पृथ्वी-जैसे ग्रह की तस्वीर लेने के लिए आवश्यक ऑप्टिकल इंजीनियरिंग

संयुक्त राज्य अमेरिका - इख़बारी समाचार एजेंसी

सटीक ऑप्टिक्स: पृथ्वी के जुड़वां ग्रह की इमेजिंग की कुंजी

जैसे-जैसे ब्रह्मांड में हमारे स्थान को समझने के लिए मानवता की खोज तेज हो रही है, आगामी Habitable Worlds Observatory (HWO) भविष्य की खोज का एक प्रकाश स्तंभ है। जबकि यह महत्वाकांक्षी परियोजना सैद्धांतिक अवधारणाओं से मूर्त वास्तविकता में परिवर्तित हो रही है, विभिन्न कार्य समूह इस अगली पीढ़ी की एक्सोप्लैनेट वेधशाला का गठन करने वाले महत्वपूर्ण घटकों को सावधानीपूर्वक परिभाषित और डिजाइन कर रहे हैं। नासा के गोडार्ड स्पेस फ्लाइट सेंटर के शोधकर्ताओं द्वारा लिखा गया एक हालिया पत्र, HWO के डिजाइन के एक मौलिक पहलू पर महत्वपूर्ण प्रकाश डालता है: पृथ्वी जैसे संभावित ग्रहों, जिन्हें अक्सर "पृथ्वी के जुड़वां" कहा जाता है, की विस्तृत छवियां कैप्चर करने के लिए आवश्यक विशिष्ट ऑप्टिकल इंजीनियरिंग आवश्यकताएं।

HWO मिशन से संबंधित पिछले अध्ययनों पर आधारित यह शोध, दूर के ग्रहों के वायुमंडल में प्रमुख गैसों: कार्बन डाइऑक्साइड (CO2), मीथेन (CH4), और जल वाष्प (H2O) के बीच अंतर करने की दूरबीन की क्षमता पर केंद्रित है। इस सटीक विश्लेषणात्मक शक्ति को प्राप्त करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट तरंग दैर्ध्य बैंड की पहचान की है, जिसके प्रति इंजीनियरों को उपकरण डिजाइन करना चाहिए। जीवन के संभावित जैव-हस्ताक्षर - जीवन के स्पष्ट संकेत - की खोज में इन गैसों को सटीक रूप से मापने की क्षमता सर्वोपरि है।

इन्फ्रारेड इमेजिंग को एक्सोप्लैनेट अवलोकन में "पवित्र ग्रेल" माना जाता है। कई सबसे सम्मोहक संभावित जैव-हस्ताक्षर, जैसे कि विशिष्ट वायुमंडलीय गैसें, इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रम के भीतर विशिष्ट स्पेक्ट्रोग्राफिक फिंगरप्रिंट छोड़ते हैं। हालांकि, यह क्षमता एक महत्वपूर्ण व्यापार-बंद के साथ आती है: इन्फ्रारेड तरंग दैर्ध्य की एक विस्तृत श्रृंखला को कैप्चर करने के लिए, इमेजिंग सिस्टम को अत्यधिक कम तापमान पर ठंडा किया जाना चाहिए। यह अत्यधिक शीतलन उपकरण की अपनी गर्मी से उत्पन्न शोर को खत्म करने के लिए आवश्यक है, जो अन्यथा दूर के ग्रहों से आने वाले कमजोर संकेतों को अभिभूत कर सकता है।

जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप (JWST), एक और प्रसिद्ध इन्फ्रारेड वेधशाला, इस चुनौती से एक जटिल और महंगा क्रायोजेनिक शीतलन प्रणाली के साथ निपटती है। प्रभावी होने के बावजूद, यह प्रणाली JWST की महत्वपूर्ण लॉन्च देरी और बजट से अधिक होने का एक प्रमुख कारण थी। HWO के डिजाइनर इसी तरह की नियति से बचना चाहते हैं, और इस प्रकार एक जटिल क्रायोजेनिक शीतलन उपकरण की आवश्यकता को दरकिनार करने का विकल्प चुन रहे हैं।

हालांकि, यह डिजाइन विकल्प अपनी चुनौतियों को प्रस्तुत करता है, विशेष रूप से स्पेक्ट्रल ओवरलैप की समस्या। मीथेन और कार्बन डाइऑक्साइड दो सबसे अधिक मांग वाली जैव-हस्ताक्षर हैं, और उनकी संयुक्त उपस्थिति विशेष रूप से महत्वपूर्ण है। कार्बन डाइऑक्साइड, दिलचस्प बात यह है कि, कम सांद्रता में पाए जाने पर एक प्रमुख संकेतक है। यह मंगल और शुक्र जैसे "मृत" दुनियाओं पर प्रचुर मात्रा में है, लेकिन पृथ्वी पर, इसका अधिकांश हिस्सा हमारे महासागरों और जीवमंडल द्वारा अवशोषित होता है। इसलिए, किसी अन्य सौर मंडल में एक चट्टानी ग्रह का पता लगाना जिसमें CO2 का स्तर काफी कम हो, एक बड़ी खोज होगी।

इसके विपरीत, मीथेन प्रचुर मात्रा में होने पर महत्वपूर्ण होता है। यह फोटोकैमिकल प्रक्रियाओं द्वारा वायुमंडल में आसानी से नष्ट हो जाता है, जिसका अर्थ है कि यह आमतौर पर एक्सोप्लैनेटरी वायुमंडल में तब तक लंबे समय तक नहीं रहता है जब तक कि इसे फिर से भरने वाला एक निरंतर स्रोत न हो। पृथ्वी पर, जीवन मीथेन का प्राथमिक स्रोत है, हालांकि गैर-जैविक प्रक्रियाएं भी इसे उत्पन्न कर सकती हैं। महत्वपूर्ण रूप से, मीथेन के एक मजबूत जैव-हस्ताक्षर होने के लिए, इसका स्रोत निरंतर होना चाहिए। कई अबायोटिक स्रोत भूवैज्ञानिक समय-सीमाओं पर समाप्त हो जाते हैं, जिससे लगातार मीथेन संभावित जैविक गतिविधि का एक मजबूत संकेतक बन जाता है।

जीवन का वास्तविक "धूम्रपान बंदूक" तब उभरता है जब दोनों गैसों का एक साथ पता लगाया जाता है – CO2 और प्रचुर मात्रा में मीथेन वाला एक ग्रह, लेकिन महत्वपूर्ण ऑक्सीजन के बिना। ऐसे परिदृश्य में, जीवित जीवों द्वारा इन गैसों का उत्पादन करने की संभावना अधिक होती है। फिर भी, एक एक्सोप्लैनेट के वायुमंडल में मीथेन और कार्बन डाइऑक्साइड दोनों का एक साथ अवलोकन करना, उनके स्पेक्ट्रल हस्ताक्षरों की ओवरलैपिंग प्रकृति के कारण कई दूरबीनों के लिए एक बड़ी बाधा प्रस्तुत करता है।

अनुसंधान पत्र के अनुसार, मीथेन की उच्च सांद्रता कार्बन डाइऑक्साइड का पता लगाने में पानी के वाष्प के उच्च स्तरों की तुलना में बहुत अधिक महत्वपूर्ण रूप से हस्तक्षेप करती है। मीथेन के स्पेक्ट्रल हस्ताक्षर प्रभावी रूप से उन क्षेत्रों को "संतृप्त" करते हैं जहां कार्बन डाइऑक्साइड अन्यथा स्पष्ट रूप से दिखाई देगा। इस बिंदु को स्पष्ट करने के लिए, शोधकर्ताओं ने "बेयसियन एनालिसिस फॉर रिमोट बायोसिग्नेचर आइडेंटिफिकेशन ऑफ एक्सोअर्थ्स" (Bayesian Analysis for Remote Biosignature Identification of exoEarths - BARBIE) नामक एक सांख्यिकीय मॉडल का उपयोग किया। इस मॉडल ने उन्हें पृथ्वी और शुक्र के विभिन्न विकासवादी चरणों के स्पेक्ट्रल हस्ताक्षरों का अनुकरण करने की अनुमति दी, जिससे उनके विश्लेषण के लिए अनुभवजन्य डेटा प्रदान किया गया। यह विशेष अध्ययन BARBIE IV के रूप में नामित है, जो HWO की स्पेक्ट्रल संवेदनशीलता में विभिन्न व्यापार-बंदों का विश्लेषण करने वाले तीन पिछले पत्रों के बाद आया है।

शायद इस विश्लेषण का सबसे महत्वपूर्ण परिणाम HWO के इन्फ्रारेड सेंसर के लिए एक ऊपरी पहचान सीमा की स्थापना है। इस सीमा को एक विशाल शीतलन प्रणाली की आवश्यकता से बचने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जबकि अभी भी अत्यधिक लंबे अवलोकन समय की आवश्यकता के बिना, कार्बन डाइऑक्साइड और मीथेन के बीच पर्याप्त विभेदन की अनुमति देता है। बैंडविड्थ के लिए पहचानी गई "मीठी जगह" 1.52 माइक्रोमीटर (µm) है, जिसमें 20% बैंडविड्थ विंडो है, जो दूरबीन की परिचालन सीमा के लिए ऊपरी सीमा 1.68 µm पर निर्धारित करती है।

स्पष्ट आवश्यकताओं को परिभाषित करना किसी भी बड़े वैज्ञानिक प्रयास के लिए एक महत्वपूर्ण पूर्व शर्त है, और यह स्थापित तरंग दैर्ध्य सीमा HWO परियोजना के लिए एक महत्वपूर्ण कदम का प्रतिनिधित्व करती है। एक जटिल क्रायोजेनिक शीतलन प्रणाली की आवश्यकता को समाप्त करके, वेधशाला का इंजीनियरिंग काफी कम जटिल हो जाएगा। यह सरलीकरण तकनीकी फोकस को परिष्कृत प्रकाशिकी और कोरोनोग्राफ तकनीक पर स्थानांतरित करने की अनुमति देगा जो यह सुनिश्चित करने के लिए आवश्यक है कि इंजीनियरिंग का यह चमत्कार अपने लक्ष्यों को प्रभावी ढंग से "देख" सके। जब HWO अंततः लॉन्च होगा, उम्मीद है कि 2030 के दशक में, संभावित रूप से रहने योग्य एक्सोप्लैनेट की पहचान करने में इसकी सफलता, काफी हद तक, इन मौलिक अनुसंधान पत्रों के लिए जिम्मेदार होगी जो इसके वाद्ययंत्र क्षमताओं को सावधानीपूर्वक परिभाषित करते हैं।

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