Probing jet base emission of M87* with the 2021 Event Horizon Telescope observations

तकनीकी सारांश: 2021 इवेंट होराइजन टेलीस्कोप अवलोकनों के साथ M87 के जेट बेस उत्सर्जन की जांच*

समस्या विवरण
M87* के पिछले इवेंट होराइजन टेलीस्कोप (EHT) अवलोकनों ने 2017 और 2018 में 230 GHz पर कॉम्पैक्ट रिंग संरचना (ब्लैक होल शैडो) को सफलतापूर्वक हल किया था। हालाँकि, इन डेटासेट्स में एक "लुप्त फ्लक्स" (missing flux) की समस्या थी, जहाँ ट्रिवियल (सह-स्थित) बेसलाइनों (जैसे, ALMA/APEX, JCMT/SMA) पर मापा गया कुल फ्लक्स घनत्व लगभग 1.0–1.4 Jy था, जो कि ~0.5–1.0 Jy द्वारा पुनर्प्राप्त कॉम्पैक्ट रिंग-ओनली मॉडलों से काफी अधिक था। यह विसंगति बड़े स्थानिक पैमानों पर विस्तारित उत्सर्जन की उपस्थिति का संकेत देती है, जो संभवतः जेट बेस से जुड़ा है। 2017 और 2018 के एरे में इस विस्तारित संरचना को सीमित करने के लिए आवश्यक लघु और मध्यम-लंबाई वाले बेसलाइन की कमी थी, जिससे जेट बेस के पुनर्निर्माण में अनसुलझी अनिश्चितताएं बनी रहीं।

कार्यप्रणाली
यह अध्ययन 2021 EHT अवलोकन अभियान के महत्वपूर्ण रूप से संवर्धित $(u, v)$ कवरेज का लाभ उठाता है, विशेष रूप से 12-मीटर किट पीक (KP) टेलीस्कोप (USA) और NOEMA एरे (फ्रांस) के एकीकरण का। इन नए स्टेशनों ने दो महत्वपूर्ण मध्यवर्ती-लंबाई वाले बेसलाइन पेश किए:

1. PV-NOEMA: 1100 किमी, जो ~250 $\mu$as (0.02 pc) के स्थानिक पैमानों के प्रति संवेदनशील है।
2. SMT-KP: 100 किमी, जो ~2500 $\mu$as (0.2 pc) के स्थानिक पैमानों के प्रति संवेदनशील है।

मध्यवर्ती बेसलाइनों की विरलता के कारण, जेट बेस के मंद, विस्तारित उत्सर्जन का प्रत्यक्ष इमेजिंग करना सुदृढ़ नहीं है। इसके बजाय, लेखक क्लोजर फेज (closure phases) का उपयोग करते हुए एक ज्यामितीय मॉडल-फिटिंग दृष्टिकोण अपनाते हैं। क्लोजर फेज स्टेशन-आधारित गेन कैलिब्रेशन त्रुटियों के प्रति सुदृढ़ होते हैं और चमक वितरण में विषमताओं के प्रति संवेदनशील होते हैं। विश्लेषण उन क्लोजर ट्रायंगल्स पर केंद्रित है जो अत्यधिक संवेदनशील ALMA स्टेशन (ALMA-PV-NOEMA और ALMA-SMT-KP) के साथ बनते हैं।

लेखक निम्नलिखित मॉडलों से बने क्लोजर फेज की तुलना प्रेक्षित क्लोजर फेज से करते हैं:

• एक कॉम्पैक्ट रिंग घटक (DoG-HIT और अन्य एल्गोरिदम के माध्यम से पुनर्निर्मित)।
• एक अतिरिक्त, मंद, ऑफसेट गॉसियन घटक जो जेट बेस उत्सर्जन का प्रतिनिधित्व करता है।

मॉडल मापदंडों (स्थिति, फ्लक्स घनत्व, और फुल विड्थ एट हाफ मैक्स - FWHM) को प्रेक्षित क्लोजर फेज और मॉडल के बीच के रिड्यूस्ड ची-स्क्वायर ($\chi^2_\nu$) अवशेषों को न्यूनतम करने के लिए MCMC सैंपलिंग का उपयोग करके अनुकूलित किया जाता है। असिमेट्रिक गॉसियन, डबल गॉसियन, और GMVA-व्युत्पन्न जेट संरचनाओं सहित वैकल्पिक मॉडलों का भी परीक्षण किया गया है।

मुख्य परिणाम

• अवशेषों का पता चलना (Detection of Residuals): कॉम्पैक्ट रिंग-ओनली मॉडल ALMA-PV-NOEMA और ALMA-SMT-KP ट्रायंगल्स पर देखे गए क्लोजर फेज को पूरी तरह से दोहराने में विफल रहते हैं, जो महत्वपूर्ण अवशेष (एक "बम्प" और कुछ डिग्री का "ऑफसेट") प्रदर्शित करते हैं।
• गॉसियन घटक फिट: एक एकल, ऑफसेट गॉसियन घटक को शामिल करने से फिट में काफी सुधार होता है। सर्वोत्तम-फिट मॉडल रिंग केंद्र के सापेक्ष एक अनुमानित पृथक्करण $\approx 5500$ AU ($\Delta$R.A. $\approx 320$ $\mu$as, $\Delta$Dec. $\approx 60$ $\mu$as पर) पर एक मंद गॉसियन घटक रखता है, जिसका अनुमानित फ्लक्स घनत्व ~60 mJy और आकार (FWHM) ~180 $\mu$as है।
• सांख्यिकीय सुधार: इस घटक को शामिल करने से ALMA-PV-NOEMA ट्रायंगल के लिए $\chi^2_\nu$ 2.73 से घटकर 1.29 और ALMA-SMT-KP ट्रायंगल के लिए 2.52 से घटकर 1.12 हो जाता है। सभी ट्रायंगल्स के लिए ग्लोबल फिट 1.50 से सुधरकर 1.39 हो जाता है।
• मॉडल बाधाएं (Model Constraints): अधिक जटिल मॉडल (असिमेट्रिक गॉसियन या दूसरा गॉसियन घटक) एकल गॉसियन मॉडल की तुलना में सांख्यिकीय रूप से महत्वपूर्ण सुधार प्रदान नहीं करते हैं। डेटा इन पैमानों पर उज्जवल उत्सर्जन का पक्ष नहीं लेता है; एक काफी उज्जवल घटक प्रेक्षित अवशेषों से अधिक अवशेष उत्पन्न करेगा।
• भौतिक निरंतरता: पुनर्प्राप्त गॉसियन का स्थान 86 GHz GMVA छवियों में देखे गए एज-ब्राइटेंड जेट के दक्षिणी/दक्षिण-पश्चिमी भाग के अनुरूप है, जो बड़े पैमाने के जेट की अपेक्षित दिशा के साथ सुसंगत है।
• पिछले डेटा पर प्रभाव: यह अध्ययन पुष्टि करता है कि यह मंद घटक 2017 और 2018 के डेटा में मध्यवर्ती बेसलाइनों की कमी के कारण पता लगाने योग्य नहीं होता, जो उन अवधियों के लिए पिछले रिंग-ओनली पुनर्निर्माणों की मजबूती को प्रमाणित करता है।

महत्व और दावे
लेख का दावा है कि यह M87* के पास मध्यवर्ती पैमानों पर मंद, असममित उत्सर्जन पर 230 GHz पर पहले के प्रतिबंध (constraints) प्रदान करता है। प्राथमिक योगदान एक संभावित जेट बेस घटक की पहचान करना है जो पहले के अस्पष्ट "लुप्त फ्लक्स" के एक हिस्से की व्याख्या करता है।

हालाँकि, लेखक इस डिटेक्शन की निश्चित प्रकृति के संबंध में एक संयमित और रूढ़िवादी रुख बनाए रखते हैं:

1. रूपात्मक सीमाएँ (Morphological Limitations): मध्यवर्ती बेसलाइनों की सीमित संख्या (केवल दो) के कारण, लेखक जेट बेस की विस्तृत आकृति विज्ञान (morphology) को मजबूती से पुनर्निर्मित नहीं कर सकते हैं। पुनर्प्राप्त गॉसियन को इन विशिष्ट स्थानिक पैमानों पर विज़ुअलाइज़ किए गए जेट बेस फ्लक्स घनत्व के ऊपरी सीमा (upper limit) के रूप में माना जाता है।
2. व्यवस्थित अनिश्चितताएं (Systematic Uncertainties): जबकि पोलराइजेशन लीकेज और अन्य ज्ञात व्यवस्थित त्रुटियों को सिग्नल के स्रोत के रूप में खारिज कर दिया गया है, लेखक स्वीकार करते हैं कि सिंगल-बेसलाइन/छोटे-ट्रयांगल माप पर निर्भरता को देखते हुए अज्ञात व्यवस्थित त्रुटियों को पूरी तरह से बाहर नहीं किया जा सकता है।
3. भविष्य की आवश्यकताएं: शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि जेट बेस की संरचना और प्रकृति पर निर्णायक पुष्टि और उच्च-परिशुद्धता वाले प्रतिबंधों के लिए भविष्य के EHT अवलोकनों की आवश्यकता होगी, जिसमें विस्तारित मध्यवर्ती-बेसलाइन कवरेज (अधिक स्टेशन) और संभावित रूप से विस्तारित फ्रीक्वेंसी रेंज शामिल है।

संक्षेप में, यह कार्य दर्शाता है कि 2021 EHT डेटा दक्षिण-पश्चिम-ऑफसेट उत्सर्जन घटक के साक्ष्य प्रकट करता है जो जेट बेस के अनुरूप है, लेकिन डेटा घनत्व जेट बेस की संरचना को पूरी तरह से हल करने की क्षमता को सीमित करता है, जिसके लिए पूर्ण भौतिक लक्षण वर्णन हेतु भविष्य के अवलोकनों की आवश्यकता है।