મંગળ પર પ્રાચીન જીવનની શોધ: Perseverance રોવરના SuperCam સાધનનું વિજ્ઞાન અને કાર્યપદ્ધતિ

મંગળ ગ્રહ પર પ્રાચીન સૂક્ષ્મજીવોના જીવનના સંભવિત પુરાવા અથવા બાયોસિગ્નેચર (biosignatures) ની શોધ કરવી એ વિજ્ઞાન જગત માટે હંમેશાં એક મોટો પડકાર રહ્યો છે. આ જટિલ કામગીરી પૂર્ણ કરવા માટે NASA ના Mars 2020 Perseverance રોવર મિશન પર એક ખાસ રિમોટ-સેન્સિંગ ટૂલકિટ તૈનાત કરવામાં આવી છે, જેને SuperCam તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. SuperCam એ એક સાથે અનેક સાધનોનો સમૂહ છે, જેમાં એક ઓપ્ટિકલ કેમેરા, બે વિવિધ લેસર, ચાર સ્પેક્ટ્રોમીટર અને એક માઇક્રોફોનનો સમાવેશ થાય છે. આ સાધનોની મદદથી રોવર મંગળની સપાટી પરના ખડકો અને માટીનું દૂરથી જ ઊંડાણપૂર્વક રાસાયણિક અને ખનિજ વિશ્લેષણ કરી શકે છે.

જ્યારે પણ રોવર મંગળ પરના કોઈ ખડક કે નમૂના તરફ ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે, ત્યારે SuperCam તેના સ્પેક્ટ્રોમીટર અને લેસર દ્વારા એકસાથે સંબંધિત માપન એકત્રિત કરે છે. આ એકત્રિત ડેટાના આધારે વૈજ્ઞાનિકો નમૂનાઓની ભૂ-રસાયણશાસ્ત્ર (geochemistry) અને ખનિજશાસ્ત્ર (mineralogy) સીધી રીતે નક્કી કરી શકે છે. સાધનોના આ સમૂહમાં રામન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી (Raman spectroscopy), ટાઇમ-રિઝોલ્વ્ડ ફ્લોરેસન્સ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી (time-resolved fluorescence spectroscopy - TRF), અને વિઝિબલ અને ઇન્ફ્રારેડ રિફ્લેક્ટન્સ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી (Visible and InfraRed reflectance spectroscopy - VISIR) નો સમાવેશ થાય છે. આ સ્પેક્ટ્રોમીટર પ્રાથમિક માહિતી પૂરી પાડે છે અને અણુઓની રચના સાથે કાર્બનિક સંયોજનો (organic compounds) ને સીધા માપી શકે છે.

સુપરકેમનો વિકાસ અને આંતરરાષ્ટ્રીય સહયોગ

SuperCam એ અગાઉના Curiosity રોવરમાં સફળતાપૂર્વક કામ કરી ચૂકેલા ChemCam સાધનનું એક અત્યાધુનિક અને સુધારેલું સંસ્કરણ છે. ChemCam ની સરખામણીમાં SuperCam માં બે અલગ-અલગ લેસર અને નવા ડિટેક્ટર્સ ઉમેરીને તેની ક્ષમતામાં મોટો વધારો કરવામાં આવ્યો છે. આ અદ્યતન સાધનની રચના આંતરરાષ્ટ્રીય વૈજ્ઞાનિક સહયોગનું એક ઉત્કૃષ્ટ ઉદાહરણ છે. તેને ફ્રાન્સની યુનિવર્સિટી ઓફ તુલુસની રિસર્ચ ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઇન એસ્ટ્રોફિઝિક્સ એન્ડ પ્લેનેટોલોજી (IRAP), ફ્રેન્ચ સ્પેસ એજન્સી (CNES), લોસ અલામોસ નેશનલ લેબોરેટરી (Los Alamos National Laboratory), યુનિવર્સિટી ઓફ વાલાડોલિડ (સ્પેન), યુનિવર્સિટી ઓફ હવાઈ, અને સ્પેનની યુનિવર્સિટી ઓફ બાસ્ક કન્ટ્રી તથા મલાગા યુનિવર્સિટી દ્વારા સંયુક્ત રીતે વિકસાવવામાં આવ્યું છે.

આ સમગ્ર મિશનના મુખ્ય સંશોધક (Principal Investigator) લોસ અલામોસ નેશનલ લેબોરેટરીના રોઝર વિયેન્સ (Roger Wiens) છે. આ ઉપરાંત, SuperCam સાધન AEGIS (Autonomous Exploration for Gathering Increased Science) નામની એક ઓટોનોમસ ટાર્ગેટીંગ સિસ્ટમ સાથે મળીને કામ કરે છે. આ AEGIS પ્રોગ્રામ વિકસાવવામાં નાસાના રોબોટિક્સ એન્જિનિયર વંદી વર્મા (Vandi Verma) એ મહત્વની ભૂમિકા ભજવી છે. સાધનોના અંતિમ એસેમ્બલી અને પરીક્ષણનો તબક્કો એપ્રિલ ૨૦૧૮ માં પૂર્ણ થયો હતો. ત્યારબાદ જૂન ૨૦૧૯ માં તેનું ફ્લાઇટ મોડેલ Perseverance રોવરમાં ફિટ કરવામાં આવ્યું હતું અને આ મિશન ૩૦ જુલાઈ ૨૦૨૦ ના રોજ અવકાશમાં લોન્ચ કરવામાં આવ્યું હતું.

LIBS તકનીક: પથ્થરોને પીગળાવીને રાસાયણિક તપાસ

SuperCam માં રસાયણોની રચના માપવા માટે એક ખાસ લેસર-ઇન્ડ્યુસ્ડ બ્રેકડાઉન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી (laser-induced breakdown spectroscopy - LIBS) સિસ્ટમનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. આ LIBS સિસ્ટમ ૧૦૬૪ નેનોમીટર (nm) ની તરંગલંબાઈ (wavelength) ધરાવતો લેસર બીમ છોડે છે. આ લેસર એટલો ચોક્કસ છે કે તે રોવરથી ૭ મીટરથી પણ વધુ અંતરે રહેલા ચોખાના દાણા જેટલા નાના લક્ષ્યનું પણ પરીક્ષણ કરી શકે છે. આ ક્ષમતાને કારણે Perseverance રોવર પોતાની રોબોટિક હાથની પહોંચ બહાર આવેલા ખડકોનો પણ આસાનીથી અભ્યાસ કરી શકે છે.

જ્યારે ૧૦૬૪ nm નો લેસર બીમ ખડક પર પડે છે, ત્યારે તે પથ્થરની અતિ સૂક્ષ્મ માત્રાને બાષ્પીભવન (vaporize) કરી દે છે, જેનાથી અત્યંત ગરમ પ્લાઝ્મા (plasma: આયનાઇઝ્ડ ગેસ) બને છે. તે જ ક્ષણે SuperCam આ ગરમ પ્લાઝ્મામાંથી ઉત્સર્જિત થતા પ્રકાશના રંગોને માપે છે. આ પ્રકાશના સ્પેક્ટ્રમ પરથી ખડકમાં રહેલા મૂળભૂત તત્વોની રચનાનો ખ્યાલ આવે છે. વધુમાં, આ લેસર બીમ ખડકની સપાટી પર જમા થયેલી ધૂળને દૂર કરવાની ક્ષમતા પણ ધરાવે છે, જેથી SuperCam ના અન્ય તમામ સાધનોને લક્ષ્યનો સ્પષ્ટ અને સચોટ નજારો મળી શકે. LIBS યુનિટમાં કુલ ત્રણ સ્પેક્ટ્રોમીટર હોય છે, જેમાંથી બે સ્પેક્ટ્રોમીટર VISIR સ્પેક્ટ્રાના દ્રશ્યમાન (visible) અને વાયોલેટ ભાગને હેન્ડલ કરે છે, જ્યારે ઇન્ફ્રારેડ (IR) ભાગ રોવરના માસ્ટમાં રેકોર્ડ થાય છે.

રામન અને ઇન્ફ્રારેડ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી: ખડકોની આંતરિક રચનાની વિશ્લેષણ

SuperCam સાધન સમૂહમાં બીજું મહત્વનું સાધન રામન સ્પેક્ટ્રોમીટર છે, જે ૫૩૨ નેનોમીટર (nm) ની તરંગલંબાઈ ધરાવતા લીલા રંગના લેસરનો ઉપયોગ કરે છે. આ રામન સ્પેક્ટ્રોમીટર રોવરથી ૧૨ મીટર સુધીના અંતરે આવેલા લક્ષ્યોની તપાસ કરી શકે છે. રામન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી ટેકનીકમાં, લીલા લેસરનો મોટાભાગનો પ્રકાશ જે તરંગલંબાઈ પર મોકલવામાં આવ્યો હતો તે જ તરંગલંબાઈ પર પાછો પરાવર્તિત થાય છે. પરંતુ, પ્રકાશનો એક ખૂબ જ નાનો ભાગ લક્ષ્યના અણુઓ સાથે આંતરક્રિયા કરે છે. આ આંતરક્રિયાને કારણે મોલેક્યુલર બોન્ડ (molecular bond: અણુઓ વચ્ચેનો બંધ) ની વાઇબ્રેશનલ એનર્જી (vibrational energy: કંપન ઉર્જા) ના પ્રમાણમાં પ્રકાશની તરંગલંબાઈ બદલાઈ જાય છે. પાછા ફરતા આ રામન પ્રકાશનું સ્પેક્ટ્રલી નિરીક્ષણ કરીને ખડકમાં રહેલા ખનિજોની ચોક્કસ ઓળખ કરી શકાય છે.

ખનિજોની વિગતવાર સમજ મેળવવા માટે ફ્રાન્સ દ્વારા પૂરું પાડવામાં આવેલું ઇન્ફ્રારેડ (IR) સ્પેક્ટ્રોમીટર પણ ખૂબ જ મહત્વપૂર્ણ છે. આ સાધન નજીકના ઇન્ફ્રારેડ (near-infrared) ક્ષેત્રમાં કામ કરે છે, જેની તરંગલંબાઈ ૧.૩ થી ૨.૬ માઇક્રોમીટર હોય છે. આ ઇન્ફ્રારેડ સ્પેક્ટ્રોમીટર મંગળ પરના માટીના ખનિજો (clay minerals) નો અભ્યાસ કરશે અને મંગળ પર પ્રવાહી પાણીના ઇતિહાસનો ભેદ ઉકેલવામાં મદદ કરશે. માટીના ખનિજોના પ્રકારો અને તેમની વિપુલતા પરથી ભૂતકાળમાં મંગળ પર રહેલા પાણીના સ્વરૂપ વિશે મહત્વપૂર્ણ સંકેતો મળે છે—જેમ કે તે પાણી મીઠું હતું કે ખારું, તેનો pH એસિડિક હતું કે તટસ્થ (neutral), તે બરફીલું હતું કે ગરમ, અને શું તે લાંબા સમય સુધી અસ્તિત્વમાં હતું. મંગળનું પર્યાવરણ પ્રાચીન સમયમાં જીવન માટે કેટલું અનુકૂળ હતું તે સમજવા માટે આ તમામ પ્રશ્નો ખૂબ જ મહત્વપૂર્ણ છે.

ઓપ્ટિકલ કેમેરા, માઇક્રોફોન અને તાપમાન નિયંત્રણ

જમીનના ખડકો સિવાય મંગળના વાતાવરણને સમજવા માટે SuperCam માં એક ઉચ્ચ ક્ષમતા ધરાવતો ઓપ્ટિકલ કેમેરા પણ લગાવવામાં આવ્યો છે. આ કેમેરો અભ્યાસ હેઠળના નમૂનાઓની ઉચ્ચ-રિઝોલ્યુશનવાળી રંગીન છબીઓ લે છે, જે સપાટીની ભૂસ્તરશાસ્ત્રીય રચના નક્કી કરવામાં મદદ કરે છે. આ ઉપરાંત, આ કેમેરો મંગળના વાતાવરણમાં રહેલી ધૂળ અને પાણીના કણો સૌર વિકિરણ (solar radiation) ને કેવી રીતે શોષી લે છે અથવા પરાવર્તિત કરે છે તેનો અભ્યાસ કરે છે, જે ભવિષ્યમાં મંગળના હવામાનની આગાહી કરવામાં મદદરૂપ થશે.

SuperCam ની અન્ય એક અનોખી વિશેષતા એ છે કે તેમાં મંગળની સપાટી પરથી પ્રથમ ઓડિયો રેકોર્ડિંગ મેળવવા માટે એક વિશેષ માઇક્રોફોન ફીટ કરવામાં આવ્યો છે. આ માઇક્રોફોન Knowles Corp EK મોડેલનું છે. આ જ મોડેલના માઇક્રોફોન અગાઉ ૧૯૯૮ ના Mars Polar Lander અને ૨૦૦૭ ના Phoenix lander મિશનમાં પણ મોકલવામાં આવ્યા હતા, પરંતુ તે બંને મિશન મંગળ પરથી અવાજ રેકોર્ડ કરવામાં નિષ્ફળ રહ્યા હતા. Perseverance મિશન દ્વારા પ્રથમ વખત મંગળનો અવાજ રેકોર્ડ કરવાની સિદ્ધિ મેળવી છે.

આ તમામ સંવેદનશીલ ઇલેક્ટ્રોનિક સાધનો મંગળના અત્યંત વિષમ અને ઠંડા વાતાવરણમાં યોગ્ય રીતે કામ કરી શકે તે માટે તેમાં થર્મોઇલેક્ટ્રિક કૂલર (thermoelectric cooler) સિસ્ટમ રાખવામાં આવી છે. SuperCam ના ચારેય સ્પેક્ટ્રોમીટરના ડિટેક્ટર્સને થર્મોઇલેક્ટ્રિક કૂલર વડે ૦ °C કરતાં સહેજ નીચા તાપમાને ઠંડા રાખવામાં આવે છે. આ ઉપરાંત, ઇન્ફ્રારેડ (IR) સ્પેક્ટ્રોમીટરના ફોટોડાયોડ (photodiode) અથવા ડિટેક્ટર્સ દરેક સમયે -૧૦૦ °C થી -૫૦ °C ની વચ્ચે યોગ્ય રીતે કામ કરે તે માટે નાના થર્મોઇલેક્ટ્રિક કૂલર્સ દ્વારા તેમને સતત ઠંડા રાખવામાં આવે છે. આ પ્રકારની ચોક્કસ ડિઝાઇન અને ટેકનોલોજીને કારણે SuperCam મંગળ ગ્રહ પર પ્રાચીન જીવનના એંધાણ શોધવા માટે અત્યાર સુધીનું સૌથી અદ્યતન સાધન બની રહ્યું છે.