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XRISM spectroscopy of a crowded Galactic center region -- III. S, Ar and Ca ISM Absorption Features in the spectrum of MAXI J1744-294

उच्च-रिज़ॉल्यूशन XRISM और Chandra स्पेक्ट्रा का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन MAXI J1744-294 की ओर अंतरतारकीय माध्यम (interstellar medium) में सल्फर, आर्गन और कैल्शियम द्वारा एक्स-रे अवशोषण का विश्लेषण करता है ताकि उनकी निम्न-आयनीकरण अवस्थाओं को प्रकट किया जा सके, धूल के कणों में कैल्शियम के क्षय (depletion) की पुष्टि की जा सके, और सुसंगत हाइड्रोजन कॉलम घनत्व प्राप्त किए जा सकें जो अंतरतारकीय कैल्शियम अवशोषण पर पहले एक्स-रे प्रतिबंध प्रदान करते हैं।

मूल लेखक: Efrain Gatuzz, Maxime Parra, Muhammet F. Hasoglu, Thomas W. Gorczyca, Shifra Mandel, Kaya Mori, Kai Matsunaga, Hideki Uchiyama, Masayoshi Nobukawa, Megumi Shidatsu

प्रकाशित 2026-03-31

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Efrain Gatuzz, Maxime Parra, Muhammet F. Hasoglu, Thomas W. Gorczyca, Shifra Mandel, Kaya Mori, Kai Matsunaga, Hideki Uchiyama, Masayoshi Nobukawa, Megumi Shidatsu

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 "एक्स-रे टॉर्च" और अदृश्य धूल का बादल

कल्पना कीजिए कि आप यह पता लगाने की कोशिश कर रहे हैं कि एक मोटी, धुंधली दीवार किस चीज़ से बनी है। आप उसे छू नहीं सकते, और आप अपनी आँखों से उसके पार नहीं देख सकते। लेकिन, यदि आप उसके माध्यम से एक बहुत ही चमकीली, उच्च-शक्ति वाली टॉर्च जलाते हैं, तो प्रकाश का रंग बदल जाएगा और वह विशिष्ट तरीकों से मंद हो जाएगा, जो इस बात पर निर्भर करता है कि वह दीवार किस चीज़ से बनी है।

वास्तव में यह वैज्ञानिक शोध पत्र इसी के बारे में है, लेकिन एक टॉर्च और दीवार के बजाय, खगोलशास्त्री एक दूर स्थित ब्लैक होल से निकलने वाली एक्स-रे (X-rays) और इंटरस्टेलर मीडियम (ISM)—हमारे आकाशगंगा में तारों के बीच भरे गैस और धूल के विशाल, अदृश्य बादल—का उपयोग कर रहे हैं।

यहाँ इस ब्रह्मांडीय कोहरे के रहस्य को सुलझाने की कहानी दी गई है।

1. ब्रह्मांडीय टॉर्च: MAXI J1744–294

टीम ने अपना "फ्लैशलाइट" आकाश में एक विशिष्ट वस्तु की ओर केंद्रित किया जिसे MAXI J1744–294 कहा जाता है। यह एक ब्लैक होल है जो एक पास के तारे को निगल रहा है, और जैसे-जैसे वह तारे को निगलता है, वह एक्स-रे में अविश्वसनीय रूप से चमकता है। क्योंकि इस प्रकाश को हमारे टेलिस्कोप तक पहुँचने के लिए पूरी आकाशगंगा से होकर गुजरना पड़ता है, इसलिए यह ब्रह्मांडीय गैस और धूल की परतों से होकर गुजरता है।

ठीक वैसे ही जैसे एक प्रिज्म से गुजरने वाली प्रकाश की किरण रंगों में विभाजित हो जाती है, यह एक्स-रे बीम हमारे और ब्लैक होल के बीच मौजूद विशिष्ट तत्वों द्वारा "अवशोषित" (absorb) कर ली जाती है। वैज्ञानिकों ने XRISM नामक उपग्रह पर एक सुपर-शार्प कैमरा (और Chandra टेलिस्कोप पर एक बैकअप कैमरा) का उपयोग इन प्रकाश के सूक्ष्म परिवर्तनों को पकड़ने के लिए किया।

2. तीन संदिग्ध: सल्फर, आर्गन और कैल्शियम

अतीत में, खगोलशास्त्री मुख्य रूप से इन ब्रह्मांडीय बादलों में ऑक्सीजन या कार्बन जैसे सामान्य तत्वों को देखते थे। लेकिन यह शोध पत्र तीन ऐसे "संदिग्धों" पर ध्यान केंद्रित करता है जिन्हें पहचानना कठिन है: सल्फर (S), आर्गन (Ar), और कैल्शियम (Ca)।

इन तत्वों को ब्रह्मांडीय कोहरे में छोड़े गए अलग-अलग प्रकार के "ब्रेडक्रंब्स" (रोटी के टुकड़ों के निशान) के रूप में सोचें। यह मापकर कि प्रत्येक तत्व ने एक्स-रे प्रकाश को कितना अवशोषित किया, वैज्ञानिक यह पता लगा सके कि:

कितना तत्व गैस के रूप में स्वतंत्र रूप से तैर रहा है?
कितना ठोस धूल के कणों के भीतर फंसा हुआ है?
क्या तत्व "गर्म" (आयनित/ionized) है या "ठंडा" (न्यूट्रल)?

3. जासूसी कार्य: उन्हें क्या मिला

सल्फर: "स्वतंत्र" तत्व
सल्फर एक ऐसे यात्री की तरह है जिसे एक जगह टिकना पसंद नहीं है। अध्ययन में पाया गया कि अधिकांश सल्फर गैस में स्वतंत्र रूप से तैर रहा है, जो मुख्य रूप से एक "कम-ऊर्जा" की स्थिति (एक शांत, ठंडी हवा की तरह) में है।

धूल का सुराग: उन्होंने गणना की कि 30% से कम सल्फर धूल के कणों में फंसा हुआ है। यह थोड़ा आश्चर्यजनक है क्योंकि बहुत घने बादलों में, सल्फर आमतौर पर धूल में फंस जाता है। यह सुझाव देता है कि ब्लैक होल तक का रास्ता बहुत अधिक भारी धूल से भरा हुआ नहीं है।

आर्गन: "निष्क्रिय" गवाह
आर्गन एक उत्कृष्ट गैस (noble gas) है, जिसका अर्थ है कि यह रासायनिक रूप से आलसी है और किसी भी चीज़ के साथ प्रतिक्रिया करना पसंद नहीं करती है। अध्ययन ने पुष्टि की कि आर्गन मुख्य रूप से एक शांत, कम-ऊर्जा की स्थिति (Argon II) में मौजूद है।

फैसला: यह धूल के कणों में बहुत कम छिपा हुआ है। यह बस वहीं तैर रहा है, जो दृष्टि रेखा (line of sight) में गैस की मात्रा के लिए एक आदर्श सूचक (tracer) के रूप में कार्य करता है।

कैल्शियम: "धूल का चुंबक" (बड़ी खोज!)
यह सबसे रोमांचक हिस्सा है। यह पहली बार है जब किसी ने भी अंतरतारकीय अंतरिक्ष (interstellar space) से एक्स-रे में कैल्शियम अवशोषण का पता लगाया है।

उपमा: कल्पना कीजिए कि कैल्शियम धूल के लिए एक चुंबक की तरह है। ब्रह्मांड में, कैल्शियम धूल के कणों से चिपकने के लिए इतना पसंद करता है कि वह गैस चरण से गायब हो जाता है।
परिणाम: टीम ने पाया कि उनके द्वारा पता लगाया गया लगभग सारा कैल्शियम एक कम-ऊर्जा की स्थिति में था, जो यह दर्शाता है कि वह धूल के कणों के भीतर लॉक है। यह एक ऐसे कमरे को खोजने जैसा है जो चुंबकों से भरा है, लेकिन लोहे के कण दीवारों से चिपके हुए हैं, जिससे हवा में बहुत कम अवशेष बचे हैं। यह पुष्टि करता है कि कैल्शियम भारी मात्रा में "डिपलीटेड" (छिपा हुआ) है।

4. "हाइड्रोजन" की गणित

यह क्यों मायने रखता है? क्योंकि हाइड्रोजन ब्रह्मांड में सबसे आम तत्व है, लेकिन इन विशिष्ट स्थितियों में इसे सीधे मापना कठिन है। हालाँकि, हम ब्रह्मांड में सल्फर, आर्गन और कैल्शियम का हाइड्रोजन के साथ अनुपात जानते हैं।

यह मापकर कि कितना सल्फर, आर्गन और कैल्शियम प्रकाश को रोक रहे थे, वैज्ञानिक यह गणना करने में सक्षम हुए कि रास्ते में कितना हाइड्रोजन था।

परिणाम: तीनों तत्वों ने उन्हें एक ही उत्तर दिया! उन्होंने गणना की कि लगभग 1.2 ट्रिलियन ट्रिलियन ट्रिलियन परमाणु प्रति वर्ग सेंटीमीटर की विशाल मात्रा में हाइड्रोजन गैस उनके दृश्य को रोक रही है। यह तथ्य कि सल्फर, आर्गन और कैल्शियम तीनों ने इस संख्या पर सहमति जताई, यह सिद्ध करता है कि उनके माप सटीक हैं।

5. नया उपकरण: R-Matrix का जादू

कैल्शियम को खोजने के लिए, वैज्ञानिकों को एक नया गणितीय उपकरण बनाना पड़ा। उन्होंने R-matrix थ्योरी नामक एक जटिल विधि का उपयोग किया ताकि यह गणना की जा सके कि कैल्शियम के परमाणु एक्स-रे को ठीक कैसे अवशोषित करते हैं। यह ऐसा था जैसे उन्हें कैल्शियम की "भाषा" को समझने के लिए एक नया शब्दकोश बनाना पड़ा, इससे पहले कि वे तारों के प्रकाश में छिपे संदेश को पढ़ सकें।

मुख्य निष्कर्ष (The Big Picture)

यह शोध पत्र ब्रह्मांडीय जासूसी कार्य का एक उत्कृष्ट उदाहरण है। एक सुपर-शार्प एक्स-रे कैमरे और एक नए गणितीय शब्दकोश का उपयोग करके, टीम ने सफलतापूर्वक:

"कोहरे" का मानचित्र बनाया: उन्होंने पृथ्वी और हमारी आकाशगंगा के केंद्र में स्थित एक ब्लैक होल के बीच गैस और धूल के घनत्व को मापा।
धूल को खोजा: उन्होंने पुष्टि की कि कैल्शियम भारी मात्रा में धूल के कणों में लॉक है, जबकि सल्फर और आर्गन मुख्य रूप से स्वतंत्र रूप से तैर रहे हैं।
निरंतरता को सिद्ध किया: उन्होंने दिखाया कि विभिन्न तत्वों (सल्फर, आर्गन, कैल्शियम) का उपयोग करने से एक ही परिणाम मिलता है, जो हमारे आकाशगंगा के मानचित्र को बहुत अधिक विश्वसनीय बनाता है।

संक्षेप में, उन्होंने एक दूर स्थित ब्लैक होल को एक स्पॉटलाइट के रूप में इस्तेमाल किया ताकि सितारों के बीच के "खाली" स्थान की छिपी हुई संरचना को उजागर किया जा सके, यह साबित करते हुए कि आकाशगंगा के खाली हिस्से भी जटिल रसायन विज्ञान और धूल से भरे होते हैं।

यहाँ शोध पत्र "XRISM spectroscopy of a crowded Galactic center region - III. S, Ar and Ca ISM Absorption Features in the spectrum of MAXI J1744–294" का विस्तृत तकनीकी सारांश दिया गया है।

1. समस्या और प्रेरणा

अंतरातारकीय माध्यम (ISM) एक जटिल, बहु-चरणीय (multiphase) वातावरण है जहाँ तत्व विभिन्न आयनीकरण अवस्थाओं में मौजूद होते हैं और अक्सर धूल के कणों (dust grains) में गैस चरण से कम हो जाते हैं (depleted)। जबकि ऑक्सीजन, नियोन और आयरन जैसे प्रचुर तत्वों के एक्स-रे अवशोषण अध्ययन अच्छी तरह से स्थापित हैं, सल्फर (S), आर्गन (Ar), और कैल्शियम (Ca) का व्यवहार ISM में कम नियंत्रित है।

सल्फर: इसकी रिक्तीकरण (depletion) पद्धति विवादास्पद है; ऐसा माना जाता है कि यह विसरित गैस (diffuse gas) में कम रिक्तीकृत होता है लेकिन घने आणविक बादलों में भारी रूप से रिक्तीकृत होता है, जो अज्ञात ठोस-चरण वाहकों (solid-phase carriers) में निवास कर सकता है।
आर्गन: एक रासायनिक रूप से अक्रिय उत्कृष्ट गैस (noble gas) के रूप में, यह भौतिक प्रक्रियाओं (शॉक, कॉस्मिक किरणें) और धात्विकता (metallicity) के लिए एक महत्वपूर्ण ट्रेसर है, फिर भी धूल के कणों में इसका रिक्तीकरण कम समझ में आता है।
कैल्शियम: एक अत्यधिक रिफ्रैक्टरी (refractory) तत्व जिसे धूल में भारी रूप से रिक्तीकृत होने की उम्मीद है। इस कार्य से पहले, निम्न-आयनीकरण अवस्थाओं के सटीक फोटोएब्जॉर्प्शन क्रॉस-सेक्शन की कमी के कारण, ISM में कैल्शियम के लिए कोई एक्स-रे अवशोषण प्रतिबंध नहीं थे।

लेखक XRISM उपग्रह से उच्च-रिज़ॉल्यूशन डेटा का उपयोग करके, लो-मास एक्स-रे बाइनरी (LMXB) MAXI J1744–294 की दृष्टि रेखा (line of sight) के साथ आयनीकरण संरचना, तात्विक रिक्तीकरण और धूल की संरचना को लक्षणबद्ध करने का लक्ष्य रखते हैं।

2. कार्यप्रणाली

अवलोकन और डेटा रिडक्शन:

XRISM/Resolve: यह अध्ययन 3 मार्च, 2025 को लिए गए 71 ks के अवलोकन (ObsID 901002010) का उपयोग करता है। क्राउडेड गैलेक्टिक सेंटर फील्ड के कारण, लेखकों ने पास के स्रोतों (विशेष रूप से न्यूट्रॉन स्टार AX J1745.6-2901) से होने वाले संदूषण (contamination) और विसरित उत्सर्जन को मॉडल करने के लिए सिग्नल-टू-नॉइज़ को अधिकतम करने हेतु एक "बड़े" निष्कर्षण क्षेत्र (extraction region) का उपयोग किया।
Chandra/HETG: 9 मार्च, 2025 के पूरक डेटा ने, हाई एनर्जी ट्रांसमिशन ग्रेटिंग (HETG) का उपयोग करके, उच्च-रिज़ॉल्यूशन प्रतिबंध प्रदान किए, विशेष रूप से कैल्शियम K-एज (Calcium K-edge) के लिए।
कंटीनम मॉडलिंग (Continuum Modeling): एक्स-रे कंटिनम को ब्लैक होल बाइनरी, पास के न्यूट्रॉन स्टार और विसरित गैलेक्टिक सेंटर उत्सर्जन के लिए xspec पैकेज का उपयोग करके एक साथ मॉडल किया गया था। मापदंडों को XMM-Newton, NuSTAR, और XRISM के संयुक्त ब्रॉडबैंड फिट्स का उपयोग करके नियंत्रित किया गया था।

स्पेक्ट्रल मॉडलिंग और परमाणु डेटा:

सल्फर और आर्गन: लेखकों ने अपडेटेड फोटोएब्जॉर्प्शन क्रॉस-सेक्शन को शामिल करते हुए संशोधित ISMabs मॉडल का उपयोग किया। आर्गन के लिए, उन्होंने Ar I–Ar XVIII आयनों के नए क्रॉस-सेक्शन का उपयोग किया।
कैल्शियम (प्रमुख नवाचार): एक प्रमुख तकनीकी योगदान Ca I, Ca II, और Ca III के लिए नए R-matrix फोटोएब्जॉर्प्शन क्रॉस-सेक्शन की गणना करना था। इन गणनाओं ने बेलफास्ट R-matrix कोड का उपयोग किया, जिसमें शामिल थे:
- कॉन्फ़िगरेशन इंटरैक्शन (CI) और इलेक्ट्रॉन कोरिलेशन।
- ऑर्बिटल रिलैक्सेशन प्रभाव (सटीक K-edge स्थितियों के लिए महत्वपूर्ण)।
- ऑप्टिकल पोटेंशियल के माध्यम से स्पेक्टेटर ऑगर ब्रॉडनिंग (Spectator Auger broadening)।
- Verner & Yakovlev (1995) के पिछले डेटा के साथ तुलना ने समान प्रोफाइल दिखाए लेकिन ऑर्बिटल रिलैक्सेशन के समावेश के कारण एज पोजीशन (edge positions) में बदलाव देखा गया।
सांख्यिकीय विश्लेषण: कॉलम घनत्व (column densities) और अनिश्चितताओं को प्राप्त करने के लिए मार्कोव-चेन मोंटे कार्लो (MCMC) सैंपलिंग का उपयोग किया गया। ऊर्जा शिफ्ट (रेडशिफ्ट) में अवशोषण रेखाओं के लिए क्या आवश्यक है, यह निर्धारित करने के लिए सांख्यिकीय परीक्षण (Corrales et al. 2025 के अनुसार) लागू किए गए।

3. मुख्य परिणाम

सल्फर (S) K-edge (2.42–2.51 keV):

आयनीकरण: ISM सल्फर S II (ठंडे/गर्म चरणों) और S XIV (गर्म चरण) द्वारा प्रधान है।
शिफ्ट: S II K $\alpha$ लाइन के लिए एक सांख्यिकीय रूप से महत्वपूर्ण ऊर्जा शिफ्ट $\Delta E \approx -8.64$ eV का पता चला, जो हालिया परमाणु डेटा बेंचमार्क का समर्थन करता है।
रिक्तीकरण (Depletion): धूल में फंसे सल्फर के अंश को < 30% तक सीमित किया गया है।
हाइड्रोजन कॉलम: प्राप्त $N_H \approx 1.14 \times 10^{23}$ cm $^{-2}$ है।

आर्गन (Ar) K-edge (3.0–4.0 keV):

आयनीकरण: यह Ar II द्वारा प्रधान है। न्यूट्रल Ar (Ar I) और अत्यधिक आयनित प्रजातियों (Ar XVI–XVIII) को केवल ऊपरी सीमाओं द्वारा प्रतिबंधित किया गया है, जिसमें Ar XVIII का एक मामूली पता चला है।
शिफ्ट: कोई सांख्यिकीय रूप से महत्वपूर्ण ऊर्जा शिफ्ट नहीं पाया गया ( $\Delta E < 2$ eV)।
रिक्तीकरण: परिणाम बताते हैं कि आर्गन मुख्य रूप से निम्न-आयनीकरण अवस्थाओं में है, जो मुख्य रूप से न्यूट्रल-टू-वार्म ISM के अनुरूप है।
हाइड्रोजन कॉलम: प्राप्त $N_H \approx 1.34 \times 10^{23}$ cm $^{-2}$ है।

कैल्शियम (Ca) K-edge (3.8–4.2 keV):

प्रथम पता लगाना: यह अध्ययन ISM में कैल्शियम अवशोषण का पहला एक्स-रे पता लगाना प्रस्तुत करता है।
आयनीकरण: गैस-फेज कैल्शियम निम्न-आयनीकरण प्रजातियों (Ca I, Ca II, Ca III) द्वारा प्रधान है। अत्यधिक आयनित कैल्शियम (Ca XVIII–XX) को कमजोर रूप से प्रतिबंधित किया गया है।
रिक्तीकरण: निम्न-आयनीकरण प्रजातियों का प्रभुत्व और उच्च-आयनीकरण अवस्थाओं पर कमजोर प्रतिबंध यह पुष्टि करते हैं कि कैल्शियम भारी रूप से धूल के कणों में रिक्तीकृत है, जो ऑप्टिकल/UV अध्ययनों के अनुरूप है।
हाइड्रोजन कॉलम: प्राप्त $N_H \approx 1.19 \times 10^{23}$ cm $^{-2}$ है।

4. महत्व और निष्कर्ष

ट्रेसर की निरंतरता: सल्फर, आर्गन और कैल्शियम से स्वतंत्र रूप से प्राप्त हाइड्रोजन कॉलम घनत्व ( $N_H$ ) उत्कृष्ट सहमति ( $\sim 1.1\text{--}1.3 \times 10^{23}$ cm $^{-2}$ ) में हैं, जो ISM को प्रोब करने के लिए बहु-तत्व दृष्टिकोण को मान्य करते हैं।
नैदानिक शक्ति (Diagnostic Power): यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि अलग-अलग रिक्तीकरण व्यवहार वाले तत्वों (S/Ar: कम रिक्तीकृत; Ca: अत्यधिक रिक्तीकृत) को मिलाने से ISM की आयनीकरण संरचना और धूल की संरचना का विस्तृत पुनर्निर्माण संभव होता है।
परमाणु भौतिकी में प्रगति: कैल्शियम के लिए नए गणना किए गए R-matrix क्रॉस-सेक्शन का सफल अनुप्रयोग रिफ्रैक्टरी तत्वों के लिए एक्स-रे अवशोषण मॉडलिंग के लिए एक नया मानक स्थापित करता है।
ISM संरचना: परिणाम पुष्टि करते हैं कि MAXI J1744–294 की दृष्टि रेखा एक बहु-चरणीय (multiphase) ISM से गुजरती है जहाँ S और Ar कुल गैस सामग्री को ट्रेस करते हैं, जबकि Ca ठंडे, न्यूट्रल और धूल-समृद्ध चरणों को ट्रेस करता है।

संक्षेप में, यह शोध पत्र XRISM के अभूतपूर्व स्पेक्ट्रल रिज़ॉल्यूशन का लाभ उठाकर कैल्शियम अवशोषण के पहले व्यापक एक्स-रे प्रतिबंध और सल्फर एवं आर्गन के परिष्कृत मापन प्रदान करता है, जो अंतरतारकीय रसायन विज्ञान और गैलेक्टिक सेंटर में धूल के रिक्तीकरण की हमारी समझ को महत्वपूर्ण रूप से आगे बढ़ाता है।