બ્રહ્માંડના આદિકાળના પદચિહ્નો શોધતું હબલનું 'કોસ્મિક ઓરિજિન્સ સ્પેક્ટ્રોગ્રાફ': વિજ્ઞાન અને ટેકનોલોજીની અદભૂત જુગલબંધી

હબલ સ્પેસ ટેલિસ્કોપ (Hubble Space Telescope) એ માનવજાતના ઇતિહાસમાં વિજ્ઞાનનું એક એવું સાધન છે જેણે બ્રહ્માંડ પ્રત્યેની આપણી સમજને સંપૂર્ણપણે બદલી નાખી છે. ૧૯૯૦માં પૃથ્વીની નીચલી ભ્રમણકક્ષામાં લોન્ચ કરવામાં આવેલું આ ટેલિસ્કોપ આજે પણ કાર્યરત છે અને ખગોળશાસ્ત્ર માટે એક મહત્વપૂર્ણ સંશોધન સાધન સાબિત થયું છે. હબલ ટેલિસ્કોપનું નામ પ્રખ્યાત ખગોળશાસ્ત્રી એડવિન હબલના નામ પરથી રાખવામાં આવ્યું છે. આ ટેલિસ્કોપની સૌથી મોટી વિશેષતા એ છે કે તે પૃથ્વીના વાતાવરણની બહાર રહીને અવલોકન કરે છે, જેના કારણે તેને વાતાવરણના અવરોધ વિના અત્યંત સ્પષ્ટ છબીઓ મળે છે. હબલના અનેક સાધનોમાંનું એક અત્યંત શક્તિશાળી સાધન એટલે 'કોસ્મિક ઓરિજિન્સ સ્પેક્ટ્રોગ્રાફ' (Cosmic Origins Spectrograph - COS). આ સાધનને મે ૨૦૦૯માં સર્વિસિંગ મિશન ૪ (STS-125) દરમિયાન હબલમાં સ્થાપિત કરવામાં આવ્યું હતું.

સ્પેક્ટ્રોગ્રાફ (spectrograph) એ એક એવું સાધન છે જે પ્રકાશને તેના ઘટક રંગો અથવા તરંગલંબાઇમાં વિભાજિત કરે છે, જેવી રીતે પ્રિઝમ સૂર્યપ્રકાશને મેઘધનુષના રંગોમાં વિભાજિત કરે છે. આ પ્રક્રિયાને સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી (spectroscopy) કહેવામાં આવે છે. ખગોળશાસ્ત્રીઓ માટે આ પદ્ધતિ અત્યંત મહત્વની છે કારણ કે તે દૂરના તારાઓ અને આકાશગંગાઓના તાપમાન, ઘનતા, રાસાયણિક બંધારણ અને ગતિ વિશે એવી માહિતી આપે છે જે માત્ર ફોટોગ્રાફી દ્વારા મેળવવી અશક્ય છે. COS ખાસ કરીને અલ્ટ્રાવાયોલેટ (ultraviolet - UV) પ્રકાશના અભ્યાસ માટે બનાવવામાં આવ્યું છે. અલ્ટ્રાવાયોલેટ પ્રકાશ એ પ્રકાશનો એવો પ્રકાર છે જેની તરંગલંબાઇ દૃશ્યમાન પ્રકાશ કરતા ટૂંકી હોય છે અને તે માનવ આંખે જોઈ શકાતો નથી. પૃથ્વીનું વાતાવરણ મોટાભાગના અલ્ટ્રાવાયોલેટ કિરણોને શોષી લે છે, તેથી અવકાશમાં રહીને જ આ કિરણોનો સચોટ અભ્યાસ શક્ય બને છે.

હબલ અને COS પાછળનો ઇતિહાસ અને સંઘર્ષ

અવકાશમાં ટેલિસ્કોપ મૂકવાનો વિચાર સૌપ્રથમ ૧૯૨૩માં હર્મન ઓબર્થ દ્વારા રજૂ કરવામાં આવ્યો હતો. જોકે, આ દિશામાં ગંભીર વૈજ્ઞાનિક પાયો ૧૯૪૬માં ખગોળશાસ્ત્રી લાયમન સ્પિટ્ઝર (Lyman Spitzer) દ્વારા નાખવામાં આવ્યો હતો. તેમણે તેમના પેપરમાં સમજાવ્યું હતું કે પૃથ્વીના વાતાવરણની બહાર ટેલિસ્કોપ રાખવાના બે મુખ્ય ફાયદા છે: પ્રથમ, વાતાવરણની અસ્થિરતાને કારણે તારાઓ જે ટમટમે છે તે સમસ્યા દૂર થાય અને અત્યંત ઝીણી વિગતો જોઈ શકાય. બીજું, અલ્ટ્રાવાયોલેટ અને ઇન્ફ્રારેડ પ્રકાશનો અભ્યાસ કરી શકાય જે વાતાવરણમાં શોષાઈ જાય છે. આ સ્વપ્નને સાકાર કરવામાં નેન્સી ગ્રેસ રોમન (Nancy Grace Roman) નો ફાળો પણ અતુલ્ય છે, જેમને 'મધર ઓફ હબલ' તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. તેમણે ૧૯૭૦ના દાયકામાં આ પ્રોજેક્ટ માટે ભંડોળ મેળવવા અને વૈજ્ઞાનિક ધોરણો નક્કી કરવામાં મહત્વની ભૂમિકા ભજવી હતી.

હબલ ટેલિસ્કોપના નિર્માણ અને લોન્ચિંગમાં અનેક અવરોધો આવ્યા હતા. ૧૯૭૪માં બજેટ કાપને કારણે પ્રોજેક્ટનું ભંડોળ રદ કરવામાં આવ્યું હતું. જોકે, ખગોળશાસ્ત્રીઓના દેશવ્યાપી લોબિંગ અને નાસાના અધિકારીઓની વ્યૂહાત્મક રજૂઆતને કારણે ભંડોળ ફરીથી મંજૂર થયું. શરૂઆતમાં ટેલિસ્કોપના અરીસાનો વ્યાસ ૩ મીટર રાખવાનું આયોજન હતું, પરંતુ ખર્ચ ઘટાડવા માટે તેને ૨.૪ મીટર કરવામાં આવ્યો. ૧૯૯૦માં લોન્ચ થયા પછી ખબર પડી કે હબલના મુખ્ય અરીસામાં ખામી હતી, જેને 'સ્ફેરિકલ એબરેશન' (spherical aberration) કહેવામાં આવે છે. આ ખામીને કારણે છબીઓ ધૂંધળી આવતી હતી. ૧૯૯૩માં અવકાશયાત્રીઓએ સર્વિસિંગ મિશન દ્વારા આ ખામી સુધારી હતી. COS સાધન એ હબલના પાંચમા અને અંતિમ સર્વિસિંગ મિશનનો ભાગ હતું, જેણે હબલની અલ્ટ્રાવાયોલેટ જોવાની ક્ષમતામાં અનેકગણો વધારો કર્યો.

COS ની આર્કિટેક્ચર અને કાર્યપદ્ધતિ

કોસ્મિક ઓરિજિન્સ સ્પેક્ટ્રોગ્રાફ એ હબલના 'એક્સિયલ ઇન્સ્ટ્રુમેન્ટ બે' (axial instrument bay) માં સ્થાપિત છે. તે અગાઉના COSTAR નામના સાધનની જગ્યાએ મૂકવામાં આવ્યું છે. COS ની રચના અત્યંત ચોકસાઈથી કરવામાં આવી છે જેથી તે ઝાંખા અને દૂરના પદાર્થોમાંથી આવતા અલ્ટ્રાવાયોલેટ પ્રકાશને પકડી શકે. આ સાધન મુખ્યત્વે બે ચેનલોમાં વહેંચાયેલું છે: ફાર અલ્ટ્રાવાયોલેટ (Far Ultraviolet - FUV) અને નિયર અલ્ટ્રાવાયોલેટ (Near Ultraviolet - NUV). FUV ચેનલ ૯૦ થી ૨૦૫ નેનોમીટર (nm) ની તરંગલંબાઇને આવરી લે છે, જ્યારે NUV ચેનલ ૧૭૦ થી ૩૨૦ નેનોમીટરની તરંગલંબાઇ પર કામ કરે છે.

COS ની ડિઝાઇનમાં એક ક્રાંતિકારી અભિગમ અપનાવવામાં આવ્યો છે, ખાસ કરીને FUV ચેનલમાં. અલ્ટ્રાવાયોલેટ પ્રકાશ જ્યારે કોઈપણ અરીસા કે લેન્સ પર પડે છે, ત્યારે તેનો મોટો હિસ્સો શોષાઈ જાય છે અથવા વેડફાય છે. આ નુકસાન ઘટાડવા માટે COS માં 'સિંગલ ઓપ્ટિક' (single optic) ડિઝાઇનનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે. આનો અર્થ એ છે કે હબલના મુખ્ય અરીસામાંથી આવતો પ્રકાશ સીધો જ એક વિશિષ્ટ રીતે બનાવેલા 'ડિફ્રેક્શન ગ્રેટિંગ' (diffraction grating) પર પડે છે. આ એક જ ઓપ્ટિકલ ભાગ પ્રકાશને વિભાજિત પણ કરે છે, હબલના અરીસાની ખામીને સુધારે છે અને પ્રકાશને ડિટેક્ટર પર ફોકસ પણ કરે છે. ઓછામાં ઓછા અરીસાઓનો ઉપયોગ કરવાને કારણે COS અગાઉના સાધનો કરતા ઘણું વધારે સંવેદનશીલ બન્યું છે.

પ્રકાશ જ્યારે COS માં પ્રવેશે છે, ત્યારે તે બેમાંથી એક છિદ્ર (aperture) દ્વારા અંદર જાય છે: પ્રાઇમરી સાયન્સ એપર્ચર્સ (PSA) અથવા બ્રાઇટ ઓબ્જેક્ટ એપર્ચર્સ (BOA). PSA નો ઉપયોગ સામાન્ય અવલોકનો માટે થાય છે, જ્યારે BOA માં એક ફિલ્ટર હોય છે જે અત્યંત તેજસ્વી પદાર્થોના પ્રકાશને ૧૦૦ ગણો ઘટાડી દે છે જેથી સેન્સરને નુકસાન ન થાય. FUV ડિટેક્ટર એક 'ક્રોસ ડિલે લાઇન માઇક્રોચેનલ પ્લેટ' (cross delay line microchannel plate) છે, જે ૧૭૦x૧૦ મિલીમીટરનું કદ ધરાવે છે. આ ડિટેક્ટરની સપાટી વક્ર (curved) છે જેથી તે સ્પેક્ટ્રોગ્રાફના ફોકલ સરફેસ સાથે બરાબર મેળ ખાય. બીજી તરફ, NUV ચેનલ 'ઝેર્ની-ટર્નર' (Czerny-Turner) ડિઝાઇનનો ઉપયોગ કરે છે, જેમાં પ્રકાશને ત્રણ અલગ-અલગ પટ્ટાઓમાં વિભાજિત કરીને ૨૫x૨૫ મિલીમીટરના MAMA ડિટેક્ટર પર ફેંકવામાં આવે છે.

વિજ્ઞાનના લક્ષ્યો: આદિ બ્રહ્માંડની શોધ

COS નું મુખ્ય કામ બ્રહ્માંડના મોટા પાયાના માળખા (large scale structure) અને આકાશગંગાઓના નિર્માણનો અભ્યાસ કરવાનું છે. તે ખાસ કરીને 'કોસ્મિક વેબ' (Cosmic Web) ને સમજવામાં મદદ કરે છે. કોસ્મિક વેબ એ વાયુ અને ડાર્ક મેટરનું બનેલું એક વિશાળ જાળું છે જે સમગ્ર બ્રહ્માંડમાં ફેલાયેલું છે. આ જાળામાં રહેલા આંતર-આકાશગંગા વાયુ (intergalactic gas) ને સીધો જોવો મુશ્કેલ છે, પરંતુ જ્યારે દૂરની આકાશગંગા કે ક્વેઝાર (quasar) માંથી આવતો પ્રકાશ આ વાયુમાંથી પસાર થાય છે, ત્યારે તે વાયુ પ્રકાશના અમુક હિસ્સાને શોષી લે છે. COS આ શોષાયેલા પ્રકાશના પદચિહ્નોનો અભ્યાસ કરીને વાયુનું તાપમાન, ઘનતા અને રાસાયણિક બંધારણ નક્કી કરે છે.

આ પ્રક્રિયામાં 'લાયમન-આલ્ફા ફોરેસ્ટ' (Lyman-alpha forest) નો અભ્યાસ અત્યંત મહત્વનો છે. જ્યારે હાઇડ્રોજન વાયુના વાદળોમાંથી પ્રકાશ પસાર થાય છે, ત્યારે સ્પેક્ટ્રમમાં અનેક શોષણ રેખાઓ (absorption lines) જોવા મળે છે જે જંગલ જેવી દેખાય છે. આના પરથી બ્રહ્માંડમાં દ્રવ્યનું વિતરણ કેવી રીતે થયેલું છે તે જાણી શકાય છે. આ ઉપરાંત, COS દ્વારા 'રી-આયોનાઇઝેશન' (reionization) ની પ્રક્રિયાનો પણ અભ્યાસ કરવામાં આવે છે. બ્રહ્માંડના પ્રારંભિક તબક્કામાં જ્યારે પ્રથમ તારાઓ અને આકાશગંગાઓ બની, ત્યારે તેમણે આસપાસના વાયુને કેવી રીતે આયનીકૃત કર્યો તે સમજવા માટે હીલિયમ વાયુના શોષણનો અભ્યાસ કરવામાં આવે છે.

તારાઓના જીવનચક્રને સમજવામાં પણ COS મહત્વની ભૂમિકા ભજવે છે. તે આકાશગંગામાં રહેલા ગરમ તારાઓ, સફેદ વામન તારાઓ (white dwarfs) અને બાઈનરી સ્ટાર સિસ્ટમ્સનો અભ્યાસ કરે છે. જીવન માટે જરૂરી રાસાયણિક તત્વો જેમ કે કાર્બન, નાઇટ્રોજન અને ઓક્સિજન વિશાળ તારાઓમાં કેવી રીતે બન્યા અને સુપરનોવા વિસ્ફોટ દ્વારા અવકાશમાં કેવી રીતે ફેલાયા, તેની માહિતી પણ COS ના ડેટા પરથી મળે છે. તે સૌરમંડળના ગ્રહોના વાતાવરણ અને ધૂમકેતુઓના બંધારણની તપાસ કરવામાં પણ સક્ષમ છે.

તકનીકી વિશિષ્ટતાઓ અને સરખામણી

COS ની ક્ષમતા તેની રિઝોલ્વિંગ પાવર (resolving power) અને સંવેદનશીલતામાં રહેલી છે. તેની રિઝોલ્વિંગ પાવર ૧,૫૫૦ થી ૨૪,૦૦૦ ની વચ્ચે છે, જેનો અર્થ છે કે તે પ્રકાશની અત્યંત નજીક રહેલી તરંગલંબાઇઓને પણ અલગ પાડી શકે છે. હબલ પર અગાઉથી હાજર 'સ્પેસ ટેલિસ્કોપ ઇમેજિંગ સ્પેક્ટ્રોગ્રાફ' (STIS) ની સરખામણીમાં COS અલ્ટ્રાવાયોલેટ રેન્જમાં અનેકગણું વધારે સંવેદનશીલ છે. STIS વિશાળ તરંગલંબાઇને આવરી લે છે, પરંતુ COS ખાસ કરીને ઝાંખા બિંદુવત પદાર્થો (point sources) માટે ઓપ્ટિમાઇઝ કરવામાં આવ્યું છે.

લોન્ચ થયા પછીના પ્રદર્શન મુજબ, COS ની સંવેદનશીલતા અપેક્ષા મુજબની જ રહી છે. FUV ડિટેક્ટરમાં બેકગ્રાઉન્ડ નોઈઝ (background noise) અત્યંત ઓછો છે, જે દર ૧૦૦૦ સેકન્ડે માત્ર ૦.૧૬ કાઉન્ટ્સ જેટલો છે. આનો અર્થ એ છે કે તે અત્યંત નબળા સંકેતોને પણ સ્પષ્ટ રીતે પકડી શકે છે. જોકે, હબલના મુખ્ય અરીસામાં રહેલી પોલિશિંગની નાની ભૂલોને કારણે FUV નું રિઝોલ્યુશન અપેક્ષા કરતા સહેજ ઓછું રહ્યું છે, પરંતુ NUV નું રિઝોલ્યુશન અપેક્ષા કરતા પણ સારું જોવા મળ્યું છે.

નિષ્કર્ષ અને ભવિષ્ય

કોસ્મિક ઓરિજિન્સ સ્પેક્ટ્રોગ્રાફ એ માત્ર એક વૈજ્ઞાનિક સાધન નથી, પરંતુ તે બ્રહ્માંડના ભૂતકાળમાં જોવાની એક બારી છે. તે આપણને જણાવે છે કે બ્રહ્માંડનું માળખું કેવી રીતે બન્યું અને આપણે જે તત્વોના બનેલા છીએ તે તારાઓમાં કેવી રીતે જન્મ્યા. હબલ ટેલિસ્કોપ ૨૦૩૦ થી ૨૦૪૦ સુધી કાર્યરત રહેવાની ધારણા છે, અને ત્યાં સુધી COS આપણને બ્રહ્માંડના રહસ્યો ઉકેલવામાં મદદ કરતું રહેશે. જેમ જેમ જેમ્સ વેબ સ્પેસ ટેલિસ્કોપ (JWST) ઇન્ફ્રારેડમાં નવા સંશોધનો કરી રહ્યું છે, તેમ COS ની અલ્ટ્રાવાયોલેટ ક્ષમતા તેની પૂરક બનીને ખગોળશાસ્ત્રના નવા યુગની રચના કરી રહી છે. ભારત જેવા દેશો માટે પણ આવા સંશોધનો પ્રેરણારૂપ છે, કારણ કે તે વિજ્ઞાન અને એન્જિનિયરિંગની પરાકાષ્ઠા દર્શાવે છે.