જેમ્સ વેબ સ્પેસ ટેલિસ્કોપ: ઇન્ફ્રારેડ વિઝન અને સુવર્ણ દર્પણ દ્વારા બ્રહ્માંડના પ્રારંભિક રહસ્યોનો ખુલાસો
પૃથ્વીથી ૧૫ લાખ કિલોમીટર દૂર સ્થિત જેમ્સ વેબ સ્પેસ ટેલિસ્કોપ બ્રહ્માંડના પ્રથમ તારાઓ અને ગેલેક્સીઓના નિર્માણને ઇન્ફ્રારેડ તરંગો દ્વારા કેવી રીતે જુએ છે તેની સંપૂર્ણ ટેકનિકલ સમજ.
ખગોળશાસ્ત્રના ઇતિહાસમાં બ્રહ્માંડના સૌથી ઊંડા અને પ્રાચીન ખૂણાઓને ખોલવા માટે માનવજાતે તૈયાર કરેલું સૌથી જટિલ અને શક્તિશાળી સાધન એટલે જેમ્સ વેબ સ્પેસ ટેલિસ્કોપ (James Webb Space Telescope - JWST). આ ટેલિસ્કોપ મુખ્યત્વે ઇન્ફ્રારેડ (infrared - પારરક્ત પ્રકાશ) ખગોળશાસ્ત્ર માટે ડિઝાઇન કરવામાં આવ્યો છે. ૨૫ ડિસેમ્બર ૨૦૨૧ના રોજ ફ્રેંચ ગિયાનાના કૌરૂ ખાતેથી એરિયન ૫ (Ariane 5) રોકેટ દ્વારા તેને અવકાશમાં લોન્ચ કરવામાં આવ્યો હતો. જાન્યુઆરી ૨૦૨૨માં તે પૃથ્વીથી આશરે ૧૫ લાખ કિલોમીટર (૯,૩૦,૦૦૦ માઇલ) દૂર આવેલા સૂર્ય-પૃથ્વી એલ૨ લેગ્રેન્જ પોઇન્ટ (Sun-Earth L2 Lagrange point) નજીક પોતાની કક્ષામાં પહોંચ્યો હતો. આ પ્રોજેક્ટનું નેતૃત્વ યુ.એસ. નેશનલ એરોનોટિક્સ એન્ડ સ્પેસ એડમિનિસ્ટ્રેશન (NASA) દ્વારા કરવામાં આવ્યું છે, જેમાં યુરોપિયન સ્પેસ એજન્સી (ESA) અને કેનેડિયન સ્પેસ એજન્સી (CSA) સહભાગી છે. મેરીલેન્ડ સ્થિત નાસાના ગોડાર્ડ સ્પેસ ફ્લાઇટ સેન્ટરે તેના વિકાસનું સંચાલન કર્યું હતું, જ્યારે આ પ્રોજેક્ટના મુખ્ય કોન્ટ્રાક્ટર નોર્થરોપ ગ્રુમેન (Northrop Grumman) હતા. ૧૯૬૧થી ૧૯૬૮ દરમિયાન મર્ક્યુરી, જેમિની અને એપોલો પ્રોગ્રામ્સ વખતે નાસાના એડમિનિસ્ટ્રેટર રહેલા જેમ્સ ઈ. વેબના નામ પરથી આ ટેલિસ્કોપનું નામ રાખવામાં આવ્યું છે.
જેમ્સ વેબ ટેલિસ્કોપની સૌથી મોટી વિશેષતા તેની અસાધારણ પ્રકાશ એકત્રિત કરવાની ક્ષમતા અને ઇન્ફ્રારેડ ઇમેજિંગ છે. હબલ સ્પેસ ટેલિસ્કોપ (Hubble Space Telescope) કરતા વેબનો પ્રાથમિક અરીસો વ્યાસમાં ૨.૭ ગણો મોટો છે. હબલનો અરીસો ૨.૪ મીટર (૭.૯ ફૂટ) વ્યાસનો છે, જ્યારે વેબનો પ્રાથમિક અરીસો ૬.૫ મીટર (૨૧ ફૂટ) વ્યાસ ધરાવે છે. વેબનો અરીસો ૧૮ અલગ-અલગ ષટ્કોણાકાર (hexagonal) સેગમેન્ટ્સથી બનેલો છે, જે બેરિલિયમ (beryllium) ધાતુમાંથી તૈયાર કરીને તેના પર સોનાનું (gold) પાતળું સ્તર ચઢાવવામાં આવ્યું છે. આ અરીસાનો પોલિશ કરેલો કુલ વિસ્તાર ૨૬.૩ ચોરસ મીટર છે, જેમાંથી ૦.૯ ચોરસ મીટર ભાગ દ્વિતીયક અરીસાના સપોર્ટ સ્ટ્રટ્સ દ્વારા રોકાયેલો છે. આમ, વેબનો પ્રકાશ એકત્રિત કરવાનો કુલ અસરકારક વિસ્તાર ૨૫.૪ ચોરસ મીટર (૨૭૩ ચોરસ ફૂટ) થાય છે, જે હબલના ૪.૦ ચોરસ મીટર વિસ્તાર કરતા ૬ ગણાથી પણ વધુ છે.
| લક્ષણ | હબલ ટેલિસ્કોપ | જેમ્સ વેબ ટેલિસ્કોપ |
|---|---|---|
| મુખ્ય અરીસાનો વ્યાસ | ૨.૪ મીટર | ૬.૫ મીટર |
| પ્રકાશ એકત્ર કરવાનો વિસ્તાર | ૪.૦ ચોરસ મીટર | ૨૫.૪ ચોરસ મીટર |
| તરંગલંબાઈ શ્રેણી (Spectrum) | ૦.૧ થી ૨.૫ માઇક્રોમીટર | ૦.૬ થી ૨૮.૫ માઇક્રોમીટર |
| કાર્યકારી તાપમાન | આશરે ૧૫ °C (૨૮૮ K) | ૫૦ K થી નીચે (−૨૨૩ °C) |
| પૃથ્વીથી અંતર | ૫૫૦ કિલોમીટર | ૧૫ લાખ કિલોમીટર (L2) |
ચોરસ મીટર
ટેલિસ્કોપની કાર્યપ્રણાલી અને ઓપ્ટિકલ ડિઝાઇન થ્રી-મિરર એનાસ્ટિગ્મેટ (three-mirror anastigmat) પર આધારિત છે. આ ડિઝાઇનમાં વક્ર દ્વિતીયક (secondary) અને તૃતીયક (tertiary) અરીસાઓનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે, જે વ્યાપક ક્ષેત્રમાં ઓપ્ટિકલ ખામીઓ (aberrations) વગર સ્પષ્ટ ચિત્રો આપે છે. દ્વિતીયક અરીસાનો વ્યાસ ૦.૭૪ મીટર છે. આ ઉપરાંત, એક ફાઇન સ્ટીયરીંગ અરીસો (fine steering mirror) પણ છે જે ચિત્રને સ્થિર રાખવા માટે પ્રતિ સેકન્ડે અનેક વખત પોતાની સ્થિતિમાં સૂક્ષ્મ ફેરફાર કરે છે. ટેલિસ્કોપના ૧૮ અરીસાના સેગમેન્ટ્સને અવકાશમાં લોન્ચ કર્યા બાદ યોગ્ય સ્થાને ગોઠવવા માટે ૧૩૨ નાની એક્ટ્યુએટર (actuation) મોટર્સનો ઉપયોગ થાય છે. આ મોટર્સ અરીસાને ૧૦ નેનોમીટરની અદ્ભુત ચોકસાઈ સાથે ખસેડી શકે છે. અરીસાના ષટ્કોણાકાર આકારને કારણે વેબ દ્વારા લેવાયેલા પોઇન્ટ લાઇટ સોર્સ (જેમ કે તારા)ના ચિત્રોમાં ૬ મુખ્ય અને ૨ ઝાંખી ડિફ્રેક્શન સ્પાઇક્સ (diffraction spikes) જોવા મળે છે.
- ૧. પ્રાથમિક અરીસા દ્વારા સંગ્રહ૧૮ સુવર્ણ ષટ્કોણાકાર અરીસાઓ દૂરના ઇન્ફ્રારેડ પ્રકાશના કિરણોને એકત્રિત કરીને દ્વિતીયક અરીસા તરફ પરાવર્તિત કરે છે.
- ૨. સૂક્ષ્મ સમાયોજન (Actuation)૧૩૨ એક્ટ્યુએટર મોટર્સ અરીસાના ભાગોને ૧૦ નેનોમીટરની ચોકસાઈ સાથે ગોઠવે છે જેથી ધ્યાન કેન્દ્રિત રહે.
- ૩. ઓપ્ટિકલ સ્ટેબિલાઈઝેશનથ્રી-મિરર એનાસ્ટિગ્મેટ ડિઝાઇન અને ફાઇન સ્ટીયરીંગ અરીસો પ્રતિ સેકન્ડે અનેક વાર સ્થિતિ બદલીને ઇમેજને સ્થિર કરે છે.
- ૪. ISIM સાધનો દ્વારા પૃથ્થકરણNIRCam અને NIRSpec જેવા સાધનો ઇન્ફ્રારેડ પ્રકાશનું વિશ્લેષણ કરીને સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી અને ચિત્રો તૈયાર કરે છે.
ઇન્ફ્રારેડ ખગોળશાસ્ત્ર માટે ટેલિસ્કોપને અત્યંત ઠંડો રાખવો અનિવાર્ય છે. જો ટેલિસ્કોપનું તાપમાન ઊંચું હોય, તો તે પોતે જ ઇન્ફ્રારેડ વિકિરણ (infrared radiation) ઉત્સર્જિત કરવા લાગે છે, જેનાથી દૂરના આકાશી પિંડોમાંથી આવતો ઝાંખો પ્રકાશ ઢંકાઈ જાય. હબલનો અરીસો આશરે ૧૫ °C (૨૮૮ K) તાપમાને રહે છે, તેથી તે આ ઇન્ફ્રારેડ બેન્ડ્સ જોઈ શકતો નથી. વેબ ટેલિસ્કોપને ૫૦ કેલ્વિન (−૨૨૩ °C અથવા −૩૭૦ °F)થી નીચેના અત્યંત ઠંડા તાપમાને રાખવો પડે છે. આ માટે વેબ પાસે ૫-સ્તરીય સનશીલ્ડ (sunshield) છે. દરેક સ્તર આશરે ૦.૧ મિલીમીટર પાતળું છે અને તે કાપ્ટોન ઈ (Kapton E) ફિલ્મથી બનેલું છે, જેની બંને બાજુ એલ્યુમિનિયમનું કોટિંગ છે. સૂર્ય તરફ રહેતા બહારના બે સ્તરો પર ડોપ્ડ સિલિકોનનું વધારાનું સ્તર છે જેથી સૂર્યની ગરમીને અવકાશમાં પરાવર્તિત કરી શકાય. આ સનશીલ્ડનો સન પ્રોટેક્શન ફેક્ટર (SPF) ૧૦,૦૦૦,૦૦ (૧૦ લાખ) છે.
અવકાશમાં એરિયન ૫ રોકેટના પેલોડ ફેરિંગ (જેનો વ્યાસ ૪.૫૭ મીટર અને લંબાઈ ૧૬.૧૯ મીટર હતી)માં સમાવવા માટે સનશીલ્ડને ૧૨ વખત વાળીને પેક કરવામાં આવી હતી. ખોલ્યા પછી સનશીલ્ડનું કદ ૧૪.૧૬૨ મીટર × ૨૧.૧૯૭ મીટર થાય છે. સૂર્ય-પૃથ્વી L2 પોઇન્ટ પર હોવાને કારણે સૂર્ય, પૃથ્વી અને ચંદ્ર હંમેશા ટેલિસ્કોપની એક જ બાજુ રહે છે. આનાથી સનશીલ્ડ આ ત્રણેય પિંડોની ગરમી અને પ્રકાશને રોકી શકે છે. L2 ની આસપાસ હેલો ઓર્બિટ (halo orbit)માં ફરતી વખતે તેની સ્થિતિ L2 પોઇન્ટથી ૨,૫૦,૦૦૦ થી ૮,૩૨,૦૦૦ કિલોમીટર વચ્ચે બદલાય છે, જેથી તે પૃથ્વી કે ચંદ્રના પડછાયામાં ન આવે અને તેને સતત સૌર ઊર્જા મળતી રહે.
વેબ ટેલિસ્કોપ મુખ્યત્વે ૦.૬ થી ૨૮.૫ માઇક્રોમીટર (μm)ની તરંગલંબાઈ ધરાવતા પ્રકાશનું નિરીક્ષણ કરે છે, જેમાં લાલ દ્રશ્યમાન પ્રકાશથી લઈને મધ્ય-ઇન્ફ્રારેડ (mid-infrared) ક્ષેત્રનો સમાવેશ થાય છે. હબલ ટેલિસ્કોપ ૦.૧ થી ૨.૫ માઇક્રોમીટર (અતિવાયોલેટ, દ્રશ્યમાન અને નજીકનો ઇન્ફ્રારેડ) ક્ષેત્રમાં કામ કરે છે. બ્રહ્માંડના વિસ્તારને કારણે અત્યંત દૂરના પિંડોમાંથી આવતા પ્રકાશની તરંગલંબાઈ ખેંચાઈને લાલ અને ઇન્ફ્રારેડ તરફ ખસે છે, જેને રેડશિફ્ટ (redshift) કહેવાય છે. વેબ ટેલિસ્કોપ z ≈ ૨૦ સુધીના હાઇ-રેડશિફ્ટ ઓબ્જેક્ટ્સ જોઈ શકે છે, જે બિગ બેંગના માત્ર ૧૮૦ મિલિયન (૧૮ કરોડ) વર્ષ પછીનો સમયગાળો છે. તેની સરખામણીમાં હબલ માત્ર z ≈ ૧૧.૧ (GN-z11 ગેલેક્સી, બિગ બેંગના ૪૦૦ મિલિયન વર્ષ પછી) સુધી જ જોઈ શકતો હતો. પ્રથમ તારાઓ z ≈ ૩૦ થી z ≈ ૨૦ દરમિયાન અને પ્રથમ ગેલેક્સીઓ z ≈ ૧૫ (૨૭૦ મિલિયન વર્ષ) આસપાસ બની હોવાનું મનાય છે. ઇન્ફ્રારેડ પ્રકાશ અંતરિક્ષમાં રહેલા ધૂળના વાદળોને સરળતાથી ભેદી શકે છે, જેનાથી તારાઓના જન્મસ્થળ અને ગ્રહોની રચના સ્પષ્ટ જોઈ શકાય છે.
વૈજ્ઞાનિક સાધનોને સપોર્ટ આપવા માટે ઇન્ટિગ્રેટેડ સાયન્સ ઇન્સ્ટ્રુમેન્ટ મોડ્યુલ (ISIM) નામનું માળખું છે, જે ગ્રેફાઇટ-એપોક્સી કમ્પોઝિટથી બનેલું છે. આ મોડ્યુલ ૪ મુખ્ય સાધનો અને ગાઇડ કેમેરા ધરાવે છે. જેમાં NIRCam (Near Infrared Camera) ૦.૬ થી ૫ માઇક્રોમીટર ક્ષેત્રમાં ચિત્રો લે છે. યુનિવર્સિટી ઓફ એરિઝોનાની ટીમ (મુખ્ય સંશોધક માર્શિયા જે. રીકે) દ્વારા બનાવાયેલા આ કેમેરામાં ૪ મેગાપિક્સલના ૧૦ સેન્સર્સ છે. NIRCam પ્રાથમિક અરીસાના સેટિંગ માટે વેવફ્રન્ટ સેન્સર તરીકે પણ કાર્ય કરે છે. આ ઉપરાંત ESA દ્વારા બનાવાયેલ NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) તે જ તરંગલંબાઈમાં સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી કરે છે.
જેમ્સ વેબ ટેલિસ્કોપ આપણા સૌરમંડળના પિંડોનું પણ અવલોકન કરી શકે છે. તે સૂર્યથી ૮૫° થી વધુ ખૂણે આવેલા અને ૦.૦૩ આર્ક સેકન્ડ પ્રતિ સેકન્ડથી ઓછી ઝડપે ગતિ કરતા પિંડો જેવા કે મંગળ, ગુરુ, શનિ, યુરેનસ, નેપ્ચ્યુન, પ્લુટો, કાઇપર બેલ્ટના ઓબ્જેક્ટ્સ (Kuiper Belt Objects) તેમજ ધૂમકેતુઓનું નિરીક્ષણ કરે છે. આ ઉપરાંત સુપરનોવા કે ગામા રે બર્સ્ટ જેવી અણધારી ઘટનાઓનો નિર્ણય લીધાના ૪૮ કલાકની અંદર તે અવલોકન શરૂ કરી શકે છે. ૧૯૯૬માં Next Generation Space Telescope તરીકે શરૂ થયેલા આ પ્રોજેક્ટમાં ૧૯૯૯માં ૧ અબજ ડોલરના બજેટ સાથે ૨૦૦૭ના લોન્ચિંગની યોજના હતી. પરંતુ ટેકનિકલ જટિલતાઓને કારણે ૨૦૦૫માં તેનું પુનઃડિઝાઇનિંગ થયું અને ૨૦૧૬માં નિર્માણ પૂરું થયું. ૨૦૧૮માં ટેસ્ટિંગ દરમિયાન સનશીલ્ડ ફાટવાને કારણે વધુ વિલંબ થયો અને આખરે ૧૦ અબજ ડોલરના કુલ ખર્ચે આ યુગ પરિવર્તક ટેલિસ્કોપ સાકાર થયો.
