LP-Infinity: overcoming limits to the number of lifetime positions in the COS FUV channel

ब्रह्मांड के इतिहास की गहराइयों में, दूर की आकाशगंगाओं से आने वाला प्रकाश अरबों वर्षों की यात्रा करके हम तक पहुँचता है, जो इस बात के रहस्य समेटे होता है कि तारे और ग्रह कैसे बने। इन रहस्यों को पढ़ने के लिए, खगोलशास्त्री ऐसे उपकरणों पर भरोसा करते हैं जो इस मंद प्रकाश को पकड़ सकें और इसे रंगों के इंद्रधनुष में विभाजित कर सकें, जिसे स्पेक्ट्रोस्कोपी (spectroscopy) कहा जाता है। इस काम के लिए सबसे शक्तिशाली उपकरणों में से एक 'कॉस्मिक ओरिजिन्स स्पेक्ट्रोग्राफ' (Cosmic Origins Spectrograph) है, जो हबल स्पेस टेलीस्कोप से जुड़ा एक उपकरण है। 2009 में इसकी स्थापना के बाद से, इसने ब्रह्मांड की हजारों छवियां कैद की हैं, विशेष रूप से प्रकाश के एक हिस्से को देखते हुए जिसे 'फार अल्ट्रावाइलेट' (Far Ultraviolet) कहा जाता है। यह अदृश्य प्रकाश गर्म, युवा तारों और उनके बीच की गैस का अध्ययन करने के लिए महत्वपूर्ण है, लेकिन यह टेलीस्कोप के सेंसरों के लिए स्पेक्ट्रम का सबसे ऊर्जावान और हानिकारक हिस्सा भी है।

कॉस्मिक ओरिजिन्स स्पेक्ट्रोग्राफ के भीतर का सेंसर एक अत्यंत संवेदनशील कैमरे की तरह काम करता है जो प्रकाश के व्यक्तिगत कणों को गिनता है। हालाँकि, समय के साथ, इन कणों की निरंतर बमबारी सेंसर की प्रतिक्रिया देने की क्षमता को कम कर देती है, ठीक वैसे ही जैसे एक टायर में धीरे-धीरे हवा का दबाव कम हो जाता है। जैसे-जैसे सेंसर कमजोर होता है, इसके द्वारा बनाई गई छवियां धुंधली हो जाती हैं या विवरण खो देती हैं। इसे ठीक करने के लिए, टेलीस्कोप टीम ने हर कुछ वर्षों में लक्ष्य (target) को सेंसर के एक नए, अप्रयुक्त स्थान पर स्थानांतरित करने की रणनीति विकसित की है। यह उपकरण को सटीक बनाए रखता है, लेकिन उपलब्ध स्थानों की संख्या टेलीस्कोप के भीतर चल रहे सॉफ्टवेयर द्वारा कड़ाई से सीमित थी। अब, उस सीमा को तोड़ने के लिए एक नया तरीका निकाला गया है, जिससे यह सुनिश्चित होगा कि टेलीस्कोप 2030 के दशक तक भी अपना काम जारी रख सके।

एक दशक से अधिक समय से, कॉस्मिक ओरिजिन्स स्पेक्ट्रोग्राफ हबल स्पेस टेलीस्कोप का कार्यवाहक रहा है, जो पराबैंगनी (ultraviolet) प्रकाश में ब्रह्मांड के विस्तृत दृश्य कैप्चर करता है। यह उपकरण एक विशेष डिटेक्टर का उपयोग करता है जो फोटॉन, या प्रकाश के कणों को, सेंसर से टकराने पर गिनता है। प्रत्येक बार जब एक फोटॉन आता है, तो डिटेक्टर रिकॉर्ड करता है कि वह कहाँ गिरा और सिग्नल कितना मजबूत था। वर्षों के निरंतर उपयोग के दौरान, सेंसर की संवेदनशीलता स्वाभाविक रूप से कम हो जाती है, जिसे 'गेन सैग' (gain sag) नामक घटना के रूप में जाना जाता है। जब सेंसर एक क्षेत्र में बहुत कमजोर हो जाता है, तो दूर की वस्तुओं के मंद संकेतों को बैकग्राउंड शोर (background noise) से अलग नहीं पहचाना जा पा सकता है, और डेटा खो जाता है। इसकी भरपाई के लिए, टेलीस्कोप टीम वेधशाला की दिशा को समायोजित करती है, यानी लक्ष्य के दृश्य को डिटेक्टर के एक अलग, अप्रयुक्त हिस्से में स्थानांतरित कर देती है। इन विशिष्ट स्थानों को 'लाइफटाइम पोजीशंस' (Lifetime Positions) कहा जाता है।

इस उपकरण की स्थापना के बाद से, टीम ने सफलतापूर्वक अवलोकन को सेंसर के नए स्थानों पर कई बार स्थानांतरित किया है। 2025 तक, उन्होंने आठ ऐसे स्थान निर्धारित किए थे, जिनमें से दो निकट भविष्य के लिए नियोजित थे। हालाँकि, टेलीस्कोप के ऑनबोर्ड सॉफ्टवेयर में एक कठोर सीमा मौजूद थी: यह केवल आठ स्थानों के निर्देश संग्रहीत कर सकता था। जैसे-जैसे सेंसर पुराना होता गया, टीम को एहसास हुआ कि उपकरण को अगले दशक तक सर्वोत्तम गुणवत्ता के साथ चलाने के लिए आठ स्थान पर्याप्त नहीं होंगे। सबसे स्पष्ट समाधान सॉफ्टवेयर को फिर से लिखना होता, लेकिन इसके लिए पृथ्वी की कक्षा में घूमते हुए टेलीस्कोप के कंप्यूटर सिस्टम में एक विशाल और जोखिम भरा बदलाव करना पड़ता। दूसरा विकल्प केवल पुराने स्थानों का पुन: उपयोग करना होता, लेकिन इससे डेटा प्रोसेसिंग जटिल हो जाती और अवलोकनों का टाइमलाइन भ्रमित हो जाता।

सॉफ्टवेयर की सीमा से लड़ने के बजाय, शोधकर्ताओं ने एक चतुर तरीका खोजा। उन्होंने एक नई रणनीति विकसित की, जिसे वे 'एलपी-इन्फिनिटी' (LP-Infinity) कहते हैं, जो टेलीस्कोप को बिना ऑनबोर्ड कंप्यूटर कोड बदले आवश्यकतानुसार कितने भी स्थान उपयोग करने की अनुमति देती है। यह विधि इस तरह काम करती है कि किसी भी अवलोकन से ठीक पहले अस्थायी रूप से निर्देशों को अपडेट किया जाता है। कल्पना कीजिए कि टेलीस्क्राफ्ट के कंप्यूटर के पास एक छोटी नोटबुक है जिसमें आठ पन्ने हैं, जिनमें से प्रत्येक एक विशिष्ट स्थान के लिए समर्पित है। अधिक पन्ने जोड़ने के बजाय, टीम अब प्रत्येक नए अवलोकन से ठीक पहले अंतिम पन्ने की सामग्री बदल देती है। वे नए स्थान के लिए पुराने निर्देशों को हटाकर नए निर्देश डाल देते हैं, चित्र लेते हैं, और फिर सिस्टम अगले अवलोकन के लिए तैयार हो जाता है। यह 'डायनेमिक पैचिंग' इतनी तेज़ी से होती है कि टेलीस्कोप ऐसा व्यवहार करता है जैसे उसके पास असीमित स्थानों की उपलब्धता हो।

इस दृष्टिकोण के लिए हबल स्पेस टेलीस्कोप में कोई भौतिक परिवर्तन करने की आवश्यकता नहीं थी, लेकिन इसने उन ग्राउंड-बेस्ड सिस्टम्स (जमीन पर स्थित प्रणालियों) के लिए एक महत्वपूर्ण अपडेट की मांग की जो उपग्रह को कमांड भेजते हैं। टीम को यह सुनिश्चित करना था कि नए निर्देश सही ढंग से भेजे जाएं और टेलीस्कोप का सॉफ्टवेयर बिना किसी त्रुटि के इन तीव्र परिवर्तनों को संभाल सके। इस पद्धति का कार्यान्वयन तेजी से किया गया, और इस विधि का उपयोग करने वाले पहले अवलोकन 2025 के अंत में हुए। अनुक्रम (sequence) में संख्या आठ को छोड़कर और नई श्रृंखला को दस से शुरू करके, टीम ने पुराने, निश्चित स्थानों और नए, लचीले स्थानों के बीच किसी भी भ्रम से बचने का रास्ता निकाला। यह परिवर्तन उन्हें प्रत्येक अवलोकन की विशिष्ट आवश्यकताओं, जैसे कि अध्ययन किए जा रहे प्रकाश के प्रकार या सेंसर की स्थिति के आधार पर नए स्थान परिभाषित करने की अनुमति देता है।

इस नवाचार के लाभ पर्याप्त हैं। यह टीम को प्री-डिफाइंड (पूर्व-निर्धारित) स्थानों की सूची का पालन करने के बजाय, हर एक अवलोकन के लिए सेंसर के सर्वोत्तम संभव स्थान पर टेलीस्कोप के दृश्य को ले जाने की स्वतंत्रता देता है। वे अब लक्ष्य के दृश्य को ऐसे स्थान पर रख सकते हैं जिसमें प्रकाश की एक विशिष्ट तरंग दैर्ध्य (wavelength) के लिए बिल्कुल सही संवेदनशीलता हो, या सेंसर के उन क्षेत्रों से बच सकते हैं जहाँ दोष विकसित हो गए हैं। यह लचीलापन सुनिश्चित करता है कि कॉस्मिक ओरिजिन्स स्पेक्ट्रोग्राफ सेंसर के पुराने होने के बावजूद उच्च गुणवत्ता वाला डेटा प्रदान करना जारी रख सके। टीम ने पहले ही 2030 के दशक तक इन नए स्थानों का उपयोग करने की योजना बना ली है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि यह उपकरण अपने मूल पांच साल के डिजाइन जीवन के समाप्त होने के लंबे समय बाद भी खगोल विज्ञान के लिए एक महत्वपूर्ण उपकरण बना रहे।

इस परियोजना की सफलता इस बात पर निर्भर करती है कि सेंसर कैसे खराब होता है और टेलीस्कोप के ऑप्टिक्स डिटेक्टर के विभिन्न हिस्सों के साथ कैसे क्रिया करते हैं, इसकी गहरी समझ पर। शोधकर्ताओं ने यह अनुमान लगाने के लिए विस्तृत मॉडलों का उपयोग किया कि सेंसर कहाँ स्पष्ट चित्र कैप्चर करने के लिए पर्याप्त मजबूत रहेगा और कहाँ विफल हो जाएगा। उन्हें भौतिक सीमाओं को भी ध्यान में रखना पड़ा, जैसे कि टेलीस्कोप के अपर्चर की यांत्रिक सीमा और सेंसर पर "हॉट स्पॉट्स" या मृत क्षेत्रों की उपस्थिति जिन्हें उपयोग नहीं किया जा सकता। इन समस्या वाले क्षेत्रों से बचते हुए नए स्थान सावधानीपूर्वक चुनकर, टीम यह सुनिश्चित करती है कि एकत्र किया गया डेटा विश्वसनीय बना रहे। नई विधि एक ही लक्ष्य के लिए कई स्थान भी परिभाषित करने की अनुमति देती है, जो उपयोग किए जा रहे विशिष्ट ग्रेटिंग या फिल्टर पर निर्भर करता है, जो नियंत्रण का एक ऐसा स्तर प्रदान करता है जो पहले असंभव था।

आगे देखते हुए, कॉस्मिक ओरिजिन्स स्पेक्ट्रोग्राफ के अगले दशक तक संचालित होने की उम्मीद है, जो डेटा का एक निरंतर प्रवाह प्रदान करेगा जो हबल स्पेस टेलीस्कोप और उसके भविष्य के उत्तराधिकारी, 'हैबिटेबल वर्ल्ड्स ऑब्जर्वेटरी' (Habitable Worlds Observatory) के बीच के अंतर को पाट देगा। एलपी-इन्फिनिटी रणनीति यह सुनिश्चित करती है कि डिटेक्टर उच्च-गुणवत्ता वाले पराबैंगनी स्पेक्ट्रा प्राप्त करने में सीमित कारक न बने। जैसे-जैसे सेंसर पुराना होता जाएगा, टीम अपने मॉडलों को परिष्कृत करना और आवश्यकतानुसार स्थानों को समायोजित करना जारी रखेगी, जिससे यह उपकरण खगोलीय खोजों के अग्रिम मोर्चे पर बना रहेगा। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि पुराने हार्डवेयर के साथ भी, रचनात्मक इंजीनियरिंग और सॉफ्टवेयर समाधान अंतरिक्ष टेलीस्कोपों के जीवन और क्षमता को बढ़ा सकते हैं, जिससे हमें ब्रह्मांड को पहले से कहीं अधिक गहराई से देखने की अनुमति मिलती है।