First constraints on QCD axion dark matter using James Webb Space Telescope observations
यह शोध पत्र जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप के ब्लैंक-स्काई अवलोकनों का विश्लेषण करके 0.1–4 eV द्रव्यमान सीमा में QCD एक्सियन डार्क मैटर पर प्रथम प्रतिबंध प्रस्तुत करता है, जिससे एक्सियन-फोटॉन कपलिंग को प्रतिबंधित करने के लिए खगोलीय मिशनों के पुनरुद्देश्य हेतु एक नई विधि स्थापित होती है।
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दशकों से, खगोलविदों को ज्ञात है कि हमारे ब्रह्मांड में दिखने वाले तारे और आकाशगंगाएँ वास्तव में जो मौजूद है, उसका केवल एक छोटा सा हिस्सा हैं। बाकी डार्क मैटर (अदृश्य द्रव्य) है, एक अदृश्य पदार्थ जो अपने गुरुत्वाकर्षण के माध्यम से आकाशगंगाओं को थामे रखता है लेकिन प्रकाश के माध्यम से स्वयं को प्रकट करने से इनकार करता है। हालाँकि हम इसके प्रभावों को देख सकते हैं, लेकिन हमने कभी भी उन कणों का प्रत्यक्ष रूप से पता नहीं लगाया है जिनसे यह बना है। इस लुप्त द्रव्य के लिए सबसे आशाजनक उम्मीदवारों में से एक 'एक्सियन' (axion) नामक एक काल्पनिक कण है। मूल रूप से परमाणु नाभिक के व्यवहार के संबंध में भौतिकी की एक अलग पहेली को सुलझाने के लिए प्रस्तावित, एक्सियन अत्यंत हल्का होने और सामान्य पदार्थ के साथ बहुत कमजोर रूप से अंतःक्रिया करने की भविष्यवाणी की गई है। यदि ये कण अस्तित्व में हैं और हमारी आकाशगंगा के चारों ओर डार्क मैटर हेलो (halo) बनाते हैं, तो वे कभी-कभी दो फोटॉन में क्षय (decay) हो सकते हैं, जो प्रकाश के कण हैं। चूँकि एक्सियन इतने हल्के होते हैं, इसलिए यह क्षय इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रम के भाग में प्रकाश उत्पन्न करेगा, जो कि एक प्रकार का विकिरण है जो मानव आँख के लिए अदृश है लेकिन शक्तिशाली अंतरिक्ष दूरबीनों द्वारा पता लगाने योग्य है।
एक शोधकर्ता ने अब इस क्षय होते डार्क मैटर की मंद चमक की खोज के लिए जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप का उपयोग किया है। टेलीस्कोप को किसी विशिष्ट आकाशगंगा या तारा समूह की ओर मोड़ने के बजाय, उन्होंने अपना ध्यान आकाश के खाली हिस्सों की ओर केंद्रित किया। ये "खाली-आकाश" (blank-sky) अवलोकन ब्रह्मांड की पृष्ठभूमि चमक को मापने के लिए नियमित रूप से लिए जाते हैं, जिसे फिर वास्तविक लक्ष्यों के चित्रों को अधिक स्पष्ट बनाने के लिए घटा दिया जाता है। शोधकर्ता ने महसूस किया कि टेलीस्कोप के डेटा का यह विशाल संग्रह, जो डार्क मैटर की खोज के लिए अप्रयुक्त पड़ा हुआ था, वास्तव में उनके कार्य के लिए एक आदर्श प्रयोगशाला था। टेलीस्कोप के मिड-इन्फ्रारेड इंस्ट्रूमेंट (Mid-Infrared Instrument) से 15,000 से अधिक मापों और नियर-इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोग्राफ (Near-Infrared Spectrograph) से 1,000 से अधिक मापों का विश्लेषण करके, उन्होंने प्रकाश में एक विशिष्ट, तीक्ष्ण उछाल (spike) की तलाश की जो एक्सियन की उपस्थिति का संकेत देगा।
इस खोज ने एक्सियन के संभावित द्रव्यमान की एक विस्तृत श्रृंखला को कवर किया, जो 0.1 इलेक्ट्रॉन वोल्ट से लेकर 4 इलेक्ट्रॉन वोल्ट तक है। कण भौतिकी की दुनिया में, ये अविश्वसनीय रूप से हल्के वजन हैं, लेकिन ये इतने भारी हैं कि इनका क्षय इन्फ्रारेड प्रकाश उत्पन्न करेगा। शोधकर्ता को अत्यंत सावधान रहना पड़ा क्योंकि ब्रह्मांड की पृष्ठभूमि पूरी तरह से चिकनी नहीं है; इसमें धूल, बिखरा हुआ प्रकाश और अन्य कॉस्मिक शोर शामिल है जो एक संकेत की नकल कर सकते हैं। इस शोर के भीतर छिपे एक्सियन सिग्नल को खोजने के लिए, उन्होंने पृष्ठभूमि को एक चिकनी वक्र (curve) के रूप में मॉडल करने की विधि विकसित की, जिससे वे किसी भी तीक्ष्ण विचलन को पहचान सकें जो उभर कर आए। उन्होंने यह सुनिश्चित करने के लिए कि उनके द्वारा पाया गया कोई भी सिग्नल वास्तविक है और न कि केवल कॉस्मिक धूल या किसी उपकरण संबंधी त्रुटि का उतार-चढ़ाव है, डेटा के साथ कठोर सांख्यिकीय जाँच की।
इस विश्लेषण के परिणाम डार्क मैटर की खोज में एक महत्वपूर्ण कदम हैं। शोधकर्ता को प्रकाश के उन तीक्ष्ण उछालों का कोई प्रमाण नहीं मिला जो यह संकेत देते कि एक्सियन क्षय हो रहे हैं। क्योंकि उन्हें कुछ नहीं मिला, इसलिए वे इन कणों के गुणों पर कड़े प्रतिबंध लगाने में सक्षम थे। विशेष रूप से, उन्होंने इस संभावना को खारिज कर दिया कि क्यूसीडी (QCD) एक्सियन—जो एक विशिष्ट और सुस्थापित प्रकार का एक्सियन है—0.5 और 4 इलेक्ट्रॉन वोल्ट के बीच के द्रव्यमान के साथ अस्तित्व में हैं, यदि वे हमारी आकाशगंगा में संपूर्ण डार्क मैटर बनाते हैं। हल्के एक्सियनों के लिए, जो 0.1 इलेक्ट्रॉन वोल्ट तक नीचे जाते हैं, उन्होंने इन्फ्रारेड दूरबीनों का उपयोग करके अब तक के सबसे कड़े मानक स्थापित किए। इसका अर्थ यह है कि यदि एक्सियन इस द्रव्यमान सीमा में मौजूद हैं, तो उन्हें प्रकाश के साथ पहले की तुलना में और भी अधिक कमजोर रूप से अंतःक्रिया करनी होगी, या वे संपूर्ण डार्क मैटर नहीं बनाते हैं।
यह कार्य अंतरिक्ष दूरबीनों के उपयोग का एक नया तरीका प्रदर्शित करता है। आकाश की सबसे दिलचस्प वस्तुओं को देखने के बजाय, शोधकर्ता ने दिखाया कि अंशांकन (calibration) के उद्देश्यों के लिए एकत्र किया गया नियमित, खाली-आकाश डेटा मौलिक भौतिकी के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है। इस मौजूदा डेटा को पुन: उपयोग करके, वे ब्रह्मांड के एक ऐसे क्षेत्र का अन्वेषण करने में सक्षम हुए जिसे पहले पूरी तरह से परखा नहीं गया था। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप उस तरह के तरीकों से डार्क मैटर की प्रकृति की जांच करने में सक्षम है जो पहले असंभव थे, जिससे अदृश्य ब्रह्मांड में एक नई खिड़की खुल गई है। हालाँकि एक्सियन अभी भी एक रहस्य बना हुआ है, इस शोध ने सफलतापूर्वक खोज को सीमित कर दिया है, वैज्ञानिकों को यह बताकर कि अगली बार कहाँ नहीं देखना है और उस अदृश्य पदार्थ की खोज में भविष्य का मार्गदर्शन करके जो हमारे ब्रह्मांड को आकार देता है।
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