'महान वेधशालाएँ' - नासा के अंतरिक्ष दूरबीनों की अगली पीढ़ी, और अवलोकन संबंधी खगोल विज्ञान की अगली शताब्दी पर उनका प्रभाव

क्रिसमस डे 2021 दुनिया भर के अधिकांश खगोलविदों के लिए एक खुशी का अवसर था, क्योंकि यह तब था जब बहुत देर हो चुकी थी जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कॉप (जेडब्लूएसटी) अंततः लॉन्च किया गया था। हालांकि, अगले महीने अंतरिक्ष में इसके फहराने के साथ-साथ इसकी पहली छवियों के बाद के उल्लास के आसपास की धूमधाम ने अवलोकन संबंधी खगोल विज्ञान में एक परेशान करने वाली समस्या का सामना किया है - जो कि नासा के अंतरिक्ष-आधारित कक्षीय वेधशालाओं के बाकी बेड़े में से अधिकांश है। बूढ़ा हो रहा है। हबल अंतरिक्ष सूक्ष्मदर्शी 1990 से काम कर रहा है, जबकि चंद्रा एक्स-रे वेधशाला लगभग एक दशक बाद लॉन्च किया गया था। इस बीच, उनके इन्फ्रारेड हमवतन, स्पिट्जर स्पेस टेलीस्कोप, 2003 में लॉन्च किया गया था, अब काम नहीं कर रहा है, 2020 में बंद कर दिया गया है।

यही कारण है कि खगोलविद चिंतित हैं कि इन तेजी से कमजोर दूरबीनों में से एक या अधिक के साथ कुछ होने पर, वे विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम के पूरे स्वैथ से कट सकते हैं। स्पिट्जर के बंद होने के साथ, दूर-अवरक्त (160 माइक्रोन) पहले से ही पहुंच से बाहर है क्योंकि JWST केवल 26 पर मिड-इन्फ्रारेड में उद्यम करता है सुक्ष्ममापी। इसी प्रकार, JWST को हबल की तरह दृश्यमान या पराबैंगनी तरंगदैर्घ्य के अवलोकन के लिए अनुकूलित नहीं किया गया है। ज़रूर, आगामी नैन्सी ग्रेस रोमन स्पेस टेलीस्कोप - पूर्व में वाइड फील्ड इन्फ्रारेड सर्वे टेलीस्कोप (डब्ल्यूएफआईआरएसटी) - एक ऑप्टिकल और निकट-इन्फ्रारेड टेलीस्कोप है, लेकिन इसका देखने का क्षेत्र हबल की तुलना में बहुत व्यापक है, जिसका अर्थ है कि यह क्लोज-अप, विस्तृत कार्य के लिए तैयार नहीं है; न ही इसमें हबल का पराबैंगनी कवरेज है।

महान वेधशालाएँ

यह सुनिश्चित करने के लिए कि पूरे स्पेक्ट्रम में ब्रह्मांड के बारे में हमारा दृष्टिकोण उज्ज्वल बना रहे, अमेरिकी खगोलविद वर्तमान में अंतरिक्ष दूरबीनों के अगले समूह को चुन रहे हैं और चुन रहे हैं। यूएस नेशनल अकादमियों ऑफ साइंसेज, इंजीनियरिंग और मेडिसिन से नवीनतम खगोलीय दशकीय सर्वेक्षण की प्रमुख सिफारिश - 614 पृष्ठ की रिपोर्ट 2020 के लिए खगोल विज्ञान और खगोल भौतिकी में खोज के रास्ते (Astro2020) - 2040 के दशक में शुरू करने के लिए "महान वेधशालाओं" की एक नई पीढ़ी के लिए योजना बनाई जा रही है। यह तब प्रतिध्वनित होता है जब चंद्रा, हबल, स्पिट्जर और द कॉम्पटन गामा-रे वेधशाला (जो 1991 और 2000 के बीच संचालित था और 2008 में फर्मी स्पेस टेलीस्कोप द्वारा सफल हुआ था) विकसित किए जा रहे थे, और जिन्हें "महान वेधशालाओं" के रूप में घोषित किया गया था।

ब्रह्मांड का अध्ययन करने के लिए एक दूसरे के साथ काम करते हुए, इन दूरबीनों ने दशकों से नासा के खगोल भौतिकी अनुसंधान का नेतृत्व किया है। सर्वेक्षण के सह-अध्यक्ष कहते हैं, नए दशकों के सर्वेक्षण में इस वाक्यांश "महान वेधशालाओं" का पुन: उपयोग जानबूझकर किया गया है। कैलिफोर्निया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के फियोना हैरिसन. वह कहती हैं, "यह इस बिंदु पर जाना है कि आधुनिक खगोल भौतिकी के लिए एक्स-रे से लेकर इन्फ्रारेड तक, पैनक्रोमेटिक अवलोकन वास्तव में आवश्यक हैं।" "[मूल] महान वेधशालाओं की बहुत सारी सफलता यह है कि वे अतिव्यापी टिप्पणियों के साथ एक के बाद एक विकसित और लॉन्च की गईं।"

एक सफल अंतरिक्ष टेलीस्कोप का निर्माण एक लंबी प्रक्रिया है, आमतौर पर विकास की शुरुआत से लेकर प्रक्षेपण तक 25 साल लगते हैं। हबल के लिए संकल्पना कार्य 1960 के दशक में शुरू हुआ, जबकि JWST के लिए योजनाएँ पहली बार 1995 में एक साथ आईं। हबल डीप फील्ड छवियां दिखाया कि पहली आकाशगंगाएँ एक बड़ी दूरबीन की पहुँच के भीतर हैं। इस तरह की अंतरिक्ष-आधारित जांच की अगली पीढ़ी 2040 के दशक तक जल्द से जल्द लॉन्च नहीं होगी। लेकिन वे सर्वेक्षण की नंबर एक सिफारिश को शामिल करेंगे: हबल को बदलने के लिए एक प्रमुख मिशन, दो अवधारणाओं से प्रेरणा लेना - द रहने योग्य एक्सोप्लैनेट वेधशाला (HabEx) और बड़े अल्ट्रावायलेट, ऑप्टिकल और इन्फ्रारेड (LUVOIR) दूरबीन। इसके अलावा ड्राइंग बोर्ड पर एक एक्स-रे मिशन और एक टेलीस्कोप है जो दूर-अवरक्त में देख सकता है।

लेकिन अंतरिक्ष दूरबीनों की हमारी वर्तमान फसल के अनिश्चित स्वास्थ्य को देखते हुए, और नए मिशनों को जानने के बाद अगले 20 वर्षों तक लॉन्च नहीं किया जाएगा, क्या खगोलविदों को नई महान वेधशालाओं की योजना साल पहले शुरू नहीं करनी चाहिए थी? "निश्चित रूप से," कहते हैं स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय के स्टीवन कान, जिन्होंने भावी अंतरिक्ष दूरबीनों को देखने वाले दशकीय सर्वेक्षण में एक पैनल की अध्यक्षता की। वह नक्षत्र-एक्स वेधशाला का हवाला देते हैं - एक एक्स-रे अंतरिक्ष जांच जिसे 2000 दशक के सर्वेक्षण में चंद्रा के अनुवर्ती के रूप में अनुशंसित किया गया था, लेकिन जेडब्ल्यूएसटी के खींचे गए विकास के कारण कभी भी सफल नहीं हुआ, जिसने सभी को चूस लिया खगोल भौतिकी बजट। कहन बताते हैं, "जेडब्लूएसटी मूल रूप से नासा में साढ़े दशकों तक महान वेधशाला कार्यक्रम पर हावी रहा।" "परिणामस्वरूप, एक्स-रे मिशन पर फॉलो-ऑन करने के लिए जगह नहीं थी, या जिस तरह के अग्रणी दूर-अवरक्त मिशन की हम परिकल्पना कर रहे हैं।"

सब कुछ विजेता के नाम 

दरअसल, JWST के विकास में लागत और विकास के समय में भारी वृद्धि सहित कई मुद्दे देखे गए, जिससे परियोजना लगभग रद्द हो गई। इन गलतियों की यादें नए दशकों के सर्वेक्षण पर भारी पड़ती हैं, जो अमेरिका में खगोल भौतिकी में संतुलन बहाल करने के लिए की गई कुछ सिफारिशों को प्रभावित करती हैं। लेकिन यह हमेशा ऐसा नहीं था। कहन ने अफसोस जताया कि कैसे, 2000 के सर्वेक्षण से पहले, केवल एक दशक के सर्वेक्षण में सिफारिशों की सूची प्राप्त करना वस्तुतः गारंटी देने के लिए पर्याप्त था कि आपकी परियोजना या मिशन होगा। लेकिन 10 अरब डॉलर के टेलीस्कोप के आधुनिक युग में, "आपको नंबर एक होना होगा या आप इसे पूरा नहीं करने जा रहे हैं" कहन कहते हैं। "समस्या यह है कि इस विनर-टेक-ऑल वातावरण में, हर कोई एक परियोजना पर सभी घंटियाँ और सीटी फेंकना चाहता है क्योंकि अगर आपको लगता है कि आप अगले 50 वर्षों में एक बड़े मिशन में केवल एक शॉट प्राप्त करने जा रहे हैं , आप इसकी गिनती करना चाहते हैं।”

यह सोचने का तरीका है जो JWST के सामने आने वाली और उत्पन्न होने वाली समस्याओं को जन्म दे सकता है। एक मिशन डिजाइन जितना अधिक जटिल होता जाता है, उतने अधिक उपकरण और क्षमताएं जो आप चाहते हैं कि उसके पास इसे सार्थक बनाने के लिए हो - जिसका अर्थ है कि यह अधिक महंगा हो जाता है और विकसित होने में अधिक समय लेता है। कहन जारी रखते हैं, "जो सभी हमें विजेता के इस दुष्चक्र में वापस ले जाते हैं," कहन जारी है।

हैरिसन सहमत हैं, इस बात पर जोर देते हुए कि यह नया दशकीय सर्वेक्षण अमेरिकी खगोल विज्ञान के दृष्टिकोण को आजमाने और बदलने का एक प्रयास है। "कहने के लिए एक दशक के सर्वेक्षण के लिए, यह नंबर-एक चीज है, हमें इसे करने की आवश्यकता है, चाहे जो भी हो, किसी भी कीमत पर यह एक जिम्मेदार दृष्टिकोण नहीं है," वह कहती हैं। इसका मुकाबला करने के प्रयास में, हालिया सर्वेक्षण में कई नए प्रस्ताव दिए गए हैं। उनमें से यह विचार है कि मिशन अवधारणा को सभी "घंटियाँ और सीटी" के साथ, कहन को उद्धृत करने के लिए, मिशन की अवधारणा को स्वयं के साथ भागने की अनुमति देने के बजाय, विशिष्ट विज्ञान प्राथमिकताओं के अनुरूप डिजाइन किया जाना चाहिए।

उदाहरण के लिए, कहन के पैनल ने विज्ञान के उन प्रमुख प्रश्नों में से एक को देखा, जिसमें दूर, धूल भरी आकाशगंगाओं में सक्रिय सुपरमैसिव ब्लैक होल स्टार गठन को प्रभावित करते हैं। इस तरह के ब्लैक होल पर पदार्थ की वृद्धि एक उच्च-कोणीय-रिज़ॉल्यूशन एक्स-रे टेलीस्कोप के लिए पता लगाने योग्य होगी, जबकि एक दूर-अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपिक मिशन धूल के माध्यम से सहकर्मी और स्टार गठन और प्रतिक्रिया से संबंधित विशिष्ट वर्णक्रमीय रेखाओं की जांच करने में सक्षम होगा। ब्लैक-होल हवाएँ। आशा है कि दो मिशन एक दूसरे के कुछ वर्षों के भीतर लॉन्च किए जा सकते हैं, और एक साथ काम कर सकते हैं। हालाँकि, उन मिशनों का क्या आकार होगा, यह अभी भी हवा में है।

दशकीय सर्वेक्षण से पहले मिशन की दो अवधारणाएँ थीं - लिंक्स एक्स-रे वेधशाला और मूल अंतरिक्ष टेलीस्कोप - जो 6 और 9 मीटर व्यास के बीच एक टेलीस्कोप दर्पण के साथ मध्य से दूर-अवरक्त तरंगदैर्ध्य पर संचालित होगा। प्रत्येक की लागत लगभग $5 बिलियन आंकी गई थी, लेकिन दशकीय सर्वेक्षण ने निष्कर्ष निकाला कि इन लागतों को कम करके आंका गया था और यह कि उनकी विज्ञान क्षमताएं उन आवश्यकताओं के अनुरूप नहीं थीं, जिनकी पैनल तलाश कर रहा था।

फ्लैगशिप मिशन

और यहां दशकीय सर्वेक्षण के अन्य नवाचारों में से एक में प्रवेश होता है - अर्थात्, अंतरिक्ष दूरबीन का एक नया वर्ग जिसे "जांच-वर्ग" कहा जाता है, कुछ अरब डॉलर के बजट के साथ। "हमें यह स्वीकार करना होगा कि अगर सब कुछ JWST जितना महंगा होने वाला है, तो एक ही समय में सभी महान वेधशालाओं का संचालन करना मुश्किल होगा," कहते हैं एरिज़ोना विश्वविद्यालय के मार्सिया रीके, जिन्होंने ऑप्टिकल और निकट-अवरक्त शासन पर ध्यान केंद्रित करते हुए, अंतरिक्ष दूरबीनों पर दूसरे पैनल का नेतृत्व किया। "इसके बजाय सबसे अच्छा तरीका एक प्रमुख मिशन हो सकता है, और उसके बाद विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम के अन्य हिस्सों को जांच मिशनों द्वारा कवर किया जा सकता है।"

दरअसल, किसी भी संभावित एक्स-रे और दूर-अवरक्त जांच-श्रेणी के मिशनों को जांच-श्रेणी के पराबैंगनी दूरबीन से भी जोड़ा जा सकता है। पिछले कुछ दशकों में दर्पण कोटिंग्स और डिटेक्टरों में सुधार का मतलब है कि 1.5 मीटर दूरबीन वास्तव में पराबैंगनी तरंगदैर्घ्य पर हबल से अधिक संवेदनशील हो सकती है। रीके कहते हैं, "यह हबल के आउट-एंड-आउट फेल होने के खिलाफ कुछ मजबूती प्रदान करेगा।"

इन भविष्य के अंतरिक्ष दूरबीनों को विकसित करने में मदद करने के लिए, चाहे वे $ 10 बिलियन बीहेमोथ के रूप में आगे बढ़ें या अधिक विनम्र (लेकिन अभी भी महत्वाकांक्षी) जांच मिशन के रूप में आगे बढ़ें, दशकीय सर्वेक्षण में सिफारिश की गई है कि नासा एक नया बनाता है महान वेधशाला मिशन और प्रौद्योगिकी परिपक्वता कार्यक्रम. हैरिसन कहते हैं, यह न केवल तकनीक विकसित करेगा, बल्कि "मिशन अवधारणाओं को परिपक्व" भी करेगा। अपने हिस्से के लिए, नासा पहले से ही इस नए कार्यक्रम के हिस्से के रूप में कार्यशालाएं आयोजित कर रहा है और उसने जांच मिशनों के लिए एक मसौदा कॉल तैयार किया है।

यदि एक्स-रे और दूर-अवरक्त मिशन - अभी के लिए "फायर" और "स्मोक" उपनाम - जांच-श्रेणी के हैं, तो प्रमुख महान वेधशाला हबल स्पेस टेलीस्कोप के लिए लंबे समय से प्रतीक्षित प्रत्यक्ष प्रतिस्थापन होगी। अवधारणा जो मार्ग की ओर ले जाती है वह LUVOIR है, और टेलीस्कोप के दो संस्करण प्रस्तावित किए गए हैं: या तो एक बेतहाशा महत्वाकांक्षी 15 मीटर टेलीस्कोप, या एक 8 मीटर टेलीस्कोप, जिसमें से बाद में अब तक लॉन्च किया गया सबसे बड़ा स्पेस टेलीस्कोप होगा।

अन्य पृथ्वी

लागत और व्यावहारिकता के कारणों के लिए, दशकीय सर्वेक्षण ने सिफारिश की कि 15 मीटर संस्करण किनारे से गिरता है, और यह कि अंतिम डिजाइन LUVOIR और HabEx दोनों के सर्वोत्तम भागों को मिलाता है। इस टेलीस्कोप का प्रमुख विज्ञान लक्ष्य, रीके बताते हैं, यह है कि इसे सितारों के रहने योग्य क्षेत्र में पृथ्वी-द्रव्यमान वाले ग्रहों का पता लगाने में सक्षम होना चाहिए। उस अंत तक, रीके का पैनल एक्सोप्लैनेट समुदाय के साथ चर्चा में लगा हुआ है कि टेलीस्कोप के आकार के एक समारोह के रूप में कितने संभावित रहने योग्य ग्रहों का पता लगाया जा सकता है।

"एक समूह के रूप में, आप पूछते हैं: प्रमुख विज्ञान लक्ष्य क्या हैं? संवेदनशीलता के किस स्तर की आवश्यकता है? सबसे छोटा टेलिस्कोप कौन सा है जो यह काम करेगा?" रीके कहते हैं। उसे जो उत्तर मिला वह यह था कि 6–8 मीटर-एपर्चर टेलीस्कोप लगभग उतना ही छोटा है जितना कि आप जाने की हिम्मत करते हैं यदि आप संभावित रहने योग्य एक्सोप्लैनेट खोजना चाहते हैं।

हालांकि सफलता केवल टेलीस्कोप के आकार के बारे में नहीं है; इसके उपकरणों को भी खरोंच तक होना चाहिए। अपने सितारों के करीब पृथ्वी के आकार के ग्रहों की सफलतापूर्वक इमेजिंग करने के लिए इसके डिजाइन के हिस्से के रूप में कोरोनोग्राफ की आवश्यकता होगी। पृथ्वी के आकार के बहिर्ग्रहों की सामान्य रूप से कल्पना नहीं की जा सकती क्योंकि उनके तारे की चकाचौंध बहुत अधिक होती है। कोरोनोग्राफ तारे के प्रकाश को अवरुद्ध कर देता है, जिससे उपस्थिति में किसी भी ग्रह को देखना आसान हो जाता है। वे दशकों से सूर्य के अध्ययन के प्रमुख रहे हैं - उनका नाम सूर्य की डिस्क को अवरुद्ध करने से आता है ताकि खगोलविद सौर कोरोना को देख सकें। लेकिन एक कोरोनोग्राफ तैयार करना जो एक तारे के उज्ज्वल प्रकाश को ठीक से अवरुद्ध कर सकता है, जो अनिवार्य रूप से एक बिंदु स्रोत के रूप में प्रकट होता है, जबकि तारे की चमक और ग्रहों के प्रकाश के बीच के विपरीत को कम करके 10 से ग्रहों को तारे से सिर्फ मिलीसेकेंड दिखाई देने की अनुमति देता है।^{- 10}, रीके कहते हैं, "जो कुछ भी हमने पहले किया है उससे काफी आगे है"।

पर्याप्त रूप से वित्त पोषित?

दशकीय सर्वेक्षण की अनुशंसाओं पर सामान्य प्रतिक्रिया ज्यादातर सकारात्मक रही है, नासा के साथ राष्ट्रीय ऑप्टिकल-इन्फ्रारेड खगोल विज्ञान अनुसंधान प्रयोगशाला (NOIRLab) और राष्ट्रीय रेडियो खगोल विज्ञान वेधशाला (NRAO) सभी इसे अपनी स्वीकृति की मुहर दे रहे हैं। अगला कदम, हैरिसन कहते हैं, राजनेताओं को धन के साथ भाग लेने के लिए राजी करना है जो कि महान वेधशालाओं को संभव बनाने के लिए आवश्यक होगा।

अगला कदम राजनेताओं को उस धन के साथ भाग लेने के लिए राजी करना है जिसकी आवश्यकता महान वेधशालाओं को संभव बनाने के लिए होगी

फियोना हैरिसन, कैलिफोर्निया प्रौद्योगिकी संस्थान

"निश्चित रूप से मेरे लिए और रॉबर्ट केनिकट [एरिज़ोना विश्वविद्यालय और टेक्सास ए एंड एम विश्वविद्यालय से हैरिसन के साथी सह-अध्यक्ष] के लिए एक फोकस अब कांग्रेस को सर्वेक्षण द्वारा अनुशंसित आकर्षक परियोजनाओं के उत्साह की कोशिश करना और स्पष्ट करना है," वह कहती हैं। "यह नासा से सकारात्मक प्रतिक्रिया थी, और यह सिफारिशें करना चाहता है, लेकिन बजट वहां होना चाहिए।"

क्या वह धन आगामी होना चाहिए, तो रीके का अनुमान है कि ऑप्टिकल टेलीस्कोप के लिए तकनीक को परिपक्व करने के लिए लगभग आधा बिलियन डॉलर की धनराशि की आवश्यकता होगी। "हम तब इस दशक के अंत के करीब, सभी प्रौद्योगिकी बतखों को एक पंक्ति में बैठने के लिए तैयार होंगे और हम निर्माण चरण में प्रवेश करने में सक्षम होंगे," वह कहती हैं।

इसमें शामिल समयमान असाधारण हैं। यदि हबल और चंद्रा कुछ भी हो जाएं, तो 2040 के दशक में लॉन्च की गई अगली पीढ़ी के टेलीस्कोप अभी भी 2070 या उसके बाद चालू हो सकते हैं। दशकीय सर्वेक्षण की सिफारिशें न केवल अगले 10 वर्षों के खगोल विज्ञान के लिए महत्वपूर्ण हैं, बल्कि इस सदी के अधिकांश हिस्सों पर उनके प्रभाव के लिए भी महत्वपूर्ण हैं। इसलिए सर्वेक्षण पर इसे सही करने का जबरदस्त दबाव था।

"यह वह जगह है जहाँ महत्वाकांक्षी लक्ष्यों को चुनना महत्वपूर्ण है," रीके कहते हैं। "आपको किसी ऐसी चीज की पहचान करनी है जो इतनी महत्वपूर्ण है कि हर कोई सहमत हो, और एक कदम आगे बढ़ने के लिए पर्याप्त है कि जब आप इसे कर रहे हों तो कुछ और आगे नहीं बढ़ रहा है।" इतिहास तय करेगा कि इस दशकीय सर्वेक्षण ने अपने प्रमुख निर्णय सही लिए या नहीं, लेकिन आज के दृष्टिकोण से, खगोल भौतिकी का भविष्य एक रोमांचक होने का वादा करता है।