Comparing the contrast performance of two IFU technologies for exoplanet direct imaging with ELT-PCS

कल्पना कीजिए कि आप एक विशाल, चकाचौंध भरे स्पॉटलाइट के किनारे बैठी एक नन्ही, चमकती हुई जुगनू की तस्वीर लेने की कोशिश कर रहे हैं। वह जुगनू आपका एक्सोप्लैनेट (exoplanet) है, और स्पॉटलाइट उसका मेजबान तारा है। खगोल विज्ञान की दुनिया में, यह प्रत्यक्ष इमेजिंग (direct imaging) की परम चुनौती है। तारा इतना अत्यधिक चमकदार है कि वह ग्रह के धुंधले प्रकाश को मिटा देता है, जिससे ग्रह मानक कैमरों के लिए अदृश्य हो जाता है। इस समस्या को हल करने के लिए, खगोलशास्त्री "कोरोनोग्राफ" नामक विशेष "धूप के चश्मे" का उपयोग करते हैं जो तारे की चमक को रोकता है, और वायुमंडल के कारण होने वाले धुंधलेपन को ठीक करने के लिए "एडाप्टिव ऑप्टिक्स" नामक सुपर-शार्प "चश्मों" का उपयोग करते हैं। लेकिन इन उपकरणों के साथ भी, ग्रह अभी भी सायों में छिपा हुआ है। उसे देखने के लिए, आपको एक ऐसे कैमरे की आवश्यकता है जो प्रकाश को इंद्रधनुष (स्पेक्ट्रोस्कोपी) में विभाजित कर सके ताकि ग्रह के वायुमंडल का विश्लेषण किया जा सके, लेकिन ऐसा करने के लिए ग्रह को खोजने हेतु आवश्यक सूक्ष्म कंट्रास्ट को खोना नहीं चाहिए—यह एक तूफान में फुसफुसाहट को पकड़ने जैसा है।

यहीं पर ELT-PCS उपकरण की कहानी आती है। प्लानिटरी कैमरा एंड स्पेक्ट्रोग्राफ (ELT-PCS), 39-मीटर की एक्स्ट्रीमली लार्ज टेलिस्कोप (ELT) के लिए नियोजित एक भविष्य का सुपर-कैमरा है। इसका मिशन पास के तारों के चारों ओर चट्टानी दुनिया (rocky worlds) को खोजना है। इसे करने के लिए, इसे कुछ निश्चित दूरियों पर 10⁻⁹ का कंट्रास्ट (तारे से एक अरब गुना धुंधला कुछ देखना) प्राप्त करने की आवश्यकता है। मुख्य सवाल जिसका वैज्ञानिकों ने सामना किया वह यह था: इस कैमरे को खिलाने के लिए सबसे अच्छा "लेंस" क्या है? उनके पास दो मुख्य दावेदार थे: इमेज स्लाइसर (जो छवि को पट्टियों में काटता है और उन्हें एक पहेली की तरह पुनर्व्यवस्थित करता है) और लेंसलेट एरे (जो छवि को कई छोटे बिंदुओं में तोड़ने के लिए सूक्ष्म लेंसों के ग्रिड का उपयोग करता है)। गलत चुनाव करने का अर्थ हो सकता है एक नई दुनिया को खोजने और केवल स्टैटिक नॉइज़ (static noise) देखने के बीच का अंतर।

शोधकर्ताओं ने इस बहस को सुलझाने के लिए एक चतुर, मॉड्यूलर प्रयोगशाला टेस्ट बेंच बनाई। इसे प्रकाश के लिए एक "विंड टनल" की तरह समझें। वास्तविक टेलीस्कोप की प्रतीक्षा करने के बजाय, उन्होंने अपने ऑप्टिकल बेंच पर एक सिमुलेशन बनाया। उन्होंने एक विशेष उपकरण जिसे स्पेशियल लाइट मॉड्यूलेटर (SLM) कहा जाता है, का उपयोग किया ताकि अव्यवढ़, डगमगाते वायुमंडल की नकल की जा सके, और एक ल्योट कोरोनोग्राफ (Lyot coronagraph) का उपयोग किया जो "तारे" के प्रकाश को रोकता है, और फिर अपनी दो प्रतिस्पर्धी कैमरा तकनीकों में एक पूर्ण, डिफ्रैक्शन-लिमिटेड छवि फीड की। इसके बाद उन्होंने अपने तारे के बगल में एक धुंधले "ग्रह" को देखने में प्रत्येक प्रणाली कितनी सक्षम थी, इसका मापन किया।

उन्होंने क्या पाया, यहाँ दिया गया है। कच्चे डेटा में, बिना किसी फैंसी कंप्यूटर ट्रिक के, लेंसलेट एरे तारे से बहुत कम दूरी पर (तारे के डिफ्रैक्शन पैटर्न की चौड़ाई के 6 गुना से कम या 6λ/D) चैंपियन था। इसने इस विशिष्ट क्षेत्र में इमेज स्लाइसर की तुलना में अंधेरे में अधिक गहराई तक खुदाई की। हालाँकि, इमेज स्लाइसर के पास एक गुप्त हथियार था: इसे "स्पेक्ट्रल डीकनवोल्यूशन" (spectral deconvolution) नामक तकनीक के साथ जोड़ा जा सकता था। यह एक पोस्ट-प्रोसेसिंग जादू की तरह है जहाँ कंप्यूटर इस तथ्य का उपयोग करता है कि ग्रह का प्रकाश रंगों के माध्यम से तारे के शोर की तुलना में थोड़ा अलग तरीके से शिफ्ट होता है। जब उन्होंने इस ट्रिक को लागू किया, तो इमेज स्लाइसर बहुत आगे निकल गया। इसने, विशेष रूप से छोटी दूरियों पर, एक बड़ी बढ़त हासिल की। 4λ/D की दूरी पर, स्पेक्ट्रल डीकनवोल्यूशन के साथ इमेज स्लाइसर, लेंसलेट एरे की तुलना में ग्रह को खोजने में 3.4 गुना बेहतर था। वास्तव में, इस प्रोसेसिंग के साथ, इमेज स्लाइसर का प्रदर्शन इतना अच्छा हो गया कि इसने "नॉइज़ फ्लोर" (noise floor) को छू लिया—वह बिंदु जहाँ केवल कैमरा के इलेक्ट्रॉनिक शोर के कारण ही इससे भी धुंधली वस्तुओं को देखने में बाधा आती है।

लेख सावधानीपूर्वक यह नोट करता है कि ये एक प्रयोगशाला प्रयोग के प्रारंभिक परिणाम हैं। लेंसलेट एरे के परीक्षण पूर्ण कोरोनोग्राफ और वायुमंडलीय सिमुलेशन के बिना किए गए थे जो इमेज स्लाइसर के पास था, इसलिए समान चरम स्थितियों के तहत एक पूरी तरह से निष्पक्ष, आमने-सामने की दौड़ अभी भी बाकी है। लेखक सुझाव देते हैं कि जबकि लेंसलेट एरे व्यापक दृश्यों के लिए अच्छा है, इमेज स्लाइसर, स्मार्ट कंप्यूटर प्रोसेसिंग के साथ मिलकर, ELT-PCS के सबसे कठिन कार्य के लिए बेहतर विकल्प हो सकता है: अपने चकाचौंध भरे तारों के ठीक बगल में स्थित नन्हे, चट्टानी ग्रहों को पहचानना। टीम इन निष्कर्षों की पुष्टि करने के लिए इस टेस्ट बेंच को यूरोपीय दक्षिण वेधशाला (European Southern Observatory) ले जाने की योजना बना रही है ताकि इसे एक वास्तविक, दो-चरणीय एडेप्टिव ऑप्टिक्स सिस्टम के पीछे चलाया जा सके।