A NICE (Nulling Interferometry Cryogenic Experiment) update: Beyond 1e-5 and towards cryogenic operation

एक दुनिया जो हमारे जैसी हो, उसे खोजने के लिए खगोलविदों को एक दूर स्थित तारे की चकाचौंध भरी चमक में छिपी एक मंद रोशनी की तलाश करनी होगी। एक्सोप्लैनेट (बाहरी ग्रहों) की खोज करने की यह मौलिक चुनौती है: तारा उस ग्रह की तुलना में लाखों गुना अधिक चमकीला होता है जिसका वह मेजबान है, जिससे ग्रह को सीधे देखना लगभग असंभव हो जाता है। इस समस्या को हल करने का सबसे आशाजनक तरीका 'नलिंग इंटरफेरोमेट्री' (nulling interferometry) नामक एक तकनीक है। कल्पना कीजिए कि दो दूरबीनें एक ही उपकरण के रूप में मिलकर काम कर रही हैं, जो एक तारे से आने वाले प्रकाश को एकत्र करती हैं और उसे इस तरह से मिलाती हैं कि तारे की प्रकाश तरंगें एक-दूसरे को रद्द कर दें, जैसे तालाब में दो लहरें आपस में मिलकर पानी को शांत कर देती हैं। यदि यह रद्दीकरण (cancellation) पूर्ण हो जाए, तो तारा गायब हो जाता है, जिससे केवल परिक्रमा कर रहे ग्रहों का मंद प्रकाश ही दिखाई देता है। हालाँकि, इस पूर्ण रद्दीकरण को प्राप्त करने के लिए अत्यधिक सटीकता की आवश्यकता होती है, विशेष रूप से स्पेक्ट्रम के मिड-इन्फ्रारेड भाग में देखते समय, जहाँ ग्रहों की अपनी ऊष्मा सबसे अधिक चमकती है। आवश्यक संवेदनशीलता तक पहुँचने के लिए, पूरे उपकरण को परम शून्य (absolute zero) के करीब के तापमान तक ठंडा किया जाना चाहिए, जो एक ऐसी स्थिति है जहाँ सामग्रियां सिकुड़ती और बदलती हैं, जिससे नई भौतिक चुनौतियाँ उत्पन्न होती हैं।

ज्यूरिख में स्विस फेडरल इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी में, शोधकर्ताओं की एक टीम 'नलिंग इंटरफेरोमेट्री क्रायोजेनिक एक्सपेरिमेंट' (NICE) नामक एक प्रयोगशाला टेस्टबेड बना रही है, ताकि यह सिद्ध किया जा सके कि यह कठिन तकनीक काम कर सकती है। उनका लक्ष्य 'लाइफ' (LIFE) मिशन के लिए तैयारी करना है, जो एक भविष्य का अंतरिक्ष वेधशाला है जिसे रहने योग्य दुनिया की खोज करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। अपनी नवीनतम रिपोर्ट में, टीम ने बताया है कि उन्होंने प्रकाश के एक एकल रंग और एक एकल ध्रुवीकरण अवस्था (polarization state) के लिए तारे के प्रकाश को एक लाख में से एक भाग के स्तर तक रद्द करने की क्षमता का सफलतापूर्वक प्रदर्शन किया है। यह मिशन के लिए एक महत्वपूर्ण दहलीज है, फिर भी यह अंतिम अंतरिक्ष उपकरण के लिए आवश्यक पूर्ण ब्रॉडबैंड और ध्रुवीकरण-अज्ञेय (polarization-agnostic) आवश्यकताओं से कम है। उन्होंने इसे एक ऐसे सेटअप का उपयोग करके हासिल किया जो अंतिम अंतरिक्ष उपकरण की नकल करता है, लेकिन उन्होंने पहले कमरे के तापमान पर ऐसा किया ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि मूल अवधारणा काम करती है, इससे पहले कि वे पूरे सिस्टम को पंद्रह केल्विन (लगभग माइनस 258 डिग्री सेल्सियस) तक ठंडा करने के बहुत कठिन कार्य को करने का प्रयास करें। शोधकर्ताओं ने पाया कि जबकि वे प्रकाश के एक एकल रंग के लिए आवश्यक अंधकार तक पहुँच सकते थे, प्रकाश के रंगों की एक विस्तृत श्रृंखला और विभिन्न ध्रुवीकरणों में इस प्रदर्शन को फैलाना कई जिद्दी बाधाओं को प्रकट करता है जिन्हें अंतरिक्ष मिशन के उड़ने से पहले हल किया जाना चाहिए।

यह प्रयोग एक टू-बीम इंटरफेरोमीटर (two-beam interferometer) पर आधारित है, जो एक ऐसा उपकरण है जो लेजर बीम को दो पथों में विभाजित करता है और फिर उन्हें पुन: संयोजित करता है। NICE सेटअप में, प्रकाश दर्पणों और लेंसों की एक श्रृंखला के माध्यम से यात्रा करता है, जिसे एक परिष्कृत नियंत्रण प्रणाली द्वारा निर्देशित किया जाता है जो लगातार बीम की स्थिति को मापती है और उन्हें पूरी तरह से संरेखित रखने के लिए सूक्ष्म समायोजन करती है। शोधकर्ताओं ने प्रकाश को फिल्टर करने के लिए एक विशेष प्रकार के फाइबर ऑप्टिक केबल का उपयोग किया, जिससे केवल सबसे स्वच्छ, सबसे समान तरंगें ही डिटेक्टर तक पहुँच सकें। यह फ़िल्टरिंग आवश्यक है क्योंकि यह प्रकाश तरंग में किसी भी अव्यवस्थित विकृति को हटा देती है जो तारे के प्रकाश को पूरी तरह से रद्द करने से रोक सकती है। अपने प्रारंभिक परीक्षणों में, टीम ने कमरे के तापमान पर एक "नल" (null), या अंधेरे का एक बिंदु बनाने में सफलता पाई, जो LIFE मिशन की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए पर्याप्त गहरा था, लेकिन केवल प्रकाश के एक एकल, संकीकर रंग के लिए। उन्होंने यह भी दिखाया कि सिस्टम इस अंधेरे को थोड़े समय के लिए बनाए रख सकता है, जिससे यह सिद्ध होता है कि अवधारणा व्यवहार्य है।

हालाँकि, एक कामकाजी अंतरिक्ष टेलीस्कोप का मार्ग उन जटिलताओं से भरा है जो केवल तभी सामने आती हैं जब सिस्टम को उसकी सीमाओं तक धकेला जाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि उनके वर्तमान फाइबर ऑप्टिक केबल अवांछित प्रकाश पैटर्न को रोकने में पूर्ण नहीं थे। भले ही प्रकाश की मुख्य बीम स्पष्ट रूप से गुजर गई, लेकिन कुछ छिटका हुआ प्रकाश केबल की बाहरी परतों से रिस गया, जिससे एक मंद पृष्ठभूमि चमक पैदा हुई जिसने तारे के प्रकाश को पूरी तरह से रद्द होने से रोक दिया। यह रिसाव इतना सूक्ष्म था कि यह केवल तभी दिखाई दिया जब उन्होंने अंधेरे के सबसे गहरे स्तर तक पहुँचने का प्रयास किया। टीम ने इस रिसाव को रोकने के लिए कई अलग-अलग प्रकार की फाइबर सामग्रियों और कोटिंग्स का परीक्षण किया, जिसमें विदेशी कांच और विशेष तरल धातु कोटिंग शामिल थी, लेकिन इनमें से कोई भी प्रयास समस्या को पूरी तरह से हल नहीं कर सका। उन्होंने पाया कि हालांकि उपकरणों के संरेखण में सुधार करने से फाइबर में प्रवेश करने वाले छिटके हुए प्रकाश की मात्रा को कम किया जा सकता है, लेकिन यह दृष्टिकोण मोड लीकेज (mode leakage) की अंतर्नि는 समस्या को ठीक नहीं करता है और वास्तव में सिस्टम के लिए अनुमत सहनशीलता को कम कर देता है।

एक अन्य प्रमुख बाधा प्रकाश का रंग स्वयं है। LIFE मिशन को जीवन के रासायनिक संकेतों का पता लगाने के लिए चार से अठारह माइक्रोमीटर के इन्फ्रारेड रंगों की एक विस्तृत श्रृंखला को देखने की आवश्यकता है। NICE टीम ने पाया कि जबकि वे प्रकाश के एक विशिष्ट रंग को रद्द कर सकते थे, एक विस्तृत स्पेक्ट्रम में रद्दीकरण को पूर्ण बनाए रखना अविश्वसनीय रूप से कठिन है। ऐसा इसलिए है क्योंकि प्रकाश के विभिन्न रंग कांच और अन्य सामग्रियों के माध्यम से थोड़ा अलग वेग से चलते हैं, जिससे वे एक-दूसरे के साथ तालमेल से बाहर हो जाते हैं। शोधकर्ताओं ने यह अनुमान लगाने के लिए एक मॉडल बनाया कि यह कितनी त्रुटि पैदा करेगा और पाया कि कांच के घटकों के लिए निर्माण सहनशीलता (manufacturing tolerances) अविश्वसनीय रूप से सख्त होनी चाहिए, जिसमें त्रुटियां एक मानव बाल की चौड़ाई से भी छोटी हों। वे वर्तमान में एक यांत्रिक उपकरण विकसित कर रहे हैं जो इस समय संबंधी त्रुटि को ठीक करने के लिए कांच के एक टुकड़े को बहुत कम मात्रा में आगे-पीछे हिला सकता है, लेकिन वे अभी तक रंगों के एक विस्तृत बैंड में गहरा नल प्राप्त नहीं कर पाए हैं।

टीम ने यह भी जांचा कि प्रकाश का ध्रुवीकरण (polarization), जो प्रकाश तरंगों के कंपन की दिशा का वर्णन करता है, रद्दीकरण को कैसे प्रभावित करता है। चूंकि तारे और ग्रह सभी दिशाओं में कंपन करने वाले प्रकाश उत्सर्जित करते हैं, इसलिए उपकरण को दोनों प्रकार के कंपन को समान रूप से रद्द करने में सक्षम होना चाहिए। शोधकर्ताओं ने दो बीम के ध्रुवीकरण को मापा और पाया कि दर्पणों के कोण में छोटे अंतर के कारण प्रकाश प्रत्येक पथ में थोड़ा अलग तरह से कंपन करता है। यह अंतर, हालांकि छोटा है, रद्दीकरण की गुणवत्ता को कम करने के लिए पर्याप्त था। उन्होंने विलंब रेखा (delay line) प्रणाली में एक विशिष्ट दर्पण को मुख्य अपराधी के रूप में पहचाना और उसके संरेखण को सुधारा, जिससे परिणामों में सुधार हुआ। हालाँकि, उन्हें अभी भी यह निर्धारित करने की आवश्यकता है कि क्या शेष अंतर मिशन की सख्त आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए पर्याप्त छोटे हैं या उन्हें ध्रुवीकरण को सक्रिय रूप से ठीक करने के लिए एक नया तंत्र बनाने की आवश्यकता होगी।

आगे देखते हुए, शोधकर्ता अपने प्रयोग को कमरे के तापमान से क्रायोजेनिक वातावरण में ले जाने की तैयारी कर रहे हैं। उन्होंने एक छोटा, मॉड्यूलर फ्रीजर बनाया है जिसे "आइस क्यूब" (Ice Cube) कहा जाता है, ताकि यह परीक्षण किया जा सके कि उनके उपकरण के सामग्रियां और यांत्रिक भाग पंद्रह केल्विन तक ठंडा होने पर कैसा व्यवहार करते हैं। यह चरण महत्वपूर्ण है क्योंकि अत्यधिक ठंड के कारण सामग्रियां सिकुड़ जाती हैं, जो दर्पणों के नाजुक संरेखण को बिगाड़ सकती है। टीम इस फ्रीजर का उपयोग ऑप्टिक्स को माउंट करने के विभिन्न तरीकों का परीक्षण करने और यह सत्यापित करने के लिए करने की योजना बना रही है कि क्या उनके नियंत्रण तंत्र ठंडे वातावरण में भी कार्य कर सकते हैं। एक बार जब वे पुष्टि कर लेंगे कि घटक ठंड में जीवित रह सकते हैं, तो वे एक बहुत बड़े फ्रीजर को डिजाइन करना शुरू करेंगे जो पूरे उपकरण को रखेगा। अंतिम लक्ष्य इन निम्न तापमानों पर एक गहरा, स्थिर नल प्रदर्शित करना है, जिससे यह सिद्ध हो सके कि तकनीक अंतरिक्ष के वातावरण के लिए तैयार है।

NICE प्रयोग का रोडमैप स्पष्ट है, हालांकि आगे का कार्य काफी बड़ा है। टीम पहले ही सिद्ध कर चुकी है कि मूल विचार काम करता है और उन्होंने उन विशिष्ट तकनीकी बाधाओं की पहचान कर ली है जो एक पूर्ण पैमाने के अंतरिक्ष मिशन के रास्ते में खड़ी हैं। वे अब स्ट्रै लाइट (stray light), व्यापक रंग श्रेणियों और ध्रुवीकरण की समस्याओं को हल करने पर ध्यान केंद्रित कर रहे हैं, और साथ ही अपने सिस्टम को अंतरिक्ष की अत्यधिक ठंड के लिए तैयार कर रहे हैं। यदि वे सफल होते हैं, तो उन्होंने LIFE मिशन को लॉन्च करने के लिए आवश्यक आवश्यक प्रमाण प्रदान किया होगा, जो एक ऐसा प्रोजेक्ट है जो अंततः उन ग्रहों के रहस्य खोल सकता है जिनमें जीवन हो सकता है। प्रयोगशाला के बेंच से अंतरिक्ष टेलीस्कोप तक की यात्रा लंबी और चुनौतियों से भरी है, लेकिन NICE टीम ने दिखाया है कि आगे का रास्ता संभव है, एक समय में एक सटीक समायोजन के साथ।