परमाणु घड़ी की एक तरकीब, सूर्य की ओर
किसी दूसरे तारे के चारों ओर पृथ्वी का जुड़वाँ खोजने के लिए खगोलविद तारे की डगमगाहट पर नज़र रखते हैं। पृथ्वी की दूरी पर किसी सूर्य जैसे तारे की परिक्रमा करता पृथ्वी-द्रव्यमान का एक ग्रह उसे केवल 8.9 सेंटीमीटर प्रति सेकंड से हिलाता है, एक वर्ष या उससे अधिक की अवधि में। यह नन्ही गति तारे की स्पेक्ट्रमी रेखाओं को दस अरब में कुछ भाग जितना खिसकाती है।
सबसे अच्छे ग्रह-खोजी उपकरण तारे के प्रकाश को बड़े ग्रेटिंग पर फैलाकर और एक साथ सैकड़ों या हज़ारों रेखाओं के खिसकाव का औसत लेकर इसके क़रीब पहुँचते हैं। लेज़र फ़्रीक्वेंसी कॉम्ब से अंशांकित होने पर भी वे यही मापते हैं कि प्रकाश डिटेक्टर पर कहाँ गिरता है — एक तरंगदैर्ध्य, आवृत्ति नहीं।
परमाणु घड़ियों से उधार
ऑप्टिकल घड़ियाँ, सबसे सटीक समय-मापक, अलग तरह से काम करती हैं। वे एक लेज़र को किसी परमाणु संक्रमण पर लॉक करती हैं और एक फ़्रीक्वेंसी कॉम्ब से उसकी आवृत्ति गिनती हैं; फ़्रीक्वेंसी कॉम्ब एक ऐसा लेज़र है जिसका प्रकाश समान दूरी पर स्थित आवृत्तियों का एक पैमाना बनाता है। पेच यह है: उन्हें प्रयोगशाला का साफ़ लेज़र-प्रकाश चाहिए, किसी तारे की अव्यवस्थित ऊष्मीय चमक नहीं।
कोलोराडो विश्वविद्यालय बोल्डर और अमेरिका के नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ़ स्टैंडर्ड्स एंड टेक्नोलॉजी (NIST) के कॉनर फ़्रेडरिक, रायन के. कोल और उनके सहयोगियों ने, स्कॉट डिडम्स के नेतृत्व में, अब घड़ी की इस विधि को सूर्य के प्रकाश पर लागू किया है। वे इस परिणाम को सौर ऑप्टिकल घड़ी कहते हैं।
एक रेखा, एक लेज़र
- छत पर लगा एक छोटा सौर ट्रैकर सूर्य की पूरी डिस्क का प्रकाश एक सिंगल-मोड ऑप्टिकल फ़ाइबर में भेजता है — सूर्य को ऐसे देखा जाता है मानो वह कोई दूर का तारा हो।
- प्रयोगशाला में सूर्य के प्रकाश को एक डिटेक्टर पर एक लेज़र के साथ मिलाया जाता है। लेज़र की आवृत्ति को आगे-पीछे हिलाया जाता है, जिससे एक ऐसा संकेत बनता है जो ठीक 1,565.28 नैनोमीटर के पास स्थित, लगभग 4.3 गीगाहर्ट्ज़ चौड़ी लोहे की एक अवशोषण रेखा के केंद्र पर शून्य हो जाता है। यह चौड़ाई उपकरण की ख़राबी नहीं है: सूर्य की गैसों की तापीय हलचल और संवहन रेखा को फैला देते हैं, और केंद्र इसी धुँधली पट्टी के भीतर खोजना पड़ता है।
- एक फ़ीडबैक लूप लेज़र को वहीं लॉक रखता है। साथ ही, एक हाइड्रोजन मेज़र — यानी हाइड्रोजन की एक परमाणु घड़ी, जो कुछ घंटों के पैमाने पर बहुत स्थिर रहती है और यहाँ समय का संदर्भ बनती है — से जुड़ा, NIST द्वारा अंशांकित एक फ़्रीक्वेंसी कॉम्ब लगातार लेज़र की आवृत्ति गिनता है — सेकंड की आधिकारिक परिभाषा से एक सीधा संबंध।
आवृत्ति का एक अरबवाँ हिस्सा
एक सेकंड में लेज़र रेखा के केंद्र को लगभग 3 मेगाहर्ट्ज़ तक खोज लेता है, यानी रेखा की चौड़ाई का चौदह-सौवाँ हिस्सा। गति में यह 4.7 मीटर प्रति सेकंड है: डॉप्लर प्रभाव प्रकाश की आवृत्ति को स्रोत की गति के अनुपात में खिसकाता है, और इस तरंगदैर्घ्य पर 1 मीटर प्रति सेकंड लगभग 0.64 मेगाहर्ट्ज़ के बराबर है। कुछ हज़ार सेकंड का औसत लेने पर यह घटकर लगभग 200 किलोहर्ट्ज़ रह जाता है — लगभग 30 सेंटीमीटर प्रति सेकंड, या प्रकाश की आवृत्ति का एक अरब में एक भाग।
यह परिशुद्धता उस क्वांटम सीमा के बहुत पास-पास चलती है जिसकी इस तरह के माप में फ़ोटॉनों के यादृच्छिक आगमन से उम्मीद की जाती है: मापे गए औसत-समयों पर उपकरण का कोई शोर उसमें दिखाई देने लायक नहीं जुड़ता। टीम के पहले के उपकरण की तुलना में, जो रेखा पर धीरे-धीरे स्वीप करता है, लॉक किया गया लेज़र लगभग दस गुना अधिक सटीक है।
(a) लॉक किए गए लेज़र (गहरा नीला) और स्वीप करने वाले उपकरण (हल्का नीला) से 5,000 सेकंड में रेखा-केंद्र के माप; (b) सूर्य के दोलन लगभग 5.5 मिनट पर एक शिखर के रूप में दिखते हैं; (c) औसत-समय के साथ परिशुद्धता बेहतर होती है, क्वांटम सीमा (डैश रेखा) की ओर। — चित्र 4, फ़्रेडरिक, कोल और सहयोगी (2026), arXiv:2610.28485।
सूर्य साँस लेता है, चंद्रमा गुज़रता है
माप सूर्य की अपनी गति को उजागर करते हैं। 5.5 मिनट पर एक स्पष्ट शिखर उसकी सतह के ध्वनिक दोलनों को दिखाता है, ध्वनि-तरंगें जो उसके भीतरी भाग की जाँच करती हैं। ये एक बाधा भी हैं: परिशुद्धता तभी तेज़ी से सुधरती है जब औसत उनकी पाँच मिनट की अवधि से आगे फैल जाए।
8 अप्रैल 2024 को टीम ने बोल्डर से आंशिक सूर्य ग्रहण देखा, जहाँ चंद्रमा ने सूर्य का लगभग 80% ढक लिया था। चूँकि सूर्य घूमता है, उसका एक किनारा हमारी ओर आता है और दूसरा दूर जाता है। जैसे-जैसे चंद्रमा ने पहले एक किनारे को, फिर दूसरे को छिपाया, लोहे की रेखा लगभग 500 मीटर प्रति सेकंड तक खिसकी — यह रॉसिटर-मैकलॉफ़लिन प्रभाव (Rossiter-McLaughlin effect) है, वही संकेत जिसका उपयोग अपने तारों के सामने से गुज़रते ग्रहों के अध्ययन में होता है।
दोनों उपकरणों द्वारा देखा गया 8 अप्रैल 2024 का ग्रहण: (a) जैसे-जैसे चंद्रमा सौर डिस्क को पार करता है, रेखा पहले एक ओर, फिर दूसरी ओर खिसकती है; (b, c) लॉक किए गए लेज़र (गहरा नीला) में स्वीप करने वाले उपकरण (हल्का नीला) से कहीं कम बिखराव है। — चित्र 5, फ़्रेडरिक, कोल और सहयोगी (2026), arXiv:2610.28485।
सूर्य से दूसरे तारों तक
लेखकों का अनुमान है कि अनुकूली प्रकाशिकी (adaptive optics) वाली एक 25 से 40 मीटर की दूरबीन — निर्माणाधीन जायंट मैगेलन टेलिस्कोप और एक्सट्रीमली लार्ज टेलिस्कोप की श्रेणी — कुछ घंटों में इस एक-रेखा वाली परिशुद्धता को निकटतम सूर्य जैसे तारों तक ला सकती है। अधिक तीक्ष्ण मॉड्यूलेशन, लंबा औसत और एक साथ मापी गई कई रेखाएँ इसे 10 सेंटीमीटर प्रति सेकंड की ओर धकेल सकती हैं।
तारे अपनी सीमा ख़ुद तय करते हैं। उनकी उबलती सतह, यानी ग्रैन्युलेशन, एक घंटे में भी कई दसियों सेंटीमीटर प्रति सेकंड का शोर जोड़ती है। रेखाओं को एक-एक करके मापना, जिनमें से हर एक चुंबकत्व और गहराई के प्रति अपने ढंग से संवेदनशील है, ठीक वही है जो किसी तारे की बेचैनी को किसी अदृश्य ग्रह के खिंचाव से अलग पहचानने में मदद कर सकता है।