পারমাণবিক ঘড়ির এক কৌশল, তাক করা সূর্যের দিকে
অন্য কোনো নক্ষত্রের চারপাশে পৃথিবীর যমজ খুঁজতে জ্যোতির্বিদেরা নক্ষত্রটির টলমল করা লক্ষ করেন। পৃথিবীর দূরত্বে একটি সূর্যসদৃশ নক্ষত্রকে প্রদক্ষিণ করা পৃথিবী-ভরের একটি গ্রহ তাকে নড়ায় মাত্র সেকেন্ডে 8.9 সেন্টিমিটার, এক বছর বা তার বেশি সময় জুড়ে। এই ক্ষুদ্র গতি নক্ষত্রের বর্ণালি-রেখাগুলোকে এক হাজার কোটিতে কয়েক ভাগ সরিয়ে দেয়।
সেরা গ্রহ-সন্ধানী যন্ত্রগুলো এর কাছাকাছি পৌঁছায় নক্ষত্রের আলো বড় গ্রেটিংয়ের ওপর ছড়িয়ে দিয়ে এবং একসঙ্গে শত শত বা হাজার হাজার রেখার সরণের গড় নিয়ে। লেজার ফ্রিকোয়েন্সি কম্ব দিয়ে ক্রমাঙ্কিত হলেও তারা মাপে আলো ডিটেক্টরের কোথায় পড়ছে — একটি তরঙ্গদৈর্ঘ্য, কম্পাঙ্ক নয়।
পারমাণবিক ঘড়ি থেকে ধার
অপটিক্যাল ঘড়ি, সবচেয়ে নিখুঁত সময়রক্ষক, কাজ করে অন্যভাবে। তারা একটি লেজারকে একটি পারমাণবিক রূপান্তরে লক করে এবং একটি ফ্রিকোয়েন্সি কম্ব দিয়ে তার কম্পাঙ্ক গোনে; ফ্রিকোয়েন্সি কম্ব এমন এক লেজার, যার আলো সমান ব্যবধানের কম্পাঙ্কের একটি রুলার তৈরি করে। সমস্যা হলো: এদের দরকার গবেষণাগারের পরিচ্ছন্ন লেজার-আলো, নক্ষত্রের বিশৃঙ্খল তাপীয় দীপ্তি নয়।
কলোরাডো বিশ্ববিদ্যালয় বোল্ডার ও যুক্তরাষ্ট্রের ন্যাশনাল ইনস্টিটিউট অব স্ট্যান্ডার্ডস অ্যান্ড টেকনোলজির (NIST) কনর ফ্রেডরিক, রায়ান কে. কোল ও তাঁদের সহকর্মীরা, স্কট ডিডামসের নেতৃত্বে, এখন ঘড়ির এই প্রণালী সূর্যালোকে প্রয়োগ করেছেন। ফলাফলটিকে তাঁরা বলছেন সৌর অপটিক্যাল ঘড়ি।
একটি রেখা, একটি লেজার
- ছাদের একটি ছোট সৌর ট্র্যাকার সূর্যের পুরো চাকতির আলো একটি সিঙ্গল-মোড অপটিক্যাল ফাইবারে পাঠায় — সূর্যকে দেখা হয় যেন সেটি একটি দূরের নক্ষত্র।
- গবেষণাগারে সূর্যালোককে একটি ডিটেক্টরে একটি লেজারের সঙ্গে মেশানো হয়। লেজারের কম্পাঙ্ক সামনে-পেছনে দোলানো হয়, যা এমন একটি সংকেত তৈরি করে যা ঠিক 1,565.28 ন্যানোমিটারের কাছে প্রায় 4.3 গিগাহার্টজ চওড়া একটি লোহার শোষণ-রেখার কেন্দ্রে শূন্যে নেমে আসে। এই চওড়া হওয়াটা যন্ত্রের দোষ নয়: সূর্যের গ্যাসের তাপীয় চাঞ্চল্য ও পরিচলন রেখাটিকে ছড়িয়ে দেয়, আর কেন্দ্রটি ওই ঝাপসা পটির ভেতরেই খুঁজে নিতে হয়।
- একটি ফিডব্যাক লুপ লেজারটিকে সেখানেই লক করে রাখে। একই সময়ে, একটি হাইড্রোজেন মেজারের — অর্থাৎ হাইড্রোজেনের একটি পারমাণবিক ঘড়ি, যা কয়েক ঘণ্টার মাপে খুব স্থির এবং এখানে সময়ের রেফারেন্স হিসেবে কাজ করে — সঙ্গে যুক্ত, NIST-এর ক্রমাঙ্কিত একটি ফ্রিকোয়েন্সি কম্ব অবিরাম লেজারের কম্পাঙ্ক গোনে — সেকেন্ডের সরকারি সংজ্ঞার সঙ্গে একটি সরাসরি যোগসূত্র।
কম্পাঙ্কের শতকোটি ভাগের এক ভাগ
এক সেকেন্ডে লেজারটি রেখার কেন্দ্র খুঁজে পায় প্রায় 3 মেগাহার্টজ নির্ভুলতায়, অর্থাৎ রেখার চওড়াইয়ের 1,400 ভাগের এক ভাগ। গতির হিসেবে তা সেকেন্ডে 4.7 মিটার: ডপলার ক্রিয়া আলোর কম্পাঙ্ককে উৎসের গতির অনুপাতে সরিয়ে দেয়, আর এই তরঙ্গদৈর্ঘ্যে সেকেন্ডে 1 মিটার প্রায় 0.64 মেগাহার্টজের সমান। কয়েক হাজার সেকেন্ড ধরে গড় নিলে তা নেমে আসে প্রায় 200 কিলোহার্টজে — প্রায় সেকেন্ডে 30 সেন্টিমিটার, বা আলোর কম্পাঙ্কের শতকোটিতে এক ভাগ।
এই নির্ভুলতা এ ধরনের পরিমাপে ফোটনের এলোমেলো আগমন থেকে প্রত্যাশিত কোয়ান্টাম সীমাকে খুব কাছ থেকে অনুসরণ করে: মাপা গড়-সময়গুলোতে যন্ত্রের কোনো কোলাহল তার সঙ্গে চোখে পড়ার মতো যোগ হয় না। দলটির আগের যন্ত্রের তুলনায়, যা রেখাটির ওপর দিয়ে ধীরে ধীরে সুইপ করে, লক করা লেজারটি প্রায় দশ গুণ বেশি নিখুঁত।
(a) লক করা লেজার (গাঢ় নীল) ও সুইপ করা যন্ত্র (হালকা নীল) দিয়ে 5,000 সেকেন্ড জুড়ে রেখা-কেন্দ্রের পরিমাপ; (b) সূর্যের দোলন দেখা দেয় প্রায় 5.5 মিনিটে একটি শীর্ষ হিসেবে; (c) গড়-সময়ের সঙ্গে নির্ভুলতা বাড়ে, কোয়ান্টাম সীমার (ড্যাশ রেখা) দিকে। — চিত্র 4, ফ্রেডরিক, কোল ও সহকর্মীরা (2026), arXiv:2610.28485।
সূর্য শ্বাস নেয়, চাঁদ পেরিয়ে যায়
পরিমাপগুলো সূর্যের নিজস্ব গতি প্রকাশ করে। 5.5 মিনিটে একটি স্পষ্ট শীর্ষ দেখায় তার পৃষ্ঠের শব্দতাত্ত্বিক দোলন, শব্দতরঙ্গ যা তার অভ্যন্তর অনুসন্ধান করে। এগুলো একটি উপদ্রবও: গড় যখন তাদের পাঁচ মিনিটের পর্যায়কাল পেরিয়ে যায়, কেবল তখনই নির্ভুলতা দ্রুত বাড়ে।
8 এপ্রিল 2024-এ দলটি বোল্ডার থেকে আংশিক সূর্যগ্রহণ পর্যবেক্ষণ করেছে, যেখানে চাঁদ সূর্যের প্রায় 80% ঢেকে দিয়েছিল। সূর্য ঘোরে বলে তার একটি কিনারা আমাদের দিকে আসে, অন্যটি দূরে সরে যায়। চাঁদ যখন প্রথমে একটি কিনারা, তারপর অন্যটি ঢেকে দিল, লোহার রেখাটি সরে গেল প্রায় সেকেন্ডে 500 মিটার পর্যন্ত — এটি রসিটার-ম্যাকলাফলিন প্রভাব (Rossiter-McLaughlin effect), সেই একই চিহ্ন যা নিজেদের নক্ষত্রের সামনে দিয়ে যাওয়া গ্রহ অধ্যয়নে ব্যবহৃত হয়।
দুটি যন্ত্রে দেখা 8 এপ্রিল 2024-এর গ্রহণ: (a) চাঁদ সৌর চাকতি পেরোনোর সময় রেখাটি প্রথমে একদিকে, তারপর অন্যদিকে সরে; (b, c) লক করা লেজারের (গাঢ় নীল) বিক্ষিপ্ততা সুইপ করা যন্ত্রের (হালকা নীল) চেয়ে অনেক কম। — চিত্র 5, ফ্রেডরিক, কোল ও সহকর্মীরা (2026), arXiv:2610.28485।
সূর্য থেকে অন্য নক্ষত্রে
লেখকদের অনুমান, অভিযোজী আলোকবিজ্ঞানসহ (adaptive optics) একটি 25 থেকে 40 মিটারের টেলিস্কোপ — নির্মাণাধীন জায়ান্ট ম্যাগেলান টেলিস্কোপ ও এক্সট্রিমলি লার্জ টেলিস্কোপের পরিসর — কয়েক ঘণ্টায় এই একক-রেখার নির্ভুলতাকে নিকটতম সূর্যসদৃশ নক্ষত্রগুলোতে নিয়ে যেতে পারে। আরও তীক্ষ্ণ মডুলেশন, দীর্ঘতর গড় এবং একসঙ্গে মাপা কয়েকটি রেখা একে সেকেন্ডে 10 সেন্টিমিটারের দিকে ঠেলে দিতে পারে।
নক্ষত্রেরা নিজেদের সীমা নিজেরাই বেঁধে দেয়। তাদের ফুটন্ত পৃষ্ঠ, অর্থাৎ গ্র্যানুলেশন, এক ঘণ্টা জুড়েও সেকেন্ডে কয়েক দশ সেন্টিমিটারের কোলাহল যোগ করে। রেখাগুলো একটি একটি করে মাপা, যার প্রতিটি চুম্বকত্ব ও গভীরতার প্রতি নিজের মতো করে সংবেদনশীল, ঠিক সেটাই একটি নক্ষত্রের অস্থিরতাকে একটি অদৃশ্য গ্রহের টান থেকে আলাদা করে চিনতে সাহায্য করতে পারে।