અંતરિક્ષના અંધકારમાં ઉદ્ભવતા તારા અને ગ્રહોની તસવીર ઝડપતું રેડિયો નેટવર્ક ALMA

દૂરના અંતરિક્ષમાંથી આવતા અત્યંત સૂક્ષ્મ સંકેતોને પકડવા માટે માનવજાતે બનાવેલું સૌથી જટિલ અને મોંઘું જમીની ખગોળીય ઉપકરણ એટલે ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array). દક્ષિણ અમેરિકાના ચિલી દેશમાં આવેલા ઉત્તરીય અટાકામા રણમાં ૫,૦૦૦ મીટર (૧૬,૦૦૦ ફૂટ) ની ઊંચાઈ પર ચાજનાંતોર પ્લેટો (Chajnantor plateau) પર આ આંતરરાષ્ટ્રીય ઓબ્ઝર્વેટરી સ્થપાયેલી છે. અહીં ૬૬ વિશાળ રેડિયો ટેલિસ્કોપ એન્ટેના એકસાથે કામ કરીને મિલીમીટર અને સબમિલીમીટર તરંગલંબાઈ (millimeter and submillimeter wavelengths) પર ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક રેડિયેશન (electromagnetic radiation) ગ્રહણ કરે છે. આ ભવ્ય સુવિધા યુરોપ, યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સ, કેનેડા, જાપાન, દક્ષિણ કોરિયા, તાઇવાન અને ચિલીના આંતરરાષ્ટ્રીય સહયોગથી તૈયાર કરવામાં આવી છે, જેનો કુલ ખર્ચ આશરે $૧.૪ થી $૧.૫ અબજ (US$ 1.4 to 1.5 billion) થયો છે.

બ્રહ્માંડના પ્રારંભિક સ્ટેલિફેરસ યુગ (Stelliferous era) માં તારાઓના જન્મથી લઈને સ્થાનિક તારા અને ગ્રહોના નિર્માણની પ્રક્રિયાનું ઝીણવટભર્યું ચિત્ર મેળવવામાં ALMA અભૂતપૂર્વ સાબિત થયું છે. આ રેડિયો નેટવર્કનું વૈજ્ઞાનિક નિરીક્ષણ કામકાજ ૨૦૧૧ના ઉત્તરાધમાં શરૂ થયું હતું અને ૩ ઓક્ટોબર ૨૦૧૧ના રોજ તેની પ્રથમ તસવીરો જાહેર કરવામાં આવી હતી. માર્ચ ૨૦૧૩થી આ વિશાળ ટેલિસ્કોપ અરે સંપૂર્ણ રીતે કાર્યરત છે. સિંગલ-ડિશ ટેલિસ્કોપ જેમ કે James Clerk Maxwell Telescope અથવા જુના ઇન્ટરફેરોમીટર નેટવર્ક જેવા કે Submillimeter Array કે IRAM Plateau de Bure સુવિધા કરતાં ALMA શ્રેષ્ઠ સંવેદનશીલતા અને ઉચ્ચ રેઝોલ્યુશન (resolution) પ્રદાન કરે છે.

ચાજનાંતોર પ્લેટો: શા માટે આ વિષમ સ્થળ પસંદ કરાયું?

રેડિયો ખગોળશાસ્ત્રમાં મિલીમીટર અને સબમિલીમીટર તરંગો અભ્યાસ માટે અત્યંત મહત્વના છે, પરંતુ પૃથ્વીના વાતાવરણમાં રહેલી ભેજ અને વરાળ આ સંકેતોને શોષી લે છે. આ સમસ્યાને દૂર કરવા માટે ALMA ને પૃથ્વી પરના સૌથી શુષ્ક અને ઊંચા સ્થળોમાંથી એક એવા ચાજનાંતોર પ્લેટો પર સ્થાપિત કરવામાં આવ્યું છે. આ સ્થળ Llano de Chajnantor ઓબ્ઝર્વેટરી અને APEX (Atacama Pathfinder Experiment) ની નજીક આવેલું છે. ઊંચાઈ અને અત્યંત ઓછા ભેજના કારણે વાતાવરણ દ્વારા થતું સંકેતનું નબળું પડવું એટલે કે સિગ્નલ એટિન્યુએશન (signal attenuation) ઘટે છે અને નોઈઝ (noise) ઓછો થાય છે.

ALMA ની આસપાસનો વિસ્તાર અત્યંત નિર્જન અને પહાડી છે. આ વિષમ સ્થળ ખગોળશાસ્ત્રીઓને પૃથ્વીના વાતાવરણની કાળી બાજુથી દૂર રાખીને બ્રહ્માંડના ઊંડાણમાંથી આવતા ૦.૩૨ થી ૩.૬ મિલીમીટર (૩૧ થી ૧૦૦૦ GHz ફ્રિક્વન્સી) ની તરંગલંબાઈ ધરાવતા તરંગોને સ્પષ્ટ રીતે ઝીલવાની તક આપે છે.

અરે આર્કિટેક્ચર અને ઇન્ટરફેરોમેટ્રી સિદ્ધાંત

ALMA ના વિશિષ્ટ પાવરનું મુખ્ય રહસ્ય તેની ઇન્ટરફેરોમીટર (interferometer) તકનીક અને એન્ટેનાની મોટી સંખ્યા છે. મુખ્ય અરેમાં ૫૦ વિશાળ ૧૨-મીટર વ્યાસ ધરાવતા એન્ટેના છે, જેમાંથી ૨૫ એન્ટેના ઉત્તર અમેરિકાના ભાગીદારો અને ૨૫ એન્ટેના યુરોપિયન ભાગીદારો દ્વારા પૂરા પાડવામાં આવ્યા છે. આ સિવાય પૂર્વ એશિયાઈ દેશોના યોગદાનથી એક વધારાનું અરે બનાવવામાં આવ્યું છે જેને આટાકામા કોમ્પેક્ટ અરે (Atacama Compact Array - ACA) કહેવાય છે. ACA માં ચાર ૧૨-મીટર વ્યાસના અને બાર ૭-મીટર વ્યાસના એન્ટેના સમાવિષ્ટ છે.

નાના એન્ટેનાનો ઉપયોગ કરીને ACA આપેલ ફ્રિક્વન્સી (frequency) પર મોટો ફીલ્ડ ઓફ વ્યૂ (field of view) કેપ્ચર કરી શકે છે. જ્યારે એન્ટેનાને એકબીજાની નજીક ગોઠવવામાં આવે છે ત્યારે તે વિશાળ કોણીય વિસ્તાર ધરાવતા આકાશી સ્ત્રોતોની તસવીર લેવામાં સક્ષમ બને છે. ACA મુખ્ય અરે સાથે મળીને કામ કરે છે અને નેટવર્કની વાઇડ-ફીલ્ડ ઇમેજિંગ ક્ષમતામાં ભારે વધારો કરે છે. આ એન્ટેનાને રણની પ્લેટો પર ૧૫૦ મીટરથી લઈને ૧૬ કિલોમીટર સુધીના અંતરે ખસેડી શકાય છે, જેનાથી ALMA ને એક શક્તિશાળી વેરીએબલ ઝૂમ (variable zoom) મળે છે.

ઇન્ટરફેરોમેટ્રી પ્રક્રિયામાં બહુવિધ ટેલિસ્કોપમાંથી આવતા સંકેતોને એકસાથે મેળવીને એવી રીતે પ્રોસેસ કરવામાં આવે છે જાણે કે તે કિલોમીટરો મોટી એક જ રાક્ષસી ડિશ હોય. ખગોળશાસ્ત્રીઓ અને એન્જિનિયરોએ ૨૦૦૯ના અંતમાં ૫,૦૦૦ મીટરની ઊંચાઈ પર સૌપ્રથમવાર ત્રણ એન્ટેનાને સફળતાપૂર્વક એકબીજા સાથે જોડ્યા હતા. માત્ર બે એન્ટેનાના ઉપયોગથી થતી ત્રુટિઓને ત્રણ એન્ટેના જોડાણ વડે સુધારી શકાઈ હતી, જેણે ઉચ્ચ રેઝોલ્યુશન ઇમેજિંગનો માર્ગ પ્રશસ્ત કર્યો હતો.

૨૮-પૈડાંવાળા રાક્ષસી ટ્રાન્સપોર્ટર અને નિર્માણનું સાહસ

ALMA નો ઇતિહાસ ત્રણ મોટા ખગોળીય પ્રોજેક્ટ્સમાં રહેલો છે: યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સનો Millimeter Array (MMA), યુરોપનો Large Southern Array (LSA) અને જાપાનનો Large Millimeter Array (LMA). ૧૯૯૭માં NRAO અને ESO એ MMA અને LSA ને મર્જ કરીને સંયુક્ત પ્રોજેક્ટ બનાવવાની સહમતી દર્શાવી. માર્ચ ૧૯૯૯માં આ પ્રોજેક્ટનું નામ 'Atacama Large Millimeter Array' (ALMA) રાખવામાં આવ્યું. સ્પેનિશ ભાષામાં આલ્માનો અર્થ 'આત્મા' અને અરબી ભાષામાં 'જ્ઞાની' થાય છે. ૨૫ ફેબ્રુઆરી ૨૦૦૩ના રોજ યુરોપ અને ઉત્તર અમેરિકા વચ્ચે આખરી કરાર થયો, અને ૧૪ સપ્ટેમ્બર ૨૦૦૪ના રોજ જાપાનના NAOJ સાથે કરાર કરીને એન્હાન્સડ ALMA ની સ્થાપના થઈ.

૧૧૫ ટન વજન ધરાવતા વિશાળ એન્ટેનાને ૨,૯૦૦ મીટરની ઊંચાઈએ આવેલા ઓપરેશન્સ સપોર્ટ ફેસિલિટી (OSF) થી ૫,૦૦૦ મીટર ઊંચાઈ પર સ્થળ પર પહોંચાડવા એ એક ભગીરથ કાર્ય હતું. આ માટે જર્મનીની Scheuerle Fahrzeugfabrik કંપની દ્વારા ખાસ બનાવવામાં આવેલા બે ૨૮-પૈડાંવાળા સેલ્ફ-લોડિંગ હેવી ટ્રાન્સપોર્ટર વાહનોનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો. આ વાહનો ૧૦ મીટર પહોળા, ૨૦ મીટર લાંબા અને ૬ મીટર ઊંચા છે, અને તેમનું વજન ૧૩૦ ટન છે. તેમાં પાવર માટે ૫૦૦ કિલોવોટના ટ્વિન ટર્બોચાર્જ્ડ ડીઝલ એન્જિન લાગેલા છે.

પહાડી વિસ્તારની પાતળી હવામાં વાહનચાલકને શ્વાસ લેવામાં મદદ કરવા માટે ટ્રાન્સપોર્ટરની ડ્રાઇવર સીટ પર ઓક્સિજન ટેન્ક રાખવાની ખાસ વ્યવસ્થા કરવામાં આવી હતી. આ વાહનો એન્ટેનાને અતિ ચોકસાઈપૂર્વક પેડ્સ પર ગોઠવે છે. જુલાઈ ૨૦૦૭માં પ્રથમ વાહનનું પરીક્ષણ થયું હતું અને ૧૫ ફેબ્રુઆરી ૨૦૦૮ના રોજ બંને ટ્રાન્સપોર્ટર ચિલી પહોંચાડાયા હતા. ૨૮ જુલાઈ ૨૦૧૧ના રોજ ૧૬મું એન્ટેના (પ્રથમ યુરોપિયન એન્ટેના) સ્થળ પર પહોંચતા જ વિજ્ઞાન નિરીક્ષણ શરૂ કરવા માટે જરૂરી ન્યૂનતમ સંખ્યા પૂરી થઈ હતી. ઓક્ટોબર ૨૦૧૨ સુધીમાં ૪૩ એન્ટેના ગોઠવી દેવાયા હતા.

મુખ્ય સ્પષ્ટીકરણો અને ભાગીદારોનું યોગદાન

ALMA ના નિર્માણમાં વિશ્વની અગ્રણી કંપનીઓએ ભાગ લીધો હતો. General Dynamics C4 Systems એ ૨૫ એન્ટેનાનું નિર્માણ કર્યું, જ્યારે યુરોપિયન ઉત્પાદક Thales Alenia Space એ અન્ય ૨૫ મુખ્ય એન્ટેના સપ્લાય કર્યા, જે જમીન આધારિત ખગોળશાસ્ત્રના ઇતિહાસમાં સૌથી મોટો યુરોપિયન વ્યાપારિક કરાર હતો. જાપાનની Mitsubishi Electric કંપનીએ NAOJ ના ૧૬ એન્ટેનાનું એસેમ્બલિંગ કર્યું હતું. ડિસેમ્બર ૨૦૦૮થી સપ્ટેમ્બર ૨૦૧૩ દરમિયાન તમામ એન્ટેના સ્થળ પર પહોંચાડવામાં આવ્યા હતા.

અંતરિક્ષ વિજ્ઞાનના ઇતિહાસમાં ALMA સૌથી મોંઘો જમીની ટેલિસ્કોપ પ્રોજેક્ટ છે, જોકે Hubble અને James Webb જેવા સ્પેસ ટેલિસ્કોપ પ્રોજેક્ટ્સનો ખર્ચ આનાથી ઘણો વધારે હતો. ALMA નું સંચાલન ESO, NSF, NRC કેનેડા, NAOJ જાપાન, ASIAA તાઇવાન અને ચિલી પ્રજાસત્તાકની આંતરરાષ્ટ્રીય ભાગીદારી દ્વારા થાય છે.

વિજ્ઞાનના ક્ષેત્રે ક્રાંતિકારી શોધ: તારા, બ્લેક હોલ અને ગ્રહોનું નિર્માણ

તેના પ્રારંભિક પરીક્ષણ તબક્કામાં જ ALMA એ પોતાની ક્ષમતા સાબિત કરી દીધી હતી. એન્ટેના ગેલેક્સીઝ (Antennae Galaxies) નામના અથડાતા ગેલેક્સી યુગલની ALMA દ્વારા લેવાયેલી સબમિલીમીટર તસવીરે ઠંડા અને ગીચ વાયુના વાદળો દર્શાવ્યા હતા, જ્યાં નવા તારાઓનો જન્મ થઈ રહ્યો છે. દ્રશ્ય પ્રકાશ (visible light) માં આ ધૂળિયા વાદળો જોઈ શકાતા નથી.

૧૧ ઓગસ્ટ ૨૦૧૪ના રોજ વૈજ્ઞાનિકોએ ALMA નો ઉપયોગ કરીને C/2012 F6 (Lemmon) અને C/2012 S1 (ISON) ધૂમકેતુઓના કોમાની અંદર HCN, HNC, H2CO અને ધૂળના વિતરણનો વિગતવાર અભ્યાસ જાહેર કર્યો હતો. તે જ વર્ષે HL Tauri નામના યુવાન તારાની આસપાસ પ્રોટોપ્લેનેટરી ડિસ્ક (protoplanetary disc) નું ચિત્ર લેવાયું, જેમાં તેજસ્વી રિંગ્સ અને ગેપ દેખાતા હતા. આ શોધે ગ્રહોના નિર્માણના જૂના સિદ્ધાંતોને પડકાર્યા કારણ કે માત્ર ૧,૦૦૦,૦૦૦ વર્ષ જૂની સિસ્ટમમાં ગ્રહ નિર્માણની અપેક્ષા નહોતી. ૨૦૨૨ માં ALMA એ exoALMA પ્રોગ્રામ શરૂ કર્યો, જે ૧૫ પ્રોટોપ્લેનેટરી ડિસ્ક સિસ્ટમનો ઊંડો અભ્યાસ કરીને નવા બનતા બહિર્ગ્રહો (exoplanets) ની શોધ કરે છે.

આ ઉપરાંત, ૧૨ અબજ વર્ષ પહેલાં બનેલા તીવ્ર ગરમ ગેલેક્સી ક્લસ્ટર SPT2349-56 ની શોધમાં ALMA એ મહત્વની ભૂમિકા ભજવી હતી. ૨૦૧૯ માં જાહેર થયેલી માનવ ઇતિહાસની પ્રથમ બ્લેક હોલની સીધી તસવીર મેળવનાર Event Horizon Telescope પ્રોજેક્ટમાં પણ ALMA એ મુખ્ય ભૂમિકા ભજવી હતી. શુક્ર ગ્રહના વાતાવરણમાં જૈવિક સંકેત ગણાતા ફોસ્ફીન (phosphine) વાયુની શોધના દાવામાં પણ ALMA નો ડેટા વપરાયો હતો, જે વિષય હાલમાં વધુ માપનની રાહ જોઈ રહ્યો છે. ALMA આજે બ્રહ્માંડના અંધકારમય વિસ્તારોને પ્રકાશિત કરીને ખગોળશાસ્ત્રમાં નવી ક્રાંતિ સર્જી રહ્યું છે.