ब्रह्मांड के अदृश्य रहस्यों को खोलता जेम्स वेब का सोने जैसा आईनेदार 'मिरी' उपकरण

अन्तरिक्ष विज्ञान के इतिहास में 25 दिसम्बर 2021 का दिन सुवर्ण अक्षरों में लिखा गया है, जब फ्रेंच गुयाना के कौरू (Kourou) से अरियान 5 (Ariane 5) रॉकेट द्वारा जेम्स वेब स्पेस टेलिस्कोप (James Webb Space Telescope - JWST) को लॉन्च किया गया था। नासा (NASA), यूरोपीय स्पेस एजेंसी (ESA) और कनेडियन स्पेस एजेंसी (CSA) के संयुक्त उद्यम से बना यह टेलिस्कोप पृथ्वी से लगभग 15 लाख किलोमीटर दूर स्थित सूर्य-पृथ्वी लेग्रान्ज पॉइंट 2 (Lagrange point - L2) पर कार्यरत है। 10 अरब यूएस डॉलर ($10 billion) के खर्च से तैयार हुआ यह पृथ्वी का सबसे बड़ा और सबसे शक्तिशाली अन्तरिक्ष टेलिस्कोप है।

जेम्स वेब टेलिस्कोप का मुख्य उद्देश्य इन्फ्रारेड एस्ट्रोनॉमी (infrared astronomy) यानी ब्रह्मांड से आने वाले अदृश्य अवरक्त प्रकाश का अध्ययन करना है। ब्रह्मांड की उत्पत्ति के शुरुआती चरण में बनी पहली गैलेक्सियों और ब्रह्मांड समय के रेडशिफ्ट z≈20 (बिग बैंग के लगभग 180 मिलियन वर्ष बाद) तक के प्राचीन पिंडों को देखने के लिए वेब को विशेष रूप से डिज़ाइन किया गया है। इस कार्य के लिए टेलिस्कोप पर चार अत्याधुनिक वैज्ञानिक उपकरण लगाए गए हैं, जिनमें सबसे महत्वपूर्ण और जटिल उपकरण 'मिरी' यानी मिड-इन्फ्रारेड इंस्ट्रूमेंट (Mid-Infrared Instrument - MIRI) है।

शून्य से नजदीक के तापमान पर ब्रह्मांड का निरीक्षण: मिरी क्या है?

विकिपीडिया की रिपोर्ट के अनुसार, मिरी जेम्स वेब का एकमात्र ऐसा वैज्ञानिक उपकरण है जो मिड-इन्फ्रारेड (mid-infrared) यानी 5 से 28.6 माइक्रोन (micron) की तरंगदैर्ध्य पर कार्य करता है। टेलिस्कोप के अन्य तीन उपकरण केवल नियर-इन्फ्रारेड (near-infrared) क्षेत्र में काम करते हैं। मिड-इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रम अत्यंत महत्वपूर्ण है क्योंकि अंतरिक्ष में मौजूद धूल के बादलों से ये किरणें आसानी से गुजर सकती हैं, जिससे धूल से घिरे नए जन्मे तारों और नवजात ग्रह प्रणालियों (debris disks) का स्पष्ट अध्ययन संभव होता है।

वेब टेलिस्कोप का प्राथमिक दर्पण (primary mirror) 18 पंचकोणीय बेरिलियम (beryllium) टुकड़ों से बना है, जिस पर सोने की अत्यंत पतली परत चढ़ाई गई है। इस दर्पण का व्यास 6.5 मीटर (21 फीट) है और इसका प्रकाश एकत्र करने का क्षेत्रफल 25.4 वर्ग मीटर है, जो हबल स्पेस टेलिस्कोप के 4.0 वर्ग मीटर के क्षेत्रफल से लगभग छह गुना बड़ा है। यह विशाल दर्पण मिरी जैसे उपकरणों पर प्रकाश को केंद्रित करता है, ताकि हबल से 100 गुना धुंधले पिंडों को भी आसानी से देखा जा सके।

क्रायोकूलर (Cryocooler): 7 केल्विन तक सुपर-कूलिंग करने की अनोखी तकनीक

मिरी उपकरण की सबसे बड़ी विशेषता इसकी ठंडक बनाए रखने की अद्भुत क्षमता है। कोई भी वस्तु जब गर्म होती है तब उसमें से स्वयं इन्फ्रारेड विकिरण (radiation) उत्सर्जित होता है। यदि मिरी उपकरण स्वयं गर्म रहे, तो उसका अपना उष्मीय शोर (thermal noise) दूर के तारों से आने वाले धुंधले प्रकाश को ढँक देगा। इसलिए, मिरी को मात्र 7 केल्विन (-267.15 °C) के अति-शीतल तापमान पर चलाना पड़ता है, जो अंतरिक्ष के शून्यता (vacuum) से भी अधिक ठंडा है।

जेम्स वेब की पाँच परतों वाली काप्टोन ई (Kapton E) की बनी सनशील्ड (sunshield) टेलीस्कोप के मुख्य ढाँचे को 50 केल्विन (-223 °C) से नीचे रखती है। परंतु मिरी को इससे भी अधिक ठंडक की आवश्यकता होने के कारण इसमें एक विशेष क्रायोकूलर (cryocooler) सिस्टम जोड़ी गई है। नासा और टीआरडब्ल्यू (TRW) द्वारा विकसित की गई इस प्रणाली में हीलियम गैस का उपयोग रेफ्रिजरेट चर के रूप में होता है।

यह क्रायोकूलर दो चरणों में काम करता है: प्रथम चरण में मल्टी-स्टेज पल्स ट्यूब प्रीकूलर द्वारा तापमान 20 केल्विन तक लाया जाता है। उसके बाद, ऑक्सफोर्ड-स्टाइल लाइनर कंप्रेसर से संचालित जूल-थॉमसन (Joule-Thomson - J-T) लूप हीट एक्सचेंजर द्वारा हीलियम गैस का विस्तार करके मिरी के डिटेक्टर्स को 6 से 7 केल्विन के निश्चित तापमान पर स्थिर किया जाता है। इस सारी गर्मी को स्पेसक्राफ्ट बस पर आए रेडिएटर द्वारा अंतरिक्ष में बाहर फेंक दिया जाता है।

मिरी उपकरण की आर्किटेक्चरल रचना: इमेजर और स्पेक्ट्रोमीटर

मिरी उपकरण मुख्य रूप से दो भागों का बना है: इमेजर (Imager) और स्पेक्ट्रोमीटर (Spectrometer)। यह साधन टेलीस्कोप के इंटीग्रेटेड साइंस इंस्ट्रूमेंट मॉड्यूल (Integrated Science Instrument Module - ISIM) नामक कार्बन-फाइबर हेक्सापोड ढाँचे पर टिका है, जो इसे थर्मल रूप से अलग रखता है।

मिरी के इमेजर मॉड्यूल में 10 अलग-अलग फिल्टर्स उपलब्ध हैं (जैसे कि F560W, F770W, F1000W आदि), जो चौड़े क्षेत्र की तस्वीरें लेने के लिए सक्षम हैं। उसका प्लेट स्केल 0.11 आर्कसेकंड/पिक्सेल है और फील्ड ऑफ व्यू (field of view) 74 x 113 आर्कसेकंड है। इसके अलावा उसमें 4 विशेष फिल्टर्स वाला कोरोनाग्राफ (coronagraph) भी है, जो तेज तारे के प्रकाश को रोककर उसके आस-पास के धूल के बादलों या ग्रहों की छवि लेने में मदद करता है।

मिरी का स्पेक्ट्रोमीटर विभाग 4.6 से 28.6 माइक्रोन तक की तरंग दैर्ध्य पर कार्य करता है। यह लो-रेजोल्यूशन स्पेक्ट्रोस्कोपी (Low Resolution Spectroscopy - LRS) और मीडियम-रेजोल्यूशन स्पेक्ट्रोस्कोपी (Medium Resolution Spectroscopy - MRS) प्रदान करता है। एमआरएस मोड में इंटीग्रेटेड फील्ड यूनिट (Integral Field Unit - IFU) का उपयोग होता है, जो प्रत्येक पिक्सेल के लिए अलग स्पेक्ट्रम वाला 3D इमेज क्यूब (image cube) बनाता है।

आर्सेनिक-डॉप्ड सिलिकॉन चिप्स और डिटेक्टर तकनीक

मिरी में प्रकाश को डिजिटल डेटा में रूपांतरित करने के लिए आर्सेनिक-डोप्ड सिलिकॉन (Si:As) से बने विशेष फोकल प्लेन मॉड्यूल (Focal Plane Modules - FPMs) का उपयोग किया गया है। मिरी में ऐसे कुल तीन डिटेक्टर हैं - एक इमेजर के लिए और दो स्पेक्ट्रोमीटर के लिए। प्रत्येक डिटेक्टर की क्षमता 1024 x 1024 पिक्सेल (1 मेगापिक्सेल) की है।

ये आर्सेनिक-डोप्ड सिलिकॉन चिप्स मिड-इफ्रारेड फोटॉन्स (photons) को अत्यंत सटीकता से इलेक्ट्रॉनों में रूपांतरित करती हैं। लो-रेजोल्यूशन स्पेक्ट्रोमीटर में 5 से 14 माइक्रोन प्रकाश का विक्षेपण (dispersion) करने के लिए जर्मेनियम (Ge) और जिंक सल्फाइड (ZnS) के प्रिज्म का उपयोग किया जाता है।

मिरी उपकरण अंतरराष्ट्रीय विज्ञान सहयोग का उत्कृष्ट उदाहरण है। यूनाइटेड किंगडम एस्ट्रोनॉमी टेक्नोलॉजी सेंटर के प्रो. गिलियन राइट के नेतृत्व में 10 यूरोपीय देशों के कंसोर्टियम और नासा की जेपीएल (JPL) तथा एरिज़ोना यूनिवर्सिटी के प्रो. जॉर्ज रिक की टीम ने पचास-पचचास प्रतिशत की साझेदारी से इस महान उपकरण का निर्माण किया है। यह सुपर-कूल्ड आइबॉल आज हमें ब्रह्मांड के प्रथम तारों के जन्म और सुदूर ग्रहों के वातावरण की नई सीमाएँ दिखा रहा है।