GRAVITY+: reducing non-common-path aberrations for sub-10 {\mu}as astrometric accuracy

ब्रह्मांड की कल्पना एक विशाल, अंधेरे महासागर के रूप में करें, और तारों को छोटे, दूर स्थित प्रकाश स्तंभों (lighthouses) के रूप में। सदियों से, खगोलविदों ने इन प्रकाश स्तंभों के बीच की सटीक दूरी मापने की कोशिश की है ताकि यह समझ सकें कि वे एक-दूसरे के चारों ओर कैसे नृत्य करते हैं। लेकिन पृथ्वी से उन्हें देखना एक लहरदार, गंदी खिड़की के माध्यम से समाचार पत्र पढ़ने जैसा है; हमारे ऊपर की हवा थरथराती है, और हमारे टेलीस्कोपों में सूक्ष्म खामियां होती हैं जो दृश्य को धुंधला कर देती हैं। इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिकों ने एक सुपर-पावर्ड "आँख" बनाई जिसे इंटरफेरोमीटर (interferometer) कहा जाता है। एक विशाल दर्पण होने के बजाय, यह कई टेलीस्कोपों को एक साथ जोड़ता है, जो एक एकल, विशाल लेंस के रूप में कार्य करता है ताकि उन विवरणों को देखा जा सके जो अविश्वसनीय रूप से छोटे हैं—इतने छोटे कि हम उन्हें माइक्रोआर्कसेकंड (microarcseconds) में मापते हैं (एक किलोमीटर की दूरी से देखे जाने वाले मानव बाल की चौड़ाई का एक छोटा सा अंश)। यह GRAVITY उपकरण का क्षेत्र है, जो एक उच्च-तकनीकी मशीन है जिसने पहले से ही हमारी आकाशगंगा के केंद्र में स्थित ब्लैक होल का वजन करने में मदद की है। लेकिन सबसे तेज आँखों का भी एक अंधा कोना होता है: प्रकाश के पथ में सूक्ष्म, अदृश्य लहरें जिन्हें मशीन खुद नहीं देख पाती या ठीक नहीं कर पाती।

यह शोध पत्र उन अदृश्य लहरों को खोजने और उन्हें ठीक करने की एक जासूसी कहानी है। GRAVITY उपकरण के पीछे की टीम ने महसूस किया कि हालांकि उनकी मशीन अद्भुत थी, लेकिन वह अभी पूरी तरह से सटीक नहीं थी। उन्हें संदेह था कि प्रकाश की यात्रा में सूक्ष्म, उच्च-क्रम के विरूपण (high-order distortions)—विशेष रूप से मशीन के एक हिस्से में जिसे "फाइबर कपलर" (fiber coupler) कहा जाता है—उनके मापन में बाधा डाल रहे हैं। फाइबर कपलर को मशीन के आंतरिक प्लंबिंग (नलसाजी) के रूप में समझें, जो प्रकाश को टेलीस्कोप से सेंसर तक निर्देशित करता है। वैज्ञानिक जानना चाहते थे: क्या प्लंबिंग स्वयं थोड़ी मुड़ी हुई या ऊबड़-खाबड़ है, जिससे प्रकाश गलत समय पर पहुँच रहा है? उन्होंने इन सूक्ष्म त्रुटियों को मापने, यह पता लगाने के लिए कि वे कहाँ से आती हैं, और एक नया, अधिक सुचारू प्लंबिंग सिस्टम डिजाइन करने के लिए प्रयास किया ताकि उपकरण को और भी अधिक सटीक बनाया जा सके।

जासूसी कार्य: मशीन में "भूत" की खोज

क्वेंटिन फोरनियर और GRAVITY+ सहयोग के नेतृत्व में शोधकर्ताओं ने अपने लैब में मशीन से निकलने वाले प्रकाश को देखकर शुरुआत की। उन्होंने फेज़-शिफ्टिंग इंटरफेरोमेट्री (phase-shifting interferometry) नामक एक विशेष तकनीक का उपयोग किया, जो एक धुंधली खिड़की के माध्यम से लेजर चमकाने जैसा है ताकि यह देखा जा सके कि धुंध बीम को कैसे विकृत करती है। उन्होंने पाया कि प्रकाश पूरी तरह से चिकना नहीं था; इसमें "हाई-ऑर्डर वेवफ्रंट एरर्स" (high-order wavefront errors) थे जिनकी खुरदरापन एक मोड में लगभग 75 नैनोमीटर और दूसरे मोड में 50 नैनोमीटर था। इसे समझने के लिए, एक नैनोमीटर एक मीटर का अरबवां हिस्सा है—इसलिए ये त्रुटियाँ अविश्वसनीय रूप से छोटी हैं, लेकिन एक ऐसे उपकरण के लिए जो अत्यधिक सटीकता के साथ ब्रह्मांड को मापने की कोशिश कर रहा है, वे बहुत बड़ी हैं।

यह पता लगाने के लिए कि क्या ये त्रुटियाँ पूरे टेलीस्कोप सिस्टम से आती हैं या केवल फाइबर कपलर से, उन्होंने लैब में फाइबर कपलर का 1:1 प्रतिरूप (replica) बनाया। यह एक कार इंजन के पूर्ण मॉडल को बनाने जैसा था ताकि यह परीक्षण किया जा सके कि क्या इंजन ही समस्या है, बिना बाकी कार की बाधा के। जब उन्होंने इस प्रतिरूप का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि विकृति पैदा करने वाले दो मुख्य अपराधी थे, और अपराधी बदल जाता था कि मशीन सितारों को कैसे देख रही थी।

दो खलनायक: ऊबड़-खाबड़ दर्पण और चमकदार भूत

पहला खलनायक तब दिखाई दिया जब मशीन एक साथ दो अलग-अलग तारों को देख रही थी (जिसे "ऑफ-एक्सिस" मोड कहा जाता है)। वैज्ञानिकों ने पाया कि फाइबर कपलर के भीतर के दर्पणों, विशेष रूप से ऑफ-एक्सिस पैराबोला (OAPs) में, उनकी निर्माण प्रक्रिया से बचे हुए सूक्ष्म, दोहराव वाले निशान थे। इन्हें "डायमंड-टर्निंग सिग्नेचर" (diamond-turning signatures) कहा जाता है। एक ऐसे दर्पण की कल्पना करें जो नग्न आंखों से चिकना दिखता है, लेकिन सूक्ष्मदर्शी के नीचे, इसमें विनाइल रिकॉर्ड की खांचों की तरह सूक्ष्म, लयबद्ध उभारों का एक पैटर्न है। ये उभार प्रकाश को डगमगा रहे थे, जिससे ऑफ-एक्सिस मोड में लगभग 37 नैनोमीटर की त्रुटि उत्पन्न हो रही थी।

दूसरा खलनायक तब सामने आया जब मशीन एक ही चमकीले तारे को देख रही थी ("ऑन-एक्सिस" मोड)। यहाँ, समस्या दर्पणों के उभार नहीं थी, बल्कि "ऑप्टिकल फ्रिंजिंग" (optical fringing) नामक कुछ था। यह तब होता है जब प्रकाश दो कांच की सतहों के बीच आगे-पीछे उछलता है, जैसे एक संकीले गलियारे में गूँजती हुई फुसफुसाहट, जिससे चमकीली और अंधेरी धारियों का एक पैटर्न बनता है। वैज्ञानिकों ने पाया कि मशीन के अंदर एक प्रिज्म पर विशेष कोटिंग एक छोटे प्रतिध्वनि कक्ष (echo chamber) की तरह काम कर रही थी, जिससे लगभग 90 नैनोमीटर की भारी त्रुटि उत्पन्न हो रही थी। यह ऑन-एक्सिस मोड के लिए प्रमुख समस्या थी।

वास्तविक आकाश पर सिद्धांत का परीक्षण

यह साबित करने के लिए कि उनके लैब निष्कर्ष वास्तव में उनके वास्तविक अवलोकनों को प्रभावित कर रहे थे, टीम ने GJ65 नामक एक प्रसिद्ध द्वि-तारा प्रणाली (double-star system) की ओर अपना ध्यान केंद्रित किया। वे जानते थे कि इन दो तारों के बीच की दूरी कितनी होनी चाहिए। इसके बाद, उन्होंने वास्तविक टेलीस्कोप का उपयोग करके दोनों "ऑफ-एक्सिस" और "ऑन-एक्सिस" मोड में तारों को देखा।

परिणाम एक सटीक मिलान थे। जब उन्होंने ऑन-एक्सिस मोड से प्राप्त डेटा को देखा, तो उन्होंने मापों में एक लयबद्ध, लहरदार पैटर्न देखा जो लैब में पाए गए "गूँज" (echo) प्रभाव से मेल खाता था। यह किसी रिकॉर्डिंग के बैकग्राउंड में बज रहे एक विशिष्ट गाने को सुनने और यह महसूस करने जैसा था कि, "आह, यह हॉलवे की गूँज है!" उन्होंने पाया कि इस लहरदार पैटर्न के कारण ऑप्टिकल पाथ में माप लगभग 300 नैनोमीटर तक गलत हो रहे थे। ऑफ-एक्सिस मोड में, लहरें बहुत छोटी थीं, लेकिन "बंपी मिरर" के निशान अभी भी मौजूद थे, जिससे एक छोटा लेकिन ध्यान देने योग्य त्रुटि हो रही थी।

टीम ने यह भी देखा कि ये त्रुटियाँ जटिल थीं। यदि आप लंबे समय तक तारों को देखते हैं, तो पृथ्वी का घूर्णन टेलीस्कोप को घुमाता है, और त्रुटियाँ औसत रूप से समाप्त हो सकती हैं। लेकिन यदि आपको एक त्वरित स्नैपशॉट (कुछ ही मिनटों का) लेना है, तो ये त्रुटियाँ बनी रहती हैं और मापन को बिगाड़ देती हैं। यह एक्सोप्लैनेट्स (exoplanets) जैसी चीजों के अध्ययन के लिए एक बड़ी बात है, जहाँ अक्सर आपको त्वरित, सटीक माप की आवश्यकता होती है।

समाधान: चिकने दर्पण और बेहतर तकनीकें

तो, हम एक ऐसी मशीन को कैसे ठीक करें जो पहले से ही दुनिया की सबसे अच्छी मशीनों में से एक है? टीम के पास दो-भागों वाली योजना है। पहला, वे "प्यूपिल मॉड्यूलेशन" (pupil modulation) नामक एक चतुर तकनीक का उपयोग कर रहे हैं। कल्पना करें कि आप फोटो लेते समय उस खिड़की को घुमा रहे हैं जिससे आप देख रहे हैं; धुंधले धब्बे इधर-उधर घूमते हैं और एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं। वे पहले से ही कुछ अवलोकनों के लिए ऐसा कर रहे हैं, और यह "गूँज" (echo) त्रुटियों को सुचारू बनाने में मदद करता है।

दूसरा, और अधिक महत्वपूर्ण, वे फाइबर कपलेर के लिए एक बिल्कुल नया सेट दर्पण बना रहे हैं। वे एक विशेष पॉलिशिंग विधि का उपयोग करके नए ऑफ-एक्सिस पैराबोला का निर्माण करने के लिए TNO नामक कंपनी के साथ काम कर रहे हैं। उन्होंने एक प्रोटोटाइप दर्पण का परीक्षण किया, और परिणाम आश्चर्यजनक थे: नया दर्पण पुराने दर्पणों की तुलना में दस गुना अधिक चिकना था, जिसमें सतह की त्रुटियाँ 84 नैनोमीटर से घटकर केवल 8 नैनोमीटर रह गईं। यह एक ऊबड़-खाबड़, पुराने सड़क को एक पूरी तरह से पक्की हाईवे से बदलने जैसा है।

ये नए दर्पण 2027 के अंत तक "GRAVITY+" अपग्रेड के हिस्से के रूप में स्थापित किए जाने निर्धारित हैं। एक बार जब यह हो जाएगा, तो वैज्ञानिक उम्मीद करते हैं कि वे अपने मापन की सटीकता को 10 माइक्रोआर्कसेकंड से कम तक ले जा सकेंगे। यह पृथ्वी से चंद्रमा पर एक सिक्के को देखने, या 10 किलोमीटर की दूरी से एक अकेले मानव बाल को देखने जैसा है। प्रकाश में इन सूक्ष्म, अदृश्य लहरों को ठीक करके, GRAVITY+ टीम ब्लैक होल के स्पिन से लेकर अन्य सितारों के चारों ओर ग्रहों की कक्षाओं तक, ब्रह्मांड के और भी गहरे रहस्यों को खोलने के लिए तैयार हो रही है।