આકાશગંગાનો નકશો તૈયાર કરતું Gaia: બ્રહ્માંડના રહસ્યો ખોલતું એક અબજ તારાઓનું મહા-સર્વેક્ષણ

આપણી આકાશગંગા એટલે કે મિલ્કી વે (Milky Way) અબજો તારાઓનું એક વિશાળ ઘર છે. આ અનંત આકાશમાં કયો તારો ક્યાં છે, તે કેટલી ઝડપે ગતિ કરી રહ્યો છે અને આપણાથી કેટલો દૂર છે, તે જાણવું ખગોળશાસ્ત્રીઓ માટે હંમેશા એક મોટો પડકાર રહ્યો છે. આ પડકારને ઝીલવા માટે યુરોપિયન સ્પેસ એજન્સી (ESA) એ વર્ષ ૨૦૧૩માં Gaia નામનું એક અદભૂત સ્પેસ ઓબ્ઝર્વેટરી લોન્ચ કર્યું હતું. Gaia મિશનનો મુખ્ય હેતુ આકાશગંગાનો અત્યાર સુધીનો સૌથી સચોટ અને વિગતવાર ત્રિ-પરિમાણીય (3D) નકશો તૈયાર કરવાનો છે. માર્ચ ૨૦૨૫માં તેનું સત્તાવાર કાર્ય પૂર્ણ થયું હોવા છતાં, તેણે એકત્રિત કરેલો ડેટા આગામી દાયકાઓ સુધી વિજ્ઞાન જગતને નવી દિશા આપતો રહેશે.

ગૈયા મિશન એ માત્ર તારાઓના ફોટા પાડવાનું કામ નથી કરતું, પરંતુ તે એસ્ટ્રોમેટ્રી (astrometry) પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે. એસ્ટ્રોમેટ્રી એટલે અવકાશી પદાર્થોના સ્થાન, અંતર અને ગતિનું અત્યંત ચોકસાઈપૂર્વક માપન કરવાની કળા. Gaia એ લગભગ ૧ અબજ અવકાશી પદાર્થોનું નિરીક્ષણ કર્યું છે, જેમાં મુખ્યત્વે તારાઓ છે, પણ સાથે સાથે ગ્રહો, ધૂમકેતુઓ, લઘુગ્રહો અને ક્વેસાર (quasars) નો પણ સમાવેશ થાય છે. આ સંખ્યા ભલે મોટી લાગતી હોય, પણ તે આપણી આકાશગંગાની કુલ વસ્તીના માત્ર ૧% જેટલી જ છે. તેમ છતાં, આ ૧% ડેટા આપણને બ્રહ્માંડની ઉત્પત્તિ અને ઉત્ક્રાંતિ વિશે જે માહિતી આપી રહ્યો છે તે અભૂતપૂર્વ છે.

આકાશગંગાનું ડિજિટલ મોડેલ: ગૈયા મિશનનો ઉદ્દેશ્ય

કોઈપણ તારાની વાસ્તવિક તેજસ્વીતા અથવા લ્યુમિનોસિટી (luminosity) જાણવા માટે તે આપણાથી કેટલો દૂર છે તે જાણવું અનિવાર્ય છે. અંતરિક્ષમાં અંતર માપવા માટે વૈજ્ઞાનિકો પેરાલેક્સ (parallax) એટલે કે દ્રષ્ટિભેદની પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરે છે. પૃથ્વી પરથી જ્યારે આપણે તારાઓને જોઈએ છીએ, ત્યારે વાતાવરણના અવરોધો અને સાધનોની મર્યાદાને કારણે આ માપનમાં ભૂલ આવવાની શક્યતા રહે છે. Gaia આ સમસ્યાનો ઉકેલ લાવે છે કારણ કે તે પૃથ્વીના વાતાવરણની બહાર રહીને નિરીક્ષણ કરે છે. આ મિશન દ્વારા સેફેઈડ વેરીએબલ્સ (Cepheid variables) જેવા તારાઓના અંતર વધુ ચોકસાઈથી માપી શકાયા છે, જે બ્રહ્માંડના વિસ્તરણની ગતિ સમજવા માટે ખૂબ જ મહત્વના છે.

ગૈયાનો બીજો મુખ્ય ઉદ્દેશ્ય તારાઓના જીવનચક્રને સમજવાનો છે. તારાઓ કેવી રીતે જન્મે છે, કેવી રીતે બદલાય છે અને તેમનો અંત કેવી રીતે આવે છે, તે જાણવા માટે લાખો તારાઓનું લાંબા સમય સુધી નિરીક્ષણ કરવું જરૂરી છે. Gaia એ તેના પાંચ વર્ષના મૂળ મિશન દરમિયાન દરેક પદાર્થનું સરેરાશ ૭૦ વખત નિરીક્ષણ કર્યું હતું. મિશન લંબાવવામાં આવતા આ સંખ્યા બમણી થઈ ગઈ છે. આ ડેટાની મદદથી વૈજ્ઞાનિકો આકાશગંગાના વિવિધ ભાગોમાં રહેલા તારાઓની ગતિશીલતા અને તેમના બંધારણને સમજી શકશે, જે અંતે આપણને આપણી ગેલેક્સીના ઈતિહાસ તરફ લઈ જશે.

ઈતિહાસ અને ઉત્ક્રાંતિ: હિપાર્કોસથી ગૈયા સુધીની સફર

ગૈયા મિશનના મૂળ ૧૯૮૯ થી ૧૯૯૩ દરમિયાન કાર્યરત ESA ના Hipparcos મિશનમાં રહેલા છે. Hipparcos એ પ્રથમ એવું મિશન હતું જેણે અવકાશમાંથી એસ્ટ્રોમેટ્રી કરી હતી. ઓક્ટોબર ૧૯૯૩માં લુન્ડ યુનિવર્સિટીના લેનાર્ટ લિન્ડેગ્રેન અને ESA ના માઈકલ પેરીમેન દ્વારા Gaia નો પ્રસ્તાવ મૂકવામાં આવ્યો હતો. શરૂઆતમાં Gaia નું નામ 'Global Astrometric Interferometer for Astrophysics' ના ટૂંકા નામ પરથી રાખવામાં આવ્યું હતું, કારણ કે ત્યારે તેમાં ઇન્ટરફેરોમેટ્રી (interferometry) ટેકનિક વાપરવાની યોજના હતી. જોકે સમય જતાં ટેકનિક બદલાઈ ગઈ, પણ પ્રોજેક્ટની સાતત્યતા જાળવવા માટે નામ તે જ રાખવામાં આવ્યું.

આ પ્રોજેક્ટને ૨૦૦૦માં મંજૂરી મળી અને ૨૦૦૬માં તેના હાર્ડવેર બનાવવાની જવાબદારી EADS Astrium ને સોંપવામાં આવી. આ મિશનનો કુલ ખર્ચ આશરે ૭૪૦ મિલિયન યુરો (લગભગ ૧ અબજ ડોલર) રહ્યો છે. ગૈયાના નિર્માણમાં સૌથી મોટો પડકાર તેના ૧૦ સિલિકોન કાર્બાઈડ (silicon carbide) અરીસાઓને પોલિશ કરવાનો અને તેના વિશાળ કેમેરા સિસ્ટમને એસેમ્બલ કરવાનો હતો. આ ટેકનિકલ મુશ્કેલીઓને કારણે પ્રોજેક્ટ તેના નિર્ધારિત સમય કરતાં બે વર્ષ મોડો પૂર્ણ થયો હતો અને તેના બજેટમાં પણ ૧૬% નો વધારો થયો હતો.

અંતરિક્ષમાં સ્થિરતા: ગૈયાની અદભૂત બનાવટ અને ભ્રમણકક્ષા

૧૯ ડિસેમ્બર ૨૦૧૩ના રોજ ફ્રેન્ચ ગુયાનાથી સોયુઝ (Soyuz) રોકેટ દ્વારા Gaia ને લોન્ચ કરવામાં આવ્યું હતું. તે પૃથ્વીથી ૧૫ લાખ કિલોમીટર દૂર આવેલા લેગ્રેન્જ પોઈન્ટ ૨ (L2) પર સ્થિત છે. L2 પોઈન્ટ એક એવું સ્થાન છે જ્યાં પૃથ્વી અને સૂર્યનું ગુરુત્વાકર્ષણ બળ સંતુલિત થાય છે, જેના કારણે સ્પેસક્રાફ્ટ એક સ્થિર ભ્રમણકક્ષામાં રહી શકે છે. અહીં Gaia સૂર્ય, પૃથ્વી અને ચંદ્રની પાછળ રહે છે, જે તેને અત્યંત સ્થિર તાપમાન અને ગુરુત્વાકર્ષણ વાતાવરણ પૂરું પાડે છે. આ સ્થિરતા એસ્ટ્રોમેટ્રી માટે અનિવાર્ય છે કારણ કે સહેજ પણ ધ્રુજારી માપનમાં મોટી ભૂલ લાવી શકે છે.

ગૈયાની ડિઝાઇનમાં ૧૦ મીટર વ્યાસ ધરાવતી એક વિશાળ સનશેડ (sunshade) એટલે કે સૂર્ય રક્ષક છત્રી છે. આ છત્રી હંમેશા સૂર્ય સામે ૪૫ ડિગ્રીના ખૂણે રહે છે, જે ટેલિસ્કોપના સંવેદનશીલ ભાગોને ઠંડા રાખે છે અને તેના પર લાગેલા સોલર પેનલ્સ દ્વારા વીજળી ઉત્પન્ન કરે છે. ગૈયાનું માળખું સિલિકોન કાર્બાઈડ નામના વિશિષ્ટ પદાર્થમાંથી બનાવવામાં આવ્યું છે, જે તાપમાનના ફેરફાર સાથે સંકોચાતું કે ફૂલતું નથી. આ મિશનમાં કોઈ રિએક્શન વ્હીલ્સ કે ગાયરોસ્કોપ જેવા ફરતા ભાગો નથી, માત્ર અરીસાઓને ગોઠવવા માટેના એક્ટ્યુએટર્સ અને નાઈટ્રોજન ગેસ છોડતા નાના થ્રસ્ટર્સ છે, જે સેકન્ડના ૧.૫ માઈક્રોગ્રામ જેટલો સૂક્ષ્મ ગેસ છોડીને સ્પેસક્રાફ્ટની દિશા જાળવી રાખે છે.

બે ટેલિસ્કોપ અને એક અબજ પિક્સેલની આંખ

ગૈયાની કાર્યપદ્ધતિ તેના પુરોગામી Hipparcos જેવી જ છે, પણ તેની ચોકસાઈ ૧૦૦ ગણી વધારે છે. તેમાં બે ટેલિસ્કોપ છે જે એકબીજાથી ૧૦૬.૫ ડિગ્રીના નિશ્ચિત ખૂણે ગોઠવાયેલા છે. આ સ્પેસક્રાફ્ટ દર ૬ કલાકે પોતાની ધરી પર એક ચક્ર પૂર્ણ કરે છે. આ સતત પરિભ્રમણને કારણે તે આખા આકાશને સ્કેન કરી શકે છે. તેની સ્કેનિંગ કરવાની રીત એવી છે કે તે આકાશમાં સાયક્લોઈડ જેવો માર્ગ બનાવે છે, જેનાથી દરેક તારાનું અલગ-અલગ દિશાઓથી વારંવાર નિરીક્ષણ થઈ શકે.

ગૈયાના કેમેરાની વાત કરીએ તો તે વિજ્ઞાન જગતની એક અજાયબી છે. તેમાં કુલ ૧૦૬ CCD (Charge-Coupled Device) સેન્સર્સ છે, જે ભેગા મળીને ૯૩૭.૮ મેગાપિક્સેલનો એક વિશાળ ફોકલ પ્લેન એરે બનાવે છે. આને ઘણીવાર 'ગીગાપિક્સેલ ક્લાસ' કેમેરા તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. આ સેન્સર્સ એટલા સંવેદનશીલ છે કે તે ૨૦ની મેગ્નિટ્યુડ (magnitude) સુધીના ઝાંખા પદાર્થોને પણ જોઈ શકે છે. જોકે, આટલા બધા ડેટાને પૃથ્વી પર મોકલવો અશક્ય છે, તેથી ગૈયા માત્ર દરેક પદાર્થની આસપાસના થોડા પિક્સેલ્સ જ પૃથ્વી પર મોકલે છે. સરેરાશ ૩ Mbit/s ની ઝડપે ડેટા ટ્રાન્સમિટ કરવામાં આવે છે.

વૈજ્ઞાનિક ઉપકરણો: તારાઓનું પોસ્ટમોર્ટમ

ગૈયાના પેલોડમાં ત્રણ મુખ્ય વૈજ્ઞાનિક ઉપકરણો છે જે તારાઓની કુંડળી કાઢવાનું કામ કરે છે. પ્રથમ છે એસ્ટ્રોમેટ્રી ઇન્સ્ટ્રુમેન્ટ (Astro), જે તારાઓના કોણીય સ્થાનનું અત્યંત સચોટ માપન કરે છે. આ માપનોને વર્ષો સુધી ભેગા કરીને તારાનો પેરાલેક્સ અને તેની પ્રોપર મોશન (proper motion) એટલે કે આકાશમાં તેની ગતિ નક્કી કરવામાં આવે છે.

બીજું ઉપકરણ છે ફોટોમેટ્રિક ઇન્સ્ટ્રુમેન્ટ (BP/RP). તે તારાઓની તેજસ્વીતાને ૩૨૦ થી ૧૦૦૦ નેનોમીટરની રેન્જમાં માપે છે. તેમાં બ્લુ ફોટોમીટર (BP) અને રેડ ફોટોમીટર (RP) એમ બે ભાગ છે. આ ઉપકરણ તારાઓના તાપમાન, દળ, ઉંમર અને તેમનામાં રહેલા રાસાયણિક તત્વો વિશે માહિતી આપે છે. ત્રીજું મહત્વનું સાધન છે રેડિયલ-વેલોસિટી સ્પેક્ટ્રોમીટર (RVS). તે ડોપ્લર ઇફેક્ટ (Doppler shift) નો ઉપયોગ કરીને તારો આપણી નજીક આવી રહ્યો છે કે દૂર જઈ રહ્યો છે તે માપે છે. આ ત્રણેય સાધનોના સમન્વયથી આપણને તારાની ૩D સ્થિતિ અને તેની ૩D ગતિ એમ કુલ ૬ પરિમાણોની માહિતી મળે છે.

સમયની ચોકસાઈ: રૂબિડિયમ એટોમિક ક્લોકનું મહત્વ

ગૈયા મિશનની સફળતાનો મોટો આધાર તેના પર રહેલી એટોમિક ક્લોક (atomic clock) પર છે. ગૈયા જ્યારે આકાશને સ્કેન કરે છે, ત્યારે તે સેકન્ડના ૬૦ આર્કસેકન્ડ (arcseconds) ની ઝડપે ફરે છે. જો આપણે તારાનું સ્થાન નેનોસેકન્ડની ચોકસાઈથી નક્કી કરવું હોય, તો સ્પેસક્રાફ્ટ પરનો સમય પણ એટલો જ સચોટ હોવો જોઈએ. ગૈયામાં રૂબિડિયમ એટોમિક ક્લોકનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે, જેની સ્થિરતા ૧૦ની માઈનસ ૧૨ ઘાત (10^-12) કરતાં પણ વધુ છે. આનો અર્થ એ થયો કે ૬ કલાકના પરિભ્રમણ દરમિયાન સમયમાં થતી ભૂલ ૧૦ નેનોસેકન્ડથી પણ ઓછી હોય છે. આટલી સૂક્ષ્મ ચોકસાઈ વગર આકાશગંગાનો આટલો સચોટ નકશો બનાવવો અશક્ય હતો.

મિશનની સફળતા અને ભવિષ્યનું ભાથું

ગૈયાએ તેના ૧૧ વર્ષથી વધુના કાર્યકાળ દરમિયાન અપેક્ષા કરતાં ઘણો વધારે ડેટા આપ્યો છે. શરૂઆતમાં એવું માનવામાં આવતું હતું કે રેડિયેશનને કારણે તેના સેન્સર્સ જલ્દી ખરાબ થઈ જશે, પણ ગૈયાના ડિટેક્ટર્સ ધાર્યા કરતા વધુ મજબૂત સાબિત થયા. આથી જ તેનું મિશન ૨૦૧૯ પછી પણ લંબાવવામાં આવ્યું અને છેક માર્ચ ૨૦૨૫ સુધી ચાલ્યું. ૧૫ જાન્યુઆરી ૨૦૨૫ના રોજ તેનું વૈજ્ઞાનિક અવલોકન સત્તાવાર રીતે બંધ થયું અને ૨૭ માર્ચ ૨૦૨૫ના રોજ તેને સંપૂર્ણપણે સ્વીચ ઓફ કરી દેવામાં આવ્યું.

જોકે, ગૈયાનું કામ હજુ પૂરું થયું નથી. તેણે એકત્રિત કરેલા ડેટાનું વિશ્લેષણ હજુ વર્ષો સુધી ચાલશે. અત્યાર સુધીમાં ગૈયાના ડેટા રિલીઝ (Data Releases) દ્વારા ખગોળશાસ્ત્રમાં ક્રાંતિ આવી છે. વૈજ્ઞાનિકો હવે આકાશગંગાના ભૂતકાળને જોઈ શકે છે - કેવી રીતે નાની ગેલેક્સીઓ આપણી આકાશગંગામાં ભળી ગઈ અને કેવી રીતે તારાઓના જૂથો રચાયા. ૨૦૨૬ સુધી ડેટા પ્રોસેસિંગ ચાલુ રહેશે અને છેલ્લો નિર્ધારિત ડેટા રિલીઝ ૨૦૩૦ના અંત પહેલા અપેક્ષિત નથી. ગૈયા દ્વારા શોધાયેલા હજારો એક્ઝોપ્લેનેટ્સ (exoplanets) અને લઘુગ્રહો આપણને આપણા સૌરમંડળની બહારની દુનિયા વિશે પણ ઘણું શીખવશે.

ગૈયા મિશન એ માનવ જિજ્ઞાસા અને એન્જિનિયરિંગ કૌશલ્યનું ઉત્કૃષ્ટ ઉદાહરણ છે. તેણે આપણને બતાવ્યું છે કે આપણે જે આકાશને જોઈએ છીએ તે સ્થિર નથી, પણ સતત ગતિશીલ અને પરિવર્તનશીલ છે. ભલે ગૈયા હવે અંતરિક્ષમાં શાંત થઈ ગયું હોય, પણ તેણે આપેલો 'બ્રહ્માંડનો નકશો' આવનારી પેઢીઓના વૈજ્ઞાનિકો માટે એક અમૂલ્ય વારસો બની રહેશે.