A new window in time: a mid-infrared slit spectroscopy mode for precision time-series astronomy with JWST/MIRI
यह शोध पत्र यह प्रदर्शित करके कि इसका काफी कम बैकग्राउंड और स्थिर पॉइंटिंग HAT-P-12b के उच्च-गुणवत्ता वाले ट्रांजिट स्पेक्ट्रोस्कोपी को स्लिटलेस अवलोकनों के तुलनीय बनाता है, JWST/MIRI के स्लिट मोड का धुंधले लक्ष्यों के सटीक टाइम-सीरीज खगोल विज्ञान के लिए उपयोग करने की व्यवहार्यता को प्रमाणित करता है, जो कि साइकल 7 में आधिकारिक रूप से समर्थित होने वाली एक क्षमता है।
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कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल, शोर वाले रेडियो स्टेशन की तरह है। दशकों से, दूर स्थित दुनियाओं की हल्की फुसफुसाहट को सुनने की कोशिश कर रहे खगोलविदों को एक बहुत ही चौड़ी, खुली एंटीना का उपयोग करना पड़ा है। यह एंटीना सब कुछ पकड़ लेता है: वह विशिष्ट गीत जिसे वे सुनना चाहते हैं, लेकिन साथ ही बहुत सारा स्टैटिक (शोर), पास के स्टेशनों का शोर, और स्वयं रेडियो की गूँज भी। अंतरिक्ष दूरबीनों की दुनिया में, इस "चौड़ी एंटीना" को स्लिटलेस स्पेक्ट्रोस्कोपी (slitless spectroscopy) कहा जाता है। यह एक विस्तृत दृश्य पकड़ने के लिए बेहतरीन है, लेकिन जब आप किसी तारे के सामने से गुजरते हुए ग्रह के कारण प्रकाश में होने वाले सूक्ष्म, लयबद्ध परिवर्तनों (ट्रांजिट) को सुनने की कोशिश कर रहे हों, तो वह अतिरिक्त शोर सिग्नल को दबा सकता है।
इन हल्की फुसफुसाहटों को स्पष्ट रूप से सुनने के लिए, आपको शोर को रोकने और केवल अपने लक्ष्य से आने वाली प्रकाश की विशिष्ट किरण पर ध्यान केंद्रित करने के तरीके की आवश्यकता है। यहीं पर एक स्लिट (slit) काम आती है। एक स्लिट को एक अंधेरे कमरे में एक संकीखी, समायोज्य खिड़की की तरह समझें। यदि आप एक बड़ा दरवाजा खोल देते हैं, तो प्रकाश हर तरफ से अंदर आ जाता है, जो आपको उस विशिष्ट मोमबत्ती का अध्ययन करने से अंधा कर देता है जिसे आप देखना चाहते हैं। लेकिन यदि आप एक छोटी, सटीक खिड़की को थोड़ा सा खोलते हैं, तो आप कमरे के बाकी प्रकाश को रोक सकते हैं और उस एकल मोमबत्ती को अविश्वसनीय स्पष्टता के साथ देख सकते हैं। लंबे समय तक, वैज्ञानिक अनिश्चित थे कि क्या जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप (JWST) इस छोटी खिड़की को घंटों तक एक चलते हुए तारे के साथ पूरी तरह से संरेखित रखने के लिए पर्याप्त स्थिर है। यदि टेलीस्कोप थोड़ा सा भी हिल जाता, तो तारों का प्रकाश खिड़की से बाहर निकल जाता, जिससे माप खराब हो जाता। यह शोध पत्र इस बारे में है कि क्या वह "छोटी खिड़की" अंततः ब्रह्मांड के सबसे नाजुक सुनने वाले कार्यों के लिए उपयोग करने के लिए तैयार है या नहीं।
समय में एक नया झरोखा: द ग्रेट स्लिट टेस्ट
वर्षों से, जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप का मिड-इन्फ्रारेड इंस्ट्रूमेंट (MIRI) एक खुले दरवाजे के माध्यम से ब्रह्मांड को सुन रहा है। यह "स्लिटलेस" मोड एक्सोप्लैनेट्स (हमारे सौर मंडल के बाहर के ग्रह) को उनके मेजबान सितारों के ट्रांजिट करने, या उनके सामने से गुजरने, को देखने के लिए एकमात्र विकल्प रहा है। लेकिन एक समस्या थी: बैकग्राउंड शोर को रोकने के लिए एक संकीर्ण स्लिट के बिना, टेलीस्कोप बहुत सारा थर्मल स्टैटिक पकड़ रहा था, जिससे धुंधले लक्ष्यों को देखना कठिन हो गया था।
वैज्ञानिक एक अलग दृष्टिकोण आज़माना चाहते थे: शोर को रोकने के लिए एक छोटी, 4.7 आर्कसेकंड गुणा 0.51 आर्कसेकंड की स्लिट (एक सुई जैसी पतली खिड़की की कल्पना करें) का उपयोग करना। समस्या क्या थी? उन्हें डर था कि टेलीस्कोप थोड़ा सा थरथरा सकता है, या हिल सकता है, जिससे पर्याप्त प्रकाश खिड़की से बाहर निकल सकता है, जिससे डेटा खराब हो सकता है। इस रहस्य को सुलझाने के लिए, वैज्ञानिकों की एक टीम ने एक बड़ा प्रयोग करने का निर्णय लिया। उन्होंने JWST को HAT-P-12b एक्सोप्लैनेट की ओर 10 घंटों से अधिक समय (विशेष रूप से 10.22 घंटे) के लिए निर्देशित किया ताकि इसके तारे के ट्रांजिट को देखा जा सके। यह पहली बार था जब उन्होंने इस प्रकार के लंबे, टाइम-सीरीज अवलोकन के लिए MIRI स्लिट का उपयोग करने का प्रयास किया था।
फैसला: यह काम करता है!
परिणाम बेहद सफल रहे। टीम ने पाया कि टेलीस्कोप अविश्वसनीय रूप से स्थिर है, जो 1 मिलीआर्कसेकंड से भी कम तक हिलता है। इसे समझने के लिए, यह 100 किलोमीटर की दूरी से एक सिक्के पर लेजर पॉइंटर को स्थिर रखने जैसा है। चूंकि टेलीस्कोप इतना स्थिर है, इसलिए तारों का प्रकाश पूरे समय छोटी स्लिट के भीतर ही रहा।
जब उन्होंने उसी ग्रह के पुराने "स्लिटलेस" डेटा की तुलना नए "स्लिट" डेटा से की, तो परिणाम पूरी तरह से मेल खाते थे। दोनों विधियों ने एक ही वायुमंडलीय विशेषताओं को दिखाया, जिसमें 7.5 µm के पास एक विशिष्ट सिग्नल भी शामिल है। लेकिन नई विधि का एक बड़ा लाभ था: बैकग्राउंड शोर औसतन 38 गुना कम था। यह एक भीड़भाड़ वाले स्टेडियम में फुसफुसाहट सुनने के बजाय एक साउंडप्रूफ लाइब्रेरी में उसी फुसफुसाहट को सुनने जैसा है। यह स्लिट मोड को उन धुंधले लक्ष्यों (तारे जिनकी चमक Jmag ∼13–15 है) के अध्ययन के लिए एक गेम-चेंजर बनाता है जो पहले स्पष्ट रूप से अध्ययन करने के लिए बहुत मंद थे।
खामियां और भविष्य
बेशक, कोई भी नया उपकरण पूर्ण नहीं होता। टीम ने कुछ अजीब चीजें भी देखीं। क्योंकि स्लिट अवलोकन के लिए पूरे डिटेक्टर (जो बहुत बड़ा है) को पढ़ने की आवश्यकता थी, न कि एक छोटे सबएरे (subarray) को, इसलिए डेटा को कुछ "ब्राइटर-फैटर" प्रभावों (एक गड़बड़ी जहाँ चमकीले पिक्सेल थोड़े भ्रमित हो जाते हैं) को ठीक करने के लिए अलग तरह से प्रोसेस करना पड़ा। साथ ही, उन्होंने सबसे लंबी तरंग दैर्ध्य (8 µm से ऊपर) पर कुछ अजीब, समय-लिंक्ड शोर पाया जो स्लिटलेस डेटा में नहीं दिखा था। वे अभी तक ठीक से नहीं जानते कि इसका कारण क्या है; यह इस बात से संबंधित हो सकता है कि अवलोकन शुरू होने से पहले डिटेक्टर को कैसे "प्रकाशित" किया गया था।
हालाँकि, ये समस्याएँ प्रबंधनीय हैं। टीम ने गणना की कि टेलीस्कोप की मामूली हलचल के कारण केवल 40 ppm (पार्ट्स प्रति मिलियन) का प्रकाश नुकसान होगा, जो विज्ञान को बिगाड़ने के लिए बहुत कम है।
आगे क्या?
यह शोध पत्र सिद्ध करता है कि MIRI स्लिट सटीक खगोल विज्ञान के लिए एक व्यवहार्य और शक्तिशाली उपकरण है। क्योंकि यह बैकग्राउंड शोर को बहुत अधिक रोकता है और लक्ष्य को बहुत अच्छी तरह से अलग करता है, यह पहले से कहीं अधिक धुंधले, दूर के संसारों के अध्ययन के द्वार खोलता है। लेखक नोट करते हैं कि यह नई क्षमता आधिकारिक तौर पर साइकिल 7 (2028 में) से समर्थित होगी। तब तक, वे डेटा को और बेहतर बनाने के लिए साइकिल 6 में एक नए "SUBSLIT" सबएरे का उपयोग करने की योजना बना रहे हैं ताकि प्रति इंटीग्रेशन अधिक समूहों (groups) की अनुमति मिल सके।
संक्षेप में, "छोटा झरोखा" खुल गया है, टेलीस्कोप पत्थर की तरह स्थिर है, और ब्रह्मांड अब बहुत अधिक स्पष्ट हो गया है। खगोलविद अब अभूतपूर्व स्पष्टता के साथ ब्रह्मांड की सबसे हल्की फुसफुसाहटों को सुनने के एक नए युग की प्रतीक्षा कर सकते हैं।
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