අඳුරු විශ්වයේ රහස් සොයන රත්රන් ආලේප කරපු James Webb දුරේක්‍ෂය

0
267

James Webb Space Telescope එහෙමත් නැතිනම් කෙටියෙන් JWST යනු European Space Agency (ESA) එක සහ Canadian Space Agency (CSA) එකෙහි දායකත්වය ඇතිව ඇමෙරිකානු NASA ආයතනය විසින් නිර්මාණය කරනු ලැබූ අභ්‍යවකාශ දුරේක්ෂයකි. ‘Next Generation Space Telescope’ ලෙස මුලින් හැඳින් වූ මෙය 2002 වර්ෂයේදී James Webb Space Telescope ලෙස නැවත නම් කරනු ලබන්නේ 1961 සිට 1968 දක්වා කාලය තුළ NASA ආයතනයේ පරිපාලකවරයකු ලෙස කටයුතු කළ James E. Webb මහතාට ගෞරව කිරීමක් ලෙසයි.

මෙම James Webbදුරේක්ෂයේ ඉදිකිරීම් කටයුතු 1996 වසරේදී ආරම්භ වන්නේ 2007 වසරේදී එය අභ්‍යවකාශගත කිරීමේ සැලසුම ඇතිවයි. නමුත් විවිධ හේතූන් නිසා අභ්‍යවකාශගත කිරීම පමා වී අවසානයේ පසුගිය දෙසැම්බර් (2021) මස 25 වැනි දින ඒපඪචදඥ 5 රොකට්ටුවක ආධාරයෙන් මෙම James Webb දුරේක්ෂය අභ්‍යවකාශය වෙත දියත් කරනු ලබනවා.

James Webb දුරේක්ෂයේ ඇති විවිධ වූ කොටස් අතුරෙන් කැපී පෙනෙන කොටස වන්නේ එහි primary mirror එක හෙවත් Optical Telescope Element එකයි. කහ පැහැති මීවදයක ස්වරූපයට දිස්වන්නේ මෙම primary mirror එකයි. ෂඩාස්‍රාකාර (hexagonal) දර්පණ කොටස් 18කින් සමන්විත මෙය නිර්මාණය කර ඇත්තේ රන් ආලේපිත berylliumමූලද්‍රව්‍ය යොදාගෙනයි. මෙහි එක් ෂඩාස්‍රාකාර දර්පණයක විෂ්කම්භය මීටර් 1.32 වන අතර primary mirror එකෙහි මුළු විෂ්කම්භය මීටර් 6.5 වෙනවා. පෘථිවිය තුළදී හකුළා අභ්‍යවකාශයේදී නැවතත් දිගහැරීමට හැකි ලෙස මෙම primary mirror එක නිර්මාණය කර තිබෙනවා.

primary mirror එක නිර්මාණය කිරීම සඳහා beryllium මූලද්‍රව්‍ය යොදාගෙන තිබෙන්නේ ඇයි?

Beryllium යනු එහි බරට සාපේක්ෂව ඉතා ශක්තිමත් මූලද්‍රව්‍යයක් නිසාත් උෂ්ණත්වයන් පරාසයක් තුළ එහි හැඩය නොවෙනස්ව රඳවා තබා ගැනීමට හැකියාව ඇති මූලද්‍රව්‍යයක් නිසාත් primary mirror එක සදහා beryllium මූලද්‍රව්‍ය යොදාගෙන තිබෙනවා. මෙසේ beryllium යොදාගෙන දර්පණ කොටස් නිර්මාණය කිරීමෙන් අනතුරුව ඒවා රත්රන්වලින් ආලේප කර තිබෙනවා. මෙසේ රත්රන්වලින් ආලේප කිරීමට හේතුව වන්නේ primary mirror එකට පතිත වන අධෝරක්ත කිරණ (infrared light) වල පරාවර්තනය වැඩි කිරීමයි.

මේවාට රන් ආලේප කර ඇත්තේ vacuum vapour deposition නමැති තාක්ෂණය යොදාගෙනයි. මෙහිදී සිදු වන්නේ ෂඩාස්‍රාකාර දර්පණ කොටස් රික්තක කුටියක් (vacuum chamber) තුළ තබා රත්රන් කුඩා ප්‍රමාණයක් වාෂ්ප කර දර්පණය මත තැන්පත් වීමට ඉඩ හැරීමයි. මෙසේ තැන්පත් වන රත්රන්වල ඝනකම නැනෝමීටර් 100 පමණ වන අතර ඒ අනුව සම්පූර්ණ primary mirror එකෙහිම රන් ආලේප කිරීම සඳහා අවශ්‍ය වී ඇත්තේ රත්රන් ග්‍රෑම් 50 පමණ වේ. මෙම රන් ආලේපනය සීරීම්වලින් ආරක්ෂා කර ගැනීම සඳහා රන් ආලේපනය මත තුනී වීදුරු තට්ටුවක් තැන්පත් කර තිබෙනවා.

James Webb Space Telescope සහ Hubble Space Telescope පටලැවිල්ල

James Webb දුරේක්ෂය Hubble දුරේක්ෂයට ආදේශකයක් නොවේ. මෙම දුරේක්ෂ ද්විත්වයේ හැකියාවන් සමාන වන්නේ නැහැ. Hubble දුරේක්ෂයේ ඇති උපකරණවලට අධෝරක්ත වර්ණාවලියේ කුඩා කොටසක් (0.8 – 2.5 microns) නිරීක්ෂණය කිරීමේ හැකියාව තිබුණත් මූලික වශයෙන් අධ්‍යනය කළේ දෘශ්‍ය සහ පාරජම්බුල (visible සහultra-violet) කියන වර්ණාවලින් වේ. නමුත් James Webb දුරේක්ෂය මූලික වශයෙන් අධ්‍යයනය කරනු ලබන්නේ අධෝරක්ත (infrared) වර්ණාවලියට අයත් තරංග ආයාමයන් වේ.

මීට අමතරව James Webb දුරේක්ෂයේ ඇති primary mirror එක Hubble දුරේක්ෂයේ ඇති primary mirror එකට වඩා විශාලත්වයකින් යුතු නිසා James Webb දුරේක්ෂයට Hubble දුරේක්ෂයට වඩා අෑත අතීතය දෙස බැලීමේ හැකියාව පවතිනවා. එමෙන්ම Hubble දුරේක්ෂය පෘථිවියේ සිට කිලෝමීටර් 547ක් පමණ දුරින් කක්ෂගත වී ඇති නමුත් James Webb දුරේක්ෂය පෘථිවියේ සිට කිලෝමීටර් මිලියන 1.5 දුරින් කක්ෂගත වනු ඇත. මේ වනවිට මුළු දුර ප්‍රමාණයෙන් 90% පමණ ගොස් අවසන් James Webb දුරේක්ෂය නොබෝ දිනකින් L2 ලක්ෂය වටා කක්ෂගත වනු ඇත.

මොකද්ද මේ Lagrange point එකක් කියන්නේ?

සූර්යා සහ පෘථිවිය වැනි අභ්‍යවකාශයේ ඇති ඕනෑම දැවැන්ත වස්තූන් දෙකක් අතර ඒවාගේ ස්කන්ධය මඟින් ඇති කරන ගුරුත්වාකර්ෂණ බලයන් නිෂේධනය වී යන ස්ථාන 5ක් පවතිනවා. මේවා lagrange නධඪදබ ලෙස හඳුන්වන අතර L1 සිට L5 දක්වා මේවා නම් කර තිබෙනවා. L1 සිට L3 දක්වා වන lagrange points ස්කන්ධ දෙක යා කෙරෙන රේඛාවේ ද L4 සහ L5ක් lagrange points ස්කන්ධ දෙක අතර සමපාද ත්‍රිකෝණයක් නිර්මාණය කළ විට එම ස්ථානයේද හමු වෙනවා. මෙම ස්ථාන 5 අතුරෙන් L2 නමැති lagrange ලක්ෂ්‍යය වටා තමයි James Webb දුරේක්ෂය කක්ෂගත වීමට නියමිතව තිබෙන්නේ. L2 නමැති lagrange ලක්ෂය වටා කක්ෂගත වන වස්තුවක් සාමාන්‍යයෙන් පෘථිවියට සහ සූර්යයාට වඩා ඉහළ කක්ෂය පිහිටනු ලබනවා.

ඉහළ කක්ෂවල පිහිටන වස්තූන් සාමාන්‍යයෙන් සූර්යයා වටා ගමන් කිරීමට වැඩි කාලයක් ලබාගන්නා බව නොරහසක්. එසේ නම් L2 නමැති lagrange ලක්ෂ්‍යය වටා කක්ෂගත වන James Webb දුරේක්ෂයත් සූර්යයා වටා එක් ගමන් වාරයක් අවසන් කිරීමට පෘථිවි වසරකට වඩා වැඩි කාලයක් ගමන් කළ යුතු වෙනවා. නමුත් මෙම L2 ලක්ෂ්‍යයේ ඇති විශේෂත්වය වන්නේ දුරේක්ෂය, සූර්යයා සහ පෘථිවිය යන වස්තූන් දෙකට කෙළින් පෙළ ගැසී ඇති නිසා සූර්යයා සහ පෘථිවිය යන වස්තූන් ද්විත්වයම දුරේක්ෂය එකම දිශාවට අදින නිසා දුරේක්ෂයට ලැබෙන ගුරුත්වාකර්ෂණ බලය දුරේක්ෂයට අමතර ශක්තියක් ලබාදෙනු ලබනවා. මෙම නිසා පෘථිවියත් සමඟ එහෙමත් නැතිනම් පෘථිවි වාර්ෂික කක්ෂයත් (Earth’s yearly orbit) සමඟ සමගාමීව ගමන් කිරීමට දුරේක්ෂයට හැකියාව ලැබෙනවා.

නමුත් ඇයි L2 ලක්ෂයම තෝරාගත්තේ?

Hubble දුරේක්ෂය මෙන් නොව James Webb දුරේක්ෂය අධ්‍යයනය කරනු ලබන්නේ අධෝරක්ත (infrared) වර්ණාවලියේ තරංග ආයාමයි. අධෝරක්ත තරංග යනු සරලව තාප විකිරණ (heat radiation) වේ. එම නිසා ඉතා සියුම් තරංග පවා ග්‍රහණය කර ගැනීමට නම් James Webb දුරේක්ෂය හැකි ශීතලම උෂ්ණත්වයේ තබා ගැනීමට අවශ්‍ය වෙනවා. L2 ලක්ෂය වටා James Webb දුරේක්ෂය කක්ෂගත කිරීමේ තවත් වාසියක් වන්නේ සන්නිවේදනය කිරීමට ඇති පහසුවයි. පෘථිවියට සාපේක්ෂව දුරේක්ෂය සෑම විටම අභ්‍යවකාශයේ එකම ස්ථානයක පවතින නිසා Deep Space Network (DSN) එක ආධාරයෙන් දුරේක්ෂයත් සමඟ සන්නිවේදනය කිරීම පහසු වෙනවා.

ඇයි අධෝරක්ත (infrared) වර්ණාවලියේ තරංග ආයාමයන් අධ්‍යයනය කරන්නේ?

මේ සඳහා හේතු කිහිපයක්ම තිබෙනවා. අධෝරක්ත (infrared) කිරණ යනු දෘශ්‍ය ආලෝකයට (Visible Light) වඩා තරංග ආයාමය දිගු (long wavelength) නමුත් රේඩියෝ තරංග (Radio Waves) වලට වඩා තරංග ආයාමය කෙටි විද්‍යුත් චුම්භක විකිරණ (electromagnetic radiation) වේ. විශ්වයේ ඇති වූ පළමු දීප්තිමත් වස්තූන් විසින් නිකුත් කරන ලද පාරජම්බුල සහ දෘශ්‍ය ආලෝකය (visible සහ ultra-violet) වසර බිලියන 13කට පමණ පසුව අද අප වෙත ළඟා වනවිට අධෝරක්ත (infrared) කිරණ බවට පත් වී තිබෙනවා. මෙය Redshifting ලෙස හඳුන්වනු ලබනවා. මෙසේ සිදු වීමට හේතුව වන්නේ විශ්වය ප්‍රසාරණය වීමයි.

විශ්වය ප්‍රසාරණය වීමත් සමඟ වසර බිලියන 13කට පමණ පෙර නිකුත් වූ පාරජම්බුල සහ දෘශ්‍ය ආලෝකය අෑදී යෑම නිසා අධෝරක්ත කිරණ බවට පත් වෙනවා. එම නිසා ඉතා දුර අතීතයක් නිරීක්ෂණය කිරීමට අවශ්‍ය නම් අපට අධෝරක්ත (infrared) වර්ණාවලියේ තරංග ආයාමයන් අධ්‍යයනය කිරීමට සිදු වෙනවා. අධෝරක්ත (infrared) වර්ණාවලියේ තරංග ආයාමයන් අධ්‍යයනය කිරීමට තවත් හේතුවක් වන්නේ තාරකා සහ ග්‍රහලෝක සෑදෙන්නේ වායු හා දූවිලි වලාකුළු තුළ වීමයි. මෙම වායු හා දූවිලි වලාවන් අපගේ දර්ශනයට හරස් වන අතර අධෝරක්ත කිරණට මෙම වලාකුළු හරහා විනිවිද යෑමේ හැකියාව පවතී.

James Webb දුරේක්ෂය කොහොමද මේ අධෝරක්ත (infrared) වර්ණාවලියේ තරංග ආයාමයන් අධ්‍යයනය කරන්නේ?

ලිපියේ මුලින් සඳහන් කළ primary mirror එක හෙවත් Optical Telescope Element එක මෙම James Webb දුරේක්ෂයේ ඇස ලෙස හඳුන්වා දුන්නාට වරදක් නැහැ. මෙය අභ්‍යවකාශයෙන් එන ආලෝකය එක්රැස් කර Integrated Science Instrument Module (ISIM) හි පිහිටා ඇති විද්‍යාත්මක උපකරණ වෙත ලබාදෙනු ලබනවා.

Integrated Science Instrument Module (ISIM) එහෙමත් main payload එක ලෙස හඳුන්වන මෙය James Webb දුරේක්ෂයේ හදවත ලෙස හඳුන්වා දිය හැකියි. මෙය කොටස් 4කින් සමන්විත වෙනවා. ඒවා නම් NIRCam (Near-Infrared Camera) එක, NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) එක,MIRI (Mid-Infrared Instrument) එක සහ FGS (Fine Guidance Sensor) එක වේ. තාරකා විද්‍යාඥයන් විසින් අධෝරක්ත වර්ණාවලිය එහි තරංග ආයාමය අනුව කොටස් 3කට බෙදා වෙන් කරනු ලබනවා. Near-Infrared, Mid-Infrared සහ Far-Infrared යනු එම කොටස් ත්‍රිත්වයයි. NIRCam, NIRSpec සහ FGS/NIRISS යන උපකරණ ත්‍රිත්වයම ක්‍රියාකරන්නේ දඥචප-ඪදටපචපඥඤ පරාසයේ වන අතර MIRI උපකරණය Mid-Infrared පරාසයේ ක්‍රියාත්මක වෙනවා.

NIRCam (Near-Infrared Camera) යනු James Webb දුරේක්ෂයේ primary imager එක වෙනවා. අධෝරක්ත තරංග ආයාමයේ මයික්‍රෝන 0.6 සිට 5 පරාසය (Near-Infrared පරාසය) ආවරණය කිරීමට මෙම NIRCam එකට හැකියාව පවතිනවා. මෙහි ඇති HgCdTe (mercury-cadmium-telluride) detectors 10ක් මඟින් විශ්වයේ මුල්ම තරු සහ මන්දාකිණි අවට මන්දාකිණිවල තරු ගහනය මෙන්ම ක්ෂීරපථයේ තරුණ තරු සහ Kuiper belt හි ඇති වස්තූන් තුළින් නිකුත් වන ආලෝකය හඳුනාගනු ලබනවා. මීට අමතරව මෙම Near-Infrared කැමරාව coronagraphs වලින් සමන්විත වෙනවා. මොනවද මේ coronagraphs කියන්නේ?

හොඳින් ඉර පායා ඇති දවසක අහසේ ගමන් කරන ගුවන් යානයක් දෙස බලන අවස්ථාවක් සිහියට නඟා ගන්න. එක වර අහස දෙස බැලුවහොත් සූර්යයාගේ දීප්තිය වැඩි නිසා ගුවන් යානය දැක ගැනීම අපහසු වෙනවා නේද? නමුත් ඉර එළිය මුහුණට වැටෙන නිසා එක් අතකින් ඉර හරස් කරගෙන ගුවන් යානය දෙස බැලීමේදී එය වඩාත් හොඳින් නිරීක්ෂණය කිරීමට හැකියාව ලැබෙනවා නේද? coronagraphs වලින් සිදු වන්නේද මෙම සිද්ධාන්තයමයි. ඉතාමත් දීප්තිමත් වස්තූන් අවට පිහිටා ඇති දීප්තියෙන් අඩු වස්තූන්වල පින්තූර ලබා ගැනීමට මෙම coronagraphs උපකාරී වෙනවා. මෙම coronagraphsවල උපකාරයෙන් අවට තරු වටා කක්ෂගත වන ග්‍රහලෝකවල ලක්ෂණ නිරීක්ෂණය කිරීමට විද්‍යාඥයන් බලාපොරොත්තු වෙනවා.

NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) උපකරණයත් NIRCam ආවරණය කරනු ලබන අධෝරක්ත තරංග ආයාමයම (මයික්‍රෝන 0.6 සිට 5) ආවරණය කරනු ලබනවා. යම්කිසි වස්තුවකින් විමෝචනය වන ආලෝක වර්ණාවලිය අධ්‍යයනය කිරීමෙන් එම වස්තුවෙහි ඇති උෂ්ණත්වය, ස්කන්ධය, රසායනික සංයුතිය වැනි භෞතික ගුණාංග පැවැසීමේ හැකියාව පවතිනවා. කෙසේ නමුත් James Webb දුරේක්ෂය විසින් අධ්‍යයනය කිරීමට බලාපොරොත්තු වන මහා පිපිරුමෙන් පසු බිහි වූ පළමු මන්දාකිණි වැනි වසර බිලියන ගණනක් පැරැණි මන්දාකිණිවලින් නිකුත් වූ ආලෝකය අපට වර්තමානයේ හමු වන්නේ ඉතාමත් දුර්වල, සියුම් තරංග ආයාමයන් ලෙසයි.

මේ නිසා එසේ පැමිණෙන ආලෝක තරංගවලින් වර්ණාවලියක් නිර්මාණය කර ගැනීමට නම් James Webb දුරේක්ෂයට පැය සිය ගණනක් මෙම දුර්වල තරංග ආයාමයන් දෙස බලා සිටිය යුතු වෙනවා. ඉතින් වසර 5 – 10ක මෙහෙයුම් කාලයක් ඇති මෙම දුරේක්ෂය මෙවැනි තත්ත්වයක් යටතේ මන්දාකිණි දහස් ගණනක් පිළිබඳව අධ්‍යයනය කරන්නේ කෙසේද? මේ සඳහා විද්‍යාඥයන් විසින් නව තාක්ෂණයක් සොයාගෙන තිබෙනවා. NIRSpec එක ඔස්සේ අභ්‍යවකාශ වස්තූන් 100ක් එකවර නිරීක්ෂණය කොට එම වස්තූන් 100ට සමගාමී වර්ණාවලි 100 ලබාගැනීමේ හැකියාව මෙම නව තාක්ෂණය ඔස්සේ ලැබී තිබෙනවා. මෙම නව තාක්ෂණය microshutter system ලෙස හඳුන්වනු ලබනවා. James Webb දුරේක්ෂය අධ්‍යයනය කරනු ලබන ආලෝකය ඉතාමත් දුර්වල, සියුම් ආලෝක තරංග නිසා ආසන්නයේ ඇති දීප්තිමත් වස්තූන්ගේ ආලෝකය අවහිර කර දැමීමට මෙම microshutter system එකට හැකියාව පවතිනවා.

අභ්‍යවකාශයේ ඇති විශාල ප්‍රමාණයක ආලෝක තරංග අතුරෙන් දුරේක්ෂයට අවශ්‍ය තරංග ආයාමයන්ට පමණක් නිරවද්‍යව දුරේක්ෂය එල්ල කිරීම සිදු කරනු ලබන්නේ Fine Guidance Sensor (FGS) එකෙහි උපකාරයෙනි.

MIRI (Mid-Infrared Instrument) යනු කැමරාවක් සහ spectrograph එකක් සහිත mid-infrared පරාසයේ ඇති ආලෝකය නිරීක්ෂණය කරනු ලබන උපකරණයකි. මයිකේ‍රා්න 5 – 28 වූ අධෝරක්ත තරංග ආයාමය අධ්‍යයනය කරනු ලබන මෙම උපකරණය විසින් දුරින් පිහිටා ඇති මන්දාකිණි, අලුතින් සෑදෙන තරු සහ දුර්වල ලෙස පෙනෙන වල්ගාතරු මෙන්ම Kuiper Belt එකෙහි ඇති වස්තූන්ගේ redshift වූ ආලෝකය අධ්‍යයනය කරනු ලබනවා. මෙම MIRI උපකරණය සෙල්සියස් අංශක -266.5ට සිසිල් වී නොතිබුණහොත් MIRI එක, MIRI එක විසින්ම නිපදවන තාපය හසු කර ගැනීමට පටන් ගනු ලබනවා. මේ නිසා MIRI එක අවශ්‍ය මට්ටමට සිසිල් කර ගැනීමට විද්‍යාඥයන් විසින් Cryocooler එකක් සවි කර තිබෙනවා. මෙහිදී heliumවල උපකාරයෙන් MIRI එක සිසිල් කර ගැනීම සිදු වෙනවා.

සූර්යයා, චන්ද්‍රයා සහ පෘථිවිය විසින් නිකුත් කරනු ලබන තාපය මඟින්ද මෙම James Webb දුරේක්ෂය ආවරණය කළ යුතු වෙනවා. මේ සඳහා විද්‍යාඥයන් විසින් James Webb දුරේක්ෂයේ සරුංගලයක හැඩයට primary mirror එකට පහතින් ඇල්ති විශාල ව්‍යුහය වන sunshield එක නිර්මාණය කරනු ලැබුවා. ලේයර් 5කින් සමන්විත මෙය ටෙනිස් පිටියක ප්‍රමාණයෙන් යුක්ත වෙනවා. මෙම sunshield එක විසින් දුරේක්ෂයට සෙල්සියස් අංශක -223ක පමණ උෂ්ණත්වයකට සිසිල් වීමට උපකාරි වෙනවා. Kapton නමැති ද්‍රව්‍ය යොදාගෙන මෙම ලේයර් 5 නිර්මාණය කර ඇති අතර සෑම ලේයරයක්ම ඇලුමිනියම්වලින් ආලේප කර තිබෙනවා.

වසර 30ක පමණ කාලයක් තිස්සේ ඇමෙරිකානු ඩොලර් බිලියන 10ක් පමණ වැය කොට නිර්මාණය කෙරුණු මෙම දුරේක්ෂය අෑත අඳුරු විශ්වයේ සැඟවී ඇති රහස් විශාල ප්‍රමාණයක් මිනිස් වර්ගයාට හෙළිකර දීමේ අදිටනින් මේ වනවිටත් තම උපන් භූමිය වූ පෘථිවියේ සිට කිලෝමීටර් මිලියන 1.5ක් පමණ දුරින් කක්ෂගත වී ඇති James ඔබට අපගේ හදපිරි සුබ පැතුම්.

සමීර මදුෂාන්