જેમ્સ વેબ્બ સ્પેસ ટેલિસ્કોપ (ભાગ- 2, ડિઝાઇન)

શૃંખલાના ભાગ-1માં આપણે જોયું કે JWSTને જે કાર્ય કરવાનું હતું તે માટે  જરૂરી અરિસાનું માપ અને તેનું ઉષ્ણતામાન ઇજનેરોએ નક્કી કરી લીધું,  હવે સમય હતો, આવું ટેલિસ્કોપ બનાવી  તેને અંતરિક્ષમાં મોકલવું શી રીતે, અને તેને  સૂર્ય, ચંદ્ર અને પૃથ્વીની ગરમીથી બચાવવું શી રીતે, તે વિષે વિચાર કરવાનો.

JWSTની ડિઝાઈન માટેનું સૌથી નિર્ણાયક પાસું ટેલિસ્કોપ તથા કેમેરાના ઉષ્ણતામાનનું નિયંત્રણ છે. ભાગ-1માં આપણે જોયું તે પ્રમાણે, અંતરિક્ષમાં કોઈ પણ પદાર્થને ઠંડો કરવાનો એક ઉપાય તેના પર કોઈ ઉષ્મા (ગરમી) ન પડે તેવી રીતે તેને અંતરિક્ષમાં છોડી દેવાનો છે. આમ થવાનું કારણ પણ આપણે ભાગ-1માં જેની ચર્ચા કરી ચૂક્યા છીએ, તે પ્લાન્કનો નિયમ છે. નિરપેક્ષ ( ભૌતિકશાસ્ત્રમાં “ઉષ્ણતામાન” નો અર્થ હંમેશા નિરપેક્ષ -Absolute- એબ્સોલ્યુટ- ઉષ્ણતામાન થાય છે. નિરપેક્ષ ઉષ્ણતામાનનો એકમ કેલ્વિન “K” છે. 0 K બરાબર -273.15^o સેલ્સીયસ. આમ, સેલ્સીયસ એકમમાં દર્શાવેલા ઉષ્ણતામાનને નિરપેક્ષ ઉષ્ણતામાનમાં (કેલ્વિનમા) બદલવા માટે તેમાં 273.15 ઉમેરવા પડે)  0 K થી ઉપરના ઉષ્ણતામાને રહેલો દરેક પદાર્થ વિદ્યુત-ચુંબકીય વિકિરણ (પ્રકાશ) છોડે છે. પદાર્થ કઈ તરંગ-લંબાઈએ કેટલું વિકિરણ છોડે છે, તે તેના ઉષ્ણતામાન તથા તેની સપાટીના ગુણધર્મ પર આધાર રાખે છે. જો દરેક તરંગ-લંબાઈએ છોડેલાં વિકિરણનો સરવાળો કરવામાં આવે, તેનું, સંકલન (integration- ઈન્ટીગ્રેશન) કરવામાં આવે, તો પદાર્થે છોડેલું કુલ વિકિરણ, પદાર્થના (નિરપેક્ષ) ઉષ્ણતામાન  ની ચોથી ઘાતના સપ્રમાણમાં હોય છે.  સ્ટીફન-બોલ્ટ્ઝમેનના નિયમ (Stephan-Boltzmann Law) ના નામથી ઓળખાતા આ નિયમ અનુસાર જો પદાર્થનું નિરપેક્ષ ઉષ્ણતામાન બમણું થાય, તો તેનામાંથી નિકળતું વિકિરણ (અને ઊર્જા, કેમ કે, વિકિરણ પોતાની સાથે ઊર્જા લઈ જાય છે) સોળ ગણું થાય. આપણે પહેલા ભાગમાં જેની ચર્ચા કરી હતી, તે અંતરિક્ષમાં બધી દિશાએથી આવતું દેખાતું CMB,  કોઈ 2.7 કેલ્વિન ઉષ્ણતામાન વાળા પદાર્થમાંથી જેવું  વિકિરણ નીકળે, તેવું છે. અંતરિક્ષમાં છૂટા છોડેલાં દરેક પદાર્થ પર આ વિકિરણ સતત પડતું રહે. આ સામે પદાર્થ પોતે, પોતાના ઉષ્ણતામાન પ્રમાણે, વિકિરણ અંતરિક્ષમાં છોડે. જો પદાર્થનું ઉષ્ણતામાન 2.7 કેલ્વિન કરતાં વધુ હોય, તો તે પોતાના પર પડતાં CMB વિકિરણ કરતાં વધુ વિકિરણ અંતરિક્ષમાં પાછું મોકલે, અને તેથી, તેમાં રહેલી ઊર્જા- અને તેથી તેનું ઉષ્ણતામાન- ક્રમે-ક્રમે ઓછી થતી જાય. આ ક્રમ  જ્યાં સુધી પદાર્થનું ઉષ્ણતામાન   2.7 કેલ્વિનથી વધુ હોય ત્યાં સુધી ચાલુ રહે. પદાર્થનું ઉષ્ણતામાન 2.7 કેલ્વિન પર પહોંચે ત્યારે તેના પર પડતું વિકરણ, અને તેમાંથી નિકળતું વિકિરણ, બન્ને સરખા થઈ જાય, અને પદાર્થનું ઉષ્ણતામાન 2.7 કેલ્વિન પર સ્થિર થઈ જાય. CMB અને પદાર્થની વચ્ચે એક પ્રકારનું સંતુલન(equilibrium -ઈક્વીલીબીરીયમ) બને. આ પ્રમાણે, અંતરિક્ષમાં બીજા ગરમીના સ્રોતથી દૂર રાખેલા પદાર્થનું ઉષ્ણતામાન લાંબા સમયે CMBના ઉષ્ણતામાન જેટલું થઈ જાય. અલબત્ત, અંતરિક્ષમાં કોઈ પણ પદાર્થને ગરમીના બીજા સ્રોતથી સાવ અલગ રાખવો, અને તેથી આ પદ્ધતિથી CMB જેટલું ઓછું ઉષ્ણતામાન મેળવવું  અશક્ય છે. તેમ છતાં, અંતરિક્ષયાનની રચનામાં ઇજનેર આ સિદ્ધાંતનો ફાયદો, ગરમીના સ્રોત સામે કોઈક પ્રકારનું છત્ર અથવા શિલ્ડ વાપરી, જયાં 30-35 કેલ્વિન કે તેથી વધુ ઉષ્ણતામાનથી કામ ચાલી શકે તેમ હોય ત્યાં ઘણી વખત લે છે. ઉદાહરણ રૂપે, ભારતના  ઇન્સેટ (INSAT) શૃંખલાના ઉપગ્રહ પર હવામાનના અવલોકન તથા આગાહી માટે બેસાડેલા ઉપકરણ પોતાના ઇન્ફ્રારેડ ડિટેક્ટરને ઠંડા રાખવા આવા “નિષ્ક્રિય” (passive -પેસીવ), જેને કામ કરવા માટે કોઈ ઊર્જા અથવા કોઈ મશીનની  જરૂર ન પડે તેવા સાધનનો નો ઉપયોગ કરે છે. આવી  ડિઝાઈન વડે, ઉપકરણનો જીવનકાળ ઘણો વધારી શકાય છે.

ભાગ-1માં આપણે જોયું કે JWSTના સૌથી ઠંડા ભાગનું ઉષ્ણતામાન 7 કેલ્વિન (આશરે -266^o સેલ્સીયસ) રહેવું જોઈએ. તે સિવાય, તેના અરીસા અને ટેલિસ્કોપના બીજા ભાગ  પણ 37-55 કેલ્વિન (236^o -218^o  સેલ્સીયસ) જેટલાં ઠંડા રહેવા જોઈએ. સૌથી ઠંડા ભાગ સિવાયના બાકીના ટેલિસ્કોપને ઠંડુ કરવા માટે JWST નિષ્ક્રિય, પેસીવ રીત વાપરે છે. આપણે આગળ જોયું તેમ આ રીત વાપરવા માટે જરૂરી છે કે, ટેલિસ્કોપ પર બહારના સ્રોતની ગરમી બને તેટલી ઓછી પડે. પૃથ્વીની નજીક ગરમીના મુખ્ય સ્રોત સૂર્ય અને પૃથ્વી પોતે, અને કંઈક અંશે ચંદ્ર છે. ભારતના ઇન્સેટ પર લાગેલું ઉપકરણ પ્રમાણમાં નાનું છે, અને તે 80 કેલ્વિન જેટલાં ઊંચા ઉષ્ણતામાન પર પણ કામ કરી શકે છે. વળી તેને માત્ર પૃથ્વી તરફ જ જોવાનું છે. આ બધા કારણને લીધે  એક નાનો શિલ્ડ લગાવી તેને પૃથ્વી, સૂર્ય તથા ચંદ્રની ગરમીથી બચાવી શકાય છે. 6.4 મીટર વ્યાસ વાળા અરીસા  સાથે JWSTના ટેલિસ્કોપનું કદ ઘણું મોટું છે, વળી તેને અંતરિક્ષમાં જુદા-જુદા પદાર્થના અવલોકન માટે ફેરવવું પણ પડે, અને તેની આ દરેક સ્થિતી માટે તેને સૂર્ય, પૃથ્વી અને ચંદ્રની ગરમીથી બચાવવું જરૂરી છે. આ બધી બાબતને ધ્યાનમાં લેતાં JWST પર એક ટેનિસ કોર્ટ જેટલો, 20 મીટર લાંબો અને 14 મીટર પહોળો  શિલ્ડ બેસાડવામાં આવ્યો છે.  શિલ્ડની એક બાજુ સૂર્ય (અને પૃથ્વી તથા ચંદ્ર પણ) નો પ્રકાશ અને ગરમી પડે છે, તો તેની બીજી તરફનું ઉષ્ણતામાન  50 કેલ્વિનથી ઓછું રહેવું જોઈએ, તેથી જરૂરી છે કે શિલ્ડ ઊષ્માનો ખૂબ સારો અવાહક (insulator- ઈન્સ્યુલેટર) હોય. JWST શિલ્ડની રચના એક  થર્મોસ અને ઘાબળાનું મિશ્રણ હોય તેવું લાગે છે. એક સારા ઘાબળા કે રજાઈની માફક તેમાં પાંચ સ્તર છે. દરેક સ્તર એક માનવ વાળથી પણ ઓછી જાડાઈ વાળા “કેપ્ટોન” નામના પ્લાસ્ટિક જેવા પદાર્થની ફિલ્મનું બનેલું છે. બે સ્તર વચ્ચે રહેલો અંતરિક્ષનો શૂન્યાવકાશ ગરમીના શ્રેષ્ઠ અવાહક તરીકે કાર્ય કરે છે, ઉપરાંત, દરેક સ્તરની બેઉ બાજુ એલ્યુમીનીયમની પરત લગાવી, તેમને થર્મોસની દિવાલની માફક ચળકતી બનાવવામાં આવી છે, જે ગરમીને પરાવર્તિત કરે છે. શિલ્ડની સૂર્ય તરફની સપાટી પર એવા પદાર્થની પરત લગાવી છે, જે સૂર્ય પ્રકાશ( સૂર્ય પ્રકાશ મુખ્યત્વે જોઈ શકાય તેવો હોય છે) પરાવર્તિત કરે અને  ગરમીથી ઉત્પન્ન થતાં ઇન્ફ્રારેડ વિકિરણને સારી રીતે બહાર મોકલી શકે, જેથી તે સપાટી વધુ પડતી ગરમ ન થાય. આવી જટિલ ડિઝાઈનના પરિણામે, શિલ્ડની બે બાજુના ઉષ્ણતામાન  વચ્ચે 270^o સેલ્સીયસથી પણ વધુ તફાવત જાળવી શકાય છે. અલબત, જે ભાગને 7 કેલ્વિન જેટલો ઠંડો કરવાની જરૂર છે, તેના માટે આ ડિઝાઈન કામની નથી. તેના માટે તો ખાસ યંત્ર જ વાપરવું પડ્યું.

ઉષ્ણતામાનનો પ્રશ્ન હલ કર્યા બાદ બીજો સવાલ 6.4 મીટર જેટલા મોટા અરીસાનો જરૂરી આકાર જાળવી રાખવાનો હતો. ટેલિસ્કોપનો મુખ્ય અરીસો અંતર્ગોળ હોય છે. ટેલિસ્કોપ બરોબર કામ કરે તેના માટે આ અરીસાના આકારની ચોકસાઈ (accuracy-એક્યુરસી) એક મિલી-મીટરના દસ-હજારમાં ભાગથી પણ વધુ સારી હોવી જોઈએ.  માની લો કે આવો અરીસો બની પણ ગયો, પરંતુ રોકેટ દ્વારા લૉન્ચ સમયે તેને લાગતાં ધક્કા તેમજ આંચકા, અને  અંતરિક્ષ પહોંચ્યા બાદ  થતાં ઉષ્ણતામાનના ફેરફાર અરીસાના આકારની ચોકસાઈ પર અસર પાડી શકે છે. આ પ્રશ્નનો ઉકેલ ઇજનેર મોટાં અરીસાને 18 નાનાં ભાગમાં વહેંચીને કરીને લાવ્યાં. અરીસાનો દરેક ભાગ નાનો હોવાથી તેને બનાવવો સહેલો છે. વળી આખા અરીસાના આકારનું   નિયંત્રણ, તેના દરેક ભાગને બીજા બધા ભાગની સાપેક્ષમાં થોડો હલાવી કરી શકાય છે. ટેલિસ્કોપની આવી ટેકનોલોજી ભૂમિ પરની વેધશાળામાં ઘણા સમયથી, પૃથ્વીના નિરંતર બદલતા વાતાવરણની અસરનો સામનો કરવા વપરાય છે. અરીસાના ભાગને હલાવીને એકબીજાની સાપેક્ષમાં જૂદી-જૂદી રીતે ગોઠવવા માટે  દરેક ભાગની પાછળ સાત સાધન લગાવ્યા છે, જેને “એકચ્યુએટર” (Actuator) કહે છે.

JWSTની ડિઝાઈનની છેવટની આવૃત્તિ નીચેની છબી દર્શાવે છે

મોટા અરીસા વાળા ટેલિસ્કોપ અને ટેનિસ કોર્ટ જેવડા સૂર્ય-શિલ્ડને કારણે JWSTનું કદ એટલું મોટું બની ગયું કે તેને વિશ્વના કોઈ પણ રોકેટની ઉપર રાખીને અંતરિક્ષમાં મોકલી શકાય તેમ ન હતું. છેલ્લા એક દશકમાં સ્પેસ-એક્ષ (SpaceX) જેવી ખાનગી કંપનીએ મોટાં રોકેટના ક્ષેત્રમાં ખાસી પ્રગતિ કરી છે, પરંતુ જ્યારે JWST  વિકસિત થઈ રહ્યું હતું ત્યારે યુરોપનું એરિયાન-5 રોકેટ અબજો ડોલરના ખર્ચે બનેલા JWSTના પ્રક્ષેપણ માટે સૌથી ભરોસાપાત્ર રોકેટ હતું. ઉપરાંત યુરોપની અંતરિક્ષ સંસ્થા ઇસા (ESA) આ રોકેટ, JWSTના 15% ઉપયોગના બદલામાં નાસાને બીજી કોઈ કિંમત લીધા વગર આપવા તૈયાર હતી.   એરિયાન-5 પોતાની ટોચ પર આશરે 4.6 મીટરના વ્યાસ અને 16.2 મીટર લાંબા અંતરિક્ષયાનથી મોટું યાન  લઈ જઈ શકે તેમ ન હતું હતું. અહીં પણ અરીસાની અઢાર ભાગ વાળી રચના કામમાં આવી. લૉન્ચ સમયે અરીસાના ભાગોને વાળી, સંકેલીને મૂકી દઈ શકાય, તથા ટેલિસ્કોપના આગળના ભાગને પણ લૉન્ચ સમયે વાળીને મૂકી શકાય.  તેવી જ રીતે સૂર્ય-શિલ્ડને પણ પાંચ ગડી વાળી સંકેલી શકાય તેવો બનાવ્યો. આટલું કર્યા બાદ,  યાનનું કદ રોકેટમાં સમાઇ શકે તેવું બની ગયું. યાન અંતરિક્ષમાં પહોંચે તે પછી ટેલિસ્કોપ, અરીસા અને શિલ્ડને ખોલી પોતાના મૂળ આકારમાં લાવવાની યોજના કરી. નાસાએ પ્રકાશિત કરેલું આ એનીમેશન JWSTને સંકેલીને શી રીતે રોકેટમાં સમાઈ જાય તેવું બનાવ્યું તે બતાવે છે. આવી જટીલ ડિઝાઈનનો એક મોટો ગેરફાયદો એ હતો કે  JWSTના લૉન્ચ બાદ તેમાં સંકેલીને રાખેલી 50થી વધુ ચીજને ખોલવાની જરૂર પડવાની હતી.  જો આ પચાસ પૈકીની એક પણ ચીજ લૉન્ચ બાદ ખૂલી ન શકે તો JWST મીશન નિષ્ફળતામાં પરિણામે તેમ હતું.

તો આ હતી JWSTની રચના, તેની ડિઝાઈન વિષેની થોડી વાતો. આવતા ભાગમાં મારો વિચાર JWSTના લૉન્ચ, તેની કક્ષા, લૉન્ચ બાદ તેના બધાં ભાગોને ખોલી તેમની ચકાસણી,  અને આકાશમાં તેના અવલોકનના ક્ષેત્ર, જેને વૈજ્ઞાનિક Field of Regard (ફિલ્ડ ઓફ રીગાર્ડ), ટૂંકમાં FoR કહે છે, તેની ચર્ચા કરવાનો છે.

હંમેશ માફક, સૂચન તથા ટિપ્પણી આવકાર્ય છે!