જેમ્સ વેબ સ્પેસ ટેલિસ્કોપ: એક્સોપ્લેનેટના વાતાવરણ અને જીવનની શોધમાં વિજ્ઞાનની નવી છલાંગ

ખગોળશાસ્ત્રના ઇતિહાસમાં માનવજાતે હંમેશાં એક પ્રશ્નનો ઉત્તર શોધવાનો પ્રયાસ કર્યો છે: શું બ્રહ્માંડમાં આપણે એકલા છીએ? આ સવાલનો વૈજ્ઞાનિક જવાબ મેળવવા માટે નેશનલ એરોનોટિક્સ એન્ડ સ્પેસ એડમિનિસ્ટ્રેશન (NASA), યુરોપિયન સ્પેસ એજન્સી (ESA) અને કેનેડિયન સ્પેસ એજન્સી (CSA) ના સંયુક્ત સાહસ રૂપે 'જેમ્સ વેબ સ્પેસ ટેલિસ્કોપ' (James Webb Space Telescope - JWST) ની રચના કરવામાં આવી. ૨૫ ડિસેમ્બર ૨૦૨૧ના રોજ ફ્રેંચ ગિયાનાના કૌરૂ ખાતેથી એરિયન ૫ (Ariane 5) રોકેટ દ્વારા લોન્ચ કરાયેલું આ ટેલિસ્કોપ માનવજાતે અવકાશમાં મોકલેલું સૌથી મોટું અને શક્તિશાળી ઉપકરણ છે.

આ ટેલિસ્કોપનું નામ નાસાના ભૂતપૂર્વ એડમિનિસ્ટ્રેટર જેમ્સ ઇ. વેબના નામ પરથી રાખવામાં આવ્યું છે, જેમણે મર્ક્યુરી, જેમિની અને એપોલો પ્રોગ્રામ્સ દરમિયાન ૧૯૬૧ થી ૧૯૬ ૮ સુધી નાસાનું નેતૃત્વ કર્યું હતું. નોર્થરોપ ગ્રુમેન (Northrop Grumman) મુખ્ય કોન્ટ્રાક્ટર તરીકે ધરાવતા આ પ્રોજેક્ટનું સંચાલન મેરીલેન્ડ સ્થિત નાસા ગોડાર્ડ સ્પેસ ફ્લાઇટ સેન્ટર દ્વારા કરવામાં આવ્યું હતું, જ્યારે બાલટીમોર સ્થિત સ્પેસ ટેલિસ્કોપ સાયન્સ ઇન્સ્ટિટ્યૂટ (STScI) તેનું સક્રિય સંચાલન કરે છે. આશરે ૧૦ અબજ યુએસ ડોલર ($10 billion) ના ખર્ચે તૈયાર થયેલા આ ટેલિસ્કોપે જુલાઈ ૨૦૨૨માં પોતાની પ્રથમ તસવીરો જાહેર કરી હતી.

બ્રહ્માંડમાં જીવનની શોધ અને સ્પેસ ટેલિસ્કોપની ક્રાંતિ

સૂર્યમંડળની બહાર આવેલા ગ્રહોને 'એક્સોપ્લેનેટ' (exoplanet) કહેવામાં આવે છે. પ્રથમ કન્ફર્મ થયેલા એક્સોપ્લેનેટની શોધ ૧૯૯૨માં એક પલ્સાર તારા આસપાસ થઈ હતી, જ્યારે ૧૯૯૫માં સામાન્ય તારાની પરિક્રમા કરતા પ્રથમ ગ્રહ (51 Pegasi b) ની શોધ થઈ હતી. ઓક્ટોબર ૨૦૨૬ સુધીના આંકડા મુજબ, વિજ્ઞાનીઓએ ૪,૮૩૪ ગ્રહ મંડળોમાં ૬,૪૪૫ કન્ફર્મ થયેલા એક્સોપ્લેનેટ શોધી કાઢ્યા છે, જેમાંથી ૧,૦૭૦ મંડળોમાં એક કરતાં વધુ ગ્રહો આવેલા છે. અનુમાન મુજબ, મિલકી વે (Milky Way) ગેલેક્સીમાં આવેલા સૂર્ય જેવા દર ૫ માંથી ૧ તારા પાસે પૃથ્વીના કદનો ગ્રહ તેના 'હેબિટેબલ ઝોન' (habitable zone) અથવા ગોલ્ડીલોક્સ ઝોનમાં આવેલો છે.

હેબિટેબલ ઝોન એટલે તારાથી એવું ચોક્કસ અંતર જ્યાં તાપમાન એવું હોય કે ગ્રહની સપાટી પર પ્રવાહી પાણી અસ્તિત્વમાં રહી શકે. વિજ્ઞાનીઓનો અંદાજ છે કે આપણી ગેલેક્સીમાં ૨૦૦ અબજ તારાઓ પૈકી આશરે ૧૧ અબજ પૃથ્વી જેવા સંભવિત વસવાટયોગ્ય ગ્રહો હોઈ શકે છે, અને જો રેડ ડ્વાર્ફ (red dwarf) તારાઓને પણ ગણતરીમાં લેવામાં આવે તો આ સંખ્યા ૪૦ અબજ સુધી પહોંચી શકે છે. આટલી વિશાળ સંખ્યા ધરાવતા ગ્રહોમાંથી કયા ગ્રહ પર જીવન પાંગરી શકે તેમ છે તે જાણવા માટે તેમના વાતાવરણનો અભ્યાસ કરવો જરૂરી છે.

જેમ્સ વેબ ટેલિસ્કોપ: ડિઝાઇન અને ભૌતિક ક્ષમતાઓ

જેમ્સ વેબ ટેલિસ્કોપ મુખ્યત્વે ઇન્ફ્રારેડ એસ્ટ્રોનોમી (infrared astronomy) એટલે કે પારરક્ત તરંગો દ્વારા ખગોળીય પદાર્થોના અભ્યાસ માટે ડિઝાઇન કરવામાં આવ્યું છે. હબલ સ્પેસ ટેલિસ્કોપ (Hubble Space Telescope) ની સરખામણીમાં વેબનું વજન અડધું છે, પરંતુ તેનો પ્રાથમિક અરીસો (primary mirror) ૬.૫ મીટર (૨૧ ફૂટ) વ્યાસ ધરાવે છે. આ અરીસો સોનાનું પડ ચડાવેલા ૧૮ શટકોણીય (hexagonal) બેરિલિયમ સેગમેન્ટ્સથી બનેલો છે. તેનો કૂલ પ્રકાશ એકત્રિત કરવાનો વિસ્તાર ૨૫.૪ ચોરસ મીટર છે, જે હબલના ૨.૪ મીટર અરીસાના ૪.૦ ચોરસ મીટર વિસ્તાર કરતાં ૬ ગણા કરતાં પણ વધુ છે.

ઇન્ફ્રારેડ તરંગો દ્રશ્યમાન પ્રકાશ કરતાં વધુ લાંબી તરંગલંબાઇ (wavelength) ધરાવે છે, તેથી સમાન રિઝોલ્યુશન મેળવવા માટે મોટા અરીસાની જરૂર પડે છે. વેબ ટેલિસ્કોપ ૦.૬ થી ૨૮.૫ માઇક્રોમીટર સુધીની તરંગલંબાઇમાં અવલોકન કરે છે. આ જ કારણે તે હબલ કરતાં ૧૦૦ ગણા વધુ આછા પદાર્થો જોઈ શકે છે. ઉપરાંત, બ્રહ્માંડના વિસ્તરણને કારણે દૂરના પ્રારંભિક તારાઓનો પ્રકાશ લાંબી તરંગલંબાઇ તરફ ખસી જાય છે, જેને 'રેડશિફ્ટ' (redshift) કહે છે. વેબ z ≈ ૨૦ સુધીના રેડશિફ્ટ વાળા પદાર્થો જોઈ શકે છે, જે બિગ બેંગના માત્ર ૧૮ કરોડ વર્ષ પછીના સમયગાળાના છે.

એક્સોપ્લેનેટના વાતાવરણની તપાસ કેવી રીતે થાય છે?

એક્સોપ્લેનેટના વાતાવરણની તપાસ કરવા માટે 'ટ્રાન્ઝિટ ફોટોમેટ્રી' (transit photometry) અને સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી (spectroscopy) પદ્ધતિનો ઉપયોગ થાય છે. જ્યારે કોઈ ગ્રહ પોતાના માતૃ તારાની આગળથી પસાર થાય છે, ત્યારે તારાનો થોડો પ્રકાશ ગ્રહના વાતાવરણમાંથી પસાર થઈને પૃથ્વી તરફ આવે છે. વાતાવરણમાં રહેલા ચોક્કસ વાયુઓ—જેમ કે પાણીની વરાળ, કાર્બન ડાયોક્સાઇડ, મિથેન અને ઓઝોન—ચોક્કસ ઇન્ફ્રારેડ તરંગલંબાઇના પ્રકાશનું શોષણ કરે છે.

વેબ ટેલિસ્કોપમાં રહેલા અત્યાધુનિક સાધનો, જેમ કે NIRCam (Near Infrared Camera) અને NIRSpec (Near Infrared Spectrograph), આ પ્રકાશનું પૃથ્થકરણ કરીને તેનો સ્પેક્ટ્રમ ગ્રાફ બનાવે છે. શોષાયેલા પ્રકાશની રેખાઓ પરથી વિજ્ઞાનીઓ ચોક્કસ કહી શકે છે કે તે ગ્રહના વાતાવરણમાં કયા રાસાયણિક ઘટકો હાજર છે. પૃથ્વી પરથી જમીન આધારિત ટેલિસ્કોપ દ્વારા આ અભ્યાસ કરવો મુશ્કેલ છે, કારણ કે પૃથ્વીનું પોતાનું વાતાવરણ ઇન્ફ્રારેડ પ્રકાશના ઘણા બેન્ડ્સને શોષી લે છે અને તેમાં રહેલું પાણી તથા કાર્બન ડાયોક્સાઇડ અવલોકનોમાં અવરોધ ઊભો કરે છે.

પૃથ્વીથી ૧૫ લાખ કિલોમીટર દૂર: એલ૨ પોઇન્ટ અને સનશીલ્ડ

પોતાના સાધનો દ્વારા ઉત્સર્જિત થતી ગરમી અવલોકનોમાં અવરોધ ન બને તે માટે જેમ્સ વેબ ટેલિસ્કોપને અત્યંત ઠંડું—૫૦ કેલ્વિન (-૨૨૩ સેલ્સિયસ) થી નીચા તાપમાને—રાખવું જરૂરી છે. આ હેતુ માટે ટેલિસ્કોપને પૃથ્વીથી આશરે ૧૫ લાખ કિલોમીટર (૯,૩૦,૦૦૦ માઇલ) દૂર આવેલી સૂર્ય-પૃથ્વી L2 'લેગ્રેન્જ પોઇન્ટ' (Lagrange point) પર સ્થાપિત કરવામાં આવ્યું છે. L2 એ અવકાશમાં એવું સ્થાન છે જ્યાં સૂર્ય અને પૃથ્વીના ગુરુત્વાકર્ષણ બળનું સંતુલન રહે છે, જેથી સેટેલાઇટ પૃથ્વીની સાથે સાથે જ સૂર્યની પરિક્રમા કરી શકે છે.

ટેલિસ્કોપને સૂર્ય, પૃથ્વી અને ચંદ્રની ગરમી તથા પ્રકાશથી બચાવવા માટે ૫ પડો ધરાવતી વિશાળ 'સનશીલ્ડ' (sunshield) આપેલી છે. આ સનશીલ્ડ કાપ્ટોન ઇ (Kapton E) ફિલ્મથી બનેલી છે જેના પર એલ્યુમિનિયમ અને સિલિકોનનું પડ ચડાવેલું છે. તેનું કદ ૧૪.૧૬૨ મીટર × ૨૧.૧૯૭ મીટર છે અને તેનો સન પ્રોટેક્શન ફેક્ટર (SPF) ૧૦,૦૦૦,૦૦૦ છે. રોકેટના ૪.૫૭ મીટર વ્યાસ ધરાવતા ભાગમાં સમાવવા માટે આ સનશીલ્ડને ૧૨ વખત વાળીને પેક કરવામાં આવી હતી, જેને અવકાશમાં જઈને સફળતાપૂર્વક ખોલવામાં આવી હતી.

હબલ અને વેબની સરખામણી તથા ભવિષ્યની શક્યતાઓ

હબલ ટેલિસ્કોપ પૃથ્વીથી માત્ર ૫૫૦ કિલોમીટરની ઊંચાઈએ પરિભ્રમણ કરે છે અને તેનો અરીસો ૧૫ ડિગ્રી સેલ્સિયસ તાપમાને રહે છે, જેથી તે ઇન્ફ્રારેડ ક્ષેત્રમાં ઊંડાણપૂર્વક જોઈ શકતું નથી. જ્યારે વેબનું અત્યંત નીચું તાપમાન અને મોટો અરીસો તેને અવકાશ વિજ્ઞાનના નવા યુગમાં લઈ જાય છે. વેબના પ્રાથમિક અરીસાના ૧૮ સેગમેન્ટ્સને અત્યંત સચોટ રીતે ગોઠવવા માટે ૧૩૨ નાના એક્ટ્યુએટર મોટર્સનો ઉપયોગ થાય છે, જે ૧૦ નેનોમીટરની ચોકસાઈથી અરીસાને સેટ કરી શકે છે.

માનવજાત માટે આ ટેકનોલોજીનું મહત્વ અપાર છે. ભારત સહિત સમગ્ર વિશ્વના વિજ્ઞાનીઓ માટે જેમ્સ વેબ ટેલિસ્કોપના ડેટા બ્રહ્માંડની ઉત્પત્તિ, પ્રથમ ગેલેક્સીઓની રચના અને સૌથી અગત્યનું—સૌરમંડળ બહાર જીવનની સગડ શોધવામાં મહત્વનો ભાગ ભજવી રહ્યા છે. ભવિષ્યમાં આ ટેલિસ્કોપ દ્વારા એક્સોપ્લેનેટના વાતાવરણમાં બાયોસિગ્નેચર (biosignatures) એટલે કે જીવન સૂચવતા વાયુઓની સચોટ ઓળખ થવાની પુરી શક્યતા રહેલી છે.