वसनीय जगांच्या शोधात फोटॉनिक्सचा पुढाकार अधिक सूक्ष्मता देऊ शकतो

पृथ्वी-सदृश ग्रहांच्या शोधातील एक तांत्रिक अडथळा

वसनीय क्षेत्रातील खडकाळ ग्रह शोधणे म्हणजे केवळ मोठी दुर्बीण बांधणे एवढेच नाही. अधिक कठीण प्रश्न म्हणजे मंद ग्रह-सिग्नलला त्याच्या ताऱ्याच्या प्रचंड तेजापासून वेगळे करणे. हाच प्रश्न University of Central Florida आणि भागीदार संस्थांमध्ये सुरू असलेल्या NASA-निधीप्राप्त संशोधन प्रयत्नांच्या केंद्रस्थानी आहे, जिथे वैज्ञानिक भविष्यातील वेधशाळांना संभाव्य वसनीय जगांचा शोध घेण्यासाठी आणि त्यांचा अभ्यास करण्यासाठी मदत करणाऱ्या प्रोटोटाइप फोटॉनिक्स प्रणाली तयार करत आहेत.

हे काम नियोजित Habitable Worlds Observatory, किंवा HWO, शी जोडलेले आहे; ही NASA 2040च्या दशकात प्रक्षेपित करण्याचा विचार करत असलेली एक मोठी इन्फ्रारेड, ऑप्टिकल आणि अल्ट्राव्हायोलेट अवकाश दुर्बीण आहे. स्रोत सामग्रीत वर्णन केल्याप्रमाणे, HWO विशेषतः तारकाभोवतीच्या वसनीय क्षेत्रांतील खडकाळ ग्रह शोधण्यासाठी आणि त्यांच्या वातावरणांचे वैशिष्ट्यीकरण करण्यासाठी डिझाइन केली जात आहे. ती व्यापक खगोलभौतिकी संशोधनालाही पाठबळ देईल अशी अपेक्षा आहे. पण तिचे सर्वात महत्त्वाकांक्षी एक्सोप्लॅनेट कार्य पार पाडण्यासाठी, प्रकाश दुर्बीण आणि coronagraph मधून जात असताना तो कसा मोजला, आकार दिला आणि नियंत्रित केला जातो यामध्ये अत्यंत स्थिरता आणि अचूकता आवश्यक असेल.

इथेच सध्याचा प्रयत्न पुढे येतो. UCF च्या Center for Research and Education in Optics and Lasers मधील संशोधक, UC Santa Cruz, University of Sydney आणि Space Telescope Science Institute येथील सहकाऱ्यांसह, तीन वर्षांच्या NASA-निधीप्राप्त Photonics-Enabled Exoplanet Spectroscopic System, किंवा PEEPSS, या प्रकल्पाद्वारे सक्षम करणारे तंत्रज्ञान विकसित करत आहेत.

तारकप्रकाश इतका जबरदस्त अडथळा का आहे

थेट एक्सोप्लॅनेट प्रतिमांकनातील मूलभूत अडचण म्हणजे प्रमाण. आपल्या ताऱ्याच्या वसनीय क्षेत्रात असलेला ग्रह दुर्बिणीच्या दृष्टीने सामान्यतः त्या ताऱ्याच्या खूप जवळ असतो, आणि तारा ग्रहापेक्षा प्रचंड उजळ असतो. PEEPSS चे प्रमुख संशोधक UCF प्राध्यापक Stephen Eikenberry यांनी स्रोत मजकुरात स्पष्ट केले आहे की, जर तारा लक्ष्य जगापेक्षा सुमारे 10 अब्ज पटींनी उजळ असेल, तर प्रभावी वाटणाऱ्या प्रमाणातही तो झगमगाट कमी केल्यावर उरलेला प्रकाश ग्रह-सिग्नल दडपण्यासाठी पुरेसा राहू शकतो.

म्हणूनच खगोलशास्त्रज्ञ coronagraphs वर अवलंबून असतात, ही उपकरणे तारकप्रकाश अडवून कक्षेत फिरणाऱ्या ग्रहांवरील परावर्तित प्रकाश शोधकापर्यंत पोहोचू देण्यासाठी तयार केलेली असतात. पण coronagraphs जादुई ढाल नाहीत. ऑप्टिक्समधील अतिसूक्ष्म दोषही तारकप्रकाश प्रणालीमधून गळती होऊ देऊ शकतात. अंतर्निहित लक्ष्य अत्यंत मंद असताना, सूक्ष्म अपूर्णताही मिशन-स्तरीय समस्या बनतात.

संभाव्य biosignature असलेल्या जगांचा शोध घेणाऱ्या भविष्यातील दुर्बिणींना ही बाब किरकोळ नाही. ती मूलभूत आहे. उरलेला तारकप्रकाश विलक्षण अचूकतेने दडपून मोजता आला नाही, तर दुर्बिणीला एखादा मंद स्रोत खरोखर ग्रह आहे का हेच पडताळणे कठीण जाऊ शकते, त्याच्या वातावरणातील वायूंचे विश्लेषण तर त्याहून अवघड.

PEEPSS काय जोडण्याचा प्रयत्न करत आहे

PEEPSS प्रकल्पाचा उद्देश हा अचूकतेचा थर आहे. स्रोत मजकुरानुसार, संघ असे प्रोटोटाइप प्रणाली तयार आणि चाचणी करत आहे, ज्या खगोलशास्त्रज्ञांना अन्यथा ताऱ्याच्या प्रकाशाने झाकल्या गेलेल्या ग्रहांचे थेट निरीक्षण करण्यात मदत करू शकतात. UCF चे योगदान fiber optics आणि photonics मधील कौशल्यावर आधारित आहे, कारण जिथे जिथे प्रकाशाला अत्यंत नियंत्रणाने हाताळावे लागते तिथे या क्षेत्रांचे महत्त्व वाढत आहे.

जरी दिलेला मजकूर पूर्ण तांत्रिक वर्णन पूर्ण होण्याआधीच अपूर्ण झाला असला, तरी तो स्पष्ट करतो की प्रणालीचा उद्देश telescope-plus-coronagraph संरचनेत wavefront errors आणि leaked starlight कसे हाताळायचे हे सुधारण्याचा आहे. प्रत्यक्षात, याचा अर्थ प्रगत प्रकाशीय तंत्रांचा वापर करून ताऱ्याच्या झगमगाटानंतर उरलेला अतिसूक्ष्म ग्रह-सिग्नल अधिक चांगल्या प्रकारे वेगळा करणे.

हे काम अवकाश तंत्रज्ञान विकासाच्या एका महत्त्वाच्या श्रेणीत मोडते: टप्प्याटप्प्याने होणारे पण मोहिमेसाठी अत्यावश्यक अभियांत्रिकी, जे मोठ्या बातम्यांतील विज्ञान शक्य करते. सार्वजनिक लक्ष बहुतेकदा दुर्बीण, रॉकेट प्रक्षेपण किंवा शोध प्रतिमेकडे जाते. पण निर्णायक प्रगती वर्षांपूर्वी प्रयोगशाळांमध्ये घडते, जिथे संघ noise, drift, calibration आणि optical contamination यांसारख्या समस्या सोडवत असतात.

Habitable Worlds Observatory साठी हे का महत्त्वाचे

Habitable Worlds Observatory, प्रक्षेपणानंतर एक्सोप्लॅनेट विज्ञानासाठी एक प्रमुख साधन बनेल अशी अपेक्षा आहे. नंतर ग्रह-शोधासाठी जुळवून घेतलेल्या बहुउद्देशीय वेधशाळांपेक्षा वेगळे, HWO सुरुवातीपासूनच खडकाळ, संभाव्य वसनीय ग्रह आणि त्यांच्या वातावरणांच्या अभ्यासाभोवती उभारली जात आहे. त्यामुळे कार्यक्षमतेच्या गरजा विशेषतः कठोर आहेत.

लहान, दूरस्थ जगांमध्ये वातावरणीय रसायनशास्त्र ओळखण्यासाठी खगोलशास्त्रज्ञांना केवळ शोध नव्हे तर अधिक काही हवे आहे. ग्रहाचा मंद परावर्तित प्रकाश आणि उपकरणीय व तारकीय कलंक यांमधील फरक ओळखू शकणारी स्थिर निरीक्षणे त्यांना आवश्यक आहेत. wavefront control, starlight rejection किंवा signal cleanliness मधील कोणतीही सुधारणा वैज्ञानिक उत्पादनात मोठी वाढ घडवू शकते.

म्हणूनच आताचे प्रोटोटाइप काम इतके महत्त्वाचे आहे. एक प्रमुख वेधशाळा सविस्तर अंमलबजावणीच्या टप्प्यात प्रवेश करेपर्यंत, सर्वात महत्त्वाच्या सक्षम करणाऱ्या तंत्रज्ञानांनी मिशनचा धोका कमी करण्याइतके प्रगल्भ असणे आवश्यक आहे. PEEPSS सारखे कार्यक्रम भविष्यातील उपकरणे आकांक्षी रचना उद्दिष्टांपासून कार्यक्षम क्षमतेपर्यंत जाऊ शकतील का हे ठरविण्यास मदत करतात.

एका दुर्बिणीपलीकडे

स्रोत मजकूर असेही नमूद करतो की UCF-नेतृत्वाखालील हे काम HWO व्यतिरिक्त इतर पुढील पिढीच्या दुर्बिणींनाही पाठबळ देऊ शकते. हा महत्त्वाचा मुद्दा आहे. थेट प्रतिमांकन आणि exoplanets च्या spectroscopic isolation साठीची तंत्रे फक्त एका मोहिमेसाठी उपयुक्त नसतात. यशस्वी ठरल्यास, अनेक वेधशाळा high-contrast imaging कडे कसे पाहतात यावर त्यांचा प्रभाव पडू शकतो.

हे महत्त्वाचे आहे कारण वसनीय जगांचा शोध आता शोधापासून वैशिष्ट्यीकरणाकडे वळत आहे. एक्सोप्लॅनेट विज्ञानाच्या पहिल्या टप्प्यात, इतर तार्‍यांभोवती ग्रह सामान्य आहेत का हा मुख्य प्रश्न होता. त्या प्रश्नाचे उत्तर मोठ्या प्रमाणात होकारार्थी मिळाले आहे. पुढचा टप्पा विचारतो की त्या जगांपैकी कोणते खडकाळ, मध्यम तापमानाचे आणि रासायनिकदृष्ट्या रोचक आहेत. त्यानंतरचा टप्पा विचारतो की कोणत्या जगांमध्ये जैविक प्रक्रियेशिवाय समजावणे कठीण अशी वातावरणीय संयुगे दिसतात.

प्रत्येक टप्प्यासोबत उपकरणांसाठीची कसोटी वाढत जाते. ग्रह शोधू शकणारा detector त्याच्या वातावरणात काय आहे हे ठरवण्यासाठी पुरेसा असेलच असे नाही. वैज्ञानिक प्रश्न जितका खोल, तितकी stray light, instability आणि optical error यांबद्दल सहनशीलता कमी.

दीर्घ वेळापत्रक, पण महत्त्वाचे

HWO साठी 2040च्या दशकातील प्रक्षेपण खिडकी म्हणजे ही वेधशाळा अजून दीर्घकालीन प्रकल्प आहे. पण अशी वेळापत्रके मोठ्या अवकाश विज्ञान मोहिमांसाठी नेहमीचीच आहेत, आणि म्हणूनच घटक तंत्रज्ञान आत्ता विकसित केले जात आहे. photonics-enabled प्रणालींवर विश्वास निर्माण करण्यासाठी वर्षानुवर्षे पुनरावृत्ती, चाचणी आणि पडताळणी आवश्यक असते.

सामान्य वाचकांसाठी, PEEPSS सारखे प्रकल्प प्रक्षेपण किंवा ग्रहाच्या प्रतिमेच्या तुलनेत अमूर्त वाटू शकतात. क्षेत्रासाठी मात्र ते महत्त्वाकांक्षी विज्ञान विश्वसनीय बनविणाऱ्या यंत्रणेचा भाग आहेत. तेजस्वी ताऱ्याजवळील मिणमिणत्या, पृथ्वी-आकाराच्या जगाचे थेट निरीक्षण करणे हे खगोलशास्त्रातील सर्वात कठीण तांत्रिक उद्दिष्टांपैकी एक आहे. ग्रहाला आजूबाजूच्या झगमगाटापासून वेगळे करता येईल की नाही हे ठरवणाऱ्या प्रकाशीय तपशीलांचे निराकरण केल्यावरच प्रगती अवलंबून आहे.

HWO ने अखेरीस आपले वचन पूर्ण केले, तर ते केवळ आरशाचा आकार किंवा मोहिमेच्या व्याप्तीमुळेच नाही, तर आवश्यक वेळी सहाय्यक तंत्रज्ञान तयार असल्यामुळे असेल. UCF आणि त्याच्या भागीदार संस्थांमधील सध्याचा प्रयत्न त्या पाइपलाइनचे एक उदाहरण आहे: अशा भविष्यकालीन वेधशाळेला आधुनिक खगोलशास्त्रातील सर्वात कठीण कामांपैकी एक, म्हणजे दूरच्या वसनीय जगाचा प्रकाश शोधणे आणि वाचणे, करण्याची शक्यता वाढविण्यासाठी केलेले लक्ष्यित अभियांत्रिकी.

हा लेख Universe Today च्या वार्तांकनावर आधारित आहे. मूळ लेख वाचा.