Multimessenger Constraints on Production Sites of High-Energy Neutrinos from NGC 1068
यह शोध पत्र आइसक्यूब (IceCube) और फर्मी-लैट (Fermi-LAT) डेटा से प्राप्त मल्टीमेसेंजर बाधाओं का उपयोग करते हुए यह प्रदर्शित करता है कि एनजीसी 1068 (NGC 1068) में हैड्रोन्यूक्लियर ($pps_{\rm CR} \gtrsim 2$ की आवश्यकता होती है।
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
ब्रह्मांड की गहराइयों में, गैस और धूल के घने पर्दों के पीछे छिपे हुए, सक्रिय आकाशगंगाओं के हृदय स्थित हैं। ये वे स्थान हैं जहाँ सुपरमैसिव ब्लैक होल, जो हमारे सूर्य से लाखों या अरबों गुना भारी हैं, अपने आस-पास के पदार्थ को बड़े चाव से खा रहे होते हैं। जैसे-जैसे यह सामग्री अंदर की ओर घूमती है, यह गर्म होकर चमकने लगती है, लेकिन कभी-कभी, कुछ बहुत अधिक विलक्षण होता है। ब्लैक होल का वातावरण एक ब्रह्मांडीय कण त्वरकक (particle accelerator) की तरह कार्य करता है, जो प्रोटॉन को लगभग प्रकाश की गति से आपस में टकराता है। जब ये उच्च-गति वाले कण टकराते हैं, तो वे नए कणों की बौछार पैदा करते हैं, जिनमें न्यूट्रिनो भी शामिल हैं। न्यूट्रिनो भूतिया, लगभग द्रव्यमान रहित कण होते हैं जो लगभग किसी भी चीज़ के माध्यम से गुजर सकते हैं, जिसमें पूरे ग्रह और तारे भी शामिल हैं, बिना रुके। क्योंकि वे सीधी रेखाओं में चलते हैं और उस ब्रह्मांडीय धूल द्वारा बाधित नहीं होते जो ब्लैक होल के केंद्र को छिपाए रखती है, वे ब्रह्मांड के सबसे हिंसक इंजनों का एक अनूक सा, सीधा दृश्य प्रदान करते हैं। दशकों से, वैज्ञानिक यह समझने की कोशिश कर रहे हैं कि ये न्यूट्रिनो वास्तव में कहाँ और कैसे जन्म लेते हैं, लेकिन उत्तर हमेशा मायावी रहा है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में एनजीसी 1068 (NGC 1068) नामक एक विशिष्ट, नजदीकी आकाशगंगा की ओर अपना ध्यान केंद्रित किया। पदार्थ की विशाल, शक्तिशाली जेट्स छोड़ने वाली प्रसिद्ध सक्रिय आकाशगंगाओं के विपरीत, एनजीसी 1068 अपेक्षाकृत शांत है, जिसमें वे नाटकीय बहिर्वाह (outflows) नहीं हैं। फिर भी, पृथ्वी पर स्थित डिटेक्टरों ने पुष्टि की है कि यह शांत आकाशगंगा उच्च-ऊर्जा वाले न्यूट्रिनो का एक शक्तिशाली स्रोत है। पहेली यह है कि एनजीs 1068 से आने वाले न्यूट्रिनो उन गामा किरणों (उच्च-ऊर्जा प्रकाश का एक अलग रूप) की तुलना में बहुत अधिक संख्या में हैं, जो उनके साथ उत्पन्न होनी चाहिए। यदि न्यूट्रिनो प्रोटॉन के अन्य पदार्थ से टकराने के कारण बन रहे हैं, तो उन्हें गामा किरणें भी बनानी चाहिए। तथ्य यह है कि हम इतने सारे न्यूट्रिनो देखते हैं लेकिन बहुत कम गामा किरणें देखते हैं, यह सुझाव देता है कि गामा किरणों को आकाशगंगा से बाहर निकलने से पहले ही फंस लिया गया है या अवशोषित कर लिया गया है। इस विसंगति ने वैज्ञानिकों को उन भौतिक स्थितियों के बारे में विभिन्न सिद्धांतों का प्रस्ताव देने के लिए प्रेरित किया है, विशेष रूप से गैस के घनत्व और क्षेत्र में चुंबकीय क्षेत्रों की शक्ति के संबंध में।
एक नए अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने दो प्रमुख वेधशालाओं, अंटार्कटिका में आइसक्यूब (IceCube) और फर्मी-एलएटी (Fermi-LAT) उपग्रह के डेटा का उपयोग करके इन सिद्धांतों का परीक्षण किया। उन्होंने ब्लैक होल के आसपास के वातावरण का अनुकरण करने के लिए विस्तृत कंप्यूटर मॉडल बनाए। लक्ष्य यह देखना था कि कौन सी भौतिक स्थितियाँ हमारे दूरबीनों द्वारा निर्धारित सीमाओं का उल्लंघन किए बिना देखे गए न्यूट्रिनो की संख्या का उत्पादन कर सकती हैं। टीम ने प्रोटॉन के टकराने के दो मुख्य तरीकों पर ध्यान केंद्रित किया। एक तरीका इसमें शामिल है जहाँ प्रोटॉन फोटॉन (प्रकाश के कण) से टकराते हैं। दूसरा, अधिक प्रत्यक्ष तरीका, इसमें प्रोटॉन ब्लैक होल के चारों ओर मौजूद गैस में अन्य प्रोटॉन से टकराते हैं। अपने सिमुलेशन चलाकर, वैज्ञानिक यह मानचित्रित कर सके कि न्यूट्रिनो पैदा करने वाला क्षेत्र कितना बड़ा होना चाहिए और चुंबकीय क्षेत्र को कितना मजबूत होना चाहिए ताकि डेटा फिट हो सके।
इस अध्ययन के परिणाम संभावनाओं को काफी हद तक सीमित करने में मदद करते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि यदि न्यूट्रिनो मुख्य रूप से प्रकाश कणों से टकराने वाले प्रोटॉन द्वारा बनाए जा रहे हैं, तो वह क्षेत्र जहाँ यह होता है, बहुत छोटा और अविश्वसनीय रूप से घना होना चाहिए, जो ब्लैक होल के आकार से केवल कुछ ही गुना बड़ा है। हालाँकि, यदि न्यूट्रिनो प्रोटॉन के अन्य प्रोटॉन से टकराने के कारण बन रहे हैं, तो नियम बदल जाते हैं। इस परिदृश्य में, उत्सर्जन क्षेत्र बहुत बड़ा हो सकता है, जो ब्लैक होल के आकार से दर्जनों गुना तक फैला हुआ है। यह एक महत्वपूर्ण अंतर है क्योंकि यह भौतिक स्थितियों की एक विस्तृत श्रृंखला की अनुमति देता है। अध्ययन ने शामिल कणों की ऊर्जा पर भी गौर किया। उन्होंने पाया कि यदि त्वरित कणों की ऊर्जा की एक विस्तृत श्रृंखला है, जिसमें बहुत कम ऊर्जा वाले कण भी शामिल हैं, तो न्यूट्रिनो उत्पादन को शक्ति देने के लिए आवश्यक ऊर्जा अत्यधिक हो जाती है। वास्तव में, कण ऊर्जा वितरण के कुछ प्रकारों के लिए, आवश्यक ऊर्जा आकाशगंगा के कुल प्रकाश आउटपुट से भी अधिक होगी, जो कि भौतिक रूप से असंभव है। यह खोज उन मॉडलों को खारिज करती है जो कणों को त्वरित करने के लिए गिरते हुए पदार्थ की शॉक वेव्स (shock waves) पर निर्भर करते हैं, जिससे यह संकेत मिलता है कि त्वरण संभवतः ब्लैक होल के चारों ओर एक अशांत, गर्म वातावरण में शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्रों द्वारा संचालित है।
टीम ने एक अधिक विलक्षण विचार की भी जांच की: कि न्यूट्रिनो भारी परमाणु नाभिकों, जैसे कि हीलियम के टूटने और फिर क्षय होने से आते हैं। इस प्रक्रिया को बीटा क्षय (beta decay) के रूप में जाना जाता है, जिसे न्यूट्रिनो सिग्नल के संभावित स्पष्टीकरण के रूप में माना गया था। हालाँकि, शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए सिमुलेशन चलाया कि क्या यह भौतिकी द्वारा अनुमत सबसे चरम स्थितियों, जिसमें सबसे मजबूत चुंबकीय क्षेत्र भी शामिल हैं, के तहत काम कर सकता है। उन्होंने पाया कि इन सर्वोत्तम-मामला परिदृश्यों में भी, बीटा क्षय प्रक्रिया बहुत अधिक गामा किरणें उत्पन्न करेगी, जो हमारे अवलोकनों द्वारा निर्धारित सीमाओं को पार कर जाएगी। इसके अलावा, इस तंत्र को शक्ति देने के लिए आवश्यक ऊर्जा ब्लैक होल के अभिवृद्धि चक्र (accretion disk) के कुल ऊर्जा आउटपुट से कहीं अधिक होगी। फलस्वरूप, अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि बीटा क्षय परिदृश्य एनजीसी 1068 से आने वाले न्यूट्रिनो का स्रोत होने के लिए अत्यधिक असंभावित है।
अंततः, यह कार्य एनजीसी 1068 के भीतर छिपे इंजन की एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान करता है। साक्ष्य एक मानक परिदृश्य की ओर इशारा करते हैं जहाँ प्रोटॉन ब्लैक होल के पास एक सघन, गर्म क्षेत्र में चुंबकीय बलों द्वारा त्वरित किए जाते हैं। हालांकि इस क्षेत्र का सटीक आकार गैस के घनत्व और चुंबकीय क्षेत्रों की शक्ति पर निर्भर करता है, लेकिन निष्कर्ष उन मॉडलों का पुरजोर समर्थन करते हैं जहाँ चुंबकीय ऊर्जा कणों के त्वरण को संचालित करती है। यह समझाने में मदद करता है कि हम इतने सारे न्यूट्रिनो और इतनी कम गामा किरणें क्यों देखते हैं: वातावरण इतना घना है कि गामा किरणों को फंसा सके लेकिन न्यूट्रिनो के निकलने के लिए पर्याप्त पारदर्शी भी है। बीटा क्षय सिद्धांत को खारिज करके और उत्सर्जन क्षेत्र के आकार और ऊर्जा को सीमित करके, यह अध्ययन हमें यह समझने के करीब लाता है कि सुपरमैसिव ब्लैक होल ब्रह्मांड के सबसे ऊर्जावान कणों को कैसे शक्ति देते हैं। परिणाम बताते हैं कि शांत आकाशगंगा एनजीसी 1068 केवल एक निष्क्रिय पर्यवेक्षक नहीं है, बल्कि एक गतिशील प्रयोगशाला है जहाँ चुंबकीय क्षेत्र ब्रह्मांड के सबसे मायावी संदेशवाहकों को बनाने में अग्रणी भूमिका निभाते हैं।
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