Monitoring the upper atmospheric temperature and interplanetary magnetic field with the GRAPES-3 muon telescope
GRAPES-3 म्यूऑन टेलीस्कोप के 22 वर्षों के डेटा का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन ऊपरी वायुमंडलीय तापमान और अंतरग्रहीय चुंबकीय क्षेत्र के उतार-चढ़ाव का कॉस्मिक रे-प्रेरित म्यूऑन फ्लक्स पर प्रभाव को परिमाणित करता है, जो इन मापदंडों के लिए एक वास्तविक समय के मॉनिटर के रूप में टेलीस्कोप की क्षमता को प्रदर्शित करता है।
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कल्पना कीजिए कि पृथ्वी हवा से बनी एक विशाल, अदृश्य चादर में लिपटी हुई है। यह चादर केवल स्थिर नहीं है; यह एक फेफड़े की तरह लगातार हिल रही है, फैल रही है और सिकुड़ रही है। हमारे सिर के बहुत ऊपर, वायुमंडल के ऊपरी हिस्सों में, तापमान मौसमों के साथ बदलता है, ठीक वैसे ही जैसे जमीन पर होता है। लेकिन यहाँ एक और अदृश्य शक्ति काम कर रही है: एक चुंबकीय क्षेत्र जो सूर्य से निकलता है और ग्रहों के बीच के स्थान को भर देता है। यह "अंतरग्रहीय चुंबकीय क्षेत्र" एक ब्रह्मांडीय बाउंसर (bouncer) की तरह कार्य करता है, जो यह तय करता है कि गहरे अंतरिक्ष से आने वाले उच्च-ऊर्जा कणों में से किसे हमारे सौर मंडल में प्रवेश करने दिया जाए और किन्हें वापस मोड़ दिया जाए।
जब ये उच्च-ऊर्जा कण, जिन्हें कॉस्मिक किरणें (cosmic rays) कहा जाता है, हमारे वायुमंडल से टकराते हैं, तो वे नए कणों की एक बौछार पैदा करते हैं। इनमें से कुछ म्यूऑन (muons) हैं, जो इलेक्ट्रॉनों के भारी, भूतिया चचेरे भाइयों की तरह हैं। वे लगातार हम पर बरसते हैं, जमीन और यहाँ तक कि हमारे शरीर के आर-पार निकल जाते हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि जमीन पर गिरने वाले म्यूऑन की संख्या इस बात पर निर्भर करती है कि ऊपरी वायुमंडल कितना गर्म है और सूर्य का चुंबकीय कवच कितना मजबूत है। यह कुछ ऐसा है जैसे आप एक छत पर गिरती बारिश की बूंदों को गिनने की कोशिश कर रहे हों जबकि छत खुद फैल रही हो और हवा बादलों को उड़ाकर दूर ले जा रही हो। यह पता लगाना कि गर्मी और चुंबकीय क्षेत्र में से प्रत्येक का म्यूऑन की संख्या में कितना योगदान है, एक कठिन पहेली है, लेकिन इसे हल करना हमारे म्यूऑन डिटेक्टरों को उस आकाश के लिए शक्तिशाली, वास्तविक समय के मौसम स्टेशनों में बदल सकता है जिसे हम देख नहीं सकते।
द कॉस्मिक म्यूऑन डिटेक्टिव (ब्रह्मांडीय म्यूऑन जासूस)
भारत के ऊटी नामक एक शांत शहर में, आकाश को देखता हुआ एक विशाल वैज्ञानिक नेत्र है। इसे GRAPES-3 म्यूऑन टेलीस्कोप कहा जाता है, और यह 22 वर्षों से, 2001 से 2022 तक, कॉस्मिक म्यूऑन की निरंतर गिनती कर रहा है। आकाश को देखने में यह एक लंबा समय है—यह सूर्य की गतिविधि के तीन पूर्ण चक्रों को कवर करता है, जिसमें वे समय भी शामिल हैं जब सूर्य शांत था और वे समय भी जब वह सौर ज्वालाओं को ब्रह्मांडीय आतिशबाजी की तरह छोड़ रहा था। यह टेलीस्कोप विशाल है, जो 560 वर्ग मीटर (लगभग एक बड़े फुटबॉल मैदान के आकार का) क्षेत्र को कवर करता है, और यह हर एक दिन में लगभग 4 अरब म्यूऑन को पकड़ता है। यह बहुत सारा डेटा है!
इस परियोजना के पीछे के वैज्ञानिक एक विशिष्ट रहस्य को सुलझाना चाहते थे: ऊपरी वायुमंडल का तापमान हमारे द्वारा देखे जाने वाले म्यूऑन की संख्या को कितना बदल देता है, और सूर्य का चुंबकीय क्षेत्र इसे कितना बदल देता है? समस्या यह है कि ये दोनों चीजें एक ही समय में होती हैं। जब सूर्य का चुंबकीय क्षेत्र मजबूत होता है, तो यह अधिक कॉस्मिक किरणों को रोकता है, और जब वायुमंडल गर्म होता है, तो यह फैलता है, जिससे म्यूऑन के यात्रा करने का तरीका बदल जाता है। यह एक ऐसे कमरे में फुसफुसाहट सुनने की कोशिश करने जैसा है जहाँ संगीत तेज हो रहा है और दीवारें भी एक साथ हिल रही हैं।
इस उलझन को सुलझाने के लिए, टीम ने गणित और समय का उपयोग करते हुए एक चतुर तकनीक का इस्तेमाल किया। उन्होंने 22 वर्षों के म्यूऑन काउंट, नासा के वायुमंडलीय तापमान डेटा और पृथ्वी-सूर्य लैग्रेंज बिंदु (एक विशेष स्थान जहाँ गुरुत्वाकर्षण संतुलित होता है) के पास तैरते उपग्रहों से प्राप्त चुंबकीय क्षेत्र के मापन का अध्ययन किया। सबसे पहले, उन्होंने डेटा को साफ किया ताकि टेलीस्कोप की अपनी किसी भी गड़बड़ी को हटाया जा सके। फिर, उन्होंने 'फास्ट फूरियर ट्रांसफॉर्म' (FFT) नामक एक गणितीय उपकरण का उपयोग किया। आप इसे एक सुपर-स्मार्ट संगीत इक्वलाइज़र की तरह समझ सकते है जो एक जटिल गीत को उसके व्यक्तिगत नोट्स में अलग करता है। इस मामले में, "गीत" म्यूऑन डेटा था, और वैज्ञानिक उस विशिष्ट "नोट" की तलाश कर रहे थे जो साल में एक बार होता है (मौसमी तापमान परिवर्तन) और वे "नोट्स" जो 11 वर्षों में होते हैं (सौर चक्र)।
वार्षिक लय को अलग करने के बाद, उन्हें एक स्पष्ट पैटर्न मिला: जब ऊपरी वायुमंडल गर्म होता है, तो म्यूऑन की संख्या कम हो जाती है। ऐसा इसलिए है क्योंकि गर्म वायुमंडल फैलता है, जिससे म्यूऑन को यात्रा करने के लिए एक लंबा रास्ता मिलता है। चूंकि म्यूऑन अस्थिर कण हैं जो समय के साथ क्षय (गायब) हो सकते हैं, इसलिए एक लंबा रास्ता होने का मतलब है कि जमीन तक पहुँचने से पहले उनमें से अधिक गायब हो जाते हैं। टीम ने एक "तापमान गुणांक" (temperature coefficient) की गणना की जो -0.2241 ± 0.04 (stat.) ± 0.0220 (syst.) % K⁻¹ था। सरल भाषा में, इसका अर्थ है कि प्रत्येक 1 केल्विन (लग लगभग 1.8 डिग्री फारेनहाइट) के लिए ऊपरी वायुमंडल गर्म होने पर, म्यूऑन की संख्या लगभग 0.22% कम हो जाती है।
लेकिन वे वहीं नहीं रुके। उन्हें एहसास हुआ कि सूर्य का चुंबकीय क्षेत्र भी उनके वार्षिक डेटा में चुपके से घुस रहा था। इसलिए, उन्होंने एक "इटरेटिव" (पुनरावृत्ति) विधि का उपयोग किया, जो प्याज की परत दर परत छीलने जैसा है। पहले उन्होंने चुंबकीय क्षेत्र के प्रभाव को हटाया, फिर तापमान के प्रभाव को दोबारा मापा, फिर चुंबकीय प्रभाव को फिर से हटाने के लिए तापमान के प्रभाव को फिर से हटाया ताकि एक स्वच्छ दृश्य मिल सके। इस प्रक्रिया को तीन बार दोहराने के बाद, संख्याएँ स्थिर हो गईं।
उनके अंतिम निष्कर्ष काफी सटीक हैं। उन्होंने निर्धारित किया कि चुंबकीय क्षेत्र गुणांक -0.574 ± 0.027 (stat.) ± 0.011 (syst.) % nT⁻¹ है। इसका अर्थ है कि प्रत्येक 1 नैनोटेला (चुंबकीय शक्ति की एक सूक्ष्म इकाई) के लिए अंतरग्रहीय चुंबकीय क्षेत्र मजबूत होने पर, म्यूऑन की संख्या लगभग 0.57% कम हो जाती है।
यह शोध पत्र यह दावा नहीं करता है कि उन्होंने इन प्रभावों की खोज पहली बार की है; बल्कि, यह बहुत लंबे समय की अवधि में हमारी समझ को परिष्कृत करता है। लेखक स्पष्ट रूप से तर्क देते हैं कि पिछली विधियों ने, जिन्होंने चुंबकीय क्षेत्र के हस्तक्षेप को इतनी सावधानी से ध्यान में नहीं रखा था, तापमान के प्रभाव को कम करके आंका होगा। अपने नए, इटरेटिव तरीके का उपयोग करके, उन्होंने पाया कि तापमान का प्रभाव वास्तव में उनके शुरुआती, बिना सुधारे गए अनुमान से लगभग 23% अधिक मजबूत था।
शोध पत्र यह निष्कर्ष निकालता है कि GRAPES-3 टेलीस्कोप अब एक विश्वसनीय उपकरण है। यह ऊपरी वायुमंडलीय तापमान के लिए लगभग 20% की सटीकता के साथ और अंतरग्रहीय चुंबकीय क्षेत्र के लिए लगभग 6% की सटीकता के साथ एक वास्तविक समय के मॉनिटर के रूप में कार्य कर सकता है। वैज्ञानिक इन संख्याओं के बारे में आश्वस्त हैं क्योंकि उन्होंने विभिन्न धारणाओं के विरुद्ध इनका परीक्षण किया और पाया कि परिणाम स्थिर रहे। वे सुझाव देते हैं कि भविष्य के मिशनों द्वारा वास्तविक समय का चुंबकीय डेटा प्रदान किए जाने के साथ, हम इन म्यूऑन गणनाओं का उपयोग ऊपरी वायुमंडल की "तापमान छवि" बनाने के लिए भी कर सकते हैं, जिससे एक कण भौतिकी (particle physics) के लिए बने टेलीस्कोप को हमारे ऊपर के आकाश के लिए एक उच्च-तकनीकी मौसम स्टेशन में बदला जा सके।
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