गुब्बारे से की गई उड़ान में 7.9 सिग्मा का संकेत मिला
2018 में ऑस्ट्रेलिया के ऊपर ले जाए गए एक दूरबीन ने आकाशगंगा के केंद्र से गामा-किरण उत्सर्जन की प्रत्यक्ष छवि बनाई। इसमें 150 से 600 keV ऊर्जा बैंड में पृष्ठभूमि विकिरण से 7.9 मानक विचलन अधिक का संकेत दर्ज किया गया। यह नतीजा ऐसी ऊर्जा सीमा के लिए एक नई इमेजिंग विधि का प्रदर्शन करता है, जिसका सटीक खगोलीय अवलोकन लंबे समय से मुश्किल रहा है।
विषय-सूची
- गुब्बारे से की गई उड़ान में 7.9 सिग्मा का संकेत मिला
- कैमरा क्या बदलता है
- गैलेक्टिक केंद्र की ओर पांच घंटे तक निगाह
- मजबूत संकेत का मतलब विस्तृत नक्शा नहीं
- फ्लक्स दोगुना होने का मतलब विरोधाभास क्यों नहीं
- प्रत्यक्ष इमेजिंग में भी पृष्ठभूमि सुधार जरूरी
- नई छवि कितनी स्पष्ट थी?
- प्रतिपदार्थ का स्रोत अब भी अज्ञात
- SMILE-3 का लक्ष्य अगला मापन
- मुख्य बिंदु
JAXA, कितासातो विश्वविद्यालय, जापान के राष्ट्रीय उन्नत औद्योगिक विज्ञान एवं प्रौद्योगिकी संस्थान और क्योटो विश्वविद्यालय ने 6 अक्टूबर, 2026 को इन निष्कर्षों की घोषणा की। उनकी संयुक्त शोध घोषणा के अनुसार, इन ऊर्जाओं पर गैलेक्टिक केंद्र से पॉज़िट्रॉन विनाश के उत्सर्जन का सटीक स्पेक्ट्रम प्राप्त करने के लिए ज्यामितीय प्रकाशिकी के सिद्धांतों पर आधारित रैखिक इमेजिंग का यह पहला इस्तेमाल है।
यह अंतर महत्वपूर्ण है। यह उस क्षेत्र में गामा किरणों या प्रतिपदार्थ के विनाश का पहला पता लगना नहीं है। यह आने वाली गामा किरणों को छवि में अलग-अलग स्थानों से जोड़ने का एक नया तरीका दिखाता है, जिससे चमक और ऊर्जा के मापन खगोलीय स्रोतों की व्यवस्था से जुड़ी मान्यताओं पर कम निर्भर होते हैं।
शोध में पॉज़िट्रोनियम से जुड़े उत्सर्जन का अनुमान भी मिला, जो पहले के INTEGRAL मापन से लगभग दोगुना है। हालांकि, अनिश्चितता काफी है और शोधपत्र दोनों मापों को सांख्यिकीय रूप से संगत बताता है। यह नतीजा न तो स्थापित करता है कि गैलेक्टिक केंद्र अधिक चमकीला हो गया है, न ही यह कि डार्क मैटर का पता चला है।
टीम में कितासातो विश्वविद्यालय के प्रोफेसर और क्योटो विश्वविद्यालय के एमेरिटस प्रोफेसर तोरू तानिमोरी; राष्ट्रीय उन्नत औद्योगिक विज्ञान एवं प्रौद्योगिकी संस्थान के शोधकर्ता तोमोनोरी इकेदा; क्योटो विश्वविद्यालय के एसोसिएट प्रोफेसर अत्सुशी ताकादा; और JAXA के अंतरिक्ष एवं अंतरिक्ष-विज्ञान संस्थान के असिस्टेंट प्रोफेसर योशिताका मिज़ुमुरा शामिल हैं। उनका अगला प्रस्तावित प्रयोग, SMILE-3, 2028 में ऑस्ट्रेलिया में JAXA की गुब्बारा उड़ान के अवसर के लिए संभावित उम्मीदवार के रूप में तैयार किया जा रहा है।
कैमरा क्या बदलता है
यह उपकरण इलेक्ट्रॉन ट्रैकिंग कॉम्पटन कैमरा, यानी ETCC, है। पारंपरिक ऑप्टिकल लेंस से गामा किरणों को इकट्ठा करने के बजाय, यह अपने डिटेक्टरों के भीतर होने वाली अंतःक्रियाओं से उनके आने की दिशाओं का पुनर्निर्माण करता है।
जब गामा किरण कॉम्पटन प्रकीर्णन से गुजरती है, तो वह अपनी कुछ ऊर्जा एक इलेक्ट्रॉन को देती है और दूसरी दिशा में आगे बढ़ती है। पारंपरिक कॉम्पटन कैमरा प्रकीर्णित फोटॉन को मापता है, लेकिन प्रतिक्षेपित इलेक्ट्रॉन की दिशा का पर्याप्त रूप से पूरा मापन नहीं कर पाता। इसलिए किसी एक घटना से आकाश में एक निश्चित दिशा के बजाय संभावित स्थानों का एक वलय पता चलता है।
ETCC इलेक्ट्रॉन का ट्रैक दर्ज करता है, साथ ही प्रकीर्णित फोटॉन की ऊर्जा और स्थिति भी। इन मापों को मिलाकर आने वाली दिशा का पुनर्निर्माण किया जा सकता है और उपकरण की कोणीय अनिश्चितता के अधीन, छवि में एक निश्चित स्थान से जोड़ा जा सकता है।
इससे रैखिक इमेजिंग संभव होती है। सरल शब्दों में, किसी एक स्रोत का मापा गया योगदान अकेले देखने पर भी और दूसरे स्रोतों के साथ देखने पर भी संगत रहना चाहिए। इसके बाद छवियों से चमक का मात्रात्मक मापन किया जा सकता है, बजाय इसके कि मुख्य रूप से एक-दूसरे पर चढ़ते वलयों के जटिल पुनर्निर्माण पर निर्भर रहना पड़े।
ऑप्टिकल खगोल विज्ञान से तुलना इमेजिंग के इस सिद्धांत को लेकर है, न कि हार्डवेयर या तैयार तस्वीर की स्पष्टता को लेकर। ETCC कांच के लेंस से गामा किरणों को फोकस नहीं करता और गैलेक्टिक केंद्र की इसकी छवि अब भी व्यापक है। इसकी प्रगति दर्ज घटनाओं और आकाश में उनके स्थानों के बीच अधिक प्रत्यक्ष और मापने योग्य संबंध है।
गैलेक्टिक केंद्र की ओर पांच घंटे तक निगाह
SMILE-2+ गुब्बारा 7 अप्रैल, 2018 को ऑस्ट्रेलिया के मध्य भाग में स्थित एलिस स्प्रिंग्स से ऑस्ट्रेलियन सेंट्रल स्टैंडर्ड टाइम के अनुसार सुबह 06:24 बजे रवाना हुआ। इसकी उड़ान लगभग एक दिन चली, लेकिन गैलेक्टिक केंद्र को देखने का उपयोगी समय इससे काफी कम था।
शोध पांडुलिपि के अनुसार, 8 अप्रैल को लगभग 01:00 बजे गैलेक्टिक केंद्र चुने गए दृश्य क्षेत्र में आया और करीब पांच घंटे तक देखा जा सका। छवियों में स्थिर ऊंचाई की अवधि का डेटा इस्तेमाल हुआ, जब गुब्बारा लगभग 39.6 किलोमीटर की ऊंचाई पर तैर रहा था।
दूरबीन का दृश्य क्षेत्र 3.1 स्टेरेडियन था। स्टेरेडियन समतल सतह के बजाय कोणीय क्षेत्र को मापता है। पूरे आकाश के लगभग 12.6 स्टेरेडियन की तुलना में, उपकरण एक बार में आकाश के करीब एक चौथाई हिस्से को कवर कर सकता था, हालांकि वायुमंडलीय हस्तक्षेप सीमित करने के लिए विश्लेषण में देखने की दिशाओं पर पाबंदी लगाई गई।
घटनाक्रम से मूल उड़ान और बाद के वैज्ञानिक विश्लेषण के बीच अंतर स्पष्ट होता है:
- 7 अप्रैल, 2018: SMILE-2+ ने एलिस स्प्रिंग्स से उड़ान भरी।
- 8 अप्रैल, 2018: गैलेक्टिक केंद्र करीब पांच घंटे तक देखा जा सका।
- 2022: टीम ने एस्ट्रोफिजिकल जर्नल में गैलेक्टिक केंद्र का पता लगने का शुरुआती विवरण प्रकाशित किया।
- 11 अगस्त, 2026: नया इमेजिंग और स्पेक्ट्रोस्कोपी अध्ययन फिजिकल रिव्यू डी में प्रकाशित हुआ।
- 6 अक्टूबर, 2026: जापान के चार संस्थानों ने संयुक्त रूप से नतीजों की घोषणा की।
- 2028: JAXA ऑस्ट्रेलिया में गुब्बारा उड़ान का अवसर आयोजित करने की योजना बना रहा है, जिसके लिए SMILE-3 संभावित उम्मीदवार है।
मजबूत संकेत का मतलब विस्तृत नक्शा नहीं
फिजिकल रिव्यू डी के शोधपत्र में, जो खंड 114 के लेख 043026 के रूप में प्रकाशित हुआ, गैलेक्टिक केंद्र की छवि में 7.9 सिग्मा का अतिरिक्त संकेत दर्ज किया गया है। सिग्मा, अनुमानित पृष्ठभूमि से अपेक्षित सांख्यिकीय उतार-चढ़ाव की तुलना में संकेत का आकार बताता है।
इस्तेमाल किए गए विश्लेषण के तहत यह छवि में उत्सर्जन का मजबूत प्रमाण है। लेकिन इससे अपने आप यह पता नहीं चलता कि विकिरण पैदा करने वाली वस्तुएं कौन-सी हैं या उत्सर्जन किसी छोटे स्रोत में केंद्रित है अथवा बड़े क्षेत्र में फैला हुआ है।
लेखकों ने उत्सर्जन के तीन विवरणों की जांच की: गैलेक्टिक केंद्र में एक अकेला स्रोत, कई घटकों वाली संरचना, और दो आयामी गॉसियन से वर्णित एक चिकना, सममित वितरण। कई घटकों वाली संरचना में एक संकरा बल्ज, एक चौड़ा बल्ज, एक मंद डिस्क और एक केंद्रीय स्रोत शामिल थे।
इकेदा और उनके सहलेखकों, यानी अध्ययन करने वाले शोधकर्ताओं, ने शोधपत्र के सार में कहा कि अवलोकनों से इन विवरणों में निर्णायक अंतर नहीं किया जा सका:
तीनों को डेटा के साथ सांख्यिकीय रूप से संगत पाया गया।
गॉसियन फिट से 26 ± 12 डिग्री की चौड़ाई मिली, जो आधी अधिकतम तीव्रता पर 61 ± 28 डिग्री की पूरी चौड़ाई के बराबर है। फिर भी, सांख्यिकीय जांच से यह स्थापित नहीं हुआ कि विस्तृत स्रोत की मौजूदगी जरूरी है। इसलिए टीम ने इस क्षेत्र का विश्वसनीय रूप से पता तो लगाया, लेकिन उसकी भौतिक संरचना को निर्णायक रूप से नहीं सुलझाया।
फ्लक्स दोगुना होने का मतलब विरोधाभास क्यों नहीं
पॉज़िट्रोनियम से जुड़ा अनुमान (3.2 ± 1.4) × 10 की घात माइनस 2 फोटॉन प्रति वर्ग सेंटीमीटर प्रति सेकंड था। पॉज़िट्रोनियम इलेक्ट्रॉन और उसके प्रतिपदार्थ समकक्ष, पॉज़िट्रॉन, से बना एक अस्थायी बंधा तंत्र है। इसके विनाश से गामा किरणें निकलती हैं, जिनमें एक सतत उत्सर्जन भी शामिल है जो देखे गए ऊर्जा बैंड में योगदान देता है।
शोधपत्र इस अनुमान की तुलना INTEGRAL के (1.4 ± 0.3) × 10 की घात माइनस 2 फोटॉन प्रति वर्ग सेंटीमीटर प्रति सेकंड के मान से करता है। केंद्रीय मानों को भाग देने पर, 3.2 को 1.4 से भाग देने पर, लगभग 2.3 आता है। इससे घोषणा में नतीजे को लगभग दोगुना बताने की वजह समझ आती है।
केंद्रीय मान अलग हैं, लेकिन तुलना में उनकी अनिश्चितता को भी शामिल करना जरूरी है। लेखक इन मापों को एक सिग्मा के भीतर संगत बताते हैं। इसलिए नए नतीजे को अधिक ऊंचे ऐसे अनुमान के रूप में पढ़ा जाना चाहिए, जिसके बेहतर मापन की जरूरत है, न कि INTEGRAL से पुष्ट असहमति के रूप में।
पॉज़िट्रोनियम का मान केवल उन फोटॉनों की गिनती से भी नहीं निकाला गया जिन्हें विशिष्ट रूप से पॉज़िट्रोनियम से आया हुआ पहचाना गया हो। कई घटकों वाले मॉडल के लिए, 150 से 600 keV तक मापा गया कुल फ्लक्स (5.8 ± 1.2) × 10 की घात माइनस 2 फोटॉन प्रति वर्ग सेंटीमीटर प्रति सेकंड था।
इसके बाद शोधकर्ताओं ने उन्हीं इकाइयों में (2.6 ± 0.7) × 10 की घात माइनस 2 के इनवर्स कॉम्पटन योगदान का अनुमान लगाकर उसे घटाया। इनवर्स कॉम्पटन उत्सर्जन तब होता है, जब ऊर्जावान इलेक्ट्रॉन फोटॉनों को ऊर्जा देते हैं। इस मॉडल किए गए योगदान की अनिश्चितता अंतिम पॉज़िट्रोनियम अनुमान में भी शामिल होती है।
प्रत्यक्ष इमेजिंग में भी पृष्ठभूमि सुधार जरूरी
कैमरे के दिशात्मक माप अस्पष्टता घटाते हैं, लेकिन हर मॉडल या सुधार की जरूरत खत्म नहीं करते। पांडुलिपि में साफ कहा गया है कि घटनाओं की सीमित संख्या के कारण विसरित उत्सर्जन वितरण का पूरी तरह स्वतंत्र पुनर्निर्माण संभव नहीं हुआ।
देखी गई ऊर्जा सीमा में वायुमंडलीय गामा किरणें पृष्ठभूमि का सबसे बड़ा हिस्सा थीं। कॉस्मिक किरणों की घटनाओं और डिटेक्टर के असंबंधित संकेतों के संयोग से हुई घटनाओं ने भी योगदान दिया। गुब्बारे की ऊंचाई पर भी अंतरिक्ष से आने वाला विकिरण दूरबीन तक पहुंचने से पहले अवशोषित या प्रकीर्णित हो सकता है।
शोधकर्ताओं ने इन वायुमंडलीय प्रभावों का अनुकरण किया और उस अवधि के डेटा से पृष्ठभूमि के सामान्यीकरण का अंशांकन किया, जब गैलेक्टिक केंद्र दृश्य क्षेत्र से बाहर था। उन्होंने Swift और INTEGRAL कैटलॉग का इस्तेमाल कर ज्ञात चमकीले स्रोतों के योगदान का भी अनुमान लगाया।
450 से 600 keV बैंड में, गैलेक्टिक केंद्र के विश्लेषण बिन में दर्ज लगभग 92% घटनाओं को पृष्ठभूमि से आया माना गया। शोधपत्र इस बैंड के लिए 8.8% का सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात देता है। यह प्रतिशत चुनी गई घटनाओं की संरचना बताता है, छवि में संकेत के 7.9 सिग्मा महत्व को नहीं।
अन्य वेधशालाओं के साथ तुलना एक और वजह से सावधानी से करनी चाहिए: वे सभी आकाश के एक ही हिस्से को नहीं मापतीं और स्रोतों को एक ही तरीके से नहीं घटातीं। ETCC विश्लेषण में गैलेक्टिक केंद्र के दोनों ओर गैलेक्टिक देशांतर और अक्षांश में लगभग 33 डिग्री तक फैले केंद्रीय क्षेत्र का इस्तेमाल हुआ।
उद्धृत COSI और INTEGRAL विश्लेषणों में अलग-अलग क्षेत्र इस्तेमाल हुए। शोधपत्र ने कोणीय क्षेत्र के अंतर को ध्यान में रखने के लिए उनकी तीव्रता के मानों को स्केल किया, साथ ही आगाह किया कि विसरित उत्सर्जन की तुलना अनुमानित विकिरण वितरण पर भी निर्भर करती है और इसलिए मोटे तौर पर ही की जा सकती है।
नई छवि कितनी स्पष्ट थी?
ETCC में इलेक्ट्रॉन ट्रैक दर्ज करने के लिए 30 × 30 × 30 सेंटीमीटर का सक्रिय आयतन वाला गैस डिटेक्टर था। इसके चारों ओर प्रकीर्णित गामा किरणें पकड़ने के लिए 108 सिंटिलेटर ऐरे लगे थे। शोधकर्ताओं ने प्रतिक्षेपित इलेक्ट्रॉनों की दिशाओं के पुनर्निर्माण में सुधार के लिए कन्वोल्यूशनल न्यूरल नेटवर्क का भी इस्तेमाल किया।
इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन के विनाश की विशिष्ट ऊर्जा 511 keV पर, उपकरण की हाफ-पावर त्रिज्या 20 डिग्री थी। इसका मतलब है कि किसी बिंदु स्रोत से पुनर्निर्मित आधी घटनाएं 20 डिग्री की कोणीय त्रिज्या के भीतर आती हैं।
511 keV पर इसकी ऊर्जा विभेदन क्षमता 14% थी, जिसे इसकी प्रतिक्रिया की आधी अधिकतम तीव्रता पर पूरी चौड़ाई के रूप में व्यक्त किया गया है। यह बताता है कि किसी एक फोटॉन ऊर्जा से आने वाली घटनाएं दर्ज स्पेक्ट्रम में कितने फैलाव के साथ दिखाई देती हैं।
ये विशेषताएं बताती हैं कि प्रत्यक्ष इमेजिंग और स्रोत की सटीक पहचान अलग-अलग उपलब्धियां क्यों हैं। कैमरा एक निश्चित इमेजिंग प्रतिक्रिया के जरिए दिशाएं तय कर सकता है, लेकिन इसका व्यापक कोणीय विभेदन गैलेक्टिक केंद्र क्षेत्र में सघन रूप से मौजूद अलग-अलग वस्तुओं को भरोसेमंद ढंग से अलग नहीं कर सकता।
इसलिए यह उपकरण उस क्षेत्र की संरचना का अंतिम समाधान नहीं, बल्कि एक विधि का प्रदर्शन है। अधिक मजबूत संकेत, ज्यादा अवलोकन समय और बेहतर प्रदर्शन से यह पता लगाने में मदद मिलेगी कि कौन-सा स्थानिक विवरण आकाश से सबसे अच्छी तरह मेल खाता है।
प्रतिपदार्थ का स्रोत अब भी अज्ञात
गैलेक्टिक केंद्र 511 keV की विनाश रेखा का एक प्रमुख स्रोत है, लेकिन इसके पॉज़िट्रॉन का मूल अब भी अनिश्चित है। शोध पांडुलिपि के अनुसार, देखा गया वितरण किसी ज्ञात खगोलीय आबादी से ठीक मेल नहीं खाता और अन्य तरंगदैर्ध्यों के उत्सर्जन से इसका बहुत कम संबंध है।
शोधपत्र में चर्चा किए गए संभावित पारंपरिक स्रोतों में भारी तारों और सुपरनोवा से बने रेडियोधर्मी नाभिक शामिल हैं। न्यूट्रॉन तारे और ब्लैक होल भी संभावित स्रोत हैं, क्योंकि संघनित पिंडों के आसपास ऊर्जावान फोटॉन की अंतःक्रियाओं से इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन बन सकते हैं।
अन्य परिकल्पनाओं में डार्क मैटर का विनाश या क्षय और कम द्रव्यमान वाले आदिम ब्लैक होल शामिल हैं। आदिम ब्लैक होल तारों के ढहने से नहीं, बल्कि शुरुआती ब्रह्मांड में बने होते। शोधपत्र में प्रस्तावित पॉज़िट्रॉन-उत्पादन प्रक्रिया हॉकिंग विकिरण है।
नई छवि से इनमें से किसी भी व्याख्या की पुष्टि नहीं होती। अनसुलझा स्थानिक वितरण, फ्लक्स की अनिश्चितता और अन्य उत्सर्जन को मॉडल के आधार पर घटाने की प्रक्रिया, स्रोत के बारे में निकाले जा सकने वाले निष्कर्षों को सीमित करती है।
इसकी उपयोगी प्रगति अवलोकन के क्षेत्र में है: गामा किरणों की दिशा और ऊर्जा को रैखिक प्रतिक्रिया से माप सकने वाला उपकरण प्रतिस्पर्धी व्याख्याओं की जांच का एक और तरीका देता है। इससे किसी अस्पष्ट संकेत को असाधारण भौतिकी का प्रमाण नहीं माना जा सकता।
SMILE-3 का लक्ष्य अगला मापन
ताकादा बेहतर संवेदनशीलता वाले ETCC का इस्तेमाल करने वाले SMILE-3 की तैयारी का नेतृत्व कर रहे हैं। JAXA की घोषणा में इसे 2028 के लिए नियोजित ऑस्ट्रेलिया के अगले गुब्बारा उड़ान अवसर के संभावित प्रयोग के रूप में बताया गया है। घोषणा में न तो चयन पूरा होने की बात कही गई है, न ही उड़ान की पक्की तारीख दी गई है।
शोध सामग्री में चर्चा किए गए अनुकरणों से संकेत मिलता है कि उन्नयन 450 से 600 keV बैंड में सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात को 8.8% से बढ़ाकर लगभग 32% कर सकते हैं। इन दोनों आंकड़ों की गणना के आधार पर यह मौजूदा अनुपात से करीब 3.6 गुना होगा, लेकिन यह अनुमान है, उड़ान में हासिल किया गया नतीजा नहीं।
संस्थान इस तकनीक को आगे बढ़ाने के तरीकों में लंबी गुब्बारा उड़ानों और संभावित उपग्रह अवलोकनों का भी उल्लेख करते हैं। गैलेक्टिक केंद्र के अलावा, प्रस्तावित लक्ष्यों में सुपरनोवा अवशेष, सक्रिय गैलेक्टिक नाभिक और गामा-किरण विस्फोट शामिल हैं।
ये लक्ष्य इमेजिंग विधि को विशिष्ट वैज्ञानिक मापों से जोड़ते हैं: रेडियोधर्मी उत्सर्जन से नाभिकीय अभिक्रियाओं और तत्वों के निर्माण का पता लगाया जा सकता है, जबकि अन्य गामा-किरण संकेत ऊर्जावान कणों के त्वरण की पड़ताल कर सकते हैं। हालांकि, तत्काल काम सीमित है: उपकरण में सुधार करना और गैलेक्टिक केंद्र की चमक तथा आकार को अधिक निर्णायक रूप से मापने के लिए पर्याप्त डेटा जुटाना।
मुख्य बिंदु
- SMILE-2+ ने 150 से 600 keV पर गैलेक्टिक केंद्र से उत्सर्जन दर्ज किया, जिसकी छवि में 7.9 सिग्मा का अतिरिक्त संकेत मिला।
- यह नतीजा इलेक्ट्रॉन ट्रैकिंग कॉम्पटन कैमरे से रैखिक इमेजिंग का प्रदर्शन है, उस क्षेत्र से गामा किरणों की पहली खोज नहीं।
- पॉज़िट्रोनियम से जुड़े फ्लक्स का अनुमान INTEGRAL के केंद्रीय मान से लगभग 2.3 गुना था, लेकिन शोधपत्र दोनों मापों को सांख्यिकीय रूप से संगत बताता है।
- डेटा पर तीन अलग-अलग स्थानिक मॉडल फिट हुए, इसलिए उत्सर्जन की विस्तृत संरचना अब भी अनसुलझी है।
- अवलोकन यह स्थापित नहीं करते कि पॉज़िट्रॉन का स्रोत डार्क मैटर या आदिम ब्लैक होल हैं।
- JAXA की 2028 में ऑस्ट्रेलिया के लिए नियोजित गुब्बारा उड़ान के संभावित उम्मीदवार के रूप में SMILE-3 तैयार किया जा रहा है।
