हबल की सटीक नज़र के पीछे का रहस्य: फाइन गाइडेंस सेंसर्स की अद्भुत इंजीनियरिंग

अवकाश में पृथ्वी के चारों ओर परिक्रमा कर रहे टेलीस्कोप के लिए सबसे बड़ी चुनौती किसी दूर के तारे या आकाशगंगा पर अपनी नजर सैकड़ों मिनटों तक जरा भी हिले बिना स्थिर रखना है। १९९० में लो अर्थ ऑर्बिट में स्पेस शटल मिशन STS-31 द्वारा प्रक्षेपित किए गए हबल स्पेस टेलीस्कोप (Hubble Space Telescope) ने खगोल शास्त्र की दुनिया में क्रांति ला दी है। इस वेधशाला की सफलता के पीछे इसके मुख्य २.४ मीटर के दर्पण जितना ही बड़ा हाथ इसके अत्यंत संवेदनशील ऑप्टिकल उपकरणों का है, जो टेलीस्कोप को सही दिशा में टिकाए रखते हैं। इस विशिष्ट यंत्रणा को फाइन गाइडेंस सेंसर्स (Fine Guidance Sensors - FGS) के रूप में जाना जाता है।

यदि टेलीस्कोप का ओरिएंटेशन जरा भी विचलित हो, तो लंबे एक्सपोजर वाली तस्वीरें धुंधली हो जाती हैं। हबल के विज्ञान लक्ष्यों को प्राप्त करने के लिए उसके दर्पण और गाइडेंस प्रणाली का निर्माण अत्यंत कठिन मानदंडों के अनुसार किया गया था। हबल के संचालन में स्पेस टेलीस्कोप साइंस इंस्टीट्यूट (STScI) इसके लक्ष्य तय करता है और डेटा प्रक्रिया करता है, जबकि गोडार्ड स्पेस फ्लाइट सेंटर (GSFC) अंतरिक्ष यान का नियंत्रण संभालता है। लेकिन इस पूरी व्यवस्था की बुनियादी जरूरत लक्ष्य पर पूरी पकड़ बनाए रखने की है, जिसका काम FGS इकाइयां संभालती हैं।

ऐतिहासिक पृष्ठभूमि और सेंसर्स का निर्माण

अवकाश आधारित वेधशाला का विचार सबसे पहले १९२३ में हरमन ओबर्थ ने अपनी पुस्तक में प्रस्तुत किया था और उसके बाद १९४६ में खगोलशास्त्री लायमन स्पिट्जर ने पृथ्वी के वायुमंडल के बाहर टेलीस्कोप रखने के फायदे समझाए थे। पृथ्वी पर वायुमंडल की अस्थिरता के कारण तारे टिमटिमाते दिखते हैं, जिसे देखने की सीमा (seeing) कहा जाता है। अवकाश में विवर्तन-सीमित (diffraction-limited) क्षमता मिलने से ०.०५ आर्कसेकंड जितना उत्कृष्ट रिजोल्यूशन प्राप्त किया जा सकता है। १९७० के दशक में इस प्रोजेक्ट को आकार देने के लिए मार्शल स्पेस फ्लाइट सेंटर (MSFC) को जिम्मेदारी सौंपी गई थी।

MSFC द्वारा ऑप्टिकल टेलीस्कोप एसेम्बली (optical telescope assembly - OTA) और फाइन गाइडेंस सेंसर्स की डिजाइन तथा निर्माण का काम प्रसिद्ध ऑप्टिक्स कंपनी पर्किन-एल्मर (Perkin-Elmer) को सौंपा गया था। टेलीस्कोप की रचना रिकी-क्रेचियन (Ritchey–Chrétien) कैसेग्रेन प्रकार की है, जिसमें दो हाइपरबोलिक दर्पणों का उपयोग किया गया है ताकि विशाल दृश्य क्षेत्र में शार्प इमेजिंग मिल सके। हबल के पूरे ढांचे में निश्चित दूरी पर व्यवस्थित किए गए सेंसर्स इसी ऑप्टिकल सिस्टम से आने वाले प्रकाश का उपयोग करके मार्गदर्शन प्राप्त करते हैं।

सेंसर्स की आंतरिक रचना और इंटरफेरोमेट्री टेक्नोलॉजी

हबल स्पेस टेलीस्कोप में कुल तीन फाइन गाइडेंस सेंसर्स स्थापित किए गए हैं। ये तीनों सेंसर्स टेलीस्कोप के दृश्य क्षेत्र की परिधि पर ९० डिग्री के अंतर पर व्यवस्थित किए गए हैं। सामान्य कैमरे या सेंसर की तरह केवल इमेज लेने के बजाय, हबल की FGS इकाइयां इंटरफेरोमीटर (interferometer) के रूप में काम करती हैं। इंटरफेरोमीटर यानी प्रकाश की तरंगों के व्यतिकरण का उपयोग करके अत्यंत सूक्ष्म दूरियों और कोणों को मापने वाला विशिष्ट साधन।

ये सेंसर आने वाले तारकीय प्रकाश के तरंग जैसे गुणों का लाभ उठाते हैं। जब तारे का प्रकाश सेंसर में प्रवेश करता है, तो इसे दो भागों में विभाजित करके पुनः संयोजित किया जाता है, जिससे एक व्यतिकरण पैटर्न (interference pattern) बनता है। यदि टेलीस्कोप अपने निर्धारित स्थान से एक आर्कसेकंड के अति सूक्ष्म भाग जितना भी खिसक जाए, तो तरंगों के चरण में अंतर उत्पन्न होता है। यह अंतर तुरंत विद्युत संकेत में बदल जाता है और टेलीस्कोप की एटीट्यूड कंट्रोल सिस्टम (attitude control system - ACS) को भेजा जाता है।

टेलीस्कोप के नियंत्रण के लिए इन तीन सेंसरों में से सामान्यतः दो सेंसरों का उपयोग एक साथ किया जाता है। ये दो FGS पूर्वनिर्धारित मार्गदर्शक तारों (guide stars) पर लॉक होकर टेलीस्कोप को अंतरिक्ष में पूरी तरह स्थिर रखते हैं। जब ये दो सेंसर पॉइंटिंग बनाए रखते हैं, तब बचा हुआ तीसरा सेंसर एक अनोखी वैज्ञानिक भूमिका निभाने के लिए स्वतंत्र हो जाता है।

मार्गदर्शन से आगे: खगोलमिति में विज्ञान उपकरण के रूप में भूमिका

हबल के फाइन गाइडेंस सेंसर केवल इंजीनियरिंग कंट्रोल तक सीमित नहीं हैं, बल्कि वे स्वयं अत्यंत शक्तिशाली वैज्ञानिक उपकरण भी हैं। तीसरे स्वतंत्र FGS का उपयोग एस्ट्रोमेट्री (astrometry) यानी खगोलमिति के लिए किया जाता है, जो खगोलीय पिंडों के सटीक स्थान और गतिविधियों का अध्ययन करने वाला विज्ञान है। FGS की असाधारण सटीकता के कारण इसका उपयोग तारों के बीच की सटीक दूरी मापने के लिए किया जाता है।

इसके अलावा, बाइनरी स्टार सिस्टम्स (binary star systems) के विश्लेषण में FGS निर्णायक साबित हुआ है। सामान्य टेलीस्कोप में जो दो तारे एक ही प्रकाश बिंदु जैसे दिखाई देते हैं, उन्हें FGS अलग करके यह स्पष्ट कर सकता है कि वे वास्तव में जुड़वां तारे हैं या नहीं। पास के तारों की गति में आने वाली अति सूक्ष्म हलचल (wobble) को मापकर यह तारे के चारों ओर परिक्रमा कर रहे संभावित ग्रहों की उपस्थिति भी खोज सकता है। साथ ही साथ दूर के तारों और तारामंडल के कोणीय व्यास (angular diameter) मापने में भी यह उपकरण महत्वपूर्ण योगदान देता है।

हबल और जेम्स वेब के मार्गदर्शन का तुलनात्मक विश्लेषण

नासा के नए जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप (James Webb Space Telescope - JWST) में भी FGS नाम की गाइडिंग सिस्टम है, लेकिन इसकी तकनीक हबल से बिल्कुल अलग है। कनाडियन स्पेस एजेंसी द्वारा प्रदान की गई और COM DEV इंटरनेशनल द्वारा निर्मित JWST की FGS इंटरफेरोमीटर के बजाय इमेज सेंट्रोइडिंग पद्धति पर काम करती है। वजन और आकार बचाने के लिए इसे नियर इन्फ्रारेड इमेजर और स्लिटलेस स्पेक्ट्रोग्राफ के साथ एक ही यूनिट में जोड़ा गया है।

हबल के FGS की तरह JWST का सेंसर शोधकर्ताओं के लिए विज्ञान प्रस्तावों या एस्ट्रोमेट्री अध्ययन के लिए उपलब्ध नहीं है; यह केवल गाइडिंग और कैलिब्रेशन के लिए ही समर्पित है। JWST का सेंसर लक्ष्य प्राप्ति के लिए तारों के क्षेत्र की पहचान करता है, पूर्व-निर्धारित गाइड स्टार को 8 × 8 पिक्सेल की विंडो में केंद्रित करता है और प्रति सेकंड 16 बार सेंट्रॉइड मापन भेजता है। दूसरी ओर, हबल का FGS सीधे इंटरफेरोमेट्रिक मापन देकर शोधकर्ताओं को उन्नत आकाशीय मापों की सुविधा देता है।

कार्यकारी सीमाएं और इतिहास की चुनौतियां

हबल के FGS अत्यंत संवेदनशील ऑप्टिकल उपकरण होने के कारण उनकी कुछ निश्चित ऑपरेशनल सीमाएं भी हैं। इन सेंसरों की उच्च संवेदनशीलता के कारण, जब टेलीस्कोप सूर्य से 50 डिग्री या उससे कम कोणीय दूरी पर निर्देशित होता है तब FGS का उपयोग नहीं किया जा सकता है। सूर्य का तीव्र प्रकाश इन संवेदनशील इंटरफेरोमेट्रिक डिटेक्टर्स को नुकसान पहुंचा सकता है, इसलिए इस सुरक्षा कोण को बनाए रखना अनिवार्य है।

हबल के पूरे इतिहास में इसका रखरखाव अंतरिक्ष यात्रियों द्वारा किया गया है। 1993 के STS-61 मिशन से लेकर 2009 के अंतिम सर्विसिंग मिशन तक पांच शटल मिशनों द्वारा हबल के उपकरणों और FGS इकाइयों की मरम्मत तथा अपग्रेडेशन किया गया था। बजट की सीमाओं के कारण शुरुआत में प्रस्तावित 3 मीटर के प्राथमिक दर्पण को घटाकर 2.4 मीटर कर दिया गया था, इसके बावजूद पर्किन-एल्मर द्वारा निर्मित इन FGS इकाइयों ने हबल को ब्रह्मांड के विस्तार दर की खोज जैसे सीमाचिह्न शोध करने में अडिग समर्थन प्रदान किया है।

तीस वर्षों से अधिक समय से कार्यरत यह टेलीस्कोप 2030 से 2040 तक कार्यरत रहने की संभावना है। पर्किन-एल्मर के इंजीनियरों द्वारा डिजाइन किया गया यह इंटरफेरोमेट्रिक गाइडेंस ढांचा आज भी अंतरिक्ष विज्ञान में सटीकता और स्थिरता का उत्कृष्ट उदाहरण माना जाता है।