હબલની અચળ નજર પાછળનું રહસ્ય: ફાઇન ગાઇડન્સ સેન્સર્સની અદભુત ઇજનેરી

અવકાશમાં પૃથ્વીની આસપાસ ભ્રમણ કરતા ટેલિસ્કોપ માટે સૌથી મોટો પડકાર કોઈ દૂરના તારા કે આકાશગંગા પર પોતાની નજર સેંકડો મિનિટો સુધી સહેજ પણ ડગ્યા વિના સ્થિર રાખવાનો છે. ૧૯૯૦માં લો અર્થ ઓર્બિટમાં સ્પેસ શટલ મિશન STS-31 દ્વારા પ્રક્ષેપિત થયેલા હબલ સ્પેસ ટેલિસ્કોપે (Hubble Space Telescope) ખગોળશાસ્ત્રની દુનિયામાં ક્રાંતિ સર્જી છે. આ વેધશાળાની સફળતા પાછળ તેની મુખ્ય ૨.૪ મીટરની આરસી જેટલો જ મોટો હાથ તેના અત્યંત સંવેદનશીલ ઓપ્ટિકલ ઉપકરણોનો છે, જે ટેલિસ્કોપને યોગ્ય દિશામાં ટકાવી રાખે છે. આ વિશિષ્ટ યંત્રણાને ફાઇન ગાઇડન્સ સેન્સર્સ (Fine Guidance Sensors - FGS) તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.

જો ટેલિસ્કોપનું ઓરિએન્ટેશન સહેજ પણ વિચલિત થાય, તો લાંબા એક્સપોઝરવાળી તસવીરો ધૂંધળી બની જાય છે. હબલના વિજ્ઞાન લક્ષ્યોને પ્રાપ્ત કરવા માટે તેના દર્પણ અને ગાઇડન્સ પ્રણાલીનું નિર્માણ અત્યંત કઠિન માપદંડો મુજબ કરવામાં આવ્યું હતું. હબલના સંચાલનમાં સ્પેસ ટેલિસ્કોપ સાયન્સ ઇન્સ્ટિટ્યૂટ (STScI) તેના લક્ષ્યો નક્કી કરે છે અને ડેટા પ્રક્રિયા કરે છે, જ્યારે ગોડાર્ડ સ્પેસ ફ્લાઇટ સેન્ટર (GSFC) અવકાશયાનનું નિયંત્રણ સંભાળે છે. પરંતુ આ સમગ્ર વ્યવસ્થાની પાયાની જરૂરિયાત લક્ષ્ય પર સંપૂર્ણ પકડ જાળવી રાખવાની છે, જેનું કામ FGS એકમો સંભાળે છે.

ઐતિહાસિક પૃષ્ઠભૂમિ અને સેન્સર્સનું નિર્માણ

અવકાશ આધારિત વેધશાળાનો વિચાર સૌપ્રથમ ૧૯૨૩માં હર્મન ઓબર્થે પોતાના પુસ્તકમાં રજૂ કર્યો હતો અને ત્યારબાદ ૧૯૪૬માં ખગોળશાસ્ત્રી લાયમન સ્પિટ્ઝરે પૃથ્વીના વાતાવરણની બહાર ટેલિસ્કોપ મૂકવાના ફાયદા સમજાવ્યા હતા. પૃથ્વી પર વાતાવરણની અસ્થિરતાને કારણે તારાઓ ટમટમતા દેખાય છે, જેને જોવાની મર્યાદા (seeing) કહેવાય છે. અવકાશમાં વિવર્તન-મર્યાદિત (diffraction-limited) ક્ષમતા મળવાથી ૦.૦૫ આર્કસેકન્ડ જેટલું ઉત્કૃષ્ટ રિઝોલ્યુશન મેળવી શકાય છે. ૧૯૭૦ના દાયકામાં આ પ્રોજેક્ટને આકાર આપવા માટે માર્શલ સ્પેસ ફ્લાઇટ સેન્ટર (MSFC)ને જવાબદારી સોંપવામાં આવી હતી.

MSFC દ્વારા ઓપ્ટિકલ ટેલિસ્કોપ એસેમ્બલી (optical telescope assembly - OTA) અને ફાઇન ગાઇડન્સ સેન્સર્સની ડિઝાઇન તથા નિર્માણનું કામ પ્રખ્યાત ઓપ્ટિક્સ કંપની પર્કિન-એલ્મર (Perkin-Elmer)ને સોંપવામાં આવ્યું હતું. ટેલિસ્કોપની રચના રિકી-ક્રેટિયન (Ritchey–Chrétien) કેસેગ્રેઇન પ્રકારની છે, જેમાં બે હાઇપરબોલિક અરીસાઓનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે જેથી વિશાળ દ્રશ્ય ક્ષેત્રમાં શાર્પ ઇમેજિંગ મળી શકે. હબલના સમગ્ર માળખામાં ચોક્કસ અંતરે ગોઠવવામાં આવેલા સેન્સર્સ આ જ ઓપ્ટિકલ સિસ્ટમમાંથી આવતા પ્રકાશનો ઉપયોગ કરીને માર્ગદર્શન મેળવે છે.

સેન્સર્સની આંતરિક રચના અને ઇન્ટરફેરોમેટ્રી ટેકનોલોજી

હબલ સ્પેસ ટેલિસ્કોપમાં કુલ ત્રણ ફાઇન ગાઇડન્સ સેન્સર્સ સ્થાપિત કરવામાં આવ્યા છે. આ ત્રણેય સેન્સર્સ ટેલિસ્કોપના દ્રશ્ય ક્ષેત્રની પરિમિતિ પર ૯૦ ડિગ્રીના અંતરે ગોઠવાયેલા છે. સામાન્ય કેમેરા કે સેન્સરની જેમ માત્ર ઇમેજ લેવાને બદલે, હબલના FGS એકમો ઇન્ટરફેરોમીટર (interferometer) તરીકે કામ કરે છે. ઇન્ટરફેરોમીટર એટલે પ્રકાશના મોજાંના વ્યતિકરણનો ઉપયોગ કરીને અત્યંત સૂક્ષ્મ અંતરો અને ખૂણાઓ માપતું વિશિષ્ટ સાધન.

આ સેન્સર્સ આવનારા તારકીય પ્રકાશના તરંગ જેવા ગુણધર્મોનો લાભ લે છે. જ્યારે તારાનો પ્રકાશ સેન્સરમાં પ્રવેશે છે, ત્યારે તેને બે ભાગમાં વિભાજિત કરીને પુનઃ સંયોજિત કરવામાં આવે છે, જેનાથી એક વ્યતિકરણ પેટર્ન (interference pattern) રચાય છે. જો ટેલિસ્કોપ પોતાના નિર્ધારિત સ્થાન પરથી એક આર્કસેકન્ડના અતિ સૂક્ષ્મ ભાગ જેટલું પણ ખસી જાય, તો તરંગોના તબક્કામાં તફાવત સર્જાય છે. આ તફાવત તરત જ વિદ્યુત સંકેતમાં ફેરવાય છે અને ટેલિસ્કોપની એટિટ્યુડ કંટ્રોલ સિસ્ટમ (attitude control system - ACS)ને મોકલવામાં આવે છે.

ટેલિસ્કોપના નિયંત્રણ માટે આ ત્રણ સેન્સર્સમાંથી સામાન્ય રીતે બે સેન્સર્સનો ઉપયોગ એકસાથે કરવામાં આવે છે. આ બે FGS પૂર્વનિર્ધારિત માર્ગદર્શક તારાઓ (guide stars) પર લોક થઈને ટેલિસ્કોપને અવકાશમાં સંપૂર્ણપણે સ્થિર રાખે છે. જ્યારે આ બે સેન્સર પોઇન્ટિંગ જાળવી રાખે છે, ત્યારે બાકી રહેતો ત્રીજો સેન્સર એક અનોખી વૈજ્ઞાનિક ભૂમિકા ભજવવા માટે મુક્ત બને છે.

માર્ગદર્શનથી આગળ: ખગોળમિતિમાં વિજ્ઞાન સાધન તરીકે ભૂમિકા

હબલના ફાઇન ગાઇડન્સ સેન્સર્સ માત્ર એન્જિનિયરિંગ કંટ્રોલ પૂરતા મર્યાદિત નથી, પરંતુ તે પોતે અત્યંત શક્તિશાળી વૈજ્ઞાનિક સાધન પણ છે. ત્રીજા મુક્ત FGSનો ઉપયોગ એસ્ટ્રોમેટ્રી (astrometry) એટલે કે ખગોળમિતિ માટે થાય છે, જે અવકાશી પદાર્થોના ચોક્કસ સ્થાન અને હલનચલનનો અભ્યાસ કરતું વિજ્ઞાન છે. FGSની અસાધારણ સચોટતાને કારણે તેનો ઉપયોગ તારાઓ વચ્ચેના ચોક્કસ અંતર માપવા માટે કરવામાં આવે છે.

આ ઉપરાંત, દ્વિસંગી તારા પ્રણાલીઓ (binary star systems)ના વિશ્લેષણમાં FGS નિર્ણાયક સાબિત થયું છે. સામાન્ય ટેલિસ્કોપમાં જે બે તારાઓ એક જ પ્રકાશબિંદુ જેવા દેખાતા હોય, તેમને FGS અલગ તારવીને તે ખરેખર જોડિયા તારા છે કે નહીં તે સ્પષ્ટ કરી શકે છે. નજીકના તારાઓની ગતિમાં આવતી અત્યંત સૂક્ષ્મ ધ્રુજારી (wobble) માપીને તે તારાની આસપાસ ભ્રમણ કરતા સંભવિત ગ્રહોની હાજરી પણ શોધી શકે છે. સાથોસાથ દૂરના તારાઓ અને તારાવિશ્વોના કોણીય વ્યાસ (angular diameter) માપવામાં પણ આ ઉપકરણ મહત્વનું યોગદાન આપે છે.

હબલ અને જેમ્સ વેબના માર્ગદર્શનનું તુલનાત્મક વિશ્લેષણ

નાસાના નવા જેમ્સ વેબ સ્પેસ ટેલિસ્કોપ (James Webb Space Telescope - JWST)માં પણ FGS નામની ગાઇડિંગ સિસ્ટમ છે, પરંતુ તેની ટેકનોલોજી હબલ કરતા તદ્દન અલગ છે. કેનેડિયન સ્પેસ એજન્સી દ્વારા પૂરી પાડવામાં આવેલી અને COM DEV ઇન્ટરનેશનલ દ્વારા નિર્મિત JWST ની FGS ઇન્ટરફેરોમીટરને બદલે ઇમેજ સેન્ટ્રોઇડિંગ પદ્ધતિ પર કામ કરે છે. વજન અને કદ બચાવવા માટે તેને નિયર ઇન્ફ્રારેડ ઇમેજર અને સ્લિટલેસ સ્પેક્ટ્રોગ્રાફ સાથે એક જ એકમમાં જોડવામાં આવ્યું છે.

હબલના FGSની જેમ JWSTનું સેન્સર સંશોધકો માટે વિજ્ઞાન પ્રસ્તાવો કે એસ્ટ્રોમેટ્રી અભ્યાસ માટે ઉપલબ્ધ નથી; તે માત્ર ગાઇડિંગ અને કેલિબ્રેશન માટે જ સમર્પિત છે. JWSTનું સેન્સર લક્ષ્ય પ્રાપ્તિ માટે તારાઓના ક્ષેત્રની ઓળખ કરે છે, પૂર્વનિર્ધારિત ગાઇડ સ્ટારને ૮ × ૮ પિક્સેલની વિન્ડોમાં કેન્દ્રિત કરે છે અને પ્રતિ સેકન્ડે ૧૬ વખત સેન્ટ્રોઇડ માપન મોકલે છે. બીજી તરફ, હબલનું FGS સીધું ઇન્ટરફેરોમેટ્રિક માપન આપીને સંશોધકોને અદ્યતન અવકાશી માપણીઓની સુવિધા આપે છે.

કાર્યકારી મર્યાદાઓ અને ઇતિહાસના પડકારો

હબલના FGS અત્યંત સંવેદનશીલ ઓપ્ટિકલ સાધનો હોવાથી તેમની અમુક ચોક્કસ ઓપરેશનલ મર્યાદાઓ પણ છે. આ સેન્સર્સની ઉચ્ચ સંવેદનશીલતાને કારણે, જ્યારે ટેલિસ્કોપ સૂર્યથી ૫૦ ડિગ્રી કે તેથી ઓછા કોણીય અંતરે નિર્દેશિત હોય ત્યારે FGSનો ઉપયોગ કરી શકાતો નથી. સૂર્યનો તીવ્ર પ્રકાશ આ સંવેદનશીલ ઇન્ટરફેરોમેટ્રિક ડિટેક્ટર્સને નુકસાન પહોંચાડી શકે છે, તેથી આ સલામતી કોણ જાળવવો અનિવાર્ય છે.

હબલના સમગ્ર ઇતિહાસમાં તેની જાળવણી અવકાશયાત્રીઓ દ્વારા કરવામાં આવી છે. ૧૯૯૩ના STS-61 મિશનથી લઈને ૨૦૦૯ના અંતિમ સર્વિસિંગ મિશન સુધીમાં પાંચ શટલ મિશનો દ્વારા હબલના સાધનો અને FGS એકમોનું સમારકામ તથા અપગ્રેડેશન કરવામાં આવ્યું હતું. બજેટની મર્યાદાઓને કારણે શરૂઆતમાં પ્રસ્તાવિત ૩ મીટરના પ્રાથમિક દર્પણને ઘટાડીને ૨.૪ મીટર કરવામાં આવ્યું હતું, તેમ છતાં પર્કિન-એલ્મર દ્વારા નિર્મિત આ FGS એકમોએ હબલને બ્રહ્માંડના વિસ્તરણ દરની શોધ જેવા સીમાચિહ્નરૂપ સંશોધનો કરવામાં અડગ ટેકો પૂરો પાડ્યો છે.

ત્રીસ વર્ષથી વધુ સમયથી કાર્યરત આ ટેલિસ્કોપ ૨૦૩૦ થી ૨૦૪૦ સુધી કાર્યરત રહેવાની ધારણા છે. પર્કિન-એલ્મરના ઇજનેરો દ્વારા ડિઝાઇન કરાયેલું આ ઇન્ટરફેરોમેટ્રિક ગાઇડન્સ માળખું આજે પણ અવકાશ વિજ્ઞાનમાં ચોકસાઈ અને સ્થિરતાનું ઉત્કૃષ્ટ ઉદાહરણ ગણાય છે.