Cryogenic characterisation for the Nulling Interferometry Cryogenic Experiment (NICE)
यह शोध पत्र "आइस क्यूब" (Ice Cube) क्रायोस्टेट और उससे जुड़े परीक्षण अभियान का वर्णन करता है जिसे परिवेशी (300 K) से क्रायोजेनिक (15 K) स्थितियों में डीप नलिंग इंटरफेरोमेट्री मापों को स्थानांतरित करके LIFE मिशन के लिए NICE बीम कंबाइनर के प्रदर्शन को मान्य करने के लिए डिज़ाइन किया गया है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
अंतरिक्ष की ठंडी खामोशी में, पृथ्वी की गर्माहट की पहुंच से बहुत दूर, खगोलविद् एक ऐसा दूरबीन बनाने की उम्मीद कर रहे हैं जो हमारे जैसे संसारों की हल्की चमक को देखने में सक्षम हो। इन दूरस्थ ग्रहों को खोजने के लिए, जो "रहने योग्य क्षेत्र" (हैबिटेबल ज़ोन) में तारों की परिक्रमा करते हैं जहाँ तरल पानी मौजूद हो सकता है, वैज्ञानिकों को जनक तारे की चकाचौंध भरी रोशनी को रोकना होगा। वे इसे 'नलिंग इंटरफेरोमेट्री' नामक एक तकनीक का उपयोग करके करने की योजना बना रहे हैं, जो कई दूरबीनों से आने वाले प्रकाश को इस तरह से जोड़ती है कि चमकीला तारों का प्रकाश स्वयं को रद्द कर देता है, जिससे केवल एक ग्रह का धुंधला संकेत ही दिखाई देता है। हालाँकि, इस नाजुक रद्दीकरण को काम करने के लिए, उपकरणों को अविश्वसनीय रूप से ठंडा रखना आवश्यक है। यदि उपकरण गर्म है, तो वह अपनी स्वयं की इन्फ्रारेड गर्मी से चमकता है, जो ग्रह के सूक्ष्म संकेत को दबा देता है। चुनौती एक ऐसी मशीन बनाने की है जो अंतरिक्ष के जमा देने वाले तापमान में जीवित रह सके और साथ ही अपने दर्पणों और माउंट को एक एकल परमाणु के पैमाने तक पूरी तरह से स्थिर रख सके।
ETH ज्यूरिख और फ्रांसीसी एयरोस्पेस लैब के शोधकर्ताओं की एक टीम ने "आइस क्यूब" (Ice Cube) नामक एक नए प्रयोगात्मक सेटअप के साथ इस समस्या को हल करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। यह उपकरण एक छोटा, विशिष्ट रेफ्रिजरेटर है जिसे यह परीक्षण करने के लिए डिज़ाइन किया गया है कि अत्यधिक कम तापमान पर ऑप्टिकल घटक कैसे व्यवहार करते हैं। इसका अंतिम लक्ष्य LIFE मिशन की तैयारी करना है, जो एक भविष्य का अंतरिक्ष वेधशाला है जो पृथ्वी जैसे एक्सोप्लैनेट्स (बाहरी ग्रहों) की खोज करेगी। जबकि पिछले परीक्षण कमरे के तापमान पर किए गए थे, इस नए मिशन के लिए उपकरणों को 15 केल्विन जैसे तापमान पर संचालित करने की आवश्यकता है, जो परम शून्य (एब्सोल्यूट जीरो) से केवल 15 डिग्री ऊपर है। शोधकर्ताओं को एक ऐसे तरीके की आवश्यकता थी जिससे टेलीस्कोप के छोटे हिस्सों को तेजी से ठंडा किया जा सके और परीक्षण किया जा सके ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि अत्यधिक ठंडी स्थितियों के संपर्क में आने पर वे मुड़ें या विस्थापित न हों।
"आइस क्यूब" एक कॉम्पैक्ट, मॉड्यूलर वैक्यूम चैंबर है जिसमें एक 'पल्स ट्यूब कूलर' लगा है, जो एक ऐसी मशीन है जो हिलने-डुलने वाले पुर्जों के कंपन के बिना आंतरिक भाग को ठंडा करने के लिए ठंडी गैस का संचार करती है। इसकी डिजाइन चतुराई से इस तरह व्यवस्थित है कि कूलिंग मशीनरी बगल में स्थित है, जिससे चैंबर का ऊपरी और पार्श्व हिस्सा पूरी तरह से खुला रहता है। इससे वैज्ञानिक पूरे कूलिंग सिस्टम को विखंडित किए बिना विभिन्न दर्पणों और माउंट को आसानी से बदल सकते हैं। इसके अंदर, एक स्टेनलेस स्टील का पात्र दो परतों वाले थर्मल शील्डिंग को धारण करता है, जो बाहरी गर्मी को आंतरिक कोर तक पहुँचने से रोकने के लिए बाधा के रूप में कार्य करते हैं। आंतरिक शील्ड और वह ऑप्टिकल टेबल जहाँ दर्पण रखे जाते हैं, उसे लगभग 10 केल्विन तक ठंडा किया जाता है। टीम ने सपोर्ट को इस तरह इंजीनियर किया है कि ठंड में धातु के सिकुड़ने पर वे धीरे से लचीले हो सकें, जिससे यह सुनिश्चित हो सके कि दर्पण मुड़ने के बजाय सीधे और संरेखित रहें।
दर्पणों के ठंडा होने पर क्या होता है, यह देखने के लिए टीम ने लेजर और 'PISTIL' नामक एक तकनीक का उपयोग करके एक परिष्कृत मापन प्रणाली बनाई। यह विधि लेजर बीम को कई छोटे खंडों में विभाजित करती है और फिर उन्हें प्रकाश और अंधकार की धारियों के पैटर्न, जिसे 'फ्रिंज' (fringes) कहा जाता है, बनाने के लिए पुन: संयोजित करती है। यदि दर्पण थोड़ा भी खिसकता है, या यदि उसकी सतह झुकती है, तो इन धारियों का पैटर्न बदल जाता है। इन परिवर्तनों का विश्लेषण करके, शोधकर्ता दर्पण की स्थिति और कोण में सूक्ष्म हलचल को माप सकते हैं। उन्होंने कमरे के तापमान से 20 केल्विन तक ठंडा करते हुए एक मानक एल्युमीनियम दर्पण को एल्युमीनियम संरचना पर माउंट करके इस प्रणाली का परीक्षण किया। सेटअप को उन सूक्ष्म विकृतियों का पता लगाने के लिए डिज़ाइन किया गया था जो तारों के प्रकाश को रद्द करने की दूरबीन की क्षमता को बिगाड़ सकती हैं।
प्रारंभिक परीक्षणों से पता चला कि प्रणाली काम करती है, लेकिन इसने इतने संवेदनशील वातावरण में काम करने की कठिनाइयों को भी उजागर किया। जब दर्पण को ठंडा किया गया, तो मापन प्रणाली ने सफलतापूर्वक इसकी गति को ट्रैक किया, जिससे यह प्रदर्शित हुआ कि सेटअप दर्पण और उसके माउंट के बीच सापेक्ष गति को पकड़ सकता है। हालांकि, डेटा शोर युक्त (noisy) था, और कूलिंग प्रक्रिया मापन तकनीक के साथ पूरी तरह से तालमेल बिठाने के लिए बहुत धीमी थी। शोधकर्ताओं ने देखा कि ठंडा होने के दौरान दर्पण की स्थिति में भारी उतार-चढ़ाव हुआ और न्यूनतम तापमान तक पहुँचने के बाद वह स्थिर हो गई। ये उतार-चढ़ाव दर्पण के भौतिक रूप से आकार बदलने और प्रयोगशाला में कंपन या वायु धाराओं जैसे बाहरी व्यवधानों के मिश्रण के कारण थे। टीम ने यह भी नोट किया कि परीक्षण के लिए उपयोग किए गए दर्पण पूरी तरह से चिकने नहीं थे, जिससे स्पष्ट रीडिंग लेना कठिन हो गया।
इन शुरुआती बाधाओं के बावजूद, प्रयोग ने सिद्ध किया कि "आइस क्यूब" परीक्षण के लिए एक स्थिर, अत्यंत ठंडे वातावरण प्रदान कर सकता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि आंतरिक शील्ड और ऑप्टिकल टेबल अपने लक्ष्यों के करीब तापमान तक पहुँच गए, हालांकि वे अनुमान से थोड़े अधिक गर्म थे, जिसका कारण संभवतः अप्रत्याशित हीट लीक या कूलिंग पावर की सीमाएं थीं। अध्ययन ने अभी तक दर्पणों को माउंट करने के पूर्ण समाधान की पुष्टि नहीं की है, क्योंकि प्रारंभिक परीक्षणों ने दिखाया कि कुछ माउंटिंग शैलियाँ बहुत अधिक हलचल पैदा कर सकती हैं। इसके बजाय, यह कार्य एक महत्वपूर्ण 'प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट' के रूप में कार्य करता है। यह प्रदर्शित करता है कि टीम अब घटकों को आवश्यक जमा देने वाले तापमानों के माध्यम से तेजी से चक्रित (cycle) कर सकती है, जिससे वे डिजाइनों पर तेजी से काम कर सकें।
आगे देखते हुए, शोधकर्ता परीक्षण दर्पणों की गुणवत्ता में सुधार करके और वास्तविक समय में परिवर्तनों को पकड़ने के लिए डेटा संग्रह की गति बढ़ाकर प्रणाली को परिष्कृत करने की योजना बना रहे हैं। वे अधिक जटिल असेंबली का भी परीक्षण करने का इरादा रखते हैं, जैसे कि 'बीम कंबाइनर्स' जो अंततः कई दूरबीनों से प्रकाश को एक साथ लाएंगे। यह पहचानकर कि कौन सी सामग्रियां और माउंटिंग तकनीकें ठंड में सबसे अच्छा प्रदर्शन करती हैं, टीम का लक्ष्य पूर्ण-स्तरीय क्रायोजेनिक उपकरण के डिजाइन को अंतिम रूप देना है जिसकी आवश्यकता अंतरिक्ष मिशन के लिए होगी। यह कार्य दूरस्थ पृथ्वी जैसे संसारों को देखने के सपने को वास्तविकता में बदलने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है, यह सुनिश्चित करता है कि इस यात्रा के लिए बनाए गए उपकरण अंतरिक्ष की गहरी ठंड में त्रुटिहीन रूप से कार्य करेंगे।
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