બ્રહ્માંડના અદ્રશ્ય રહસ્યો ખોલતું જેમ્બ્સ વેબનું સોના જેવું આયનાદાર 'મિરી' ઉપકરણ

અંતરિક્ષ વિજ્ઞાનના ઇતિહાસમાં ૨૫ ડિસેમ્બર ૨૦૨૧નો દિવસ સુવર્ણ અક્ષરે લખાયેલો છે, જ્યારે ફ્રેન્ચ ગુઆનાના કૌરુ (Kourou) ખાતેથી અરીયાન ૫ (Ariane 5) રોકેટ દ્વારા જેમ્બ્સ વેબ સ્પેસ ટેલિસ્કોપ (James Webb Space Telescope - JWST) ને લોન્ચ કરવામાં આવ્યું હતું. નાસા (NASA), યુરોપિયન સ્પેસ એજન્સી (ESA) અને કનેડિયન સ્પેસ એજન્સી (CSA) ના સહિયારા સાહસથી બનેલું આ ટેલિસ્કોપ પૃથ્વીથી લગભગ ૧૫ લાખ કિલોમીટર દૂર સ્થિત સૂર્ય-પૃથ્વી લેગ્રાન્જ પોઇન્ટ ૨ (Lagrange point - L2) પર કાર્યરત છે. ૧૦ અબજ યુએસ ડોલર ($10 billion) ના ખર્ચે તૈયાર થયેલું આ પૃથ્વીનું સૌથી મોટું અને સૌથી શક્તિશાળી અંતરિક્ષ ટેલિસ્કોપ છે.

જેમ્બ્સ વેબ ટેલિસ્કોપનો મુખ્ય હેતુ ઇન્ફ્રારેડ એસ્ટ્રોનોમી (infrared astronomy) એટલે કે બ્રહ્માંડમાંથી આવતા અદ્રશ્ય પારરક્ત પ્રકાશનો અભ્યાસ કરવાનો છે. બ્રહ્માંડના ઉદ્ભવના પ્રારંભિક તબક્કામાં બનેલી પ્રથમ ગેલેક્સીઓ અને બ્રહ્માંડ સમયના રેડશિફ્ટ z≈૨૦ (બિગ બેંગના આશરે ૧૮૦ મિલિયન વર્ષ પછી) સુધીના પ્રાચીન પિંડોને જોવા માટે વેબને ખાસ ડિઝાઇન કરવામાં આવ્યું છે. આ કાર્ય માટે ટેલિસ્કોપ પર ચાર અત્યાધુનિક વૈજ્ઞાનિક સાધનો ગોઠવવામાં આવ્યા છે, જેમાં સૌથી મહત્વપૂર્ણ અને જટિલ ઉપકરણ 'મિરી' એટલે કે મિડ-ઇન્ફ્રારેડ ઇન્સ્ટ્રુમેન્ટ (Mid-Infrared Instrument - MIRI) છે.

શૂન્યથી નજીકના તાપમાને બ્રહ્માંડનું નિરીક્ષણ: મિરી શું છે?

વિકિપીડિયાના અહેવાલ મુજબ, મિરી એ જેમ્બ્સ વેબનું એકમાત્ર એવું વૈજ્ઞાનિક સાધન છે જે મિડ-ઇન્ફ્રારેડ (mid-infrared) એટલે કે ૫ થી ૨૮.૬ માઇક્રોન (micron) ની તરંગલંબાઈ પર કાર્ય કરે છે. ટેલિસ્કોપના અન્ય ત્રણ સાધનો માત્ર નિકટ-ઇન્ફ્રારેડ (near-infrared) ક્ષેત્રમાં કામ કરે છે. મિડ-ઇન્ફ્રારેડ સ્પેક્ટ્રમ અત્યંત અગત્યનું છે કારણ કે અવકાશમાં રહેલા ધૂળના વાદળોમાંથી આ કિરણો સરળતાથી પસાર થઈ શકે છે, જેના કારણે ધૂળથી ઘેરાયેલા નવા જન્મેલા તારાઓ અને નવજાત ગ્રહ પ્રણાલીઓ (debris disks) નો સ્પષ્ટ અભ્યાસ શક્ય બને છે.

વેબ ટેલિસ્કોપનું પ્રાથમિક દર્પણ (primary mirror) ૧૮ પંચકોણીય બેરિલિયમ (beryllium) ટુકડાઓનું બનેલું છે, જેના પર સોનાનું અત્યંત પાતળું સ્તર ચઢાવવામાં આવ્યું છે. આ દર્પણનો વ્યાસ ૬.૫ મીટર (૨૧ ફીટ) છે અને તેનો પ્રકાશ એકત્રિત કરવાનો વિસ્તાર ૨૫.૪ ચોરસ મીટર છે, જે હબલ સ્પેસ ટેલિસ્કોપના ૪.૦ ચોરસ મીટરના વિસ્તાર કરતાં આશરે છ ગણો મોટો છે. આ વિશાળ દર્પણ મિરી જેવા ઉપકરણો પર પ્રકાશને કેન્દ્રિત કરે છે, જેથી હબલ કરતાં ૧૦૦ ગણા ઝાંખા પિંડો પણ સરળતાથી જોઈ શકાય છે.

ક્રાયોકૂલર (Cryocooler): ૭ કેલ્વિન સુધી સુપર-કૂલિંગ કરવાની અનોખી તકનીક

મિરી ઉપકરણની સૌથી મોટી વિશેષતા તેની ઠંડક જાળવી રાખવાની અદભુત ક્ષમતા છે. કોઈપણ વસ્તુ જ્યારે ગરમ હોય ત્યારે તેમાંથી સ્વયં ઇન્ફ્રારેડ વિકિરણ (radiation) ઉત્સર્જિત થાય છે. જો મિરી ઉપકરણ પોતે ગરમ રહે, તો તેનો પોતાનો ઉષ્મીય અવાજ (thermal noise) દૂરના તારાઓમાંથી આવતા ઝાંખા પ્રકાશને ઢાંકી દે. આથી, મિરીને માત્ર ૭ કેલ્વિન (-૨૬૭.૧૫ °C) ના અતિ-શ્રીત તાપમાને ચલાવવું પડે છે, જે અવકાશના શૂન્યાવકાશ કરતાં પણ વધુ ઠંડું છે.

જેમ્બ્સ વેબની પાંચ સ્તરોવાળી કાપ્ટોન ઈ (Kapton E) ની બનેલી સનશીલ્ડ (sunshield) ટેલિસ્કોપના મુખ્ય માળખાને ૫૦ કેલ્વિન (-૨૨૩ °C) થી નીચે રાખે છે. પરંતુ મિરીને આનાથી પણ વધુ ઠંડકની જરૂર હોવાથી તેમાં એક ખાસ ક્રાયોકૂલર (cryocooler) સિસ્ટમ ઉમેરવામાં આવી છે. નાસા અને ટીઆરડબ્લ્યુ (TRW) દ્વારા વિકસાવવામાં આવેલી આ સિસ્ટમમાં હિલિયમ વાયુનો ઉપયોગ રેફ્રિજરન્ટ તરીકે થાય છે.

આ ક્રાયોકૂલર બે તબક્કામાં કામ કરે છે: પ્રથમ તબક્કામાં મલ્ટિ-સ્ટેજ પલ્સ ટ્યુબ પ્રીકૂલર દ્વારા તાપમાન ૨૦ કેલ્વિન સુધી લાવવામાં આવે છે. ત્યારબાદ, ઓક્સફર્ડ-સ્ટાઇલ લાઇનર કમ્પ્રેસરથી સંચાલિત જુલ-થોમસન (Joule-Thomson - J-T) લૂપ હીટ એક્સચેન્જર દ્વારા હિલિયમ ગેસનું વિસ્તરણ કરીને મિરીના ડિટેક્ટર્સને ૬ થી ૭ કેલ્વિનના ચોક્કસ તાપમાને સ્થિર કરવામાં આવે છે. આ તમામ ગરમીને સ્પેસક્રાફ્ટ બસ પર આવેલા રેડિયેટર દ્વારા અવકાશમાં બહાર ફેંકી દેવામાં આવે છે.

મિરી ઉપકરણની આર્કિટેક્ચરલ રચના: ઈમેજર અને સ્પેક્ટ્રોમીટર

મિરી ઉપકરણ મુખ્યત્વે બે ભાગોનું બનેલું છે: ઈમેજર (Imager) અને સ્પેક્ટ્રોમીટર (Spectrometer). આ સાધન ટેલિસ્કોપના ઇન્ટિગ્રેટેડ સાયન્સ ઇન્સ્ટ્રુમેન્ટ મોડ્યુલ (Integrated Science Instrument Module - ISIM) નામના કાર્બન-ફાઇબર હેક્સાપોડ માળખા પર ટકેલું છે, જે તેને થર્મલ રીતે અલગ પાડે છે.

મિરીના ઈમેજર મોડ્યુલમાં ૧૦ જુદા જુદા ફિલ્ટર્સ ઉપલબ્ધ છે (જેવા કે F560W, F770W, F1000W વગેરે), જે પહોળા વિસ્તારની તસવીરો લેવા માટે સક્ષમ છે. તેનો પ્લેટ સ્કેલ ૦.૧૧ આર્કસેકન્ડ/પિક્સેલ છે અને ફીલ્ડ ઓફ વ્યુ (field of view) ૭૪ x ૧૧૩ આર્કસેકન્ડ છે. આ સિવાય તેમા ૪ ખાસ ફિલ્ટર્સ ધરાવતો કોરોનાગ્રાફ (coronagraph) પણ છે, જે તેજસ્વી તારાના પ્રકાશને અટકાવીને તેની આસપાસના ધૂળના વાદળો કે ગ્રહોની છબી લેવામાં મદદ કરે છે.

મિરીનો સ્પેક્ટ્રોમીટર વિભાગ ૪.૬ થી ૨૮.૬ માઇક્રોન સુધીની તરંગલંબાઈ પર કાર્ય કરે છે. તે લો-રેઝોલ્યુશન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી (Low Resolution Spectroscopy - LRS) અને મીડિયમ-રેઝોલ્યુશન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી (Medium Resolution Spectroscopy - MRS) પૂરી પાડે છે. એમઆરએસ મોડમાં ઇન્ટિગ્રેટેડ ફીલ્ડ યુનિટ (Integral Field Unit - IFU) નો ઉપયોગ થાય છે, જે દરેક પિક્સેલ માટે અલગ સ્પેક્ટ્રમ ધરાવતો ૩D ઇમેજ ક્યુબ (image cube) બનાવે છે.

આર્સેનિક-ડોપ્ડ સિલિકોન ચિપ્સ અને ડિટેક્ટર તકનીક

મિરીમાં પ્રકાશને ડિજિટલ ડેટામાં રૂપાંતરિત કરવા માટે આર્સેનિક-ડોપ્ડ સિલિકોન (Si:As) વડે બનેલી ખાસ ફોકલ પ્લેન મોડ્યુલ્સ (Focal Plane Modules - FPMs) નો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે. મિરીમાં આવા કુલ ત્રણ ડિટેક્ટર છે - એક ઈમેજર માટે અને બે સ્પેક્ટ્રોમીટર માટે. દરેક ડિટેક્ટરની ક્ષમતા ૧૦૨૪ x ૧૦૨૪ પિક્સેલ (૧ મેગાપિક્સેલ) ની છે.

આ આર્સેનિક-ડોપ્ડ સિલિકોન ચિપ્સ મિડ-ઇન્ફ્રારેડ ફોટોન્સ (photons) ને અત્યંત સચોટતાથી ઇલેક્ટ્રોનમાં રૂપાંતરિત કરે છે. લો-રેઝોલ્યુશન સ્પેક્ટ્રોમીટરમાં ૫ થી ૧૪ માઇક્રોન પ્રકાશનું વિખેરણ ( dispersion) કરવા માટે જર્મેનિયમ (Ge) અને ઝિંક સલ્ફાઇડ (ZnS) ના પ્રિઝમનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે.

મિરી ઉપકરણ એ આંતરરાષ્ટ્રીય વિજ્ઞાન સહયોગનું ઉત્કૃષ્ટ ઉદાહરણ છે. યુનાઇટેડ કિંગડમ એસ્ટ્રોનોમી ટેકનોલોજી સેન્ટરના પ્રો. ગિલિયન રાઇટના નેતૃત્વ હેઠળ ૧૦ યુરોપિયન દેશોના કન્સોર્ટિયમ અને નાસાની જેપીએલ (JPL) તથા એરિઝોના યુનિવર્સિટીના પ્રો. જ્યોર્જ રિકની ટીમે પચાસ-પચાસ ટકાના ભાગીદારીથી આ મહાન ઉપકરણનું નિર્માણ કર્યું છે. આ સુપર-કૂલ્ડ આઇબૉલ આજે આપણને બ્રહ્માંડના પ્રથમ તારાઓના જન્મ અને સુદૂર ગ્રહોના વાતાવરણની નવી સરહદો બતાવી રહ્યું છે.