जेम्स वेब्ब दुर्बीण: काही रोचक आणि रंजक माहिती

काहीच दिवसांपूर्वी जेम्स वेब या ‘नासा’ च्या इन्फ्रारेड दुर्बिणीने घेतलेले SMACS J0723 या दीर्घिका समुहाचे सुस्पष्ट फोटो जगभर प्रसिद्ध झाले. या दुर्बिणी विषयी विशेषतः ज्या रोचक आणि रंजक गोष्टी आहेत त्या आपण जाणून घेऊ.

जेम्स वेब पृथ्वीभोवतो नव्हे तर सूर्याभोवती फिरते

    जेम्स वेब दुर्बीण (Observatory) हि आजवरची अवकाशात पृथ्वीपासून सर्वाधिक दूरवर स्थित केलेली इन्फ्रारेड दुर्बीण आहे. यापूर्वीची हबल दुर्बीण हि पृथ्वीपासून ५४० किलोमीटर अंतरावर पृथ्वीभोवती फिरत ठेवलेली आहे. पण जेम्स वेब्ब पृथ्वीपासून तब्बल पंधरा लाख किलोमीटर अंतरावर आहे! आणि विशेष म्हणजे पृथ्वीभोवती न फिरता ती सूर्याभोवती फिरते आहे. होय, ती पृथ्वीसोबतच सूर्याभोवती प्रदक्षिणा घालत आहे.

    अवकाशातील कोणत्याही खगोलाभोवती (ग्रह/तारे इत्यादी) वस्तू एका ठराविक कक्षेत राहण्यासाठी विशिष्ट गतीने त्या खगोलाभोवती फिरत ठेवावी लागते (अन्यथा ती वस्तू एकतर त्या खगोलावर जाऊन तरी आदळेल, नाहीतर आपली कक्षा सोडून कायमची दूर निघून जाईल). या वक्राकार गतीमुळे त्या वस्तूला आपसूकच केंद्रापसारक बल (Centrifugal force) प्राप्त होते. पृथ्वीभोवती अवकाशात पाच बिंदू असे आहेत. या बिंदूंच्या ठिकाणी पृथ्वी आणि सूर्य यांचे गुरुत्वीय बल, तसेच त्या बिंदूंच्या कक्षेत सूर्याभोवती फिरणाऱ्या वस्तूचे केंद्रापसारक बल, हि सर्व बलं एकमेकांस तुल्यबळ ठरतात. इथे या सर्व शक्ती सारख्याच प्रमाणात पण परस्परविरोधी बाजूनी वस्तूला ओढत असतात. परिणामी या जागेत कोणतेही एक बल वा गुरुत्वाकर्षण प्रबळ नसते. म्हणून या ठिकाणी वस्तू “ठेवल्यासारखी” जागच्या जागी स्थिर राहू शकते. यांना लॅग्रँजियन बिंदू (Lagrangian Points) असे म्हणतात. कारण इटालियन-फ्रेंच गणिततज्ञ जोझेफी-लुईस लॅग्रँजे यांनी कोणत्याही दोन ग्रहगोलांदरम्यान असे पाच बिंदू कुठे असू शकतात ते शोधण्याचे समीकरण इ.स. १७७२ साली तयार केले.


    वरील आकृतीत दाखवल्याप्रमाणे पृथ्वी आणि सूर्य यांच्या आसपास असे पाच बिंदू आहेत. जेम्स वेब यातीलच एका म्हणजे L2 या बिंदू शेजारी त्या बिंदू भोवती छोट्या कक्षेत फिरत ठेवलेली आहे (या व्यतिरिक्त अजूनही असे काही पाच-सहा उपग्रह यापूर्वी तिथे फिरत ठेवलेले आहेत). जेणेकरून तिची पाठ नेहमी पृथ्वी आणि सूर्य यांच्या बाजूला तर तोंड विरुद्ध दिशेला अवकाशाकडे असेल. याचा फायदा असा कि सूर्याकडून येणारी उर्जा तिच्या पाठीशी बसवलेल्या सौरउर्जा पॅनलला मिळत राहील आणि त्याचबरोबर तिच्या तोंडाकडे अवकाश निरीक्षणासाठी जे रेडिओ-आरसे बसवले आहेत त्यांना सूर्याचा वा पृथ्वीचा अडथळा कधीच येणार नाही.
    घराच्या समोर घरातल्या गोंगाटापासून बऱ्याच दूर अंतरावर घराकडे पाठ करून दूरवर आकाशात पाहत खुर्ची टाकून बसावे, अगदी तसेच हि दुर्बीण पृथ्वीपासून तब्बल पंधरा लाख किलोमीटर अंतरावर पृथ्वीकडे पाठ करून “बाहेरच्या अवकाशात डोळे लावून” बसली आहे. आणि तशीच ती पृथ्वीसोबत सूर्याभोवती प्रदक्षिणा घालत आहे.

हबल आणि इतर दुर्बिणी

    याआधी एप्रिल १९९० मध्ये हबल दुर्बीण प्रक्षेपित केली होती. ती खरेच “दुर्बीण” होती. काचेची दुर्बीण. जिच्यातून दीर्घ-प्रदीर्घ अंतरावर असणाऱ्या तेजोमय खगोलांकडे पाहता येत असे (जसे तारे, आकाशगंगा, मोठे पण परप्रकाशित ग्रह, नेब्युलाज इत्यादी). या दुर्बिणीमुळे अतिदूरवर असलेल्या बऱ्याचशा खगोलांच्या स्वच्छ स्पष्ट प्रतिमा प्रथमच मानवाला पाहता आल्या. इतकेच नाही, तर विश्वाचे वय १३.७ अब्ज वर्षे आहे याचे गणित, जवळपास प्रत्येक दीर्घिकेच्या (आपल्या दिर्घिकेला ‘आकाशगंगा’ म्हणतात. विश्वात अशा अब्जावधी आहे) केंद्रस्थानी अतिविशाल कृष्णविवर असते, नेब्युला ढगांपासून सूर्यमाला निर्माण होतात, विश्वातले सर्वात मोठे तारे, जवळपासची अँड्रोमेडा दीर्घिका, विश्वात गूढपदार्थाचे (Dark Matter) अस्तित्व इत्यादी. या व अशा कितीतरी महत्वाच्या शोधांमध्ये ‘हबल’ने मोलाची भूमीका बजावली आहे. एडविन हबल या प्रख्यात खगोल वैज्ञानिकाचे नाव तिला दिले गेले. (अर्थात ‘नासा’ सारख्या जगातील इतरही अवकाश संशोधन संस्थांनी इतरही अनेक दुर्बिणी अवकाशात स्थिर केल्या आहेत).


इन्फ्रारेड दुर्बीण? का? असे काय आहे इन्फ्रारेड प्रकाशात?

    अतिदीर्घ अंतरावरून येणाऱ्या दृश्यमान प्रकाशाला प्रचंड मर्यादा येतात. जसे कि कोट्यावधी प्रकाशवर्षे दूर अंतरावरच्या त्या तेजोमय खगोलांकडून येणारा प्रकाश, हा वाटेत असणारे धुलीकणांचे अतिविशाल ढग, अस्ताव्यस्त पसरलेले नेब्युलाज व इतर अनेक प्रकाशमान खगोल यांच्यामुळे 'हबल'पर्यंत येईतोवर फार फार क्षीण झालेला असतो. त्यामुळे अतिदीर्घ अंतरावर असणाऱ्या दीर्घिका वा ताऱ्यांच्या प्रतिमा खूपच धूसर येत. म्हणून त्यांचे निरीक्षण करणे फार जिकीरीचे होऊन जाते. यासाठी केवळ दृश्य प्रकाशकिरणांवर अवलंबून न राहता त्या तेजोमय खगोलांकडून येणाऱ्या इतर किरणांच्या प्रतिमा घेणे जास्त उपयुक्त ठरते. याचसाठी दृश्य प्रकाशकिरणांपेक्षा जास्त लांबीच्या प्रकाशकिरणांची निवड केली जाते. या किरणांना वास्तविक ‘प्रकाश’ म्हणता येणार नाही कारण ते डोळ्यांना दिसत नाहीत. संपूर्ण विद्युतचुंबकीय लहरी आणि त्यातल्या आपल्या डोळ्यांना दिसणाऱ्या किती हे खालील आकृतीवरून ध्यानात येते.


    तारे/नेब्युलाज/दीर्घिका अशा विश्वातल्या तेजोमय खगोलांमधून या सर्वच लहरी उत्सर्जित होत असतात (कारण या तेजोमय ज्योती म्हणजे अतिविशाल अक्राळविक्राळ अशा नैसर्गिक अणुभट्ट्याच असतात जणू). वर दाखवल्याप्रमाणे त्यातल्या फार कमी लहरी आपल्याला दिसतात ज्याला आपण दृश्य प्रकाश म्हणतो.

यामध्ये लक्षात येईल “दृश्य प्रकाशकिरणांपेक्षा कमी तरंगलांबीच्या” लहरी म्हणजे अल्ट्राव्हायोलेट, एक्स-रे आणि गामा किरणे. वर उल्लेख केल्याप्रमाणे या तरंगलहरी अवकाशातच विविध अडथळे आणि धुलीकण यांमध्ये विरून जातात किंवा अतिक्षीण होतात. आणि “दृश्य प्रकाशकिरणांपेक्षा जास्त तरंगलांबीच्या” लहरी म्हणजे इन्फ्रारेड, मायक्रोवेव्ह आणि रेडिओ लहरी या सर्वाधिक दीर्घ अंतराचा प्रवास करतात.

अजस्त्र अशा रेडिओ दुर्बिणी आणि वैश्विक पार्श्वकिरणांचा शोध

    यापैकी रेडिओ लहरी पकडून त्याद्वारे अभ्यास करण्यासाठी रेडिओ दुर्बिणीची निर्मिती केली गेली. तरंगलांबी जास्त असल्याने या दुर्बिणीचे आरसे (परावर्तक) मोठे असावे लागतात. तसेच जास्त तरंगलांबीच्या लहरी असल्याने पृथ्वीच्या वातावरणाचा फारसा त्रास होत नाही. त्यामुळे या दुर्बिणी जमिनीवरच स्थिर केलेल्या असतात. कोणत्याही दुर्बिणीला अतिदूरच्या वस्तू जास्तीत जास्त स्पष्ट दिसाव्यात यासाठी चांगले अँग्युलर रिझोल्यूशन असणे आवश्यक असते. ते मिळवण्यासाठी त्यांचा आकार वाढवला गेला. त्या अवाढव्य झाल्या. जगातील अनेक नामांकित अवकाश संशोधन संस्थांनी या रेडिओ दुर्बिणी बसवल्या आहेत. या दुर्बिणीद्वारे रेडिओतरंग आणि मायक्रोवेव्ह पकडले जातात.


    वैश्विक पार्श्वकिरणोत्सर्ग CBMR (Cosmic Background Microwave Radiation) म्हणजे विश्वनिर्मितीच्या अगदी सुरवातीच्या काळात निर्माण झालेले मायक्रोवेव्ह तरंगकिरण. विश्वातील निर्वात पोकळीत हे किरण अजूनही अस्तित्वात असल्याचा शोध रेडिओ दुर्बिणीमुळे पण केवळ अपघातानेच लागला. या शोधामुळे विश्वनिर्मितीच्या अभ्यासामध्ये फार मोलाची मदत झाली. “हे किरण कुठून येत आहेत? रेडिओ दुर्बीण खराब झाली कि काय? ती गरम झाल्यामुळे किरणासारखे काही दिसतेय कि काय? त्यावर कबुतरांची घाण पडली कि काय?” अशा शंकांनी सुरवात झालेला प्रवास CBMR च्या शोधापाशी थांबला. आणि ते शोधणाऱ्या वैज्ञानिकांना त्यावर्षीचा नोबेल पुरस्कार मिळाला.

‘हबल’ने शोधली सर्वात दूरची दीर्घिका

    दृश्य प्रकाशावर काम करणाऱ्या दुर्बिणी झाल्या, रेडिओ दुर्बिणी झाल्या. अतिदूरच्या (अब्जावधी प्रकाशवर्षे) खगोल ज्योतींकडून येणारे किरण पकडण्यात या दोन्हींना अगदी पूर्ण नसले नसले तरी बरेचशे यश आले होते. हबलद्वारे अतिदूरवरील दीर्घिकांचा अभ्यास करणाऱ्या टीमला (MACS team) काही दीर्घिकांचे समूह असे सापडले कि ते गुरुत्वीय भिंगेसारखे (Gravitational Lens) काम करत होते. त्यामुळे या समुहाच्या मागील दीर्घिका फारच ठळक आणि स्पष्ट दिसत होती. जसे नेहमीच्या काचेच्या भिंगेतून पलीकडची वस्तू मोठी दिसते, अगदी तसेच दीर्घिकांच्या समुहात असलेल्या तीव्र गुरुत्वाकर्षणामुळे पलीकडून येणाऱ्या प्रकाशाचे विस्फारण होते आणि पलीकडचे खगोल ठळक व मोठे दिसू लागतात. या दीर्घिका समूहांपैकी MACS 0416, MACS 0025, MACS 0647, MACS 0717 हि काही नावे.
    अशा समूहांपैकीच एक SMACS 0723. याच्या मध्ये विश्वाच्या सुरवातीच्या काळातील दीर्घिका दडल्या आहेत असे आढळून आले. 'हबल'ने शोधलेली आजवरची सर्वात दूरवरची दीर्घिका म्हणजे GNz11. हि साडेतेरा अब्ज प्रकाशवर्षे अंतरावर आहे. म्हणजे आता जो काही तिच्याकडून येणारा प्रकाश दिसतो आहे तो तब्बल साडेतेरा अब्ज वर्षापूर्वीचा आहे. म्हणजे विश्व निर्मितीनंतर (जी जवळपास १४ अब्ज वर्षांपूर्वी झाली) केवळ चाळीस ते पन्नास कोटी वर्षानंतरचा हा प्रकाश!

जेम्स वेब्ब दुर्बीण: अंदाज पन्नास कोटी डॉलर, प्रत्यक्ष खर्च दहा अब्ज डॉलर

    या अतिदूरच्या समुहातून दिसणाऱ्या दीर्घिका अजून स्पष्ट दिसण्यासाठी, इन्फ्रारेड किरणांवर चालू शकणाऱ्या दुर्बिणीची गरज असल्याचे काही वैज्ञानिकांना अगदी १९८० पासून वाटत होते. प्रत्यक्षात मात्र सर्व चाचपण्या गणिते आकडेमोडी आणि प्रपोजल बनवायला १९९६ साल उजाडले. या साली 'नासा' मधल्या एका कमिटीने १३.६ अब्ज प्रकाशवर्षे अंतरावरच्या दीर्घिका पाहता येतील अशी इन्फ्रारेड दुर्बीण बनवून ती २००७ पर्यंत लॉंच करण्याचा प्रस्ताव मांडला. Next Generation Telescope असे नाव असलेला हा प्रोजेक्ट होता. १९९६ साली यासाठी अपेक्षित खर्च अंदाजे पन्नास कोटी डॉलर इतका काढला होता. अमेरिकेसाठी तो अर्थातच किरकोळ होता. त्यानुसार काम सुरु झाले खरे पण पुढे अनेक अडचणी येत गेल्या. ठरवल्याप्रमाणे गोष्टी घडल्या नाहीत. आणि अखेर २० मीटर x १४ मीटर इतका पाया ज्यावर पूर्णपणे सोन्याचा वर्ख दिलेला ६ मीटर उंचीचा आरसा आहे, अशी तब्बल ६ हजारहून अधिक किलो वजनाची हि महाकाय इन्फ्रारेड दुर्बीण तयार झाली. ती लॉंच व्हायला २०२१ चा डिसेंबर उजाडला. तोवर खर्च सुद्धा अवाढव्य म्हणजे दहा अब्ज डॉलरच्या घरात गेला होता! आणि १९६० च्या दशकात ‘नासा’चे नेतृत्व करणारे जेम्स वेब्ब (ज्यांच्या काळात नासाचे यान चंद्रावर उतरले) यांच्या सन्मानार्थ या दुर्बिणीचे ‘जेम्स वेब्ब’ असे नामकरण करण्यात आले.


    २५ डिसेंबर २०२१ रोजी दक्षिण अमेरिकेतील फ्रेंच गियानामधल्या कौरौ शहराजवळील युरोपीयन अंतराळ केंद्राच्या अवकाशयान उड्डाण तळावर हि बहुचर्चित दुर्बीण रॉकेटसोबत अंतराळात झेपावायला सज्ज झाली होती. लॉंच करत असताना किंवा नंतरच्या काळातही दुर्बीण नादुरुस्त होऊ शकते. अशा वेळी ‘हबल’कडे अंतराळयानातून वैज्ञानिक पोहोचून हवी ती दुरुस्ती करू शकत होते. आणि तशी अनेकदा केलीसुद्धा आहे. कारण 'हबल' तुलनेने जवळ होती. पण 'जेम्स वेब्ब'बाबत तो पर्यायच नाही. इतक्या दूर अंतरावर अवकाशयानाने दुरुस्तीसाठी जाणे शक्य नव्हते आणि नाही. त्यामुळे लॉंच नंतर कोणत्याही कारणाने दुर्बीणीला जर काही अपघात वा नुकसान झाले असते, तर पंचवीसहून अधिक वर्षे सुरु असलेला दहाअब्ज डॉलरचा हा प्रोजेक्ट थेट कचऱ्यात जाऊ शकला असता!
    पण सुदैवाने तसे काही न होता, झेपावलेल्या रॉकेटमधून वाहून नेली गेलेली हि दुर्बीण तब्बल पंधरा लाख किलोमीटरवर असलेल्या L2 या आपल्या गंतव्यस्थानी जवळपास एक महिन्याने सुव्यवस्थितपणे पोहोचली. तिथे स्थिर झाल्यानंतर काहीच महिन्यांनी एक छोटुसा दगड (छोटी उल्का म्हणता येईल हवे तर) दुर्बिणीच्या आरशावर आदळला आणि इकडे वैज्ञानिकांच्या काळजाचा ठोका चुकला. पण सुदैवाने कोणतेही गंभीर नुकसान झाले नाही.

एक बाजू गरमागरम तर दुसरी अतिथंड

    इन्फ्रारेड दुर्बिणीत सगळ्यात अडथळा असतो तो उष्णतेचा. कारण सूर्याच्या उष्णतेमुळे निर्माण होणारी मायक्रोवेव्ह आणि इन्फ्रारेड किरणे, ज्यासाठी दुर्बीण बनवली आहे त्या दूरवरून येणाऱ्या किरणांना अगदी सहज वरचढ ठरली असती आणि मग दुर्बीण काही कामाचीच राहिली नसती. हे टाळण्यासाठी बहुस्तरीय सूर्य ढाल बनवलेली आहे. ज्यायोगे सूर्याच्या बाजूचे तापमान ८५ डिग्री पर्यंत गेलेले असताना दुर्बिणीच्या भागात मात्र अतिथंड म्हणजे उणे २३३ डिग्री इतके असते.


आजवरच्या सर्वधिक दूर दिर्घिकेचा फोटो

    यथावकाश या दुर्बिणीने आपले काम सुरु केले, आणि जसे आपणा सर्वाना माहिती आहे, काहीच दिवसांपूर्वी या दुर्बिणीने घेतलेला SMACS J0723 या दीर्घिका समुहाचा सुस्पष्ट फोटो जगभर प्रसिद्ध झाला. साडेचारहून अधिक अब्ज प्रकाशवर्षे दूर असलेला हा समूह, वाळूचा अगदी छोटा कण हातभर अंतरावर धरला कि जितका दिसेल, तितका प्रत्यक्ष आकाशात त्याचा आकार आहे. पण 'जेम्स वेब्ब'ने अनेक तासांच्या अवधीत विविध तरंगलांबीच्या इन्फ्रारेड किरणांचे फोटो घेऊन हा एकसंध फोटो बनवला.


    आधी लिहिल्याप्रमाणे SMACS J0723 हा दीर्घिका समूह भिंगेसारखे काम करतो व त्यामुळे याच्या मागे असलेल्या दीर्घिका ठळक दिसतात. त्यातीलच एक आहे १३.६ अब्ज प्रकाशवर्षे दूर. म्हणजे हबलद्वारे शोधलेल्या GNz11 पेक्षा हा वीस लाख वर्षाहून अधिक जुना प्रकाश! पण विश्वाचा सुरवातीचा वीस लाख वर्षाचा फरक संशोधकांच्या दृष्टीने खूप मोठा असतो. यामुळे विश्वाच्या सुरवातीच्या काळातला बराचसा टप्पा समजण्यास मदत होणार आहे.

    दहाहून अधिक वर्षे पुरेल इतकी क्षमता असलेल्या या दुर्बिणीमुळे येणाऱ्या काळात अनेक गोष्टी उलगडण्यास मदत होईल असा विश्वास `नासा`च्या वैज्ञानिकांना वाटतो. हि तर केवळ सुरवात आहे!

संदर्भसूची:
Webb Orbit:
https://webb.nasa.gov/content/about/orbit.html

NASA’s Webb Delivers Deepest Infrared Image of Universe Yet:
https://www.nasa.gov/image-feature/goddard/2022/nasa-s-webb-delivers-dee...

What These Dazzling James Webb Telescope Images Mean for Space:
https://time.com/6195785/james-webb-telescope-images-released-space/

NASA unveils first images from James Webb Space Telescope:
https://www.washingtonpost.com/science/2022/07/11/nasa-james-webb-space-...

Webb telescope reaches its final destination far from Earth:
https://www.nature.com/articles/d41586-022-00128-0

Webb Reveals Deepest View of Universe Yet:
http://www.sci-news.com/astronomy/webbs-first-deep-field-10989.html

Hubble Space Telescope:
https://en.wikipedia.org/wiki/Hubble_Space_Telescope

Galaxy cluster:
https://en.wikipedia.org/wiki/Galaxy_cluster

MACS J0416.1-2403:
https://en.wikipedia.org/wiki/MACS_J0416.1-2403

Webb's First Deep Field:
https://en.wikipedia.org/wiki/Webb%27s_First_Deep_Field

GN-z11:
https://en.wikipedia.org/wiki/GN-z11