पोल्यूक्स प्रोजेक्ट: ब्रह्मांडीय प्रकाश के लिए एक सुपर-डिकोडर का निर्माण

यह शोध पत्र "पोल्यूक्स" (Pollux) का परिचय देता है, जो एक प्रस्तावित उच्च-तकनीकी उपकरण है जिसे भविष्य के एक विशाल अंतरिक्ष टेलीस्कोप "हैबिटेबल वर्ल्ड्स ऑब्जर्वेटरी" (Habitable Worlds Observatory - HWO) पर तैनात करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। HWO को एक विशाल, 6-से-8 मीटर की अंतरिक्ष आँख के रूप में सोचें, जिसे 2040 के बाद लॉन्च करने की योजना बनाई गई है, जिसका उद्देश्य पृथ्वी जैसे ग्रहों की खोज करना है। पोल्यूक्स इस आँख से जुड़ा हुआ एक विशेष कैमरा है, जिसे न केवल तारों के प्रकाश को देखने के लिए, बल्कि उस प्रकाश के ध्रुवीकरण (polarization) को अविश्वसनीय सटीकता के साथ डिकोड करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। इसका लक्ष्य $10^{-3}$ (या 1,000 में से 1 भाग) की सटीकता के साथ ध्रुवीकरण को मापना है, जो एक उपग्रह से सैटेलाइट के माध्यम से समुद्र तट पर रेत के एक अकेले कण को पहचानने जैसा है।

जटिल बात यह है कि पोल्यूक्स को मध्यम-पराबैंगनी (MUV-NUV) से लेकर निकट-अवरक्त (near-infrared) तक रंगों की एक विस्तृत श्रृंखला में काम करने की आवश्यकता है। मध्य और निकट-पराबैंगनी श्रेणियों में, टीम विशेष क्रिस्टल (जो मैग्नीशियम फ्लोराइड या $\text{MgF}_2$ से बने होते हैं) का उपयोग कर सकती है जो प्रकाश को छांटने के लिए प्रिज्म की तरह कार्य करते हैं। हालाँकि, दूर-पराबैंगनी (लगभग 118 nm से नीचे) में, ये क्रिस्टल मौजूद ही नहीं होते; प्रकाश इतना ऊर्जावान होता है कि वे काम नहीं कर पाते। इस समस्या को हल करने के लिए, टीम ने FUV भाग के लिए एक चतुर "ऑल-रिफ्लेक्टिव" (पूर्ण-परावर्तक) डिज़ाइन का आविष्कार किया, जिसमें प्रकाश को छांटने के लिए क्रिस्टल के बजाय दर्पणों (mirrors) का उपयोग किया गया है।

अंतिम अंतरिक्ष उपकरण बनाने से पहले, टीम को यह सिद्ध करना था कि उनके विचार ज़मीन पर काम करते हैं। उन्होंने फ्रांस के LIRA लैब में एक वैक्यूम चैंबर के भीतर एक समर्पित "टेस्ट बेंच" बनाया। यह बेंच उपकरण का एक लघु संस्करण है, जिसे दो अलग-अलग सेटअपों का परीक्षण करने के लिए डिज़ाइन किया गया है: एक मध्यम/निकट-पराबैंगी (MUV-NUV) के लिए और दूसरा दूर-पराबैंगी (FUV) के लिए। शोध पत्र इस नए लैब सेटअप के पहले सफल परीक्षणों की रिपोर्ट करता है।

मध्यम और निकट-पराबैंगी (MUV-NUV) का परीक्षण

सबसे पहले, टीम ने 120–290 nm रेंज के सेटअप का परीक्षण किया। उन्होंने पाँच ब्लॉकों की एक श्रृंखला को असेंबल किया, जिसकी शुरुआत एक ड्यूटेरियम लैंप से हुई जो एक चमकदार, अनपोलराइज्ड (अध्रुवीकृत) प्रकाश स्रोत के रूप में कार्य करता है। यह सुनिश्चित करने के लिए कि प्रकाश वास्तव में "साफ" हो, उन्होंने इसे एक इंटीग्रेटिंग स्फीयर (एक खोखला गोला जिसका आंतरिक भाग खुरदरा और सफेद होता है) से गुजारा जिसने प्रकाश की दिशा को बिखेर दिया, जिससे वह पूरी तरह से यादृच्छिक (random) हो गया।

इसके बाद, उन्होंने इस प्रकाश को दर्पणों की एक श्रृंखला और एक विशेष प्रिज्म (एक रोचॉन प्रिज्म) के माध्यम से प्रवाहित किया जो प्रकाश के कंपन के आधार पर बीम को दो अलग-अलग पथों में विभाजित करता है। जब उन्होंने पहली तस्वीरें लीं, तो उन्होंने 138 से 290 nm तक फैला हुआ प्रकाश का एक सुंदर इंद्रधनुष (स्पेक्ट्रम) देखा। यहाँ एक प्रमुख खोज यह थी कि प्रकाश के दोनों पथों की चमक लगभग एक समान थी। यह एक सुखद संयोग था क्योंकि दर्पणों के निर्माताओं ने इसकी गारंटी नहीं दी थी; आमतौर पर, कंपन का एक रंग दूसरे की तुलना में अधिक खो जाता है। इनका संतुलित होना माप को बहुत आसान और सटीक बनाता है।

अगला, उन्होंने विशिष्ट ध्रुवीकृत पैटर्न बनाने की अपनी क्षमता का परीक्षण किया। उन्होंने बाबिनेट-सोलेइल कंपेंसेटर (Babinet-Soleil compensator) नामक एक उपकरण का उपयोग किया, जो प्रकाश के कंपन को किसी भी इच्छित आकार में बदलने के लिए एक ट्यूनेबल फिल्टर के रूप में कार्य करता है। उन्होंने अपने मापन की तुलना कंप्यूटर भविष्यवाणियों (जिसे "मुलर मैट्रिक्स" गणना कहा जाता है) से की और पाया कि वे पूरी तरह से मेल खाते हैं। अंत में, उन्होंने एक पूर्ण परीक्षण चलाया जहाँ उन्होंने एक मॉड्युलेटर (एक घूमता हुआ हिस्सा जो प्रकाश के पैटर्न को बदलता है) को घुमाया और छह अलग-अलग कोणों पर प्रकाश को मापा। ऐसा करके, उन्होंने सफलतापूर्वक मूल "स्टोक्स वेक्टर" (प्रकाश के ध्रुवीकरण का गणितीय विवरण) को पुनर्गठित किया और उसकी तुलना अपनी अपेक्षाओं से की। परिणामों ने दिखाया कि उनकी पूरी श्रृंखला, प्रकाश बनाने से लेकर उसे डिकोड करने तक, योजना के अनुसार काम करती है।

दूर-पराबैंगी (FUV) चुनौती का सामना करना

शोध पत्र का दूसरा भाग बहुत कठिन FUV रेंज (98–120 nm) से संबंधित है। यहाँ नियम पूरी तरह बदल जाते हैं। चूंकि हवा इस प्रकाश को सोख लेती है और यहाँ तक कि मानक लैंप की कांच की खिड़कियाँ भी इसे रोक देती हैं, इसलिए वे एक सामान्य लैंप का उपयोग नहीं कर सके। इसके बजाय, उन्होंने एक "विंडोलेस" (बिना खिड़की वाला) ड्यूटेरियम प्लाज्मा स्रोत बनाया। एक गैस की जलती हुई छोटी आग की कल्पना करें जो सीधे वैक्यूम चैंबर के अंदर तैर रही है, और मशीन के बाकी हिस्सों के बीच कोई कांच की बाधा नहीं है। चैंबर को गैस से भरने से रोकने के लिए, उन्होंने एक चतुर तरीका अपनाया: गैस एक सूक्ष्म 200 µm पिनहोल के माध्यम से बहती है, और शक्तिशाली पंप इसे इतनी तेज़ी से खींच लेते हैं कि दबाव मशीन के काम करने के लिए पर्याप्त कम रहता है (लगभग $1.6 \times 10^{-5}$ mbar)।

उन्हें एक "K-मिरर" (K-mirror) के संरेखण (alignment) की समस्या को भी हल करना था, जो प्रकाश को मॉड्युलेट करने के लिए घूमने वाला एक विशेष दर्पण सेटअप है। उन्होंने इस दर्पण को अत्यधिक सटीकता के साथ संरेखित करने के लिए एक अन्य प्रोजेक्ट (MICADO) में उपयोग की गई विधि को अपनाया। उन्होंने दो प्रकाश स्रोतों का उपयोग किया—एक स्थिति की जाँच करने के लिए और दूसरा कोण की जाँच करने के लिए—और दर्पण को तब तक हिलाया जब तक कि प्रकाश बिल्कुल केंद्र में न पहुँच जाए, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि दर्पण अपने स्वयं के अक्ष के चारों ओर पूरी तरह से घूमता है।

अंत में, उन्होंने इस रेंज के लिए "एनालाइजर" (विश्लेषक) बनाया और उसका परीक्षण किया। चूंकि वे क्रिस्टल का उपयोग नहीं कर सकते, इसलिए उन्होंने एक दर्पण पर दो विशेष परतें चढ़ाईं: बोरोन कार्बाइड ($\text{B}_4\text{C}$) की एक परत और मैग्नीशियम फ्लोराइड ($\text{MgF}_2$) की एक परत। उन्होंने इस दर्पण का 120 nm पर परीक्षण किया और पाया कि यह एक पोलराइज़र के रूप में कार्य करता है, जो एक प्रकार के कंपन को रोकता है जबकि दूसरे को जाने देता है। विशेष रूप से, इसने "P-पोलराइज्ड" प्रकाश को इतनी प्रभावी ढंग से रोका कि शेष प्रकाश "S-पोलराइज्ड" प्रकाश की तुलना में केवल 10% उज्ज्वल था। यह उन्हें 10 का "पोलराइजेशन एक्सटिंक्शन रेशियो" देता है, जो एक ठोस पहला कदम है। वे पूरे रेंज में परिणामों की पुष्टि करने के लिए एक विशाल कण त्वरक (सिंक्रोट्रॉन) में फिर से परीक्षण करने की योजना बना रहे हैं।

आगे क्या है?

ये शुरुआती परिणाम एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर हैं। टीम ने सिद्ध कर दिया है कि उनका वैक्यूम टेस्ट बेंच काम करता है, वे दोनों MUV-NUV और FUV रेंज में ध्रुवीकृत प्रकाश उत्पन्न और माप सकते हैं, और उनके नए दर्पण-आधारित डिज़ाइन व्यवहार्य हैं। हालांकि FUV एनालाइजर को पूरे प्रदर्शन की पुष्टि करने के लिए अभी और परीक्षण की आवश्यकता है, लेकिन MUV-NUV श्रृंखला का सफल एकीकरण और विंडोलेस FUV स्रोत का निर्माण यह दर्शाता है कि "टेक्नोलॉजी रेडीनेस लेवल" (तकनीक कितनी तैयार है) बढ़ रहा है। ये परीक्षण भविष्य के हैबिटेबल वर्ल्ड्स ऑब्जर्वेटरी के लिए आवश्यक आधार तैयार कर रहे हैं, जो हमें दूर के संसारों के चुंबकीय रहस्यों को डिकोड करने के एक कदम और करीब ले जाते हैं।