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The FAST Globular Cluster Pulsar Survey (GC FANS)

FAST ग्लोबुलर क्लस्टर पल्सर सर्वे (GC FANS) ने 14 ग्लोबुलर क्लस्टर्स में 60 पल्सरों की खोज की रिपोर्ट दी है, जिसमें रिकॉर्ड-व्यापी बाइनरी और एक दुर्लभ डबल न्यूट्रॉन स्टार उम्मीदवार शामिल हैं, जबकि यह भी प्रकट किया गया है कि इनमें से अधिकांश क्लस्टर्स कम तारकीय घनत्व के कारण गैलेक्टिक डिस्क के समान मिलीसेकंड पल्सर आबादी वाले हैं।

मूल लेखक: Yujie Lian, Zhichen Pan, Haiyan Zhang, Shuo Cao, P. C. C. Freire, Lei Qian, Ralph P. Eatough, Lijing Shao, Scott M. Ransom, Duncan R. Lorimer, Dejiang Yin, Yinfeng Dai, Kuo Liu, Lin Wang, Yujie Wang

प्रकाशित 2026-08-20

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Yujie Lian, Zhichen Pan, Haiyan Zhang, Shuo Cao, P. C. C. Freire, Lei Qian, Ralph P. Eatough, Lijing Shao, Scott M. Ransom, Duncan R. Lorimer, Dejiang Yin, Yinfeng Dai, Kuo Liu, Lin Wang, Yujie Wang, Zhongli Zhang, Zhonghua Feng, Baoda Li, Minghui Li, Tong Liu, Yaowei Li, Bo Peng, Yu Pan, Yuxiao Wu, Liyun Zhang, Xingnan Zhang, Peng Jiang

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

ग्लोबुलर क्लस्टर्स के प्राचीन, घने केंद्रों के गहरे भीतर—जो अरबों वर्षों से मिल्की वे के चारों ओर घूम रहे लाखों तारों के गोलाकार संग्रह हैं—ब्रह्मांडीय प्रकाश स्तंभों की एक छिपी हुई आबादी मौजूद है। ये पल्सर हैं, जो विशाल तारों के विस्फोट के बाद बचे हुए अविश्वसनीय रूप से घने और तेजी से घूमने वाले अवशेष हैं। जबकि इन समूहों के अधिकांश तारे पुराने और शांत हैं, क्लस्टर कोर का तीव्र गुरुत्वाकर्षण तारों को परस्पर क्रिया करने के लिए मजबूर करता है, जिससे वे अक्सर एक-दूसरे को बाइनरी सिस्टम (द्विआधारी प्रणालियों) में बांध लेते हैं। इन करीबी नृत्यों में, एक मृत तारा अपने जीवित साथी से पदार्थ खींच सकता है, जिससे वह खुद को प्रति सेकंड सैकड़ों बार घूमने के लिए प्रेरित कर देता है। ये "पुनर्चक्रित" (recycled) पल्सर, जिन्हें मिलीसेकंड पल्सर के रूप में जाना जाता है, ब्रह्मांड की सबसे सटीक घड़ियाँ हैं। खगोलविदों को लंबे समय से संदेह था कि ये क्लस्टर्स इनसे भरे होने चाहिए, लेकिन दशकों तक, हमारे टेलीस्कोप इतने संवेदनशील नहीं थे कि सबसे दूर या सबसे धुंधले संकेतों को देख सकें।

चीन में स्थित 'फाइव-हंड्रेड-मीटर एपर्चर स्फेरिकल रेडियो टेलीस्कोप' या FAST का उपयोग करके एक टीम ने अब इस तस्वीर को बदल दिया है। इस विशाल उपकरण, जो दुनिया की सबसे बड़ी एकल रेडियो डिश है, ने अपने स्थान से दिखाई देने वाले चालीस-एक ग्लोबुलर क्लस्टर्स की गहन और विस्तृत खोज की है। इसका परिणाम हमारे ज्ञान का एक नाटकीय विस्तार है: यह सर्वेक्षण, जिसे GC FANS के नाम से जाना जाता है, ने चौदह अलग-अलग क्लस्टर्स में साठ नए पल्सर की खोज की है। यह एकल प्रयास उत्तरी आकाश में ज्ञात पल्सरों की संख्या को दोगुने से अधिक कर देता है और यह प्रकट करता है कि ये प्राचीन तारा समूह पहले की तुलना में कहीं अधिक विविध और सक्रिय हैं, जिनमें सबसे तेज़ घूमने वाले पल्सरों से लेकर ऐसे सबसे विस्तृत बाइनरी सिस्टम शामिल हैं जो कभी भी इतने घने वातावरण में पाए गए थे।

यह सर्वेक्षण उन संकेतों को खोजने के लिए डिज़ाइन किया गया था जिन्हें पिछले टेलीस्कोपों ने छोड़ दिया था। चूंकि ग्लोबुलर क्लस्टर्स अक्सर बहुत दूर होते हैं, इसलिए उनके पल्सरों से आने वाले रेडियो संकेत अविश्वसनीय रूप से मंद होते हैं। इन क्लस्टर्स के केंद्रों की ओर घंटों तक FAST को केंद्रित करके, टीम उन संकेतों का पता लगा सकी जो पहले अदृश्य थे। उन्होंने पाया कि हालांकि कई नए पल्सर वास्तव में अपेक्षित मिलीसेकंड प्रकार के ही हैं, जो तीस-हजारवें सेकंड से भी कम समय में घूमते हैं, लेकिन इस आबादी में कुछ वास्तव में विचित्र आउटलायर्स (विजातीय तत्व) भी शामिल हैं। M71 नामक क्लस्टर में, जो अन्य क्लस्टर्स की तुलना में आश्चर्यजनक रूप से विरल है, टीम को 101 मिलीसेकंड के स्पिन पीरियड वाला एक पल्सर मिला। यह एक विशाल साथी के साथ अत्यधिक दीर्घवृत्ताकार (elliptical) कक्षा में है, और इस सिस्टम का कुल द्रव्यमान यह सुझाव देता है कि यह दो न्यूट्रॉन सितारों की एक जोड़ी है। यह एक दुर्लभ खोज है; ग्लोबुलर क्लस्टर्स में ऐसे अधिकांश जोड़े तारों के बीच अराजक, यादृच्छिक टक्करों के माध्यम से बनने की बात कही जाती है। हालांकि, इस विशिष्ट सिस्टम के गुण बताते हैं कि यह क्लस्टर के इतिहास के शुरुआती दौर में एक विशाल बाइनरी स्टार सिस्टम से स्वाभाविक रूप से बना था, ठीक वैसे ही जैसे हमारी आकाशगंगा के शांत क्षेत्रों में पाए जाने वाले समान जोड़े, न कि किसी हिंसक मुठभेड़ के माध्यम से।

M71 में हुई इस खोज ने दो अन्य उल्लेखनीय सिस्टम, M71B और M71C को भी सामने लाया। ये पल्सर अपने साथियों के चारों ओर अविश्वसनीय रूप से चौड़े घेरों में घूम रहे हैं, जो एक चक्कर पूरा करने में क्रमशः लगभग 466 और 378 दिन लेते हैं। ये ग्लोबुलर क्लस्टर में ज्ञात सबसे चौड़े बाइनरी पल्सर सिस्टम हैं। उन घने वातावरणों में जहाँ ये क्लस्टर्स आमतौर पर मौजूद होते हैं, इतनी चौड़ी कक्षाएं गुजरते हुए तारों के गुरुत्वाकर्षण खिंचाव से आसानी से टूट जानी चाहिए। तथ्य यह है कि वे जीवित रहे, यह सुझाव देता है कि M71 एक कम घनत्व वाला क्लस्टर है जहाँ ऐसे विनाशकारी टकराव दुर्लभ हैं, जिससे ये नाजुक, लंबी अवधि वाले सिस्टम जीवित रह सके। यह खोज इस सरल विचार को चुनौती देती है कि किसी क्लस्टर में पल्सरों की संख्या केवल इस बात पर निर्भर करती है कि वे कितने भीड़भाड़ वाले हैं; एक विरल क्लस्टर में भी, सही स्थितियां उन विलक्षण प्रणालियों को संरक्षित कर सकती हैं जो अन्य स्थानों पर नष्ट हो जातीं।

इन विलक्षण आउटलायर्स के अलावा, सर्वेक्षण ने एक व्यापक रुझान की पुष्टि की: इन क्लस्टर्स में पाए जाने वाले पल्सर अक्सर हमारी आकाशगंगा के शांत डिस्क में पाए जाने वाले मिलीसेकंड पल्सरों के समान होते हैं, न कि सबसे घने क्लस्टर्स में देखे जाने वाले अराजक, बाधित सिस्टम के। यह बताता है कि कई क्लस्टर्स में, बाइनरी तारे शांतिपूर्ण ढंग से विकसित होते हैं, जो पड़ोसियों द्वारा नष्ट किए बिना पल्सरों को पुनर्चक्रित करते हैं। टीम ने M92 और NGC 6712 जैसे क्लस्टर्स सहित कई ज्ञात पल्सरों के लिए सटीक टाइमिंग माप को भी अपडेट किया। ये माप गुरुत्वाकर्षण के नियमों के परीक्षण के लिए महत्वपूर्ण हैं, क्योंकि इन ब्रह्मांडीय घड़ियों की सटीक टिक-टिक आइंस्टीन के सामान्य सापेक्षता (general relativity) के सिद्धांत से सूक्ष्म विचलन प्रकट कर सकती है। हालांकि अभी तक ऐसे कोई विचलन नहीं पाए गए हैं, फिर भी नया डेटा भविष्य के परीक्षणों के लिए एक बहुत ही सटीक उपकरण प्रदान करता है।

इस सर्वेक्षण की सफलता खगोल विज्ञान में संवेदनशीलता की शक्ति को उजागर करती है। अधिक मंद और दूर तक देखने में सक्षम होकर, FAST ने यह प्रकट किया है कि ग्लोबुलर क्लस्टर्स में पल्सर की आबादी हमारे पिछले, कम संवेदनशील उपकरणों की तुलना में कहीं अधिक समृद्ध और विविध है। साठ नए पल्सर की खोज, जिसमें सबसे चौड़े बाइनरी और एक संभावित डबल न्यूट्रॉन स्टार सिस्टम शामिल है, खगोलविदों को इन प्रणालियों के निर्माण और अस्तित्व के बारे में सोचने पर मजबूर करती है। यह सुझाव देता है कि सबसे पुराने और सबसे घने तारकीय वातावरणों में भी, प्रकृति ब्रह्मांडीय घड़ियों की एक विस्तृत श्रृंखला उत्पन्न कर सकती है, जिनमें से कुछ लगभग पूरे ब्रह्मांड के युग से निर्बाध रूप से टिक-टिक कर रही हैं। जैसे-जैसे टीम डेटा का विश्लेषण करना और अपने अवलोकन को परिष्कृत करना जारी रखती है, ये पल्सर संभवतः तारा समूहों की गतिशीलता और भौतिकी के मौलिक नियमों को समझने के लिए और भी शक्तिशाली प्रोब (जांच उपकरण) के रूप में कार्य करेंगे।

तकनीकी सारांश: द फास्ट ग्लोबुलर क्लस्टर पल्सर सर्वे (GC FANS)

समस्या और प्रेरणा
ग्लोबुलर क्लस्टर्स (GCs) में उच्च तारकीय घनत्व होता है जो बार-बार होने वाली गतिकीय अंतःक्रियाओं (dynamical interactions) को सुगम बनाता है, जिससे लो-मास एक्स-रे बाइनरी (LMXBs) और उनके विकासवादी वंशज जैसे मिलीसेकंड पल्सर (MSPs) का निर्माण होता है। एरेसिबो (Arecibo), जीबीटी (GBT) और पार्क्स (Parkes) जैसे दूरबीनों का उपयोग करने वाले पिछले सर्वेक्षणों ने GCs में सैकड़ों पल्सरों की पहचान की है, लेकिन संवेदनशीलता की सीमाओं के कारण संभवतः अधिकांश आबादी का पता नहीं चल पाया है, विशेष रूप से दूरस्थ या कम घनत्व वाले क्लस्टर्स में। फाइव-हंड्रेड-मीटर अपर्चर स्फेरिकल रेडियो टेलीस्कोप (FAST), अपनी उत्कृष्ट संवेदनशीलता के साथ, अपने आकाश कवरेज ( $-14^\circ < \delta < 65^\circ$ ) के भीतर GC आबादी का एक गहरा, निष्पक्ष सर्वेक्षण करने की क्षमता रखता है, जो GC पल्सर की ज्ञात गणना को दोगुना कर सकता है और उन चरम प्रणालियों को प्रकट कर सकता है जो वर्तमान निर्माण मॉडलों को चुनौती देती हैं।

कार्यप्रणाली
GC FANS सर्वेक्षण सूर्य से 83 kpc के भीतर स्थित 41 GCs को लक्षित करता है, जिन्हें FAST द्वारा दृश्यमान 45 में से चुना गया है। सर्वेक्षण 19-बीम एल-बैंड रिसीवर (1.05–1.45 GHz) का उपयोग करता है जिसकी सिस्टम तापमान 24 K और एंटीना गेन 16 K Jy $^{-1}$ है। अवलोकन मई 2018 में शुरू हुए थे, जिसमें 2017 में एक अल्ट्रा-वाइडबैंड रिसीवर का उपयोग करके M92 का एक पायलट सर्वेक्षण किया गया था।

अवलोकन रणनीति: अधिकांश लक्ष्यों को $26.5^\circ$ के जेनिथ एंगल पर पूर्ण अनुमानित एकीकरण समय (integration time) के लिए देखा गया ताकि संवेदनशीलता को अधिकतम किया जा सके। जबकि केंद्रीय बीम ( $\sim3'$ ) अधिकांश क्लस्टर्स के कोर को कवर करती है, सर्वेक्षण ने कम्प्यूटेशनल दक्षता के लिए केंद्रीय पॉइंटिंग को प्राथमिकता दी, यह स्वीकार करते हुए कि कुछ क्लस्टर्स (जैसे Pal 5, NGC 6636) में विस्तृत कोर त्रिज्या के कारण कुछ पल्सर बीम से बाहर हो सकते हैं।
डेटा रिडक्शन: डेटा को PRESTO सॉफ्टवेयर पैकेज का उपयोग करके प्रोसेस किया गया था। खोज रणनीति में शामिल थे:
- फूरियर डोमेन: आइसोलेटेड पल्सर और हल्के कक्षीय त्वरण (orbital acceleration) वाले बाइनरी को खोजने के लिए हार्मोनिक समेशन के साथ एक्सेलेरेशन सर्च (accelsearch)। ज्ञात बाइनरी सिस्टम के लिए, अत्यधिक त्वरित बाइनरी का पता लगाने के लिए "जर्क सर्च" (jerk searches) लागू किए गए।
- टाइम डोमेन: धीमे पल्सर ( $P > 50$ ms) और लंबी कक्षीय अवधि वाले पल्सर का पता लगाने के लिए Riptide-FFA के माध्यम से फास्ट फोल्डिंग एल्गोरिदम (FFA) का उपयोग किया गया।
- स्टैक सर्च: विशिष्ट क्लस्टर्स (NGC 6517, M15) में कमजोर आवधिक संकेतों का पता लगाने के लिए कई अवलोकनों के पावर स्पेक्ट्रा के इनकोहेरेंट संयोजन का उपयोग किया गया।
टाइमिंग विश्लेषण: नए बाइनरी डिटेक्शन के लिए, प्रारंभिक कक्षीय मापदंडों को fitorb.py का उपयोग करके फिट किया गया। "स्पाइडर" पल्सर (M92A, NGC 6712A, M71A, M71E) के लिए BTX मॉडल और विषम (eccentric) सिस्टम M71D के लिए DD मॉडल का उपयोग करते हुए, TEMPO का उपयोग करके फेज-कनेक्टेड टाइमिंग समाधान प्राप्त किए गए।

प्रमुख परिणाम
जनवरी 2025 तक, GC FANS ने 14 क्लस्टर्स में 60 पल्सरों की खोज की है, जो FAST के आकाश में ज्ञात GC पल्सरों की संख्या (35 से 95) को दोगुने से अधिक कर देता है।

जनसंख्या सांख्यिकी: 60 खोजों में से 55 MSPs ( $P < 30$ ms) हैं और 35 बाइनरी सिस्टम में हैं। स्पिन पीरियड 1.98 ms (M14A) से 3960.72 ms (M15L) तक है। सर्वेक्षण ने M2, M10, M12, M14, M92 और NGC 6712 में पहले पल्सरों की पहचान की।
M71 में चरम प्रणालियाँ: कम-घनत्व वाला क्लस्टर M71 विविध आबादी का घर है, जिसमें शामिल हैं:
- M71B और M71C: सबसे चौड़े ज्ञात GC बाइनरी, जिनकी कक्षीय अवधि क्रमशः $\sim466$ और $\sim378$ दिन है। इनके गुण (कम उत्केंद्रता, साथी द्रव्यमान $\sim0.4 M_\odot$ ) गैलेक्टिक डिस्क में सामान्य वाइड MSP-He WD सिस्टम के समान हैं।
- M71D: एक अत्यधिक उत्केंद्रित ( $e \approx 0.63$ ), 11-दिवसीय कक्षा वाला एक 100.7 ms का पल्सर, जिसका साथी विशाल है। इस प्रणाली का कुल द्रव्यमान $2.63 \pm 0.08 M_\odot$ है। लेखक तर्क देते हैं कि यह संभवतः क्लस्टर के इतिहास के शुरुआती चरण में व्यापक बाइनरी विकास के माध्यम से निर्मित एक डबल न्यूट्रॉन स्टार (DNS) प्रणाली है, न कि गतिशील विनिमय मुठभेड़ों (dynamical exchange encounters) के माध्यम से, जो GCs में संभावित DNSs के लिए विशिष्ट निर्माण चैनल है।
- M71E: एक "ब्लैक विडो" पल्सर जिसका सबसे छोटा ज्ञात कक्षीय काल ( $P_b \approx 53$ मिनट) है।
अद्यतित टाइमिंग समाधान: पेपर M92A, NGC 6712A, M71A और M71E के अपडेटेड टाइमिंग समाधान प्रस्तुत करता है, और M71B, C, और D के लिए नए समाधान भी देता है।
एक्सेलेरेशन विश्लेषण: स्पिन पीरियड डेरिवेटिव ( $\dot{P}$ ) का विश्लेषण बताता है कि M92 और M71 में अधिकांश पल्सरों के लिए, देखा गया $\dot{P}$ आंतरिक स्पिन-डाउन द्वारा डोमिनेटेड है। इसके विपरीत, NGC 6712A में नकारात्मक $\dot{P}$ दिखाई देता है, जो क्लस्टर के गुरुत्वाकर्षण विभव के कारण केंद्र की ओर त्वरण के अनुरूप है।
तारकीय मुठभेड़ दरें (Stellar Encounter Rates): सर्वेक्षण उच्च तारकीय मुठभेड़ दरों ( $\Gamma$ ) और पल्सर प्रचुरता के बीच सख्त सहसंबंध को चुनौती देता है। जबकि उच्च- $\Gamma$ वाले क्लस्टर्स (जैसे NGC 6517, M15) बाइनरी विघटन के कारण कई आइसोलेटेड पल्सरों का घर हैं, सर्वेक्षण ने निम्न- $\Gamma$ वाले क्लस्टर्स (जैसे M53, M71) में भी महत्वपूर्ण आबादी पाई। यह सुझाव देता है कि कम-घनत्व वाले वातावरण उन चौड़े बाइनरी और सह-मूल्यवान (coeval) प्रणालियों को संरक्षित कर सकते हैं जिन्हें घने क्लस्टर्स में बाधित कर दिया जाता।

महत्व और दावे
पेपर का दावा है कि GC FANS कम-घनत्व वाले ग्लोबुलर क्लस्टर्स में पल्सर आबादी का एक अभूतपूर्व दृश्य प्रदान करता है, यह प्रदर्शित करता है कि FAST की संवेदनशीलता उन प्रणालियों का पता लगाने में सक्षम है जो कम संवेदनशील उपकरणों द्वारा छूट गई थीं।

निर्माण चैनल: M71D की खोज बताती है कि DNS प्रणालियाँ GCs में मानक तारकीय विकास चैनलों के माध्यम से बन सकती हैं, जो घने क्लस्टर्स में आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले गतिशील निर्माण तंत्रों से भिन्न है।
बाइनरी उत्तरजीविता: निम्न-घनत्व वाले M71 में चौड़े बाइनरी (M71B, C) की उपस्थिति इस परिकल्पना का समर्थन करती है कि कम तारकीय अंतःक्रिया दरें इन प्रणालियों को गीगा-ईयर (gigayear) के पैमाने पर जीवित रहने देती हैं, जबकि उन्हें घने वातावरण में बाधित कर दिया जाता।
गुरुत्वाकर्षण परीक्षण: पेपर M71B और M71C को उनके लंबे कक्षीय काल और कम उत्केंद्रता के कारण स्ट्रॉन्ग इक्विवेलेंस प्रिंसिपल (SEP) और लोकल लोरेंत्ज़ इनवेरिएंस (LLI) के परीक्षण के लिए संभावित लक्ष्य के रूप में उजागर करता है, हालांकि वह नोट करता है कि वर्तमान टाइमिंग सटीकता प्रारंभिक है और सार्थक बाधाओं के लिए भविष्य के दीर्घकालिक अवलोकनों की आवश्यकता है।
गामा-रे संभावनाएं: जबकि लेखकों ने कई उच्च-स्पिन-डाउन-ऊर्जा उम्मीदवारों (M92A सहित) से फर्मी-एलएटी (Fermi-LAT) डेटा का उपयोग करके गामा-रे पल्सेशन का पता लगाने का प्रयास किया, कोई महत्वपूर्ण सिग्नल नहीं मिला, जो संभवतः बीम ज्योमेट्री या फ्लक्स थ्रेशोल्ड के कारण है।

लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि सर्वेक्षण यह रेखांकित करता है कि GC पल्सर आबादी की विविधता को पूरी तरह से समझने के लिए गहन, निष्पक्ष खोजों की आवश्यकता है, जो यह प्रकट करता है कि कम-घनत्व वाले क्लस्टर्स में अनुमानित एनकाउंटर रेट मॉडलों की तुलना में अधिक विलक्षण और प्रचुर प्रणालियाँ हो सकती हैं।

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