खगोलशास्त्री अंतरिक्ष से रिकॉर्ड ऊर्जा पर इलेक्ट्रॉनों को मापते हैं

पृथ्वी के कुछ हज़ार प्रकाश-वर्ष के भीतर एक पल्सर इलेक्ट्रॉनों और पॉज़िट्रॉन को उस चरम ऊर्जा तक त्वरित कर सकता है जिसे अब HESS-वेधशाला द्वारा मापा जाता है।

नामीबिया में एचईएसएस-सहयोग की पांच दूरबीनों का उपयोग ब्रह्मांडीय विकिरण, विशेष रूप से गामा विकिरण का अध्ययन करने के लिए किया जाता है। दस वर्षों के अवलोकन के डेटा में, शोधकर्ता अब दस टेरा-इलेक्ट्रॉनवोल्ट (1 TeV 10^12 इलेक्ट्रॉनवोल्ट से मेल खाती है) से अधिक की अभूतपूर्व ऊर्जा वाले ब्रह्मांडीय इलेक्ट्रॉनों और पॉज़िट्रॉन का पता लगाने में सक्षम हो गए हैं। चूँकि आवेशित कण हमारे ब्रह्मांडीय पड़ोस में चुंबकीय क्षेत्र द्वारा सभी दिशाओं में विक्षेपित होते हैं, इसलिए उनकी उत्पत्ति का निर्धारण करना मुश्किल है। हालाँकि, इस बार, उच्चतम ऊर्जा मूल्यों तक मापे गए कण ऊर्जा स्पेक्ट्रम की उत्कृष्ट गुणवत्ता नई संभावनाओं को खोलती है: वैज्ञानिकों को संदेह है कि एक पल्सर, जो कुछ हजार प्रकाश वर्ष से अधिक दूर नहीं हो सकता है, स्रोत हो सकता है .

ब्रह्माण्ड सबसे ठंडे तापमान से लेकर सबसे ऊर्जावान स्रोतों तक चरम वातावरण की मेजबानी करता है। सुपरनोवा अवशेष, पल्सर या सक्रिय गैलेक्टिक नाभिक जैसी चरम वस्तुएं आवेशित कणों और गामा विकिरण का उत्पादन करती हैं, जिनकी ऊर्जा सितारों में परमाणु संलयन जैसी तापीय प्रक्रियाओं से कहीं अधिक होती है।

जबकि उत्सर्जित गामा-किरणें अंतरिक्ष को बिना किसी बाधा के पार करती हैं, आवेशित कण – या ब्रह्मांडीय किरणें – ब्रह्मांड में सर्वव्यापी चुंबकीय क्षेत्रों द्वारा विक्षेपित होती हैं और सभी दिशाओं से आइसोट्रोपिक रूप से पृथ्वी तक पहुंचती हैं। इसका मतलब यह है कि शोधकर्ता सीधे तौर पर विकिरण की उत्पत्ति का पता नहीं लगा सकते हैं। इसके अलावा, आवेशित कण प्रकाश और चुंबकीय क्षेत्र के साथ परस्पर क्रिया के माध्यम से ऊर्जा खो देते हैं। ये नुकसान टेरा-इलेक्ट्रॉनवोल्ट मार्क से ऊपर ऊर्जा वाले सबसे ऊर्जावान इलेक्ट्रॉनों और पॉज़िट्रॉन (इलेक्ट्रॉन के सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए एंटी-कण) के लिए विशेष रूप से मजबूत हैं। जब पृथ्वी पर उपकरण इतनी उच्च ऊर्जा के आवेशित ब्रह्मांडीय कणों को मापते हैं, तो इसका मतलब है कि वे बहुत दूर तक यात्रा नहीं कर सकते हैं। यह हमारे सौर मंडल के निकट शक्तिशाली प्राकृतिक कण त्वरक के अस्तित्व की ओर इशारा करता है।

स्पेक्ट्रम में एक गड़बड़ी से उत्पत्ति का पता चलता है

एक नए विश्लेषण में, एचईएसएस सहयोग के वैज्ञानिकों ने पहली बार यह पता लगाया है कि ये ब्रह्मांडीय कण कहां से आते हैं। विश्लेषण का प्रारंभिक बिंदु ब्रह्मांडीय किरणों के स्पेक्ट्रम का माप है, अर्थात मापा इलेक्ट्रॉनों और पॉज़िट्रॉन का ऊर्जा वितरण। यह विश्लेषण दस वर्षों की टिप्पणियों पर आधारित है, जो उच्च डेटा गुणवत्ता की गारंटी देता है। एकीकृत इलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रम कई दसियों टेरा-इलेक्ट्रॉनवोल्ट तक फैला हुआ है। -हमारा माप न केवल एक महत्वपूर्ण और पहले से अज्ञात ऊर्जा रेंज में डेटा प्रदान करता है, जो स्थानीय पड़ोस की हमारी समझ को प्रभावित करता है, बल्कि यह आने वाले वर्षों के लिए एक बेंचमार्क बने रहने की भी संभावना है-, मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट फॉर न्यूक्लियर के वर्नर हॉफमैन कहते हैं हीडलबर्ग में भौतिकी। स्पेक्ट्रम में, जिसे TeV ऊर्जा पर तुलनात्मक रूप से छोटी त्रुटि पट्टियों की विशेषता है, लगभग एक टेरा-इलेक्ट्रॉनवोल्ट पर एक प्रमुख किंक हड़ताली है। इस ब्रेक के ऊपर और नीचे दोनों जगह, स्पेक्ट्रम बिना किसी अन्य विसंगति के एक शक्ति कानून का पालन करता है।

आकाशगंगा के माध्यम से भटकना

यह पता लगाने के लिए कि किस खगोलीय प्रक्रिया ने इलेक्ट्रॉनों को इतनी उच्च ऊर्जा तक त्वरित कर दिया है और किंक की उत्पत्ति क्या है, शोधकर्ता इन आंकड़ों की तुलना मॉडल भविष्यवाणियों से करते हैं। स्रोत उम्मीदवार पल्सर हैं, जो मजबूत चुंबकीय क्षेत्र वाले तारकीय अवशेष हैं। कुछ पल्सर अपने परिवेश में आवेशित कणों की हवा उड़ाते हैं, और इस हवा का चुंबकीय झटका वह स्थान हो सकता है जहां कणों को बढ़ावा का अनुभव होता है। यही बात सुपरनोवा अवशेषों के आघात मोर्चों पर भी लागू होती है। कंप्यूटर मॉडल दिखाते हैं कि इस तरह से त्वरित किए गए इलेक्ट्रॉन एक निश्चित ऊर्जा वितरण के साथ अंतरिक्ष में यात्रा करते हैं। ये मॉडल आकाशगंगा के माध्यम से आगे बढ़ने पर इलेक्ट्रॉनों और पॉज़िट्रॉन को ट्रैक करते हैं और गणना करते हैं कि जब वे आकाशगंगा में चुंबकीय क्षेत्र और प्रकाश के साथ संपर्क करते हैं तो उनकी ऊर्जा कैसे बदलती है। इस प्रक्रिया में, कण इतनी अधिक ऊर्जा खो देते हैं कि उनका मूल ऊर्जा स्पेक्ट्रम विकृत हो जाता है। अंतिम चरण में, खगोलभौतिकीविद् खगोलभौतिकी स्रोतों की प्रकृति के बारे में अधिक जानने के लिए अपने मॉडल को डेटा में फिट करने का प्रयास करते हैं।

लेकिन किस वस्तु ने इलेक्ट्रॉनों को अंतरिक्ष में फेंका है जिसे दूरबीनों ने मापा है' एक टेरा-इलेक्ट्रॉनवोल्ट से कम ऊर्जा वाले कण स्पेक्ट्रम में संभवतः विभिन्न पल्सर या सुपरनोवा अवशेषों से इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन होते हैं। हालाँकि, उच्च ऊर्जा पर, एक अलग तस्वीर उभरती है: ऊर्जा स्पेक्ट्रम लगभग एक टेराइलेक्ट्रॉनवोल्ट से तेजी से गिरता है। इसकी पुष्टि उन मॉडलों से भी होती है जो खगोलीय स्रोतों द्वारा त्वरित किए गए कणों और गैलेक्टिक चुंबकीय क्षेत्र द्वारा उनके प्रसार का अध्ययन करते हैं। एक टेरा-इलेक्ट्रॉनवोल्ट पर यह संक्रमण विशेष रूप से स्पष्ट और असाधारण रूप से तीव्र होता है। -यह एक महत्वपूर्ण परिणाम है, क्योंकि हम यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि मापे गए इलेक्ट्रॉन संभवतः हमारे अपने सौर मंडल के आसपास के बहुत कम स्रोतों से उत्पन्न होते हैं, अधिकतम कुछ 1000 प्रकाश वर्ष दूर तक-, विश्वविद्यालय के कैथरीन एगबर्ट्स कहते हैं पॉट्सडैम का. यह दूरी आकाशगंगा के आकार की तुलना में अपेक्षाकृत छोटी है। -अलग-अलग दूरी पर स्थित स्रोत इस गड़बड़ी को काफी हद तक दूर कर देंगे-, एग्बर्ट्स आगे कहते हैं। वर्नर हॉफमैन के अनुसार, उच्च ऊर्जा पर इलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रम के लिए एक पल्सर भी जिम्मेदार हो सकता है। हालाँकि, यह स्पष्ट नहीं है कि वह कौन सा है। चूँकि स्रोत बहुत करीब होना चाहिए, केवल कुछ पल्सर ही सवालों के घेरे में आते हैं।

एचआर/बीईयू

पृष्ठभूमि की जानकारी

डेटा विश्लेषण: खगोलभौतिकीविदों ने चार एचईएसएस दूरबीनों द्वारा एक दशक में एकत्र किए गए विशाल डेटा सेट का विश्लेषण किया। उन्होंने अभूतपूर्व रूप से कम पृष्ठभूमि संदूषण वाले ब्रह्मांडीय इलेक्ट्रॉनों की पहचान करने के लिए उपन्यास और कठोर चयन एल्गोरिदम का उपयोग किया। इसके परिणामस्वरूप ब्रह्मांडीय इलेक्ट्रॉनों के विश्लेषण के लिए सांख्यिकीय रूप से उच्च गुणवत्ता वाला डेटासेट तैयार हुआ। विशेष रूप से, शोधकर्ता 40 TeV तक की ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉनों और पॉज़िट्रॉन को मापने में सक्षम थे।

पता लगाने की विधि: उच्च-ऊर्जा, आवेशित ब्रह्मांडीय कणों का पता लगाना कठिन है। लगभग एक वर्ग मीटर के डिटेक्टर क्षेत्र वाले अंतरिक्ष-आधारित टेलीस्कोप पर्याप्त दुर्लभ कणों को नहीं पकड़ पाते हैं। ग्राउंड-आधारित उपकरण एक तरकीब का उपयोग करते हैं: जब एक गामा किरण या तेज़, आवेशित कण वायुमंडल में प्रवेश करता है, तो यह परमाणुओं और अणुओं से टकराता है, जिससे नए कण बनते हैं जो हिमस्खलन की तरह पृथ्वी पर आते हैं। इस कण कैस्केड में, व्यक्तिगत कण प्रकाश की चमक (चेरेंकोव विकिरण) उत्पन्न करते हैं, जिसे जमीन पर विशेष बड़ी दूरबीनों से देखा जा सकता है। इस प्रकार उच्च-ऊर्जा खगोल विज्ञान वायुमंडल को एक विशाल डिटेक्टर के रूप में उपयोग करता है।

चुनौती इलेक्ट्रॉनों या पॉज़िट्रॉन द्वारा उत्पन्न कैस्केड को भारी ब्रह्मांडीय नाभिक या गामा फोटॉन के प्रभाव से उत्पन्न अधिक सामान्य कैस्केड से अलग करना है। 2008 में, शोधकर्ता पहली बार HESS-चेरेनकोव-टेलीस्कोप के डेटा में इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन संकेतों की पहचान करने में सफल हुए।

जबकि गामा विकिरण को सीधे स्रोत तक खोजा जा सकता है, आवेशित ब्रह्मांडीय कणों के लिए यह संभव नहीं है। ये पृथ्वी के वायुमंडल पर विभिन्न दिशाओं से प्रहार करते हैं, भले ही वे सभी एक ही स्रोत से उत्पन्न हुए हों। ऐसा आकाशगंगा में चुंबकीय क्षेत्र द्वारा विक्षेपण के कारण होता है।

HESS-वेधशाला: 1,835 मीटर की ऊंचाई पर नामीबिया के खोमास हाइलैंड्स में एचईएसएस-वेधशाला ने 2002 में परिचालन शुरू किया। इसमें पांच दूरबीनों की एक श्रृंखला शामिल है: एक वर्ग के कोनों पर चार 12-मीटर दूरबीन और एक और 28-मीटर दूरबीन केंद्र में। यह कुछ दसियों गीगाइलेक्ट्रॉनवोल्ट (GeV, 10^9 इलेक्ट्रॉनवोल्ट) से लेकर कुछ दसियों टेराइलेक्ट्रॉनवोल्ट (TeV, 10^12 इलेक्ट्रॉनवोल्ट) तक की सीमा में ब्रह्मांडीय गामा विकिरण का पता लगाने की अनुमति देता है। तुलना के लिए: दृश्य प्रकाश के कणों में दो से तीन इलेक्ट्रॉनवोल्ट की ऊर्जा होती है। एचईएसएस वर्तमान में एकमात्र उपकरण है जो उच्च-ऊर्जा गामा प्रकाश में दक्षिणी आकाश का अवलोकन करता है और यह अपनी तरह का सबसे बड़ा और सबसे संवेदनशील दूरबीन प्रणाली भी है।

यद्यपि एचईएसएस-वेधशाला का उपयोग मुख्य रूप से गामा विकिरण का पता लगाने और चयन करने और इसके स्रोतों को मापने के लिए किया जाता है, प्राप्त डेटा का उपयोग ब्रह्मांडीय इलेक्ट्रॉनों की खोज के लिए भी किया जा सकता है।