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A Minimal Interpretation of the Galactic Cosmic-Ray Proton and Helium Spectra from GeV to PeV Energies

यह शोधपत्र एक न्यूनतम दो-जनसंख्या ढांचे का प्रस्ताव करता है जो दो विशिष्ट स्रोत जनसंख्याओं के बीच एक संक्रमण के माध्यम से GeV से PeV ऊर्जाओं तक गैलेक्टिक कॉस्मिक-रे प्रोटॉन और हीलियम की जटिल स्पेक्ट्रल विशेषताओं की निरंतर व्याख्या करता है, जिससे निकटवर्ती स्रोतों या गैर-मानक त्वरण धारणाओं की आवश्यकता समाप्त हो जाती है।

मूल लेखक: Felix Aharonian, Bing Theodore Zhang

प्रकाशित 2026-04-14

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Felix Aharonian, Bing Theodore Zhang

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

कॉस्मिक रे मिस्ट्री: ब्रह्मांड का ऊर्जा मानचित्र एक रोलरकोस्टर की तरह क्यों दिखता है

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड कॉस्मिक किरणों (Cosmic Rays) नामक सूक्ष्म कणों की एक निरंतर, अदृश्य बारिश से भरा हुआ है। इनमें से अधिकांश प्रोटॉन (हाइड्रोजन नाभिक) और हीलियम नाभिक हैं। दशकों तक, वैज्ञानिकों ने सोचा था कि यह "बारिश" एक स्थिर, अनुमानित दर से गिरती है, और जैसे-जैसे ऊर्जा बढ़ती है, यह एक ढलान की तरह धीरे-धीरे कम होती जाती है।

लेकिन हाल ही में, हाई-टेक डिटेक्टरों ने हमें दिखाया है कि यह ढलान बिल्कुल भी चिकनी नहीं है। यह अप्रत्याशित उभारों, उतार-चढ़ाव और अचानक गिरावट वाले एक रोलरकोस्टर की तरह है।

फेलिक्स अहारोनियन और बी. थियोडोर झांग द्वारा लिखे गए इस शोध पत्र में इस ऊबड़-खाबड़ सफर को समझाने के लिए एक सरल समाधान प्रस्तावित किया गया है। वे सुझाव देते हैं कि यह "बारिश" केवल एक स्रोत या एक प्रकार के तूफान से नहीं आ रही है। इसके बजाय, यह आपस में टकराते हुए दो अलग-अलग तूफानों का मिश्रण है।

दो-तूफान सिद्धांत (The Two-Storm Theory)

लेखक सुझाव देते हैं कि गैलेक्टिक कॉस्मिक किरणें वास्तव में दो अलग-अलग आबादी (या तूफानों) से बनी हैं जिन्हें हम अपनी आँखों से आसानी से अलग नहीं कर सकते, लेकिन उनके ऊर्जा सिग्नेचर उन्हें प्रकट कर देते हैं।

तूफान 1: "स्थानीय" तूफान (कम से मध्यम ऊर्जा)

यह क्या है: यह कॉस्मिक किरणों का पुराना, अधिक सामान्य प्रकार है। यह मानक सुपरनोवा अवशेषों (Supernova Remnants) (एक विशाल तारे के फटने के बाद छोड़ी गई गैस के फैलते हुए बादल) द्वारा उत्पन्न होता है।
व्यवहार: इस तूफान को एक ऐसी तेज़ हवा के रूप में सोचें जो लगातार चलती है लेकिन जिसकी एक सीमा होती है। जैसे-जैसे आप ऊर्जा में ऊपर जाते हैं, यह मजबूत होता जाता है, लेकिन फिर यह लगभग 100 TeV (एक ट्रिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट) के आसपास एक "छत" से टकरा जाता है।
"छत": पेपर नोट करता है कि यह तूफान केवल धीरे-धीरे गायब नहीं होता; यह एक दीवार से टकराता है और अचानक रुक जाता है। यह एक कार की तरह है जो धीरे-धीरे धीमा होने के बजाय उच्च गति पर ईंट की दीवार से टकरा जाती है। यही कारण है कि 100 TeV के ठीक बाद कॉस्मिक किरणों की संख्या तेजी से गिर जाती है।

तूफान 2: "पेवैट्रॉन" (PeVatron) तूफान (उच्च ऊर्जा)

यह क्या है: यह एक दुर्लभ, अधिक शक्तिशाली तूफान है। यह अत्यधिक ब्रह्मांडीय त्वरकों (accelerators) से आता है जो कणों को पृथ्वी पर हमारे सबसे बड़े पार्टिकल कोलाइडर से दस लाख गुना अधिक ऊर्जा तक धकेल सकते हैं। इन्हें पेवैट्रॉन (PeVatrons) कहा जाता है।
व्यवहार: यह तूफान "हार्डर" (इसमें अधिक उच्च-ऊर्जा वाले कण होते हैं) है और यह एक विशाल 6.5 PeV (एक क्वाड्रिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट) तक पहुँचने तक नहीं रुकता है।
ओवरलैप (मेल): यहाँ असली जादू है। जब हम तूफान 1 के अंतिम छोर (जो धीरे-धीरे खत्म हो रहा है) को तूफान 2 की शुरुआत (जो अभी बस शुरू ही हुआ है) के साथ मिलाते हैं, तो वे डेटा में एक उभार (bump) बनाते हैं।
- उपमा: कल्पना कीजिए कि दो टॉर्च एक दीवार पर रोशनी डाल रही हैं। एक मंद, चौड़ी बीम है जो जल्दी फीकी पड़ जाती है। दूसरी एक चमकीली, केंद्रित लेजर है जो मंद होकर शुरू होती है लेकिन बहुत उज्ज्वल हो जाती है। जहाँ वे ओवरलैप करते हैं, वहाँ रोशनी अकेले किसी भी एक के मुकाबले अधिक उज्ज्वल और "उभरी हुई" दिखाई देती है। यह "उभार" ही वह चीज़ है जिसे वैज्ञानिक 10 से 100 TeV के बीच डेटा में देखते हैं।

हीलियम की पहेली

पेपर ने हीलियम कणों (जो प्रोटॉन से भारी होते हैं) का भी अध्ययन किया।

आश्चर्य: "स्थानीय तूफान" (तूफान 1) प्रोटॉन की तुलना में हीलियम के लिए अलग व्यवहार करता है। हीलियम वाला यह तूफान अधिक सख्त है; यह अधिक समय तक चलता है और प्रोटॉन की तरह "ईंट की दीवार" से उतनी जोर से नहीं टकराता है।
व्याख्या: लेखक सुझाव देते हैं कि ऐसा इसलिए है क्योंकि दोनों तूफान अलग-अलग वातावरण में पैदा होते हैं। शायद प्रोटॉन सुपरनोवा के सामने के शॉक (front shock) में त्वरित होते हैं, जबकि हीलियम विस्फोट के "रिवर्स शॉक" (पीछे के बैकवाश) में त्वरित होता है, जहाँ स्थितियाँ अलग होती हैं।
परिणाम: यह अंतर समझाता है कि ऊर्जा बढ़ने के साथ प्रोटॉन से हीलियम का अनुपात क्यों बदल जाता है। यह दो अलग-अलग प्रकार की बारिश होने जैसा है: एक जो जल्दी रुक जाती है (प्रोटॉन) और दूसरी जो अधिक समय तक रिमझिम करती रहती है (हीलियम)।

ये तूफान कहाँ से आते हैं?

पेपर इन तूफानों के "मौसम स्टेशनों" (स्रोतों) का अनुमान लगाने की कोशिश करता है:

तूफान 1 (सामान्य वाला) के लिए: मानक सुपरनोवा अवशेष (Supernova Remnants) इसके संभावित अपराधी हैं। वे आकाशगंगा में हर जगह हैं और मध्यम-ऊर्जा वाले कण बनाने में माहिर हैं, लेकिन वे कणों को 100 TeV से आगे धकेलने में संघर्ष करते हैं।
तूफान 2 (अत्यधिक वाला) के लिए: इसके लिए "सुपर-चार्ज्ड" त्वरकों की आवश्यकता होती है। लेखक तीन मुख्य संदिग्धों की ओर इशारा करते हैं:
- विशेष सुपरनोवा: शायद कुछ सुपरनोवा अधिक शक्तिशाली होते हैं या घने गैस बादलों में होते हैं, जिससे वे PeV ऊर्जा तक पहुँच पाते हैं।
- स्टार क्लस्टर्स (तारा समूह): विशाल सितारों के समूह (जैसे "साइग्नस कोकून") जहाँ संयुक्त हवा और विस्फोट त्वरण के लिए एक आदर्श तूफान बनाते हैं।
- माइक्वैसर (Microquasars): ये ब्लैक होल या न्यूट्रॉन स्टार हैं जो एक साथी तारे को निगल रहे हैं और ऊर्जा की जेट्स बाहर निकाल रहे हैं। पेपर एक विशिष्ट माइक्वैसर, साइग्नस X-3 (Cygnus X-3), पर प्रकाश डालता है, जिसने हाल ही में प्रोटॉन को PeV ऊर्जा तक त्वरित करने के संकेत दिखाए हैं। यह एक बड़ी बात है क्योंकि यह पहला पुष्ट "प्रोटॉन पेवैट्रॉन" हो सकता है।

यह क्यों महत्वपूर्ण है?

इस पेपर से पहले, वैज्ञानिक इस ऊबड़-खाबड़ कॉस्मिक रे डेटा को समझाने के लिए जटिल सिद्धांत बना रहे थे: शायद कोई एक नजदीकी सुपरनोवा दृश्य पर हावी है, या शायद कण यात्रा करते समय भौतिकी के नियम बदल जाते हैं।

यह पेपर ओकैम के रेज़र (Occam's Razor) के लिए तर्क देता है (सबसे सरल स्पष्टीकरण ही आमतौर पर सही होता है)।

पुराना दृष्टिकोण: "हमें इस उभार को समझाने के लिए एक विशेष, नजदीकी स्रोत की आवश्यकता है।"
नया दृष्टिकोण: "हमें किसी विशेष स्रोत की आवश्यकता नहीं है। हमारे पास बस दो सामान्य आबादी वाली कॉस्मिक किरणें हैं जो एक-दूसरे के ऊपर ओवरलैप हो रही हैं। एक जल्दी रुक जाती है, और दूसरी बहुत दूर तक जाती है। जब वे मिलती हैं, तो वे वह उभार बनाती हैं जिसे हम देखते हैं।"

निचोड़ (The Bottom Line)

ब्रह्मांड कॉस्मिक किरणों का एक एकल, सुचारू प्रवाह पैदा नहीं कर रहा है। यह एक दो-लेन वाला हाईवे है।

लेन 1 व्यस्त, स्थानीय ट्रैफिक (सुपरनोवा) है जो 100 TeV एग्जिट पर फंस जाता है।
लेन 2 हाई-स्पीड, लंबी दूरी का ट्रैफिक (माइक्वैसर जैसे पेवैट्रॉन) है जो PeV एग्जिट तक तेजी से दौड़ता है।

जब आप दूर से ट्रैफिक को देखते हैं, तो इन दोनों लेन के मिलने से वह जटिल, ऊबड़-खाबड़ पैटर्न बनता है जिसे हम देखते हैं। यह सरल "दो-लेन" मॉडल बिना किसी नए भौतिक कानून को आविष्कार किए या किसी एक रहस्यमय "मॉन्स्टर" स्रोत को खोजे, डेटा के साथ पूरी तरह फिट बैठता है।

यहाँ फेलिक्स अहारोनियन और बी. थियोडोर झांग के शोध पत्र "A Minimal Interpretation of the Galactic Cosmic-Ray Proton and Helium Spectra from GeV to PeV Energies" का विस्तृत तकनीकी सारांश दिया गया है।

1. समस्या विवरण (Problem Statement)

गैलेक्टिक कॉस्मिक किरणों (CRs) के हालिया उच्च-परिशुद्धता मापन से पता चला है कि प्रोटॉन और हीलियम ऊर्जा स्पेक्ट्रा एक सरल पावर लॉ (power law) से काफी विचलित होते हैं। इन विचलनों में शामिल हैं:

स्पेक्ट्रल हार्डनिंग (Spectral Hardening): $\sim$ 200 GeV के आसपास एक क्रमिक हार्डनिंग।
मल्टी-TeV बम्प (Multi-TeV Bump): 10–100 TeV रेंज में एक व्यापक अधिकता (excess), जिसके बाद 100 TeV के पास एक तीव्र टर्नओवर (turnover) होता है।
PeV बम्प (PeV Bump): कई PeV पर शिखर (peak) बनाने वाली एक स्पष्ट स्पेक्ट्रल संरचना।

मौजूदा मानक मॉडल (सुपरनोवा अवशेषों में सिंगल-कंपोनेंट डिफ्यूसिव शॉक एक्सेलेरेशन) गैर-मानक प्रसार तंत्र (non-standard propagation mechanisms), विशिष्ट निकटवर्ती प्रमुख स्रोतों, या त्वरण भौतिकी में मनमाने समायोजन को आमंत्रित किए बिना इन जटिल विशेषताओं की व्याख्या करने में संघर्ष करते हैं। चुनौती एक एकीकृत, न्यूनतम ढांचे (unified, minimal framework) प्रदान करने की है जो स्थानीय स्रोत प्रभुत्व पर निर्भर हुए बिना, छह दशकों की ऊर्जा (GeV से PeV तक) में प्रोटॉन और हीलियम दोनों के स्पेक्ट्रा की व्याख्या कर सके।

2. कार्यप्रणाली (Methodology)

लेखक एक न्यूनतम दो-घटक फेनोमेनोलॉजिकल ढांचे (minimal two-component phenomenological framework) का प्रस्ताव करते हैं। विशिष्ट त्वरण या प्रसार भौतिकी से स्पेक्ट्रम प्राप्त करने के बजाय, वे कुल फ्लक्स को दो अलग-अलग गैलेक्टिक CR आबादी के सुपरपोजिशन (superposition) के रूप में मॉडल करते हैं, जिनमें से प्रत्येक एक हाई-एनर्जी कटऑफ के साथ पावर-लॉ वितरण द्वारा अभिलक्षित है।

गणितीय सूत्रीकरण (Mathematical Formulation): कुल फ्लक्स $J_{tot}(E)$ , दो घटकों $J_1(E)$ और $J_2(E)$ का योग है:
$J_i(E) = A_i E^{-\Gamma_i} \exp\left[-\left(\frac{E}{E_{i,0}}\right)^{\beta_i}\right]$
जहाँ $A_i$ नॉर्मलाइजेशन है, $\Gamma_i$ स्पेक्ट्रल इंडेक्स है, $E_{i,0}$ कटऑफ ऊर्जा है, और $\beta_i$ कटऑफ की तीक्ष्णता को नियंत्रित करता है।
डेटा स्रोत (Data Sources): मॉडल को AMS-02, CALET, DAMPE, LHAASO, और IceTop से प्राप्त उच्च-परिशुद्धता डेटा पर फिट किया गया है, जो 10 GeV से 10 PeV तक की ऊर्जा को कवर करता है।
फिटिंग रणनीति (Fitting Strategy):
- घटक 2 (उच्च ऊर्जा - Component 2): मुख्य रूप से LHAASO डेटा द्वारा बाधित है, जो 300 TeV से ऊपर के क्षेत्र में है जहाँ निम्न-ऊर्जा घटक नगण्य है।
- घटक 1 (निम्न ऊर्जा - Component 1): घटक 2 के अनुमानित (extrapolated) भाग को कुल मापे गए फ्लक्स से घटाकर प्राप्त किया गया है।
- हीलियम विश्लेषण: हीलियम स्पेक्ट्रम को समान रूप से मॉडल किया गया है, जिसमें दूसरे घटक को चुंबकीय रिजिडिटी ( $R = E/Z$ ) के आधार पर प्रोटॉन स्पेक्ट्रम के अनुरूप स्केल किया गया है, जबकि पहले घटक को स्रोत अंतरों का परीक्षण करने के लिए स्वतंत्र रूप से फिट किया गया है।

3. मुख्य योगदान (Key Contributions)

एकीकृत दो-जनसंख्या मॉडल (Unified Two-Population Model): यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि जटिल स्पेक्ट्रल विशेषताएं (हार्डनिंग, मल्टी-TeV बम्प, और PeV संरचना) अलग-अलग स्पेक्ट्रल इंडेक्स और कटऑफ ऊर्जाओं वाली दो व्यापक गैलेक्टिक आबादी के सुपरपोजिशन का स्वाभाविक परिणाम हैं, न कि किसी एकल जटिल तंत्र या किसी प्रमुख स्थानीय स्रोत की आवश्यकता के।
न्यूनतम दृष्टिकोण (Minimalist Approach): यह ढांचा गैर-मानक प्रसार (जैसे नेस्टेड डिफ्यूजन) या विशिष्ट स्थानीय स्रोत प्रभुत्व (जैसे एक एकल निकटवर्ती SNR) को आमंत्रित करने से बचता है, और 'ओकम्स रेजर' (Occam's razor) का पालन करता है।
प्रोटॉन-हीलियम विसंगति समाधान: मॉडल प्रोटॉन और हीलियम के बीच के अलग-अलग व्यवहारों की व्याख्या करने में सफल रहा है, जिसमें उनके अलग-अलग कटऑफ ऊर्जा और स्पेक्ट्रल इंडेक्स शामिल हैं, जो यह सुझाव देते हैं कि वे अलग-अलग त्वरण वातावरणों से उत्पन्न होते हैं।

4. परिणाम (Results)

A. प्रोटॉन स्पेक्ट्रम (Proton Spectrum)

फिटिंग दो अलग-अलग घटकों को प्रकट करती है:

निम्न-ऊर्जा घटक ( $J_1$ ):
- स्पेक्ट्रल इंडेक्स: $\Gamma_1 \approx 2.73$ ।
- कटऑफ: $E_{1,0} \approx 68$ TeV पर तीक्ष्ण समाप्ति।
- कटऑफ आकार: 100 TeV के पास देखे गए तीक्ष्ण टर्नओवर को पुनरुत्पादित करने के लिए एक सुपर-एक्सपोनेंशियल कटऑफ ( $\beta_1 \approx 2.5$ ) की आवश्यकता होती है। यह कणों के तेजी से पलायन (escape) या अधिकतम ऊर्जा पर टर्बुलेंस के टूटने का सुझाव देता है।
उच्च-ऊर्जा घटक ( $J_2$ ):
- स्पेक्ट्रल इंडेक्स: $\Gamma_2 \approx 2.39$ (पहले घटक की तुलना में हार्डर)।
- कटऑफ: $E_{2,0} \approx 6.2$ PeV पर स्मूथ एक्सपोनेंशियल कटऑफ।
- भूमिका: यह $\sim$ 100 TeV से ऊपर के स्पेक्ट्रम पर हावी रहता है।

परिणाम: इन दोनों घटकों का ओवरलैप स्वाभाविक रूप से देखे गए "मल्टी-TeV बम्प" और उसके बाद के तीक्ष्ण टर्नओवर को उत्पन्न करता है। मॉडल $\sim$ 6.5 PeV तक एक संभावित तीसरे घटक (जो $>10$ PeV पर IceTop डेटा द्वारा सुझाया गया है) की व्याख्या भी करता है, हालांकि दो-घटक मॉडल $\sim$ 6.5 PeV तक मजबूत बना रहता है।

B. हीलियम स्पेक्ट्रम और p/He अनुपात (Helium Spectrum and p/He Ratio)

पहला घटक ( $He_1$ ): हीलियम का निम्न-ऊर्जा घटक प्रोटॉन की तुलना में हार्डर ( $\Gamma_{1,He} \approx 2.57$ ) है और एक उच्च कटऑफ ऊर्जा ( $E_{1,He} \approx 470$ TeV) तक विस्तृत है। इसका कटऑफ प्रोटॉन के मुकाबले अधिक स्मूथ ( $\beta \approx 1$ ) है।
दूसरा घटक ( $He_2$ ): उच्च-ऊर्जा हीलियम घटक प्रोटॉन स्पेक्ट्रम के साथ चुंबकीय रिजिडिटी में स्केल होता है, जो दोनों प्रजातियों के लिए एक सामान्य मूल (common origin) की ओर संकेत करता है।
p/He अनुपात: मॉडल प्रोटॉन-टू-हीलियम अनुपात की जटिल ऊर्जा निर्भरता को सफलतापूर्वक पुनरुत्पादित करता है, जिसमें मल्टी-TeV रेंज में डिप (dip) और रिकवरी, तथा PeV ऊर्जाओं पर पीक शामिल है, जो पहले घटकों के भिन्न कटऑफ द्वारा संचालित है।

C. खगोलीय निहितार्थ (Astrophysical Implications)

पहला घटक ( $<100$ TeV): संभवतः मानक सुपरनोवा अवशेषों (SNRs) से उत्पन्न होता है। सुपर-एक्सपोनेंशियल कटऑफ इस विचार का समर्थन करता है कि मानक SNRs में प्रोटॉन $\sim$ 100 TeV से आगे त्वरित नहीं हो सकते क्योंकि वहां कणों का तेजी से पलायन या टर्बुलेंस का टूटना होता है।
दूसरा घटक ( $>100$ TeV): यह PeVatrons की एक आबादी का प्रतिनिधित्व करता है। संभावित उम्मीदवार हैं:
- अत्यधिक स्थितियों वाले SNRs का एक उपसमुच्चय (जैसे, विशाल आणविक बादलों के साथ परस्पर क्रिया करने वाले)।
- यंग स्टेलर क्लस्टर्स (YSCs) और स्टार-फॉर्मिंग क्षेत्र (जैसे, साइग्नस कोकून), जहाँ सामूहिक शॉक और विंड्स त्वरण को बढ़ाते हैं।
- माइक्वैसर (Microquasars): माइक्वैसर (जैसे, Cygnus X-3, V4641 Sgr) से LHAASO द्वारा हाल ही में पकड़े गए PeV गामा किरणों के डिटेक्शन से पता चलता है कि वे $\sim$ 10 PeV तक प्रोटॉन को त्वरित करने में सक्षम गैलेक्टिक PeVatrons के व्यवहार्य उम्मीदवार हैं।
10 PeV से परे: 100 PeV तक विस्तृत तीसरे घटक की संभावित उपस्थिति के लिए और भी अधिक शक्तिशाली स्रोतों की आवश्यकता हो सकती है, जैसे कि अतीत के सक्रिय चरणों के दौरान Sgr A* नामक सुपरमैसिव ब्लैक होल।

5. महत्व (Significance)

यह शोध पत्र हालिया और सबसे सटीक कॉस्मिक रे स्पेक्ट्रल डेटा के लिए एक मजबूत, जनसंख्या-आधारित स्पष्टीकरण प्रदान करता है। जटिल प्रसार प्रभावों वाले एकल-घटक मॉडल से दो-जनसंख्या सुपरपोजिशन की ओर शिफ्ट होकर, लेखक:

प्रसार मॉडलों को संशोधित किए बिना, देखे गए स्पेक्ट्रल हार्डनिंग और मानक DSA भविष्यवाणियों के बीच के तनाव को हल करते हैं।
प्रोटॉन और हीलियम के विशिष्ट स्पेक्ट्रल लक्षणों को केवल रिजिडिटी स्केलिंग के बजाय विभिन्न स्रोत वातावरणों (जैसे, फॉरवर्ड बनाम रिवर्स शॉक, या अलग-अलग त्वरक प्रकार) के प्रमाण के रूप में समझाते हैं।
गैलेक्टिक CR के खगोलीय मूलों की पहचान करने के लिए एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करते हैं, जो निम्न-ऊर्जा घटक को मानक SNRs से और उच्च-ऊर्जा घटक को विविध PeVatron उम्मीदवारों (SNRs, YSCs, Microquasars) से जोड़ते हैं।

यह कार्य स्थापित करता है कि "नी" (knee) और उसके बाद की स्पेक्ट्रल संरचनाएं विसंगतियां नहीं हैं, बल्कि दो अलग-अलग गैलेक्टिक CR आबादी के बीच संक्रमण का स्वाभाविक परिणाम हैं।