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Anomalous cosmic rays within the inner heliosphere: Observations of helium by the High Energy Telescope onboard Solar Orbiter

यह शोध पत्र सोलर ऑर्बिटर के हाई एनर्जी टेलिस्कोप द्वारा 0.3 और 1 au के बीच विसंगत कॉस्मिक रे हेलियम के पहले अवलोकनों को प्रस्तुत करता है, जिससे लगभग 22–32%/au का रेडियल ग्रेडिएंट प्राप्त होता है और यह प्रदर्शित होता है कि ये ग्रेडिएंट बढ़ी हुई सौर मॉड्यूलेशन और बड़े हेलियोस्फेरिक करंट शीट टिल्ट एंगल के साथ बढ़ते हैं।

मूल लेखक: Zigong Xu, Robert F. Wimmer-Schweingruber, Lars Berger, Patrick Kühl, Alexander Kollhoff, Bernd Heber, Stephan I. Böttcher, Liu Yang, Verena Heidrich-Meisner, Roelf Du Toit Strauss, Raúl Gomez-Herrero

प्रकाशित 2026-02-27

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Zigong Xu, Robert F. Wimmer-Schweingruber, Lars Berger, Patrick Kühl, Alexander Kollhoff, Bernd Heber, Stephan I. Böttcher, Liu Yang, Verena Heidrich-Meisner, Roelf Du Toit Strauss, Raúl Gomez-Herrero, Javier Rodriguez-Pacheco, Daniel Pacheco, Richard A. Leske

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

ब्रह्मांडीय "हवा" और सोलर ऑर्बिटर की यात्रा

कल्पना कीजिए कि सूर्य केवल आग का एक गोला नहीं है, बल्कि अंतरिक्ष में एक विशाल लाइटहाउस (प्रकाश स्तंभ) है। यह लगातार आवेशित कणों (सौर पवन) से बनी एक "हवा" छोड़ता रहता है और इसकी एक विशाल, अदृश्य चुंबकीय क्षेत्र है जो अरबों मील तक फैली हुई है। इस पूरे बुलबुले को हेलियोस्फीयर (heliosphere) कहा जाता है।

इस बुलबुले के भीतर, दो प्रकार की "अंतरिक्ष धूल" तैर रही है:

गैलेक्टिक कॉस्मिक रेज़ (GCRs): ये गहरे अंतरिक्ष (सुपरनोवा) से आने वाले भारी, तेज़ कण हैं जो हमारे सौर मंडल से टकराने की कोशिश कर रहे हैं।
एनोमलस कॉस्मिक रेज़ (ACRs): ये इस कहानी के मुख्य पात्र हैं। ये गहरे अंतरिक्ष से आने वाली तटस्थ गैस के रूप में शुरू होते हैं, सूर्य द्वारा आयनित (चार्ज) किए जाते हैं, सौर मंडल के किनारे की ओर धकेले जाते हैं, एक गोफन (slingshot) की तरह त्वरित किए जाते हैं, और फिर वापस सूर्य की ओर तेजी से आते हैं।

रहस्य: वैज्ञानिक लंबे समय से आश्चर्य करते रहे हैं कि ये कण कैसे चलते हैं। क्या वे सुचारू रूप से बहते हैं? क्या वे फंस जाते हैं? इनकी गति काफी हद तक सूर्य के चुंबकीय क्षेत्र पर निर्भर करती है, जो हर 11 साल में अपनी ध्रुवीयता (जैसे चुंबक का उत्तर/दक्षिण बदलना) बदल देता है।

नया जासूस: सोलर ऑर्बिटर

लंबे समय तक, हमारे पास इस "ब्रह्मांडीय हवा" का दृश्य केवल पृथ्वी के पड़ोस (लगभग 100 मिलियन मील दूर) से ही उपलब्ध था। लेकिन 2020 में, सोलर ऑर्बिटर लॉन्च किया गया। इसे एक ऐसे जासूसी विमान के रूप में सोचें जो सूर्य के बहुत करीब गोता लगाता है, और 29 मिलियन मील तक करीब पहुँच जाता है।

यह शोध पत्र इस बारे में है कि जब यह जासूसी विमान 2020 और 2022 के बीच सूर्य की ओर गोता लगा रहा था, तो उसने क्या पाया, विशेष रूप रूप से हीलियम कणों (एक विशिष्ट प्रकार के ACR) को देखते हुए।

प्रयोग: "मौसम" की तुलना करना

यह समझने के लिए कि कण सूर्य के करीब पहुँचते समय कैसे बदलते हैं, वैज्ञानिकों को एक आधार रेखा (baseline) की आवश्यकता थी। उन्होंने दो अन्य "मौसम केंद्रों" से डेटा का उपयोग किया:

SOHO: पृथ्वी के पास मंडराता एक उपग्रह।
ACE: पृथ्वी के पास स्थित एक अन्य उपग्रह।
Chang'e-4: चंद्रमा के दूर वाले हिस्से पर स्थित एक लैंडर (त्वरित जांच के लिए उपयोग किया गया)।

उपमा (Analogy): कल्पना कीजिए कि आप एक जंगल के किनारे से एक पेड़ की ओर चलते समय हवा की गति में बदलाव को समझने की कोशिश कर रहे हैं।

SOHO/ACE जंगल के किनारे खड़े लोग हैं (1 AU दूर)।
Solar Orbiter पेड़ की ओर चलने वाला व्यक्ति है (0.3 AU के करीब पहुँच रहा है)।
वैज्ञानिकों ने तुलना की कि चलने वाले व्यक्ति ने क्या महसूस किया बनाम किनारे पर खड़े लोगों ने क्या महसूस किया।

बड़ी खोजें

टीम को बहुत सावधान रहना पड़ा। उन्हें उन "तूफानों" (सौर ज्वालाओं) को बाहर निकालना था जो डेटा को खराब कर सकते थे, ठीक वैसे ही जैसे आप तूफान के दौरान औसत हवा की गति को नहीं मापेंगे। उन्हें इस तथ्य को भी ध्यान में रखना था कि सूर्य अपनी नींद से जाग रहा था (सौर न्यूनतम/solar minimum) और फिर से सक्रिय होना शुरू हो रहा था।

यहाँ उन्होंने क्या खोजा:

1. ग्रेडिएंट तीव्र है (ढलान हमारी सोच से अधिक खड़ी है)
वैज्ञानिक "रेडियल ग्रेडिएंट" को मापते हैं, जो मूल रूप से यह है कि सूर्य के करीब पहुँचने पर कणों की संख्या में कितना परिवर्तन होता है।

परिणाम: उन्होंने पाया कि ये हीलियम कण सूर्य के करीब पहुँचते ही बहुत तेज़ी से बदलते हैं।
उपमा: कल्पना कीजिए कि आप एक पहाड़ी से नीचे उतर रहे हैं। यदि पहाड़ी हल्की ढलान वाली है, तो आपको ऊंचाई में बहुत अधिक बदलाव महसूस नहीं होगा। लेकिन यदि वह एक खड़ी चट्टान है, तो आप कुछ ही कदमों में एक बड़ा बदलाव महसूस करेंगे। सोलर ऑर्बिटर ने पाया कि आंतरिक सौर मंडल में कणों का घनत्व (density) पहले के डेटा की तुलना में बहुत अधिक तीव्र है।
आंकड़े: उन्होंने लगभग 22% से 32% प्रति खगोलीय इकाई (AU) का ग्रेडिएंट पाया। इसका मतलब है कि सूर्य की ओर बढ़ने के लिए आपके द्वारा लिया गया हर कदम कणों के घनत्व में महत्वपूर्ण बदलाव लाता है।

2. सूर्य की "चुंबकीय बाड़" उलझ रही है
शोध पत्र में उल्लेख है कि जैसे-जैसे सूर्य अधिक सक्रिय हुआ (अधिक सनस्पॉट्स, अधिक चुंबकीय अराजकता), ग्रेडिएंट और भी तीव्र हो गया।

उपमा: सूर्य के चुंबकीय क्षेत्र को एक बाड़ (fence) के रूप में सोचें। जब बाड़ सीधी और शांत होती है (सौर न्यूनतम), तो कण आसानी से गुजर सकते हैं। लेकिन जब बाड़ मुड़ी हुई और उलझी हुई हो जाती है (सौर अधिकतम, उच्च टिल्ट एंगल), तो कणों के लिए सीधी रेखा में चलना कठिन हो जाता है। वे "इकट्ठा" हो जाते हैं या विक्षेपित (deflected) हो जाते हैं, जिससे किनारे और केंद्र के बीच घनत्व का अंतर बढ़ जाता है।

3. यह पहले के "जासूसी विमान" से मेल खाता है
परिणामों ने पार्कर सोलर प्रोब (PSP) द्वारा देखे गए डेटा से मेल खाया, जो कुछ साल पहले देखा गया था। यह एक बड़ी बात है क्योंकि यह पुष्टि करता है कि आंतरिक क्षेत्र में कणों के चलने की हमारी समझ सुसंगत है, भले ही दोनों प्रोब थोड़े अलग समय पर वहां मौजूद थे।

यह क्यों मायने रखता है?

सोचिए कि सौर मंडल एक विशाल राजमार्ग है।

पहले: हम बाहरी राजमार्गों (सूर्य से दूर) पर यातायात कैसे चलता है, यह जानते थे।
अब: हमारे पास आंतरिक शहर की सड़कों का नक्शा है (सूर्य के करीब)।

यह शोध पत्र बताता है कि जैसे-जैसे आप सूर्य के करीब पहुँचते हैं, "यातायात के नियम" (भौतिकी) बदल जाते हैं। चुंबकीय क्षेत्र एक जटिल भूलभुलैया की तरह काम करते हैं। यदि हम भविष्य के अंतरिक्ष यात्रियों की रक्षा करना चाहते हैं या यह समझना चाहते हैं कि हमारा सौर मंडल आकाशगंगा के साथ कैसे संपर्क करता है, तो हमें यह जानना आवश्यक है कि ये कण इस आंतरिक भूलभुलैया में वास्तव में कैसे व्यवहार करते हैं।

निष्कर्ष

सोलर ऑर्बिटर ने सूर्य के चुंबकीय खेल के मैदान में गहराई तक गोता लगाया और पाया कि एनोमलस कॉस्मिक रेज़ (हीलियम) सूर्य के पास हमारी अपेक्षा से कहीं अधिक तेज़ी से जमा होते हैं और उनका घनत्व बदलते हैं। जैसे-जैसे सूर्य अधिक "क्रोधित" (अधिक सक्रिय) होता है, यह प्रभाव और भी मजबूत हो जाता है। यह वैज्ञानिकों को यह मॉडल बनाने में मदद करता है कि ब्रह्मांड का "मौसम" हमारे पड़ोस को कैसे प्रभावित करता है।

1. समस्या विवरण (Problem Statement)

हेलियोस्फीयर के भीतर कॉस्मिक किरणों (CRs) के परिवहन तंत्र को समझना अंतरिक्ष भौतिकी के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। जबकि पार्कर ट्रांसपोर्ट समीकरण कॉस्मिक किरणों के प्रसार का वर्णन करता है, आंतरिक हेलिओस्फीयर (1 au के भीतर) में डिफ्यूजन (diffusion), कन्वेक्शन (convection) और पार्टिकल ड्रिफ्ट (particle drifts) की विशिष्ट भूमिकाओं को इन-सीटू (in-situ) मापों के अभाव के कारण अभी तक पूरी तरह से स्पष्ट नहीं किया जा सका है।

अंतराल (The Gap): विसंगत कॉस्मिक किरणों (ACRs) के पिछले अवलोकन मुख्य रूप से बाहरी हेलिओस्फीयर (>1 au) या पार्कर सोलर प्रोब (PSP) जैसे विशिष्ट मिशनों तक सीमित थे।
विसंगति (The Discrepancy): PSP के हालिया अवलोकनों में ऑक्सीजन के ACR रेडियल ग्रेडिएंट्स (radial gradients) ऐसे मॉडल के साथ असंगत पाए गए जो सौर चक्र के सकारात्मक चुंबकीय ध्रुवता (A+) चरण के दौरान छोटे ग्रेडिएंट्स की भविष्यवाणी करते हैं। इसके बजाय, वे नकारात्मक ध्रुवता (A-) चक्रों के ग्रेडिएंट्स के समान थे।
लक्ष्य (The Goal): इस अध्ययन का लक्ष्य सोलर ऑर्बिटर के डेटा का उपयोग करके आंतरिक हेलिओस्फीयर (0.3–1 au) में ACR हीलियम के रेडियल ग्रेडिएंट को प्राप्त करना है, ताकि यह जांचा जा सके कि पार्टिकल ड्रिफ्ट प्रभाव और बड़े पैमाने पर चुंबकीय क्षेत्र, विशेष रूप से सौर न्यूनतम (solar minimum) से सौर अधिकतम (solar maximum) की ओर संक्रमण के दौरान, परिवहन को कैसे प्रभावित करते हैं।

2. कार्यप्रणाली (Methodology)

यह अध्ययन सोलर ऑर्बिटर (SolO) मिशन के हाई एनर्जी टेलिस्कोप (HET) के डेटा का उपयोग करता है, जो फरवरी 2020 से जुलाई 2022 (चक्र 24 और 25 के बीच के दूसरे सौर न्यूनतम काल) की अवधि को कवर करता है।

डेटा चयन और सफाई (Data Selection & Cleaning):
- क्वाइट टाइम चयन (Quiet Time Selection): बैकग्राउंड ACR और गैलेक्टिक कॉस्मिक रे (GCR) आबादी को अलग करने के लिए सोलर एनर्जेटिक पार्टिकल (SEP) घटनाओं और इंटरप्लेनेटरी कोरोनल मास इजेक्शन (ICMEs) के अवधियों को कड़ाई से हटा दिया गया।
- टेम्पोरल एवरेजिंग (Temporal Averaging): स्ट्रीम इंटरेक्शन रीजन्स (SIRs) और कोरोटेटिंग इंटरेक्शन रीजन्स (CIRs) के कारण होने वाले अल्पकालिक मॉड्यूलेशन को कम करने के लिए डेटा को कैरिंगटन रोटेशन अवधियों (जो सोलर ऑर्बिटर के दृष्टिकोण से 26.6–35.8 दिनों की होती हैं) पर औसत किया गया।
इंस्ट्रूमेंट क्रॉस-कंपेरिजन (Instrument Cross-Comparison):
- SolO/HET से प्राप्त हीलियम स्पेक्ट्रा की तुलना SOHO/EPHIN (L1 पर), ACE/SIS (L1 पर), और Chang'e-4/LND (चंद्र सतह) से की गई ताकि 1 au के पास इंस्ट्रूमेंट कैलिब्रेशन और स्पेक्ट्रल निरंतरता को सत्यापित किया जा सके।
- दीर्घकालिक सौर मॉड्यूलेशन सुधार के लिए SOHO/EPHIN ने आधार (baseline) के रूप में कार्य किया क्योंकि इसने 10–50 MeV/nuc रेंज में निरंतर कवरेज प्रदान किया।
ग्रेडिएंट गणना (Gradient Calculation):
- रेडियल ग्रेडिएंट ( $g_r$ ) की गणना सूत्र $g_r = \frac{\partial \ln f}{\partial r}$ का उपयोग करके की गई, जहाँ $f$ एक डी-ट्रेंडेड (de-trended) फ्लक्स है।
- तीव्रता अनुपात (SolO/SOHO) के लघुगणक (logarithm) बनाम सोलर ऑर्बिटर की रेडियल दूरी ( $r$ ) पर एक लीनियर फिट लगाया गया।
GCR घटाव (GCR Subtraction):
- चूंकि ऊर्जा रेंज (11.1–49 MeV/nuc) में ACR और GCR दोनों शामिल हैं, इसलिए लेखकों ने शुद्ध ACR रेडियल ग्रेडिएंट को अलग करने के लिए GCR योगदान का अनुमान लगाने और उसे घटाने के लिए Badhwar-O'Neill 2020 (BON2020) मॉडल का उपयोग किया।

3. प्रमुख योगदान (Key Contributions)

आंतरिक हेलिओस्फीयर में प्रथम ACR हीलियम अवलोकन: यह शोध पत्र सौर गतिविधि के चरम (solar activity maximum) से पहले सोलर ऑर्बिटर/HET द्वारा आंतरिक हेलिओस्फीयर (0.29–1 au) में समर्पित ACR हीलियम के पहले अवलोकनों को प्रस्तुत करता है।
रेडियल ग्रेडिएंट का परिमाणीकरण (Quantification of Radial Gradients): यह विशेष रूप से 0.3–1 au क्षेत्र में ACR हीलियम के लिए प्राप्त पहले रेडियल ग्रेडिएंट्स को प्रदान करता है, जो L1 अवलोकनों और गहरे अंतरिक्ष के मापों के बीच के अंतराल को भरता है।
टेम्पोरल इवोल्यूशन विश्लेषण (Temporal Evolution Analysis): यह अध्ययन विश्लेषण करता है कि सौर गतिविधि बढ़ने (2020 से 2022 तक) के साथ रेडियल ग्रेडिएंट्स कैसे विकसित होते हैं, और इन परिवर्तनों को हेलिओस्फेरिक करंट शीट (HCS) के टिल्ट एंगल और सनस्पॉट संख्याओं से जोड़ता है।
मॉडल सत्यापन (Model Validation): यह इन-सीटू पेनेट्रेटिंग चैनल डेटा के विरुद्ध BON2020 GCR मॉडल को सत्यापित करता है, जो आंतरिक हेलिओस्फीयर में GCR बैकग्राउंड को घटाने के लिए इसकी विश्वसनीयता की पुष्टि करता है।

4. मुख्य परिणाम (Key Results)

स्पेक्ट्रल निरंतरता (Spectral Consistency): सोलर ऑर्बिटर/HET स्पेक्ट्रा (10–50 MeV/nuc) ने SOHO/EPHIN और ACE/SIS के साथ उत्कृष्ट सहमति दिखाई जब सोलर ऑर्बिटर 1 au के पास था, जिसका औसत तीव्रता अनुपात $0.962 \pm 0.016$ था।
रेडियल ग्रेडिएंट मान (Radial Gradient Values):
- रॉ ग्रेडिएंट (ACR + GCR): 11.1 और 49 MeV/nuc के बीच औसत रेडियल ग्रेडिएंट $22 \pm 4\%$ /au था।
- सुधारित ग्रेडिएंट (केवल ACR): GCR योगदान को हटाने के बाद, 11.1–41.2 MeV/nuc रेंज के लिए औसत ग्रेडिएंट बढ़कर $32 \pm 8\%$ /au हो गया।
- ऊर्जा निर्भरता (Energy Dependence): GCR घटाव के बाद, ग्रेडिएंट ऊर्जा-निर्भर पाया गया, जिसके मान 17 $\pm$ 9% /au (29.5–41.2 MeV/nuc) से लेकर 35 $\pm$ 8% /au (11.1–19.4 MeV/nuc) तक थे।
PSP के साथ तुलना: परिणाम पार्कर सोलर प्रोब (PSP) के मापों (Rankin et al. 2021) के अनुरूप हैं, जिन्होंने उसी सौर न्यूनतम के दौरान $\sim 25\%$ /au (रॉ) और $\sim 34-45\%$ /au (GCR-सुधारित) ग्रेडिएंट की सूचना दी थी।
टेम्पोरल रुझान (Temporal Trends):
- सौर चक्र के न्यूनतम से अधिकतम की ओर बढ़ने के साथ रेडियल ग्रेडिएंट्स बढ़ते गए।
- औसत ग्रेडिएंट पहले ऑर्बिट (2020) में $15 \pm 5\%$ /au से बढ़कर तीसरे ऑर्बिट (2021) में $29.5 \pm 8\%$ /au हो गया।
- यह रुझान HCS के बढ़ते टिल्ट एंगल (जो $>70^\circ$ तक पहुँच गया) और बढ़ते सनस्पॉट नंबरों के साथ सह-संबंधित है, जो यह सुझाव देता है कि बढ़ी हुई सौर मॉड्यूलेशन और चुंबकीय विक्षोभ (magnetic turbulence) पार्टिकल ड्रिफ्ट को प्रतिबंधित करते हैं, जिससे रेडियल ग्रेडिएंट तीव्र हो जाता है।

5. महत्व (Significance)

परिवहन भौतिकी (Transport Physics): निष्कर्ष पुष्टि करते हैं कि आंतरिक हेलिओस्फीयर में रेडियल ग्रेडिएंट बाहरी हेलिओस्फीयर की तुलना में काफी अधिक तीव्र हैं। यह इस सिद्धांत का समर्थन करता है कि 1 au के भीतर चुंबकीय संरचना (जो रेडियल घटकों द्वारा संचालित है) बाहरी हेलिओस्फीयर (जो ट्रांसवर्स घटकों द्वारा संचालित है) से मौलिक रूप से भिन्न है, जो क्रॉस-फील्ड डिफ्यूजन और ड्रिफ्ट को प्रभावित करती है।
ड्रिफ्ट प्रभाव (Drift Effects): सौर गतिविधि के साथ बढ़ता ग्रेडिएंट, उच्च सौर गतिविधि (के दौरान अत्यधिक झुके हुए HCS के साथ) के दौरान ACR के आंतरिक हेलिओस्फीयर में ड्रिफ्ट को बाधित करने के सैद्धांतिक पूर्वानुमानों के अनुरूप है, जो प्रभावी रूप से उन्हें और बाहर "ट्रैप" कर देता है और सूर्य की ओर तीव्रता में तीव्र गिरावट पैदा करता है।
भावी मिशन (Future Missions): ये परिणाम कॉस्मिक रे ट्रांसपोर्ट मॉडल्स के लिए आवश्यक बाधाएं (constraints) प्रदान करते हैं। ये भविष्य के अन्वेषणों के लिए आधार तैयार करते हैं, जैसे कि सोलर ऑर्बिटर के उच्च अक्षांशों की ओर जाने (पोस्ट-2025) के दौरान लैटिट्यूडिनल ग्रेडिएंट्स का अध्ययन, और आगामी IMAP मिशन के साथ तालमेल, जो भूमध्य रेखा से ध्रुवों तक और सूर्य से बाहरी हेलिओस्फीयर तक कण परिवहन का एक व्यापक 3D दृश्य प्रदान करेगा।