Simulating the LOcal Web (SLOW) -- VI: Gamma-ray Emission in the Local Universe
ऑन-द-फ्लाई स्पेक्ट्रल कॉस्मिक-रे मॉडल वाले पहले कॉस्मोलॉजिकल मैग्नेटोहाइड्रोडायनामिक सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन अनुमान लगाता है कि स्थानीय ब्रह्मांड के गैलेक्सी क्लस्टर्स और फिलामेंट्स में कॉस्मिक-रे प्रोटॉन से होने वाला विसरित गामा-रे उत्सर्जन वर्तमान फर्मी-एलएटी (Fermi-LAT) डिटेक्शन सीमाओं से कई गुना नीचे है, जिसके लिए भविष्य के अवलोकन के लिए काफी बेहतर संवेदनशीलता की आवश्यकता है।
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ब्रह्मांड के अदृश्य भूत
ब्रह्मांड की कल्पना केवल सितारों और आकाशगंगाओं के संग्रह के रूप में ही नहीं, बल्कि उच्च गति वाले कणों से भरे एक विशाल, अदृश्य महासागर के रूप में करें। ये पानी की कोमल लहरें नहीं हैं, बल्कि "कॉस्मिक रेज़" (cosmic rays) हैं—प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉन जो अंतरिक्ष में प्रकाश की गति के लगभग बराबर वेग से दौड़ रहे हैं। जब ये तेज़ गति वाले कण आकाशगंगाओं के बीच तैरती गैस से टकराते हैं, तो वे केवल टकराकर वापस नहीं लौटते; वे प्रकाश की एक चमक पैदा करते हैं जिसे गामा किरणें (gamma rays) कहा जाता है। इसे एक ब्रह्मांडीय पिनबॉल मशीन की तरह समझें: गेंद (प्रोटॉन) जितनी तेज़ होगी और मेज (गैस) जितनी अधिक भरी हुई होगी, चमक उतनी ही उज्ज्वल होगी।
खगोलविद वर्षों से फर्मी-एलएटी (Fermi-LAT) जैसे शक्तिशाली दूरबीनों का उपयोग करके इन धुंधली चमकों को पकड़ने की कोशिश कर रहे हैं। यह क्यों महत्वपूर्ण है? क्योंकि ये गामा किरणें ही एकमात्र तरीका हैं जिससे हम उस अदृश्य दबाव को "देख" सकते हैं जो ये कॉस्मिक रेज़ ब्रह्मांड पर डालते हैं। यदि हम उन्हें माप सकें, तो हम समझ सकते हैं कि आकाशगंगाओं के बीच के अंधेरे, खाली स्थानों में कितनी ऊर्जा छिपी है और ब्रह्मांड अपनी विशाल संरचनाओं, जैसे कि आकाशगंगाओं के समूहों (clusters), का निर्माण कैसे करता है। हालाँकि, अब तक टेलीस्कोप ने अंधेरे के अलावा और कुछ नहीं देखा है, जिससे वैज्ञानिक सोचने पर मजबूर हैं: क्या कॉस्मिक रेज़ हमारी सोच से कमज़ोर हैं, या हम बस गलत आँखों से देख रहे हैं?
महान ब्रह्मांडीय खोज: अदृश्य का अनुकरण (सिमुलेशन)
इस नए अध्ययन में, वैज्ञानिकों की एक टीम ने उत्तर खोजने के लिए केवल अनुमान लगाना बंद करने और एक आभासी ब्रह्मांड बनाने का निर्णय लिया। उन्होंने "SLOW" (Simulating the LOcal Web) नामक एक विशाल कंप्यूटर सिमुलेशन बनाया, जो वास्तव में हमारे पूरे स्थानीय ब्रह्मांडीय पड़ोस का एक डिजिटल सैंडबॉक्स है। पिछले प्रयासों के विपरीत, जो केवल इस बात का अनुमान लगाते थे कि कितने कॉस्मिक रेज़ छिपे हो सकते हैं, यह सिमुलेशन वास्तव में उन्हें उनके जन्म, यात्रा और टकराव के दौरान कण-दर-कण ट्रैक करता है।
शोधकर्ताओं ने अपने डिजिटल ब्रह्मांड को बिल्कुल हमारे वास्तविक ब्रह्मांड की तरह सेट किया, जिसमें केंद्र में मिल्की वे (Milky Way) और उसके चारों ओर आकाशगंगाओं के विशाल समूह शामिल हैं। उन्होंने अपने सिमुलेशन को "शॉक्स" (shockss) को देखने के लिए प्रोग्राम किया—ये वे हिंसक टकराव हैं जो तब होते हैं जब आकाशगंगाएँ आपस में टकराती हैं या जब गैस ब्रह्मांडीय जाल (cosmic web) में गिरती है। वास्तविक दुनिया में, ये शॉक्स विशाल कण त्वरक (particle accelerators) के रूप में कार्य करते हैं, जो प्रोटॉन को अत्यधिक गति से टकराते हैं। टीम के कंप्यूटर कोड ने इन प्रोटॉनों का पीछा किया जब उन्हें त्वरित किया गया, वे इधर-उधर उछले, और अंततः गामा किरणों को बनाने के लिए गैस परमाणुओं से टकराए।
जो उन्हें मिला वह थोड़ा निराशाजनक था, लेकिन बहुत महत्वपूर्ण था।
सिमुलेशन ने दिखाया कि हालांकि इन ब्रह्मांडीय टकरावों में कॉस्मिक रेज़ बन रहे हैं, फिर भी वे कुछ सिद्धांतों द्वारा अनुमानित मात्रा की तुलना में बहुत कम प्रचुर मात्रा में हैं। जब टीम ने गणना की कि इन आभासी प्रोटॉनों को कितनी गामा-किरण प्रकाश उत्पन्न करना चाहिए, तो परिणाम हमारी अपेक्षाओं की गर्जना की तुलना में एक फुसफुसाहट जैसा था। सिम्युलेटेड गामा-रे चमक कोमा (Coma) जैसे प्रसिद्ध क्लस्टर में देखने के लिए, हमारे दूरबीनों को वर्तमान की तुलना में लगभग 1,000 से 100,000 गुना अधिक संवेदनशील होना होगा (जिसके लिए Fγ < 10−11 γ s−1 cm−2 की संवेदनशीलता आवश्यक है)।
यह शोध पत्र सुझाव देता है कि हमने अभी तक इस चमक को क्यों नहीं देखा है, इसका कारण यह नहीं है कि कॉस्मिक रेज़ मौजूद नहीं हैं, बल्कि इसलिए है क्योंकि अंतरिक्ष में "त्वरक" (accelerators) उतने कुशल नहीं हैं जितनी हमने उम्मीद की थी। सिमुलेशन ने खुलासा किया कि अंतरिक्ष में चुंबकीय क्षेत्र एक फिल्टर की तरह कार्य करते हैं। वे प्रोटॉनों को तभी त्वरित होने देते हैं यदि वे एक बहुत ही विशिष्ट कोण पर शॉक वेव्स (shock waves) से टकराते हैं। चूंकि ब्रह्मांड में अधिकांश शॉक्स प्रोटॉनों के लिए "गलत" कोणों पर टकराते प्रतीत होते हैं, इसलिए बहुत कम प्रोटॉन ही वह गति प्राप्त कर पाते हैं जिसकी उन्हें उज्ज्वल गामा किरणें बनाने के लिए आवश्यकता होती है।
लेखक सावधानीपूर्वक यह नोट करते हैं कि यह उनके विशिष्ट सिमुलेशन नियमों का परिणाम है। उन्होंने यह साबित नहीं किया कि वास्तविकता में कॉस्मिक रेज़ कमज़ोर हैं; उन्होंने यह साबित किया कि यदि ब्रह्मांड उनके मॉडल के अनुसार काम करता है, तो गामा किरणें अविश्वसनीय रूप से धुंधली होंगी। उन्होंने यह भी बताया कि उनके कंप्यूटर मॉडल में कुछ सूक्ष्म, कमजोर शॉक्स छूट सकते हैं जो अधिक प्रोटॉनों को छिपा सकते हैं, जिसका अर्थ है कि वास्तविक ब्रह्मांड उनके सिमुलेशन की तुलना में थोड़ा अधिक उज्ज्वल हो सकता है। हालाँकि, उन छूटे हुए हिस्सों के साथ भी, यह चमक हमारे वर्तमान दूरबीनों द्वारा पकड़ी जाने के लिए बहुत मंद होने की संभावना है।
संक्षेप में, यह शोध पत्र एक परिष्कृत "क्या होगा यदि" (what-if) वाली कहानी है। यह हमें बताता है कि यदि कॉस्मिक रेज़ के जन्म के बारे में हमारी वर्तमान समझ सही है, तो ब्रह्मांड गामा किरणों में हमारी सोच से कहीं अधिक शांत है। यह एक अनुस्मारक है कि कभी-कभी, सबसे रोमांचक खोज यह महसूस करना होता है कि ब्रह्मांड अपने रहस्यों को हमारी कल्पना से भी बेहतर तरीके से छिपा रहा है, और हमें इसकी सबसे मंद फुसफुसाहटों को सुनने के लिए और भी बेहतर दूरबीनें बनाने की आवश्यकता होगी।
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