जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप: इन्फ्रारेड विजन और स्वर्ण दर्पण द्वारा ब्रह्मांड के शुरुआती रहस्यों का खुलासा
पृथ्वी से 15 लाख किलोमीटर दूर स्थित जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप ब्रह्मांड के प्रथम तारों और गैलेक्सीयों के निर्माण को इन्फ्रारेड तरंगों द्वारा कैसे देखता है, इसकी संपूर्ण तकनीकी समझ।
खगोलशास्त्र के इतिहास में ब्रह्मांड के सबसे गहरे और प्राचीन कोनों को खोलने के लिए मानवजाति द्वारा तैयार किया गया सबसे जटिल और शक्तिशाली उपकरण यानी जेम्स वेब स्पेस टेलिस्कोप (James Webb Space Telescope - JWST)। यह टेलिस्कोप मुख्य रूप से इन्फ्रारेड (infrared - अवरक्त प्रकाश) खगोलीय अध्ययन के लिए डिज़ाइन किया गया है। 25 दिसंबर 2021 के दिन फ्रेंच गयाना के कौरू से एरियन 5 (Ariane 5) रॉकेट द्वारा इसे अंतरिक्ष में लॉन्च किया गया था। जनवरी 2022 में यह पृथ्वी से लगभग 15 लाख किलोमीटर (9,30,000 मील) दूर स्थित सूर्य-पृथ्वी एल2 लाग्रेंज पॉइंट (Sun-Earth L2 Lagrange point) के पास अपनी कक्षा में पहुँच गया था। इस प्रोजेक्ट का नेतृत्व यू.एस. नेशनल एरोनॉटिक्स एंड स्पेस एडमिनिस्ट्रेशन (NASA) द्वारा किया गया है, जिसमें यूरोपीय अंतरिक्ष एजेंसी (ESA) और कनाडाई अंतरिक्ष एजेंसी (CSA) सहभागी हैं। मैरीलैंड स्थित नासा के गोडार्ड स्पेस फ्लाइट सेंटर ने इसके विकास का संचालन किया था, जबकि इस प्रोजेक्ट के मुख्य ठेकेदार नॉर्थरोप ग्रुमैन (Northrop Grumman) थे। 1961 से 1968 के दौरान मर्करी, जेमिनी और अपोलो प्रोग्राम्स के समय नासा के एडमिनिस्ट्रेटर रहे जेम्स ई. वेब के नाम पर इस टेलिस्कोप का नाम रखा गया है।
जेम्स वेब टेलिस्कोप की सबसे बड़ी विशेषता इसकी असाधारण प्रकाश एकत्र करने की क्षमता और इन्फ्रारेड इमेजिंग है। हबल स्पेस टेलिस्कोप (Hubble Space Telescope) की तुलना में वेब का प्राथमिक दर्पण व्यास में 2.7 गुना बड़ा है। हबल का दर्पण 2.4 मीटर (7.9 फीट) व्यास का है, जबकि वेब का प्राथमिक दर्पण 6.5 मीटर (21 फीट) व्यास रखता है। वेब का दर्पण 18 अलग-अलग षटकोणीय (hexagonal) सेगमेंट से बना है, जिसे बेरिलियम (beryllium) धातु से तैयार करके उस पर सोने (gold) की पतली परत चढ़ाई गई है। इस दर्पण का पॉलिश किया हुआ कुल क्षेत्रफल 26.3 वर्ग मीटर है, जिसमें से 0.9 वर्ग मीटर हिस्सा द्वितीयक दर्पण के सपोर्ट स्ट्रट्स द्वारा घिरा हुआ है। इस प्रकार, वेब का प्रकाश एकत्र करने वाला कुल प्रभावी क्षेत्रफल 25.4 वर्ग मीटर (273 वर्ग फीट) होता है, जो हबल के 4.0 वर्ग मीटर क्षेत्र से 6 गुना से भी अधिक है।
| लक्षण | हबल टेलिस्कोप | जेम्स वेब टेलिस्कोप |
|---|---|---|
| मुख्य दर्पण का व्यास | 2.4 मीटर | 6.5 मीटर |
| प्रकाश एकत्र करने का क्षेत्र | 4.0 वर्ग मीटर | 25.4 वर्ग मीटर |
| तरंगदैर्ध्य श्रेणी (Spectrum) | 0.1 से 2.5 माइक्रोन | 0.6 से 28.5 माइक्रोन |
| कार्यकारी तापमान | लगभग 15 °C (288 K) | 50 K से नीचे (−223 °C) |
| पृथ्वी से दूरी | 550 किलोमीटर | 15 लाख किलोमीटर (L2) |
ચોરસ મીટર
टेलीस्कोप की कार्यप्रणाली और ऑप्टिकल डिज़ाइन थ्री-मिरर एनास्टिग्मैट (three-mirror anastigmat) पर आधारित है। इस डिज़ाइन में वक्र द्वितीयक (secondary) और तृतीयक (tertiary) दर्पणों का उपयोग किया गया है, जो व्यापक क्षेत्र में ऑप्टिकल कमियों (aberrations) के बिना स्पष्ट चित्र देते हैं। द्वितीयक दर्पण का व्यास ०.७४ मीटर है। इसके अलावा, एक फाइन स्टीयरिंग मिरर (fine steering mirror) भी है जो चित्र को स्थिर रखने के लिए प्रति सेकंड कई बार अपनी स्थिति में सूक्ष्म परिवर्तन करता है। टेलीस्कोप के १८ दर्पण के सेगमेंट्स् को अंतरिक्ष में लॉन्च करने के बाद उचित स्थान पर व्यवस्थित करने के लिए १३२ छोटी एक्चुएटर (actuation) मोटर्स का उपयोग होता है। ये मोटर्स दर्पण को १० नैनोमीटर की अद्भुत सटीकता के साथ खिसका सकती हैं। दर्पण के षटकोणाकार आकार के कारण वेब द्वारा लिए गए पॉइंट लाइट सोर्स (जैसे तारे) के चित्रों में ६ मुख्य और २ धुंधली डिफ्रैक्शन स्पाइक्स (diffraction spikes) दिखाई देती हैं।
- 1. प्राथमिक दर्पण द्वारा संग्रह18 स्वर्ण षटकोणाकार दर्पण दूर के इन्फ्रारेड प्रकाश की किरणों को एकत्रित करके द्वितीयक दर्पण की ओर परावर्तित करते हैं।
- 2. सूक्ष्म समायोजन (Actuation)132 एक्ट्यूएटर मोटर्स दर्पण के भागों को 10 नैनोमीटर की सटीकता के साथ व्यवस्थित करते हैं ताकि ध्यान केंद्रित रहे।
- 3. ऑप्टिकल स्टेबिलाइजेशनथ्री-मिरर एनास्टिग्मेट डिज़ाइन और फाइन स्टीयरिंग दर्पण प्रति सेकंड कई बार स्थिति बदलकर इमेज को स्थिर करता है।
- 4. ISIM उपकरणों द्वारा पृथक्करणNIRCam और NIRSpec जैसे उपकरण इन्फ्रारेड प्रकाश का विश्लेषण करके स्पेक्ट्रोस्कोपी और चित्र तैयार करते हैं।
इन्फ्रारेड खगोलशास्त्र के लिए टेलीस्कोप को अत्यधिक ठंडा रखना अनिवार्य है। यदि टेलीस्कोप का तापमान उच्च हो, तो वह खुद ही इन्फ्रारेड विकिरण (infrared radiation) उत्सर्जित करने लगता है, जिससे दूर के आकाशीय पिंडों से आने वाला धुंधला प्रकाश छुप जाता है। हबल का दर्पण लगभग १५ °C (२८८ K) तापमान पर रहता है, इसलिए वह इन इन्फ्रारेड बैंड्स को नहीं देख सकता। वेब टेलीस्कोप को ५० केल्विन (−२२३ °C या −३७० °F) से नीचे के अत्यधिक ठंडे तापमान पर रखना पड़ता है। इसके लिए वेब के पास ५-स्तरीय सनशील्ड (sunshield) है। प्रत्येक स्तर लगभग ०.१ मिलीमीटर पतला है और वह काप्टन ई (Kapton E) फिल्म से बना है, जिसके दोनों तरफ एल्युमिनियम का कोटिंग है। सूर्य की तरफ रहने वाले बाहर के दो स्तरों पर डॉप्ड सिलिकॉन का अतिरिक्त स्तर है ताकि सूर्य की गर्मी को अंतरिक्ष में परावर्तित किया जा सके। इस सनशील्ड का सन प्रोटेक्शन फैक्टर (SPF) १०,०००,०० (१० लाख) है।
अंतरिक्ष में एरियन ५ रॉकेट के पेलोड फेयरिंग (जिसका व्यास ४.५७ मीटर और लंबाई १६.१९ मीटर थी) में समाने के लिए सनशील्ड को १२ बार मोड़कर पैक किया गया था। खुलने के बाद सनशील्ड का आकार १४.१६२ मीटर × २१.१९७ मीटर होता है। सूर्य-पृथ्वी L2 पॉइंट पर होने के कारण सूर्य, पृथ्वी और चंद्रमा हमेशा टेलीस्कोप की एक ही तरफ रहते हैं। इससे सनशील्ड इन तीनों पिंडों की गर्मी और प्रकाश को रोक सकती है। L2 के आस-पास हेलो ऑर्बिट (halo orbit) में चक्कर लगाते समय इसकी स्थिति L2 पॉइंट से २,५०,००० से ८,३२,००० किलोमीटर के बीच बदलती है, ताकि यह पृथ्वी या चंद्रमा की छाया में न आए और इसे लगातार सौर ऊर्जा मिलती रहे।
वेब टेलिस्कोप मुख्य रूप से 0.6 से 28.5 माइक्रोमीटर (μm) की तरंगदैर्ध्य वाले प्रकाश का निरीक्षण करता है, जिसमें लाल दृश्य प्रकाश से लेकर मध्य-इन्फ्रारेड (mid-infrared) क्षेत्र शामिल है। हबल टेलिस्कोप 0.1 से 2.5 माइक्रोमीटर (अल्ट्रावाइलेट, दृश्य और निकट का इन्फ्रारेड) क्षेत्र में काम करता है। ब्रह्मांड के विस्तार के कारण अत्यंत दूर के पिंडों से आने वाला प्रकाश खिंचकर लाल और इन्फ्रारेड की तरफ खिसक जाता है, जिसे रेडशिफ्ट (redshift) कहते हैं। वेब टेलिस्कोप z ≈ 20 तक के हाई-रेडशिफ्ट ऑब्जेक्ट्स देख सकता है, जो बिग बैंग के मात्र 180 मिलियन (18 करोड़) वर्ष बाद का समयकाल है। इसकी तुलना में हबल केवल z ≈ 11.1 (GN-z11 गैलेक्सी, बिग बैंग के 400 मिलियन वर्ष बाद) तक ही देख सकता था। प्रथम तारे z ≈ 30 से z ≈ 20 के दौरान और प्रथम गैलेक्सी z ≈ 15 (270 मिलियन वर्ष) के आसपास बनी होने का अनुमान है। इन्फ्रारेड प्रकाश अंतरिक्ष में मौजूद धूल के बादलों को आसानी से भेद सकता है, जिससे तारों के जन्मस्थान और ग्रहों की रचना स्पष्ट देखी जा सकती है।
वैज्ञानिक उपकरणों को समर्थन देने के लिए इंटीग्रेटेड साइंस इंस्ट्रूमेंट मॉड्यूल (ISIM) नाम का ढांचा है, जो ग्रेफाइट-एपॉक्सी कंपोजिट से बना है। यह मॉड्यूल 4 मुख्य उपकरणों और गाइड कैमरे से लैस है। इसमें NIRCam (Near Infrared Camera) 0.6 से 5 माइक्रोमीटर क्षेत्र में तस्वीरें लेता है। यूनिवर्सिटी ऑफ एरिज़ोना की टीम (मुख्य शोधकर्ता मार्शिया जे. रीके) द्वारा बनाए गए इस कैमरे में 4 मेगापिक्सल के 10 सेंसर्स हैं। NIRCam प्राथमिक आईने की सेटिंग के लिए वेवफ्रंट सेंसर के रूप में भी काम करता है। इसके अलावा ESA द्वारा बनाया गया NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) उसी तरंगदैर्ध्य में स्पेक्ट्रोस्कोपी करता है।
जेम्स वेब टेलिस्कोप हमारे सौरमंडल के पिंडों का भी अवलोकन कर सकता है। यह सूर्य से 85° से अधिक के कोण पर स्थित और 0.03 आर्क सेकंड प्रति सेकंड से कम गति से चलने वाले पिंडों जैसे कि मंगल, बृहस्पति, शनि, यूरेनस, नेपच्यून, प्लूटो, काइपर बेल्ट के ऑब्जेक्ट्स (Kuiper Belt Objects) के साथ-साथ धूमकेतुओं का निरीक्षण करता है। इसके अलावा सुपरनोवा या गामा रे बर्स्ट जैसी अप्रत्याशित घटनाओं का निर्णय लिए जाने के 48 घंटों के भीतर यह अवलोकन शुरू कर सकता है। 1996 में Next Generation Space Telescope के रूप में शुरू हुए इस प्रोजेक्ट में 1999 में 1 अरब डॉलर के बजट के साथ 2007 में लॉन्चिंग की योजना थी। लेकिन तकनीकी जटिलताओं के कारण 2005 में इसका पुनःडिजाइनिंग हुआ और 2016 में निर्माण पूरा हुआ। 2018 में टेस्टिंग के दौरान सनशील्ड फटने के कारण और अधिक विलंब हुआ और आखिरकार 10 अरब डॉलर के कुल खर्च पर यह युग-परिवर्तक टेलिस्कोप साकार हुआ।
