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GOALS-JWST: Resolved multi-phase molecular gas in IRAS 20551-4250 using JWST and ALMA

यह अध्ययन ULIRG IRAS 20551-4250 के JWST और ALMA अवलोकनों का उपयोग यह प्रकट करने के लिए करता है कि हालांकि आयनित गैस बहिर्वाह (outflows) मौजूद हैं, वे गैलेक्सी के आणविक गैस भंडार को बाहर निकालने या इसकी निरंतर तारा निर्माण प्रक्रिया को रोकने के लिए अपर्याप्त हैं, जो इसके बजाय एक विलंबित-चरण विलय (late-stage merger) द्वारा संचालित है।

मूल लेखक: D. Kakkad, Y. Song, T. S. -Y. Lai, L. Armus, M. Malkan, K. L. Larson, A. S. Evans, P. N. Appleton, L. Barcos-Muñoz, M. Bianchin, T. Böker, T. Bohn, V. Buiten, V. Charmandaris, T. Diaz Santos, H. Inami

प्रकाशित 2026-04-22

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CC BY 4.0

मूल लेखक: D. Kakkad, Y. Song, T. S. -Y. Lai, L. Armus, M. Malkan, K. L. Larson, A. S. Evans, P. N. Appleton, L. Barcos-Muñoz, M. Bianchin, T. Böker, T. Bohn, V. Buiten, V. Charmandaris, T. Diaz Santos, H. Inami, J. Kader, L. Lenkic, S. T. Linden, C. M. Lofaro, G. C. Privon, C. Ricci, M. Sanchez-Garcia, D. Sanders, N. Torres-Alba, V. U, P. van der Werf

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

मुख्य चित्र: एक घेराबंदी के बीच ब्रह्मांडीय निर्माण स्थल

एक आकाशगंगा की कल्पना एक स्थिर द्वीप के रूप में नहीं, बल्कि एक हलचल भरे, अराजक निर्माण स्थल (construction site) के रूप में करें। इस विशिष्ट मामले में, यह स्थल IRAS 20551-4250 है (इसे संक्षिप्त में "IR20551" मान लेते हैं)। यह एक "अल्ट्रा-ल्यूमिनस इन्फ्रारेड गैलेक्सी" है, जो एक शानदार तरीका है यह कहने का कि यह नए सितारों की एक विशाल, चमकती हुई फैक्ट्री है, जो वर्तमान में एक अन्य आकाशगंगा के साथ एक हिंसक विलय (merger) के बीच में है।

वैज्ञानिक लंबे समय से यह जानना चाहते थे: क्या इस निर्माण स्थल का "बॉस" (एक सुपरमैसिव ब्लैक होल, या AGN) कभी इतना क्रोधित हो जाता है कि वह साइट को उड़ा दे और काम रोक दे? या क्या इस अराजकता के बावजूद निर्माण जारी रहता है?

इस उत्तर को खोजने के लिए, शोधकर्ताओं ने ब्रह्मांड के सबसे शक्तिशाली उपकरणों का उपयोग किया: जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप (JWST) और ALMA रेडियो टेलीस्कोप। उन्होंने आकाशगंगा के "ईंधन"—आणविक गैस (molecular gas)—का अध्ययन किया, जो अलग-अलग "तापमानों" या अवस्थाओं (phases) में आती है, ठीक वैसे ही जैसे पानी बर्फ, तरल या भाप हो सकता है।

1. गैलेक्टिक ईंधन के तीन चरण

आकाशगंगा को समझने के लिए, टीम ने तीन अलग-अलग अवस्थाओं में गैस का अध्ययन किया:

ठंडी गैस (बर्फ - The Ice): यह भारी, घनी ईंधन है जिसका उपयोग सितारे बनाने के लिए किया जाता है। यह कच्चे लंबर (लकड़ी के लट्ठे) और ईंटों की तरह है जो एक गोदाम में रखे हैं। IR20551 में, इसे कार्बन मोनोऑक्साइड (CO) गैस द्वारा पहचाना जाता है।
गर्म गैस (भाप - The Steam): यह गैस गर्म हो गई है, शायद ब्लैक होल के विकिरण या शॉकवेव्स (shockwaves) के कारण। यह चाय की केतली से उठने वाली भाप की तरह है। इसे मिड-इन्फ्रारेड में चमकते हाइड्रोजन अणुओं (H2) द्वारा पहचाना जाता है।
आयनित गैस (आग - The Fire): यह वह गैस है जिसे तीव्र ऊर्जा द्वारा छिन्न-भिन्न कर दिया गया है। यह जलती हुई आग की तरह है। इसे दृश्य प्रकाश (visible light) में चमकते ऑक्सीजन और अन्य तत्वों द्वारा पहचाना जाता है।

2. जांच: उन्हें क्या मिला?

टीम ने इन तीनों चरणों को सूक्ष्मदर्शी से देखा ताकि यह पता चल सके कि क्या "बॉस" (ब्लैक होल) ईंधन को उड़ा रहा है।

"बॉस" छिपा हुआ है, लेकिन शायद वहीं है

पहली नज़र में, आकाशगंगा का केंद्र एक अव्यवset स्टार फैक्ट्री जैसा दिखता है। हालांकि, जब उन्होंने JWST की इन्फ्रारेड आँखों का उपयोग करके धूल के "कोहरे" के पार देखा, तो उन्हें एक अंधा कर देने वाला चमकीला बिंदु दिखाई दिया। यह घने कोहरे के बीच एक लाइटहाउस को देखने जैसा है; आप बल्ब को स्पष्ट रूप से नहीं देख सकते, लेकिन उसकी रोशनी निर्विवाद है।

निष्कर्ष: ब्लैक होल संभवतः वहीं है, जो धूल से भारी रूप से ढका हुआ है, और अंधेरे में इंजन के रेस देने की तरह काम कर रहा है।

आग उड़ रही है (लेकिन ईंधन सुरक्षित है)

जब उन्होंने आयनित गैस (आग) को देखा, तो उन्हें कुछ नाटकीय मिला। गैस अविश्वसनीय रूप से तेज़ गति से चल रही थी—लगभग 800 किमी/सेकेंड की गति से। यह केंद्र से बाहर की ओर बहने वाली एक "हवा" या "आउटफ्लो" (outflow) है।

उपमा: एक पत्तों के ढेर की ओर लक्षित लीफ ब्लोअर (पत्ते उड़ाने वाली मशीन) की कल्पना करें। हवा (आयनित गैस) इतनी तेज़ चल रही है कि वह पत्तों को बिखेर सकती है।

हालांकि, जब उन्होंने ठंडी और गर्म गैस (ईंधन) को देखा, तो कहानी पूरी तरह बदल गई।

ठंडी गैस (भारी ईंधन) धीरे और शांति से चल रही थी। इसे उड़ाया नहीं जा रहा था।
गर्म गैस (भाप) भी धीरे चल रही थी, और उच्च गति से बाहर निकलने के कोई संकेत नहीं थे।
उपमा: भले ही लीफ ब्लोअर (ब्लैक होल) शोर मचा रहा हो और गर्म हवा फेंक रहा हो, लेकिन भारी लंबर (ठंडी गैस) का ढेर इतना भारी है कि वह हिल भी नहीं सकता। हवा निर्माण स्थल को साफ करने के लिए पर्याप्त मजबूत नहीं है।

तापमान मानचित्र: गैस को कौन गर्म कर रहा है?

टीम ने गर्म गैस के तापमान का मानचित्र बनाया। उन्होंने पाया कि सबसे गर्म स्थान छिपे हुए ब्लैक होल के ठीक बगल में थे।

उपमा: यह एक कैंपफायर (अलाव) की तरह है। लपटों के सबसे करीब की लकड़ी सबसे गर्म होती है। यह सुझाव देता है कि ब्लैक होल का विकिरण ही गर्म गैस का प्राथमिक हीटर है, न कि केवल आकाशगंगा के विलय से होने वाली यादृच्छिक टक्करें (shocks)।

3. बड़ा खुलासा: ईंधन का टैंक भरा हुआ है

यहाँ सबसे महत्वपूर्ण खोज है: आकाशगंगा अभी भी ईंधन से भरी हुई है।

अनुपात: आकाशगंगा में 95% ठंडी गैस (भारी ईंधन) है और केवल 5% गर्म गैस है।
निहितार्थ: भले ही ब्लैक होल सक्रिय है और आयनित गैस को बाहर फेंक रहा है, लेकिन उसने मुख्य ईंधन टैंक को छुआ तक नहीं है। "लीफ ब्लोअर" लंबर (लकड़ी) को हटाने के लिए बहुत कमजोर है।
भविष्य: क्योंकि ठंडी गैस अभी भी वहीं है, आकाशगंगा लंबे समय तक सितारे बनाना जारी रखेगी। ब्लैक होल ने फैक्ट्री को "बंद" करने का काम सफलतापूर्वक नहीं किया है।

4. "टाइडल टेल" नृत्य (The Tidal Tail Dance)

चित्रों में केंद्र से बाहर की ओर निकलती गैस की दो लंबी, लहराती पूंछें दिखाई देती हैं, जैसे किसी नर्तक के घूमते हुए रिबन।

उपमा: आकाशगंगा एक "लेट-स्टेज मर्जर" में है, जिसका अर्थ है कि दो आकाशगंगाएं आपस में टकराई हैं और अब एक में मिल रही हैं। गैस घूम रही है और एक नए घूमने वाले डिस्क (rotating disk) में व्यवस्थित हो रही है। गैस उड़ नहीं रही है; यह बस एक नए घर में बसने से पहले एक धीमा, अराजक नृत्य कर रही है।

सारांश: मुख्य बात

यह पेपर हमें बताता है कि फीडबैक हमेशा "किल स्विच" (काम रोकने वाला बटन) नहीं होता है।

अतीत में, वैज्ञानिकों का मानना था कि जब ब्लैक होल सक्रिय होता है, तो वह सभी गैस को उड़ा देता है और तुरंत तारा निर्माण को रोक देता है। लेकिन IR20551 में, हम एक अलग कहानी देखते हैं:

ब्लैक होल सक्रिय है और गर्म हवा (आयनित गैस) बाहर फेंक रहा है।
लेकिन, भारी ईंधन (ठंडी आणविक गैस) इतना विशाल और घना है कि उसे इस हवा से हटाया नहीं जा सकता।
परिणाम: आकाशगंगा सितारे बनाना जारी रखती है। ब्लैक होल मौजूद है, लेकिन वह अभी तक तारा निर्माण के खिलाफ युद्ध में जीत हासिल नहीं कर पाया है।

यह हमें याद दिलाता है कि ब्रह्मांड में, यहाँ तक कि एक शक्तिशाली इंजन के पास भी निर्माण कार्य को रोकने के लिए पर्याप्त हॉर्सपावर नहीं होता है। आकाशगंगा अभी भी जीवित है, बढ़ रही है, और संभावनाओं से भरी है।

1. समस्या विवरण और वैज्ञानिक संदर्भ

एक्टिव गैलेक्टिक न्यूक्लिआई (AGN) और स्टारबर्स्ट से होने वाले फीडबैक तंत्रों को समझना गैलेक्सी विकास के मॉडलिंग के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। एक प्राथमिक प्रश्न यह है कि क्या ये फीडबैक प्रक्रियाएं आणविक गैस (तारा निर्माण के लिए ईंधन) को बाहर निकाल देती हैं या केवल उसे गर्म करती हैं, जिससे भविष्य के तारा निर्माण को रोका जा सके।

अंतराल (The Gap): जबकि आयनित गैस में उच्च-वेग वाले आउटफ्लो (outflows) अच्छी तरह से प्रलेखित हैं, आणविक गैस (ठंडे और गर्म चरणों) पर उनके प्रभाव पर बहस जारी है। पिछले अध्ययन अक्सर ठंडी गैस (CO द्वारा ट्रेस की गई) पर केंद्रित थे या उनमें निकटवर्ती अल्ट्रा-ल्यूमिनस इंफ्रारेड गैलेक्सीज़ (ULIRGs) में बहु-चरणीय गैस (multi-phase gas) को हल करने के लिए आवश्यक स्थानिक रिज़ॉल्यूशन का अभाव था।
लक्ष्य: IRAS 20551-4250 (IR20551), एक निकटवर्ती ( $z=0.0429$ ) ULIRG, एक आदर्श प्रयोगशाला है। यह एक विक्षेपित आकृति वाला एक विलंबित-चरण का विलय (late-stage merger) है, जिसमें तीव्र तारा निर्माण और एक संभावित अत्यधिक अस्पष्ट (heavily obscured) AGN का मिश्रित तंत्र मौजूद है। इसकी प्रकृति पिछले साहित्य में संदिग्ध रही है (ऑप्टिकल में इसे H II क्षेत्र के रूप में वर्गीकृत किया गया है लेकिन X-रे और मिड-इन्फ्रारेड में AGN संकेतों को प्रदर्शित करता है)।

2. कार्यप्रणाली

लेखकों ने IR20551 के केंद्रीय $\sim4 \times 4$ kpc $^2$ के भीतर आयनित, गर्म आणविक और ठंडी आणविक गैस चरणों को लक्षणित करने के लिए एक बहु-तरंगदैर्ध्य (multi-wavelength), स्थानिक रूप से हल किए गए दृष्टिकोण का उपयोग किया।

JWST/MIRI-MRS (मिड-इन्फ्रारेड):
- उपकरण: जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप पर स्थित मीडियम रिज़ॉल्यूशन स्पेक्ट्रोग्राफ (MRS)।
- डेटा: 4.9–27.9 $\mu$ m को कवर करने वाले साइकल 2 अवलोकन।
- विश्लेषण: परमाणु (0.5 arcsec) और एकीकृत (1.5 arcsec) एपर्चर से स्पेक्ट्रा निकाला गया। निरंतरता (continuum), PAH उत्सर्जन और सिलिकेट अवशोषण को मॉडल करने के लिए CAFE सॉफ्टवेयर का उपयोग किया गया। गैस तापमान और द्रव्यमान निर्धारित करने के लिए वार्म मॉलिक्यूलर हाइड्रोजन ( $H_2$ S(1)–S(8)) के रोटेशनल ट्रांज़िशन को गॉसियन मॉडल के साथ फिट किया गया। एक्साइटेशन डायग्राम (excitation diagrams) का निर्माण किया गया।
ALMA (सब-मिलीमीटर):
- उपकरण: अटाकामा लार्ज मिलीमीटर/सबमिलीमीटर एरे (ALMA)।
- डेटा: आर्काइवल CO(2-1) अवलोकन (प्रोग्राम 2022.1.01262.S)।
- विश्लेषण: उच्च-रिज़ॉल्यूशन क्यूब्स ( $\sim0.12 \times 0.10$ arcsec $^2$ ) बनाने के लिए CASA के साथ डेटा को री-इमेज किया गया। किनेमैटिक मैप्स ( $v_{50}$ , $w_{80}$ ) और कुल फ्लक्स प्राप्त करने के लिए मल्टी-गॉसियन फिट के साथ CO(2-1) लाइन को मॉडल किया गया।
VLT/MUSE (ऑप्टिकल):
- उपकरण: मल्टी-यूनिट स्पेक्ट्रोस्कोपिक एक्सप्लोरर (MUSE)।
- डेटा: आर्काइवल IFS डेटा (प्रोग्राम 095.B-0049)।
- विश्लेषण: स्टेलर कॉन्टिन्यूम को हटाने और उत्सर्जन रेखाओं ( $H\alpha$ , $H\beta$ , [O III], [N II], [O I]) को फिट करने के लिए pPXF का उपयोग किया गया। आयनीकरण स्रोतों (AGN बनाम स्टारबर्स्ट बनाम कंपोजिट/LINER) की पहचान करने और आयनित गैस किनेमैटिक्स को मापने के लिए स्थानिक रूप से हल किए गए BPT डायग्राम बनाए गए।
डेटा सामंजस्य (Data Harmonization): डेटासेट की तुलना करने के लिए, उच्च-रिज़ॉल्यूशन डेटा (ALMA) को JWST/MIRI चैनलों के निम्न रिज़ॉल्यूशन के साथ गॉसियन कर्नेल का उपयोग करके कनवॉल्व किया गया, ताकि फ्लक्स अनुपात मानचित्रों के लिए सुसंगत स्थानिक नमूनाकरण सुनिश्चित किया जा सके।

3. प्रमुख योगदान

प्रथम बहु-चरणीय दृश्य (First Multi-Phase View): यह एक ही ULIRG में उच्च स्थानिक रिज़ॉल्यूशन के साथ गर्म आणविक गैस (JWST/MIRI के माध्यम से), ठंडी आणविक गैस (ALMA के माध्यम से) और आयनित गैस (MUSE के माध्यम से) को एक साथ हल करने वाले पहले अध्ययनों में से एक है।
AGN लक्षण वर्णन: केंद्रीय इंजन की प्रकृति को स्पष्ट करने के लिए मिड-इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी (सिलिकेट गहराई, PAH EW, कलर-कलर डायग्राम) और ऑप्टिकल BPT मैप्स को मिलाकर एक व्यापक नैदानिक विश्लेषण प्रदान किया गया, जिससे एक अत्यधिक अस्पष्ट (heavely obscured) AGN के साथ एक मिश्रित प्रणाली की पुष्टि हुई।
किनेमैटिक तुलना: यह परीक्षण करने के लिए कि क्या आयनित आउटफ्लो आणविक आउटफ्लो को संचालित कर रहे हैं, तीनों गैस चरणों के किनेमैटिक्स की सीधे तुलना की गई।

4. मुख्य परिणाम

A. केंद्रीय इंजन की प्रकृति

मिश्रित प्रणाली (Composite System): यह गैलेक्सी एक स्टारबर्स्ट और एक AGN दोनों को होस्ट करती है।
- ऑप्टिकल: BPT डायग्राम केंद्र और एक SE क्लंप को H II क्षेत्र (तारा निर्माण क्षेत्र) के रूप में दिखाते हैं, जबकि आसपास का क्षेत्र "कंपोजिट" या LINER-जैसे उत्सर्जन दिखाता है (जो संभवतः शॉक-एक्साइटेड है)।
- मिड-इन्फ्रारेड: गहरा सिलिकेट अवशोषण ( $s_{9.7} \approx -3.2$ ) और उच्च-आयनीकरण कोरोनल लाइनों (जैसे [Ne V]) की अनुपस्थिति एक अत्यधिक अस्पष्ट AGN का सुझाव देती है। डायग्नोस्टिक डायग्राम स्रोत को AGN और स्टारबर्स्ट सीमाओं पर रखते हैं, जो एक दबे हुए (buried) AGN के अनुरूप है।
- X-ray: उच्च कॉलम घनत्व ( $N_H \approx 8 \times 10^{23}$ cm $^{-2}$ ) अस्पष्ट AGN परिकल्पना का समर्थन करता है।
आणविक गैस गुण:
- गर्म आणविक गैस ( $H_2$ ):
  - रोटेशनल ट्रांज़िशन S(1) से S(8) तक का पता लगाया गया।
  - तापमान: एक्साइटेशन डायग्राम एक दो-घटक तापमान वितरण प्रकट करते हैं: एक गर्म घटक ( $T \sim 500-600$ K) और एक गर्म (hot) घटक ( $T \sim 1400-1500$ K)।
  - हीटिंग स्रोत: तापमान मानचित्र AGN स्थान पर एक शिखर दिखाते हैं, जो सुझाव देता है कि अभिवृद्धि डिस्क (accretion disk) से UV विकिरण प्राथमिक हीटिंग तंत्र है, हालांकि शॉक्स (shocks) भी योगदान दे सकते हैं।
  - द्रव्यमान: कुल गर्म आणविक गैस का द्रव्यमान $\sim 6.1 \times 10^8 M_\odot$ है।
- ठंडी आणविक गैस (CO):
  - द्रव्यमान: $\alpha_{CO}$ रूपांतरण कारक 1.8 के साथ CO(2-1) से प्राप्त, ठंडी गैस का द्रव्यमान $\sim 1.3 \times 10^{10} M_\odot$ है।
  - प्रभुत्व: ठंडी गैस कुल आणविक गैस भंडार का $>95\%$ हिस्सा है। ठंडा-से-गर्म द्रव्यमान अनुपात $\sim 20$ है।
- आकृति विज्ञान और किनेमैटिक्स (Morphology & Kinematics):
  - दोनों गर्म और ठंडी गैस चरण दो टाइडल टेल्स (SE और NE) और विक्षेपित, गैर-घूर्णन गति (non-rotational motions) दिखाते हैं, जो एक डिस्क में स्थिर हो रहे विलंबित-चरण विलय (late-stage merger) के अनुरूप है।
  - गर्म और ठंडी गैस सह-स्थानिक (co-spatial) हैं और समान किनेमैटिक संरचना साझा करती हैं।

B. आउटफ्लो और फीडबैक

आयनित गैस: [O III] $\lambda 5007$ ब्रॉड प्रोफाइल दिखाता है जिसमें वेग चौड़ाई ( $w_{80}$ ) $\sim 790$ km s $^{-1}$ है, जो तेज आउटफ्लो का संकेत देती है। द्रव्यमान आउटफ्लो दर $< 0.01 M_\odot$ yr $^{-1}$ गणना की गई है।
आणविक गैस: न तो गर्म ( $H_2$ $H_{2}$ ) और न ही ठंडी (CO) अवस्था उच्च-वेग वाले आउटफ्लो के प्रमाण दिखाती है।
- $H_2$ रेखाएं संकीर्ण ( $w_{80} \sim 190-200$ km s $^{-1}$ ) और सममित हैं, जिनमें आयनित गैस में देखे जाने वाले ब्लू/रेड विंग्स (blue/red wings) का अभाव है।
- CO(2-1) मामूली विषमता दिखाता है लेकिन इसकी चौड़ाई ( $\sim 210$ km s $^{-1}$ ) टर्बुलेंस के अनुरूप है, न कि एक तेज आउटफ्लो के।
फीडबैक पर निष्कर्ष: आयनित आउटफ्लो विशाल ठंडी आणविक गैस भंडार को बाहर निकालने या चल रहे तारा निर्माण को रोकने के लिए अपर्याप्त है। फीडबैक "प्रिवेंटेटिव" मोड (गैस को गर्म करना) में प्रतीत होता है, न कि "इजेक्टिव" मोड (गैस को हटाना) में।

5. महत्व

फीडबैक दक्षता: यह अध्ययन इस धारणा को चुनौती देता है कि ULIRGs में AGN-संचालित आउटफ्लो अनिवार्य रूप से आणविक गैस को खत्म कर देते हैं। IR20551 में, स्पष्ट आयनित आउटफ्लो के बावजूद, आणविक गैस भंडार काफी हद तक बरकरार और प्रभावी ( $>95\%$ ठंडा) है।
तारा निर्माण की निरंतरता: ठंडी गैस की प्रचुरता बताती है कि इस ULIRG में वर्तमान AGN गतिविधि से काफी हद तक अप्रभावित होकर तारा निर्माण जारी रहेगा।
मेथोडोलॉजिकल बेंचमार्क: यह अध्ययन विलय करती गैलेक्सीज़ में अंतरतारकीय माध्यम (ISM) की भौतिक स्थितियों को हल करने के लिए JWST/MIRI (गर्म गैस) और ALMA (ठंडी गैस) को मिलाने की शक्ति को प्रदर्शित करता है, जो GOALS नमूने के भविष्य के अध्ययनों के लिए एक टेम्पलेट प्रदान करता है।
AGN अस्पष्टता: यह उन अस्पष्ट (obscured) AGNs की पहचान करने में मिड-इन्फ्रारेड डायग्नोस्टिक्स (सिलिकेट गहराई, PAH EW) की उपयोगिता को पुख्ता करता है जो ऑप्टिकल और X-रे बैंड में अदृश्य या संदिग्ध होते हैं।

संक्षेप में, IRAS 20551-4250 एक ऐसा ULIRG है जहाँ AGN फीडबैक ने अभी तक तारा निर्माण चक्र को बाधित नहीं किया है, जो यह उजागर करता है कि आयनित आउटफ्लो की उपस्थिति स्वचालित रूप से आणविक गैस ईंधन आपूर्ति की कमी का संकेत नहीं देती है।