હબલ સ્પેસ ટેલિસ્કોપની વાઇડ ફીલ્ડ કેમેરા 3: બ્રહ્માંડની ઊંડાણોમાં જોતી ટેકનોલોજીકલ અજાયબી

અંતરિક્ષ વિજ્ઞાનના ઇતિહાસમાં હબલ સ્પેસ ટેલિસ્કોપ (Hubble Space Telescope) નું પ્રદાન અપ્રતિમ રહ્યું છે. પૃથ્વીના વાતાવરણની બહાર રહીને બ્રહ્માંડના અસ્પષ્ટ દ્રશ્યોને અત્યંત સ્પષ્ટ રીતે કેપ્ચર કરવા માટે હબલ એક ક્રાંતિકારી સાધન સાબિત થયું છે. હબલના વિજ્ઞાન અભિયાનમાં સૌથી મહત્વપૂર્ણ ક્ષમતા તેના ચોથી પેઢીના સાધન વાઇડ ફીલ્ડ કેમેરા 3 (Wide Field Camera 3 અથવા WFC3) દ્વારા મળી છે. આ કેમેરા હબલ ટેલિસ્કોપ પર સ્થાપિત કરવામાં આવેલો છેલ્લો અને સૌથી અદ્યતન દ્રશ્ય-પ્રકાશિત (visible spectrum) કેમેરા છે.

WFC3 ને સ્પેસ શટલ મિશન STS-125 (હબલ સર્વિસિંગ મિશન 4) દરમિયાન ૧૪ મે ૨૦૦૯ ના રોજ અવકાશયાત્રી જોન ગ્રન્સફેલ્ડ (John M. Grunsfeld) અને એન્ડ્રુ ફ્યુસ્ટેલ (Andrew J. Feustel) દ્વારા જૂના વાઇડ ફીલ્ડ એન્ડ પ્લેનેટરી કેમેરા 2 (WFPC2) ના સ્થાને ઇન્સ્ટોલ કરવામાં આવ્યો હતો. આ સાધન હબલને પરાબેંગની (ultraviolet), દ્રશ્યમાન પ્રકાશ અને સમીપ-અવરક્ત (near-infrared) તરંગલંબાઇમાં વિશાળ ક્ષેત્રફળની તસવીરો લેવાની શક્તિ આપે છે.

અંતરિક્ષ ટેલિસ્કોપનો ઇતિહાસ અને જરૂરિયાત

સ્પેસ ટેલિસ્કોપનો વિચાર સૌપ્રથમ ૧૯૨૩ માં રોકેટ સાયન્સના પિતા ગણાતા હર્મેન ઓબર્થ (Hermann Oberth) દ્વારા રજૂ કરવામાં આવ્યો હતો. ત્યારબાદ ૧૯૪૬ માં ખગોળશાસ્ત્રી લાઇમેન સ્પિટ્ઝર (Lyman Spitzer) ના ક્રાંતિકારી સંશોધન પત્રમાં પૃથ્વીની બહાર ટેલિસ્કોપ મૂકવાના બે મુખ્ય ફાયદા દર્શાવવામાં આવ્યા હતા. પ્રથમ, વાતાવરણની હલચલ અને ટર્બ્યુલન્સ (turbulence) ને કારણે તારા ટપકતા દેખાય છે, જેને ખગોળશાસ્ત્રમાં સીઇંગ (seeing) કહેવાય છે. પૃથ્વી પરના ટેલિસ્કોપ ૦.૫ થી ૧.૦ આર્કસેકન્ડ (arcsecond) ની કોણીય રેઝોલ્યુશન (angular resolution) સુધી મર્યાદિત હતા, જ્યારે ઔપચારિક ૨.૫ મીટરના સ્પેસ ટેલિસ્કોપ માટે તે ૦.૦૫ આર્કસેકન્ડ સુધી શક્ય હતું. બીજું, પૃથ્વીનું વાતાવરણ અલ્ટ્રાવાયોલેટ અને ઇન્ફ્રારેડ પ્રકાશને શોષી લે છે, જે સ્પેસ ટેલિસ્કોપ દ્વારા સરળતાથી જોઈ શકાય છે.

આ ક્ષેત્રમાં નેન્સી ગ્રેસ રોમન (Nancy Grace Roman), જેમને 'મધર ઓફ હબલ' તરીકે ઓળખવામાં આવે છે, તેમણે આ પ્રોજેક્ટને આકાર આપવામાં અને યુ.એસ. કોંગ્રેસ પાસેથી ફંડિંગ મેળવવામાં મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવી હતી. ૧૯૭૦ ના દાયકામાં બજેટ કાપને કારણે અરીસાનો વ્યાસ ૩ મીટરથી ઘટાડીને ૨.૪ મીટર કરવામાં આવ્યો અને યુરોપિયન સ્પેસ એજન્સી (ESA) સાથે ભાગીદારી કરવામાં આવી. આખરે ૧૯૯૦ માં STS-31 મિશન દ્વારા હબલ લોન્ચ થયું. જોકે તેના મુખ્ય અરીસામાં સ્ફેરિકલ એબેરેશન (spherical aberration) નામના મેન્યુફેક્ચરિંગ દોષને કારણે ૧૯૯૩ ના STS-61 મિશનમાં ઓપ્ટિક્સ સુધારીને મિશન સફળ બનાવવામાં આવ્યું હતું.

WFC3 ની દ્વિ-ચેનલ આર્કિટેક્ચર (Dual-Channel Architecture)

WFC3 ને એક અત્યંત બહુમુખી કેમેરા તરીકે ડિઝાઇન કરવામાં આવ્યો છે. આ ઉપકરણ બે તદ્દન સ્વતંત્ર પ્રકાશ માર્ગો (light paths) અથવા ચેનલો ધરાવે છે: યુવી/ઓપ્ટિકલ (UV/Optical - UVIS) ચેનલ અને સમીપ-અવરક્ત (Near-Infrared - IR) ચેનલ. આ બંને ચેનલો પોતાના સ્વતંત્ર ફોકલ પ્લેન (focal plane) અને ડિટેક્ટર આઇસોલેશન ધરાવે છે.

UVIS ચેનલ ૨૦૦ નેનોમીટર (nm) થી ૧૦૦૦ nm સુધીની પરાબેંગની અને દ્રશ્યમાન તરંગલંબાઇમાં કામ કરે છે. તેમાં ચાર્જ-કપલ્ડ ડિવાઇસ (CCD - ચિપ આધારિત ઇમેજ સેન્સર) ની એક જોડી છે, જેમાં પ્રત્યેક CCD ૨૦૪૮×૪૦૯૬ પિક્સેલ્સ ધરાવે છે. આ ચેનલનું ફીલ્ડ ઓફ વ્યુ (field of view) ૧૬૪×૧૬૪ આર્કસેકન્ડ (૨.૭×૨.૭ આર્કમિનિટ) છે, જેમાં પિક્સેલ સ્કેલ ૦.૦૪ આર્કસેકન્ડ પ્રતિ પિક્સેલ છે. આ ક્ષેત્રફળ પૃથ્વી પરથી દેખાતા પૂનમના ચંદ્રના વ્યાસના આશરે ૮.૫% જેટલું છે.

બીજી બાજુ, IR ચેનલ ૮૦૦ nm થી ૧૭૦૦ nm ની સમીપ-અવરક્ત તરંગલંબાઇ આવરી લે છે. આ ચેનલ ૧૦૨૪×૧૦૨૪ પિક્સેલ્સનો ગેલિયમ-આર્સેનાઇડ અથવા મર્ક્યુરી-કેડમિયમ-ટેલ્યુરાઇડ આધારિત ઇન્ફ્રારેડ ડિટેક્ટર એરે (IR detector array) વાપરે છે. આ ચેનલનું ફીલ્ડ ઓફ વ્યુ ૧૩૫×૧૨૭ આર્કસેકન્ડ (૨.૩×૨.૧ આર્કમિનિટ) છે અને પિક્સેલ સ્કેલ ૦.૧૩ આર્કસેકન્ડ છે, જેણે જૂના NICMOS સાધનની સરખામણીએ ખુબ મોટું કવરેજ પૂરું પાડ્યું છે.

WFC3 નો કાર્ય-પ્રવાહ અને પ્રકાશ માર્ગ

કેમેરાની અંદર આવતો પ્રકાશ કેવી રીતે પ્રોસેસ થાય છે તે સમજવા માટે તેનો તબક્કાવાર કાર્ય-પ્રવાહ નીચે મુજબ છે:

WFC3 ની એક વિશિષ્ટતા એ છે કે તેમાં ટકાઉપણું અને ખર્ચ ઘટાડવા માટે જૂના અવકાશ હાર્ડવેરનો પુનઃઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે. આ કેમેરાનું બાહ્ય માળખું અને ફિલ્ટર એસેમ્બલી મૂળ વાઇડ ફીલ્ડ એન્ડ પ્લેનેટરી કેમેરા (WFPC1) ની જ બનેલી છે, જે ૧૯૯૩ ના સર્વિસિંગ મિશન દરમિયાન પાછી લાવવામાં આવી હતી.

થર્મોઇલેક્ટ્રિક કૂલિંગ અને ઓપ્ટીકલ સીમાઓ

ઇન્ફ્રારેડ સેન્સર્સમાં સૌથી મોટી ચિંત એ હોય છે કે ખુદ સાધનમાંથી નીકળતી ગરમી જ ઇન્ફ્રારેડ તસવીરને ધૂંધળી કરી નાખે છે. અગાઉના સાધનો આ માટે ક્રાયોજેનિક લિક્વિડ (જેમ કે પ્રવાહી હિલિયમ) નો ઉપયોગ કરતા હતા જે અમુક સમયે વપરાઈ જતો હતો. પરંતુ WFC3 ની IR ચેનલને ૧૭૦૦ nm થી આગળના પ્રકાશ પ્રત્યે અસંવેદનશીલ (lack sensitivity) બનાવવામાં આવી છે.

કારણ કે હબલ સ્પેસ ટેલિસ્કોપનું માળખું સરખામણીમાં ગરમ હોય છે, ૧૭૦૦ nm થી ઉપરની તરંગલંબાઇ પર આ માળખામાંથી જ થર્મલ બેકગ્રાઉન્ડ (thermal background) રેડિયેશન ઉત્પન્ન થાય છે. આ કટ-ઓફ મર્યાદા નક્કી કરવાને લીધે WFC3 ને કોઈ પણ વપરાઈ જાય તેવા ક્રાયોજન (consumables) વગર માત્ર થર્મોઇલેક્ટ્રિક કૂલર (thermoelectric cooler) વડે ઠંડો રાખી શકાય છે, જેનાથી તેનું આયુષ્ય અમર્યાદિત બની જાય છે.

મિશનનો ઇતિહાસ અને વૈજ્ઞાનિક યોગદાન

WFC3 ને નાસાના ગૌડાર્ડ સ્પેસ ફ્લાઇટ સેન્ટર (Goddard Space Flight Center - GSFC) અને બોલ એરોસ્પેસ (Ball Aerospace) દ્વારા તૈયાર કરવામાં આવ્યો હતો. મે ૨૦૦૯ માં સ્થાપિત થયા પછી આ કેમેરાએ બ્રહ્માંડના અદ્ભુત રહસ્યો ઉજાગર કર્યા છે.

હબલના ૨૫ વર્ષ પૂરા થવાની ઉજવણી રૂપે જાન્યુઆરી ૨૦૧૫ માં અંકુરિત તારાઓવાળા ક્ષેત્ર 'પિલર્સ ઓફ ક્રિએશન' (Pillars of Creation - ઈગલ નેબ્યુલા) ની WFC3 દ્વારા લેવાયેલી હાઇ-રેઝોલ્યુશન વિઝિબલ અને ઇન્ફ્રારેડ તસવીર રજૂ કરવામાં આવી હતી. આ અગાઉ ૧૯૯૫ માં લેવાયેલી તસવીર જૂના WFPC2 કેમેરાથી લેવામાં આવી હતી.

૮ જાન્યુઆરી ૨૦૧૯ ના રોજ WFC3 માં સોફ્ટવેર સંબંધિત સમસ્યા આવતા ઓનબોર્ડ કમ્પ્યુટરે તેની કામગીરી સ્થગિત કરી દીધી હતી, પરંતુ નાસાએ ૧૭ જાન્યુઆરી ૨૦૧૯ ના રોજ તેને સફળાપૂર્વક સોફ્ટવેર ફિક્સ કરીને પુનઃ સક્રિય કર્યો હતો. WFC3 નો IR મોડ જેઈમ્સ વેબ સ્પેસ ટેલિસ્કોપ (James Webb Space Telescope - JWST) માટે ટેકનોલોજીકલ પાથફાઇન્ડર (pathfinder) સાબિત થયો છે અને આજે પણ હબલનું સૌથી સક્ષમ નેત્ર બની રહ્યો છે.