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Strong LensIng and Cluster Evolution (SLICE) with JWST: Early Results, Lens Models, and High-Redshift Detections

SLICE कार्यक्रम नए पहचाने गए बहु-छवियों (multiple images) और उप-संरचनाओं का उपयोग करके आंतरिक द्रव्यमान वितरण को परिष्कृत करने और एक संभावित क्षणिक (candidate transient) सहित उच्च-रेडशिफ्ट डिटेक्शन की रिपोर्ट करने के लिए 14 गैलेक्सी क्लस्टर्स के लिए अपडेटेड स्ट्रॉन्ग लेंसिंग मास मैप्स प्राप्त करने हेतु JWST के उच्च-रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग का लाभ उठाता है।

मूल लेखक: Catherine Cerny, Guillaume Mahler, Keren Sharon, Mathilde Jauzac, Gourav Khullar, Benjamin Beauchesne, Jose M. Diego, David J. Lagattuta, Marceau Limousin, Nency R. Patel, Johan Richard, Carla Cornil-

प्रकाशित 2026-04-08

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Catherine Cerny, Guillaume Mahler, Keren Sharon, Mathilde Jauzac, Gourav Khullar, Benjamin Beauchesne, Jose M. Diego, David J. Lagattuta, Marceau Limousin, Nency R. Patel, Johan Richard, Carla Cornil-Baiotto, Michael D. Gladders, Stephane Werner, Jessica E. Doppel, Benjamin Floyd, Anthony H. Gonzalez, Richard J. Massey, Mireia Montes, Matthew B. Bayliss, Lindsey E. Bleem, Rebecca E. A. Canning, Alastair C. Edge, Michael McDonald, Priyamvada Natarjan, Anthony A. Stark, Raven Gassis

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल, ब्रह्मांडीय फनहाउस (funhouse) है जो विशाल, अदृश्य दर्पणों से भरा हुआ है। ये दर्पण कांच के नहीं; ये गुरुत्वाकर्षण से बने हैं। जब गैलेक्सी का एक विशाल समूह हमारे और एक दूर स्थित तारे के बीच स्थित होता है, तो उसका गुरुत्वाकर्षण पीछे से आने वाले प्रकाश को मोड़ देता है, जो एक प्राकृतिक दूरबीन की तरह काम करता है। इस घटना को ग्रेविटेशनल लेंसिंग (gravitational lensing) कहा जाता है।

यह शोध पत्र खगोलविदों की एक टीम की रिपोर्ट है जिन्होंने इन 14 ब्रह्मांडीय फनहाउसों पर करीब से नज़र डालने के लिए जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप (JWST) का उपयोग किया—जो अब तक का सबसे शक्तिशाली अंतरिक्ष कैमरा है। उनके प्रोजेक्ट का नाम SLICE (Strong LensIng and Cluster Evolution) है।

यहाँ उन्होंने क्या किया और यह क्यों महत्वपूर्ण है, इसका विवरण दिया गया है, जिसमें कुछ रोजमर्रा के उदाहरणों का उपयोग किया गया है:

1. समस्या: "धुंधली" पुरानी तस्वीरें

वर्षों तक, खगोलविदों ने इन गैलेक्सी क्लस्टर्स का अध्ययन करने के लिए हबल स्पेस टेलीस्कोप का उपयोग किया। हबल बेहतरीन था, लेकिन यह एक थोड़ी धुंधली खिड़की के माध्यम से समाचार पत्र पढ़ने जैसा था। वह बड़ी सुर्खियां (मुख्य गैलेक्सियाँ) तो देख सकता था, लेकिन वह सूक्ष्म, महत्वपूर्ण विवरणों को चूक जाता था। कई बैकग्राउंड गैलेक्सियाँ बहुत धुंधली या बहुत लाल (जैसे एक सूर्यास्त जिसे हबल की आँखें नहीं देख सकती थीं) थीं ताकि उन्हें स्पष्ट रूप से कैप्चर किया जा सके।

2. समाधान: JWST के "सुपर-रेज़ोल्यूशन" चश्मे

SLICE टीम ने JWST को 14 गैलेक्सी क्लस्टर्स की ओर निर्देशित किया। JWST हाई-डेफिनिशन, इन्फ्रारेड चश्मा पहनने जैसा है। अचानक, वह "धुंधली खिड़की" एकदम स्पष्ट हो गई।

उन्होंने क्या पाया: उन्होंने केवल वही पुरानी गैलेक्सियाँ नहीं देखीं; उन्होंने नई गैलेक्सियाँ भी खोजीं। कुछ मामलों में, उन्होंने एक ही क्लस्टर में ऐसी 19 नई लेंस वाली गैलेक्सियाँ पाईं जिन्हें हबल पूरी तरह से मिस कर गया था।
"गुच्छे" (The Clumps): JWST इतना सटीक था कि वह उन दूरस्थ गैलेक्सियों के भीतर सितारों के व्यक्तिगत "गुच्छों" को भी देख सका। इसे रात में दूर दिखते शहर को देखने जैसा समझें। हबल ने एक धुंधली चमक देखी। JWST ने व्यक्तिगत स्ट्रीटलाइट्स और यहाँ तक कि इमारतों में जलती हुई विशिष्ट खिड़कियों को भी देखा।

3. मानचित्र: अदृश्य को चित्रित करना

इस शोध पत्र का मुख्य लक्ष्य मास मैप्स (mass maps) बनाना था। चूंकि डार्क मैटर (अदृश्य पदार्थ जो गैलेक्सियों को एक साथ थामे रखता है) प्रकाश उत्सर्जित नहीं करता है, इसलिए हम इसे सीधे नहीं देख सकते। हालाँकि, हम देख सकते हैं कि यह प्रकाश को कैसे मोड़ता है।

उपमा: कल्पना कीजिए कि आप नदी में छिपे हुए पत्थर के आकार का पता लगाने की कोशिश कर रहे हैं। आप पत्थर को देख नहीं सकते, लेकिन आप देख सकते हैं कि पानी उसके चारों ओर कैसे बह रहा है। बैकग्राउंड गैलेक्सियों के प्रकाश के मुड़ने और खिंचने के तरीके को देखकर, टीम ने मानचित्रित किया कि अदृश्य डार्क मैटर वास्तव में कहाँ छिपा है।
परिणाम: उन्होंने इन 14 क्लस्टर्स के भीतर द्रव्यमान (mass) के विस्तृत 3D मानचित्र बनाए। उन्होंने पाया कि "अदृश्य पत्थर" (डार्क मैटर) अक्सर गांठदार और जटिल होता है, न कि केवल एक चिकना गोला।

4. नई खोजें

चूंकि अब मानचित्र बहुत बेहतर हैं, टीम ने कुछ दिलचस्प सरप्राइज पाए:

ब्रह्मांडीय समय मशीन (The Cosmic Time Machine): उन्होंने इतनी दूर की गैलेक्सियाँ पाईं जिनका प्रकाश 13 अरब वर्षों से अधिक समय से यात्रा कर रहा है। JWST हमें ब्रह्मांड को तब देखने दे रहा है जब वह एक बच्चा था।
"घोस्ट" सुपरनोवा (The "Ghost" Supernova): एक क्लस्टर (SPT-CL J0516-5755) में, उन्होंने एक लेंस्ड सुपरनोवा (एक मरते हुए तारे का विस्फोट) के संभावित उम्मीदवार को देखा। क्योंकि क्लस्टर का गुरुत्वाकर्षण प्रकाश को कई रास्तों में मोड़ देता है, इसलिए विस्फोट अलग-अलग "दर्पणों" में अलग-अलग समय पर दिखाई देगा।
- रूपक: कल्पना कीजिए कि आप एक घाटी में चिल्लाते हैं जहाँ कई दीवारें हैं। आप अपनी आवाज़ की गूँज सुनते हैं, फिर कुछ सेकंड बाद दूसरी गूँज, फिर तीसरी गूँज। टीम का अनुमान है कि वे इस विस्फोट करते तारे की "गूँज" लगभग 560 दिनों में फिर से देखेंगे! यह हमें ब्रह्मांड के विस्तार की गति को मापने में मदद करता है।
बेबी क्लस्टर्स: उन्होंने गैलेक्सियों के उन समूहों को देखा जो अभी बनना शुरू ही हुए हैं, जैसे घर बनने से पहले एक पारिवारिक सभा। इन्हें "प्रोटो-क्लस्टर्स" (proto-clusters) कहा जाता है।

5. यह क्यों मायने रखता है?

यह शोध पत्र तो बस शुरुआत है। SLICE टीम कुल 182 क्लस्टर्स का अध्ययन कर रही है।

डार्क मैटर का रहस्य: इन क्लस्टर्स का मानचित्र बनाकर, वे इस सिद्धांत का परीक्षण कर रहे हैं कि डार्क मैटर वास्तव में क्या है। क्या यह चिकना है? क्या यह गांठदार है? नए मानचित्र उन्हें इन सवालों के जवाब देने में मदद कर रहे हैं।
विकास (Evolution): वे देख रहे हैं कि ये विशाल संरचनाएं 8 अरब वर्षों के ब्रह्मांडीय समय के दौरान कैसे विकसित होती हैं। यह एक जंगल को छोटे पौधे से विशाल पेड़ बनने के टाइम-लैप्स वीडियो देखने जैसा है।

संक्षेप में

SLICE टीम ने ब्रह्मांड के सबसे बड़े गुरुत्वाकर्षण केंद्रों (gravity wells) के दृश्य को अपग्रेड करने के लिए जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप का उपयोग किया। उन्होंने धुंधली, अस्पष्ट छवियों को हाई-डेफिनिशन मानचित्रों में बदल दिया, जिससे छिपी हुई गैलेक्सियाँ, अदृश्य डार्क मैटर का आकार और यहाँ तक कि यह भविष्यवाणी भी हुई कि एक दूर स्थित तारे का विस्फोट कब वापस "गूँजेगा"। यह ब्लैक-एंड-व्हाइट स्केच से ब्रह्मांड के 4K IMAX मूवी में अपग्रेड करने जैसा है।

यहाँ शोध पत्र "Strong LensIng and Cluster Evolution (SLICE) with JWST: Early Results, Lens Models, and High-redshift Detections" का विस्तृत तकनीकी सारांश दिया गया है।

1. समस्या विवरण (Problem Statement)

गैलेक्सी क्लस्टर्स (Galaxy clusters) ब्रह्मांड में सबसे विशाल गुरुत्वाकर्षण रूप से बंधे हुए संरचनाएं हैं, जो डार्क मैटर (DM) और बेरयोनिक मैटर (baryonic matter) के सह-विकास को समझने के लिए महत्वपूर्ण प्रयोगशालाओं के रूप में कार्य करते हैं। जबकि हबल स्पेस टेलीस्कोप (HST) के पिछले सर्वेक्षणों ने स्ट्रॉग ग्रेविटेशनल लेंसिंग (SL) विज्ञान को महत्वपूर्ण रूप से आगे बढ़ाया है, वे रेजोल्यूशन और संवेदनशीलता (sensitivity) द्वारा सीमित थे, विशेष रूप से लाल, धूल भरे, या बहुत धुंधले उच्च-रेडशिफ्ट (high-redshift) गैलेक्सीज़ के लिए।

इस कार्य में संबोधित मुख्य चुनौतियाँ शामिल हैं:

मास मैपिंग परिशुद्धता (Mass Mapping Precision): कॉस्मोलॉजिकल मॉडल्स (जैसे $\Lambda$ CDM) और DM गुणों का परीक्षण करने के लिए क्लस्टर कोर के भीतर द्रव्यमान वितरण मॉडल की सटीकता में सुधार करना।
प्रतिबंध सीमाएँ (Constraint Limitations): पिछले मॉडल्स में अक्सर जटिल सबस्ट्रक्चर को हल करने या बिना किसी पूर्व लेंसिंग विश्लेषण वाले क्लस्टर्स को मॉडल करने के लिए पर्याप्त बाधाओं (multiple images) की कमी थी।
उच्च-रेडशिफ्ट प्रोब्स (High-Redshift Probes): "कॉस्मिक नून" ( $z \sim 1-3$ ) और उससे आगे के दौरान गैलेक्सी निर्माण का अध्ययन करने के लिए सबसे धुंधली, सबसे दूर की गैलेक्सीज़ (जो अक्सर धूल से ढकी होती हैं) का पता लगाने और लक्षण वर्णन करने की आवश्यकता।

2. कार्यप्रणाली (Methodology)

लेखक SLICE (Strong LensIng and Cluster Evolution) कार्यक्रम के प्रारंभिक परिणामों को प्रस्तुत करते हैं, जो एक साइकल-3 JWST सर्वेक्षण (PID: 5594) है, जिसमें 182 गैलेक्सी क्लस्टर्स को लक्षित किया गया है। यह पेपर प्रेक्षित किए गए पहले 14 क्लस्टर्स पर केंद्रित है, जो रेडशिफ्ट $z \sim 0.25 - 1.06$ और द्रव्यमान $M_{500} \sim 2-12 \times 10^{14} M_\odot$ तक फैले हुए हैं।

डेटा अधिग्रहण और रिडक्शन (Data Acquisition & Reduction):

JWST NIRCam: अवलोकन F150W2 और F322W2 फिल्टर (1–4 $\mu$ m को कवर करते हुए) का उपयोग करके 'शैलो 4' मोड में किए गए थे। डेटा रिडक्शन TEMPLATES पाइपलाइन (Rigby et al. 2023a) का पालन करता है, जिसमें 1/f शोर को ठीक करने के लिए कस्टम डी-स्ट्रिपिंग एल्गोरिदम शामिल है।
अभिलेखागार डेटा (Archival Data): यह अध्ययन मल्टी-वेवलेंथ संदर्भ और मेम्बर गैलेक्सी कैटलॉग प्रदान करने के लिए आर्काइवल HST इमेजिंग (ACS/WFC3) और चैंद्रा एक्स-रे डेटा (14 में से 8 क्लस्टर्स के लिए) को शामिल करता है।
मेम्बर चयन (Member Selection): क्लस्टर मेम्बर गैलेक्सीज़ की पहचान 4000 Å ब्रेक को ब्रैकेट करने वाले फिल्टर्स में रेड-सीक्वेंस तकनीक (Gladders & Yee 2000) का उपयोग करके फोटोमेट्रिक रूप से की गई थी।

लेंस मॉडलिंग तकनीकें (Lens Modeling Techniques):
द्रव्यमान मॉडल बनाने के लिए दो प्राथमिक एल्गोरिदम का उपयोग किया गया था:

Lenstool: एक पैरामीट्रिक मार्कोव चेन मोंटे कार्लो (MCMC) कोड। यह क्लस्टर-स्केल और गैलेक्सी-स्केल हेलो के संयोजन का उपयोग करके द्रव्यमान वितरण को मॉडल करता है, जिसे ट्रंकेटेड स्यूडो-आइसोट्रोपिक एलिप्सॉइडल (dPIE) प्रोफाइल द्वारा वर्णित किया गया है। बाधाएं (constraints) मल्टीप्ली इमेज गैलेक्सीज़ की स्थितियों से प्राप्त की जाती हैं।
WSLAP+: एक हाइब्रिड फ्री-फॉर्म कोड जिसका उपयोग उच्च सबस्ट्रक्चर रेजोल्यूशन वाले क्लस्टर्स (विशेष रूप से RCS 0327 और PSZ1 G091) के लिए किया गया है। यह द्रव्यमान वितरण को पुनर्गठित करने के लिए ग्रिड पर गौसियन (Gaussians) रखता है, जो मेम्बर गैलेक्सी लाइट डिस्ट्रीब्यूशन और मल्टीपल इमेजेस द्वारा बाधित होता है।

बाधा पहचान (Constraint Identification):

नए स्रोत: टीम ने नए लेंसड सोर्स गैलेक्सीज़ की पहचान की जो HST डिटेक्शन के लिए बहुत धुंधली या लाल थीं।
सबस्ट्रक्चर क्लम्प्स (Substructure Clumps): उच्च-रेजोल्यूशन JWST इमेजिंग ने लेंसड आर्म्स (arcs) के भीतर व्यक्तिगत स्टार-फॉर्मिंग क्लम्प्स और डस्ट लेन को मैप करने की अनुमति दी। इन क्लम्प्स को स्वतंत्र पोजीशनल कंस्ट्रेंट्स के रूप में माना गया, जिससे मॉडल्स की सांख्यिकीय शक्ति काफी बढ़ गई।
रेडशिफ्ट: जहाँ उपलब्ध थे वहां स्पेक्ट्रोस्कोपिक रेडशिफ्ट (MUSE या साहित्य से) का उपयोग किया गया; अन्यथा, रेडशिफ्ट को मॉडल के भीतर अनुकूलित किया गया या फोटोमेट्रिक रेडशिफ्ट (Prospector का उपयोग करके) के माध्यम से प्राप्त किया गया।

3. प्रमुख योगदान (Key Contributions)

चार क्लस्टर्स के लिए पहले मॉडल: यह पेपर MACS J0027.8+2616, MACS J1621.4+3810, PSZ1 G091.83+26.11, और SPT-CL J0516-5755 के लिए पहले स्ट्रॉग लेंसिंग मास मॉडल प्रस्तुत करता है।
अपडेटेड मॉडल्स: शेष 10 क्लस्टर्स के लिए, लेखक JWST बाधाओं को शामिल करते हुए अपडेट किए गए मॉडल प्रदान करते हैं, जो पिछले HST-आधारित मॉडल्स में महत्वपूर्ण सुधार करते हैं।
भारी बाधा वृद्धि (Massive Constraint Increase): JWST इमेजिंग ने कई क्षेत्रों (जैसे RCS 0327, MACS 0553) में लेंसड सोर्सेज की संख्या को दोगुना से अधिक कर दिया। महत्वपूर्ण रूप से, रेजोल्यूशन ने सबस्ट्रक्चर क्लम्प्स को बाधाओं के रूप में उपयोग करने की अनुमति दी, जिससे पोजीशनल कंस्ट्रेंट्स का मल्टीप्लेक्सिंग हुआ (उदाहरण के लिए, RCS 0327 के लिए 184 कंस्ट्रेंट्स)।
कैंडिडेट ट्रांजिएंट डिस्कवरी: SPT-CL J0516-5755 के भीतर एक धूल भरी गैलेक्सी में एक कैंडिडेट ट्रांजिएंट (संभवतः एक लेंसड सुपरनोवा) की पहचान की गई, जिसके भविष्य में पुन: प्रकट होने के लिए अनुमानित टाइम डिले (time delays) दिए गए हैं।

4. मुख्य परिणाम (Key Results)

द्रव्यमान अनुमान (Mass Estimates): लेखक सभी 14 क्लस्टर्स के लिए 200 kpc और 500 kpc के भीतर द्रव्यमान की रिपोर्ट करते हैं। उदाहरण के लिए, 200 kpc के भीतर द्रव्यमान $\sim 1.14 \times 10^{14} M_\odot$ (RX J0152.7-1357) से $\sim 2.81 \times 10^{14} M_\odot$ (RXC J2211.7-0349) तक भिन्न होता है।
मॉडल प्रदर्शन: नए JWST बाधाओं के समावेश के परिणामस्वरूप सभी मॉडल्स के लिए पिछले साहित्य की तुलना में कम RMS रेसिडुअल्स (residuals) प्राप्त हुए, जिसमें विशिष्ट RMS मान $0.21''$ और $0.79''$ के बीच थे।
मास-एक्स-रे अलाइनमेंट (Mass-X-ray Alignment): अधिकांश क्लस्टर्स में, अनुमानित द्रव्यमान वितरण का शिखर (peak) एक्स-रे गैस पीक के साथ अच्छी तरह से संरेखित होता है। एक उल्लेखनीय अपवाद PSZ1 G091 है, जो एक सक्रिय विलय (merger) के अनुरूप मिसअलाइनमेंट दिखाता है, जिसे रेडियो शॉक अवलोकनों द्वारा समर्थित किया गया है।
लेंसिंग स्ट्रेंथ (Lensing Strength): अध्ययन "लेंसिंग स्ट्रेंथ" (क्षेत्र जहाँ आवर्धन $\mu > 3$ है) को परिमाणित करता है। उच्च रेडशिफ्ट वाले क्लस्टर्स ( $z \gtrsim 0.9$ ) कम रेडशिफ्ट वाले स्रोतों ( $z_s=2$ ) की तुलना में उच्च-रेडशिफ्ट स्रोतों ( $z_s=9$ ) के लिए अधिक महत्वपूर्ण लेंसिंग स्ट्रेंथ दिखाते हैं, जो प्रारंभिक ब्रह्मांड को आवर्धित करने में रेडशिफ्ट-निर्भर दक्षता का सुझाव देता है।
उच्च-रेडशिफ्ट डिटेक्शन: मॉडल्स ने $z \sim 7$ तक के स्रोतों को सफलतापूर्वक बाधित किया (जैसे, MACS 0553 में सोर्स #12)। बेहतर रेजोल्यूशन ने उच्च- $z$ गैलेक्सीज़ में जटिल मॉर्फोलॉजी को प्रकट किया, जिसमें मर्जिंग पेयर्स और विशिष्ट स्टार-फॉर्मिंग क्लम्प्स शामिल हैं।
SPT0516 में कैंडिडेट ट्रांजिएंट: एक लेंसड गैलेक्सी (सोर्स #1) के एक इमेज क्लम्प में एक पॉइंट-लाइक उत्सर्जन क्लम्प की पहचान की गई लेकिन इसके काउंटर-इमेज में यह गायब है। $z \sim 2.5$ पर एक ट्रांजिएंट के रूप में मॉडल किया गया, लेंस मॉडल प्रारंभिक पहचान के लगभग 530 दिनों के बाद एक काउंटर-इमेज में पुन: प्रकट होने की भविष्यवाणी करता है।

5. महत्व (Significance)

डार्क मैटर अध्ययनों को आगे बढ़ाना: सब-किलोपारसेक रेजोल्यूशन के साथ उच्च-निष्ठा वाले मास मैप प्रदान करके, ये मॉडल डार्क मैटर सिद्धांतों के लिए कड़े परीक्षण प्रदान करते हैं, विशेष रूप से सबस्ट्रक्चर के वितरण और DM हेलो कोर की प्रकृति के संबंध में।
कॉस्मिक टेलीस्कोप: अपडेट किए गए मॉडल "कॉस्मिक टेलीस्कोप" के रूप में कार्य करते हैं, जो बैकग्राउंड यूनिवर्स में सबसे धुंधली, सबसे दूर की गैलेक्सीज़ के अध्ययन को सक्षम बनाते हैं, जो अन्यथा अप्राप्य हैं।
मेथोडोलॉजिकल बेंचमार्क: यह पेपर पैरामीट्रिक (Lenstool) और फ्री-फॉर्म (WSLAP+) दृष्टिकोणों को मिलाने की आवश्यकता को प्रदर्शित करता है और लेंसड आर्म्स के भीतर सबस्ट्रक्चर को हल करने में JWST के रेजोल्यूशन की परिवर्तनकारी शक्ति को उजागर करता है।
डेटा उपलब्धता: सभी लेंस मॉडल, मास मैप और कंस्ट्रेंट लिस्ट्स श्रम प्रयोगशाला (Laboratoire d'Astrophysique de Marseille) के स्ट्रॉग लेंसिंग क्लस्टर एटलस डेटा बेस के माध्यम से सार्वजनिक रूप से उपलब्ध हैं, जो क्लस्टर इवोल्यूशन और हाई-रेडशिफ्ट गैलेक्सी फिजिक्स के लिए भविष्य के अनुसंधान की सुविधा प्रदान करते हैं।

निष्कर्षतः, यह पेपर SLICE कार्यक्रम में एक महत्वपूर्ण कदम है, जो यह प्रदर्शित करता है कि JWST की क्षमताएं स्ट्रॉग लेंसिंग मॉडल्स की सटीकता और जटिलता में नाटकीय वृद्धि करने की अनुमति देती हैं, जिससे ब्रह्मांडीय समय के माध्यम से डार्क और ल्यूमिनस मैटर के सह-विकास के अध्ययन के लिए नए मार्ग खुलते हैं।