Ultra high-energy cosmic rays from relativistic outflows in accretion induced collapse of white dwarfs

तकनीकी सारांश: श्वेत बौने के अभिवृद्धि प्रेरित पतन (Accretion Induced Collapse) में सापेक्षतावादी बहिर्वाहों से अत्यधिक उच्च-ऊर्जा ब्रह्मांडीय किरणें

समस्या विवरण
अत्यधिक उच्च-ऊर्जा ब्रह्मांडीय किरणों (UHECRs) की उत्पत्ति खगोल भौतिकी में एक महत्वपूर्ण रहस्य बनी हुई है। अवलोकन संबंधी डेटा संभावित स्रोतों पर कड़े प्रतिबंध लगाते हैं, जिसके लिए एक विशिष्ट ऊर्जा स्पेक्ट्रम, एक परमाणु संरचना (जो उच्चतम ऊर्जाओं पर भारी होती जाती है), और ऊर्जा-निर्भर अनिसोट्रॉपी (anisotropy) की आवश्यकता होती है। गामा-रे बर्स्ट (GRBs) जैसे शक्तिशाली क्षणिक घटनाओं (transients) को संभावित उम्मीदवार के रूप में प्रस्तावित किया गया है, लेकिन उनके केंद्रीय इंजन की प्रकृति पर बहस जारी है। मानक मॉडल ब्लैक होल-अभिवृद्धि डिस्क प्रणालियों का आह्वान करते हैं, लेकिन तेजी से घूमते मैग्निटार (magnetars) एक विकल्प प्रदान करते हैं। विशेष रूप से, तेजी से घूमते अत्यधिक चुंबकीय श्वेत बौने (white dwarf) के अभिवृद्धि प्रेरित पतन (AIC) को ऐसे इंजन बनाने के एक चैनल के रूप में प्रस्तावित किया गया है। हालांकि, AIC-संचालित सापेक्षतावादी बहिर्वाहों (relativistic outflows) के UHECRs, विशेष रूप से भारी नाभिकों के स्रोत के रूप में कार्य करने की क्षमता का व्यवस्थित रूप से मॉडलिंग नहीं किया गया है। AICs से CRs पर पिछला कार्य मैग्नेटोस्फीयर के पास प्रोटॉन के त्वरण पर केंद्रित था; यह शोध पत्र स्वयं के सापेक्षतावादी बहिर्वाहों में भारी नाभिकों के त्वरण के संबंध में अंतराल को संबोधित करता है।

कार्यप्रणाली
लेखक तेजी से घूमते, अत्यधिक चुंबकीय श्वेत बौने के AIC के दौरान उत्पन्न होने वाले सापेक्षतावादी बहिर्वाहों में भारी आयरन (Fe)-जैसे नाभिकों के त्वरण का मॉडल तैयार करते हैं। अध्ययन निम्नलिखित चरणों के माध्यम से आगे बढ़ता है:

1. बहिर्वाह मॉडलिंग (Outflow Modeling): लेखक post-AIC के बाद निर्मित प्रोटो-न्यूट्रॉन स्टार (प्रोटोमैग्नेटार) को चुंबकीय रूप से प्रभावी सापेक्षतावादी बहिर्वाहों के स्रोत के रूप में मॉडल करते हैं। वे प्रोटोमैग्नेटार के स्पिन-डाउन के आधार पर बहिर्वाह की चुंबकत्व ($\sigma_0$) और बल्क लोरेन्त्ज़ फैक्टर ($\Gamma_j$) के विकास की गणना करते हैं। प्रमुख मापदंडों में 2 ms का प्रारंभिक स्पिन अवधि, $5 \times 10^{15}$ G का चुंबकीय क्षेत्र, और $1.42 M_\odot$ का द्रव्यमान शामिल है। द्रव्यमान हानि दर न्यूट्रिनो हीटिंग द्वारा संचालित होती है, जो समय के साथ घटती है, जिससे बहिर्वाह अधिक चुंबकीय और सापेक्षतावादी हो जाता है।
2. त्वरण तंत्र (Acceleration Mechanisms): जेट के भीतर दो अलग-अलग त्वरण स्थलों पर विचार किया गया है, जो GRB प्रॉम्प्ट उत्सर्जन तंत्र के समान हैं:
   • चुंबकीय पुनर्संयोजन (Magnetic Reconnection): त्वरण एक संतृप्ति त्रिज्या ($R_{mr}$) पर होता है जहाँ प्रवाह टर्मिनल वेग तक पहुँच जाता है। त्वरण समय-सीमा को कूलिंग समय-सीमा (सिंक्रोट्रॉन और डायनामिकल) के साथ संतुलित किया जाता है।
   • आंतरिक झटके (Internal Shocks): त्वरण वहां होता है जहाँ बहिर्वाह के तेज़ शेल (shells) धीमे शेल से टकराते हैं ($R_{is}$)। शॉक रेडियस को रेडिएशन-मीडिएटेड शॉक्स से बचने के लिए फोटोस्फीयर के बाहर सीमित किया गया है।
3. ऊर्जा हानि और उत्तरजीविता (Energy Losses and Survival): अधिकतम प्राप्त ऊर्जा को त्वरण समय-सीमा को कूलिंग समय-सीमा (जो सिंक्रोट्रॉन कूलिंग द्वारा प्रभावी है) और फोटोडिसइंटीग्रेशन (photodisintegration) नुकसान के साथ संतुलित करके निर्धारित किया जाता है। लेखक स्रोत पर GRB फोटॉनों द्वारा और प्रसार के दौरान अंतर-आकाशगंगा इन्फ्रारेड बैकग्राउंड (EIB) द्वारा आयरन नाभिकों के फोटोडिसइंटीग्रेशन के विरुद्ध उत्तरजीविता का मूल्यांकन करते हैं। वे स्रोत पर $\tau_{\gamma-N} < 10$ इंटरैक्शन का उत्तरजीविता मानदंड अपनाते हैं।
4. उत्सर्जन गणना (Emissivity Calculation): लेखक AIC की अनुमानित दर ($\dot{\rho}_{AIC}$) पर स्रोत स्पेक्ट्रम को एकीकृत करके UHECR उत्सर्जन ($\varepsilon^2 Q$) की गणना करते हैं। वे एक एक्सपोनेंशियल कटऑफ के साथ पावर-लॉ स्पेक्ट्रम और जेट ऊर्जा के 10% के रूपांतरण दक्षता ($\eta_{CR}$) को मानते हैं।
5. स्रोत लक्षण वर्णन (Source Characterization): AIC के प्रभावी संख्या घनत्व और प्रभावी चमक को अन्य ज्ञात खगोलीय स्रोतों के विरुद्ध प्लॉट किया गया है ताकि उनकी व्यवहार्यता का आकलन किया जा सके।

प्रमुख योगदान और परिणाम

• त्वरण सीमाएँ (Acceleration Limits): मॉडल यह प्रदर्शित करता है कि चुंबकीय पुनर्संयोजन और आंतरिक झटके दोनों आयरन नाभिकों को $10^{19}$ eV से अधिक ऊर्जा तक त्वरित कर सकते हैं। विशेष रूप से, चुंबकीय पुनर्संयोजन $\varepsilon'_{max} \sim 8.0 \times 10^{19}$ eV का अधिकतम कोमोविंग ऊर्जा प्रदान करता है, जबकि आंतरिक झटके $\sim 1.2 \times 10^{20}$ eV तक पहुँचते हैं।
• संरचना उत्तरजीविता (Composition Survival): अध्ययन पाता है कि आयरन नाभिक स्रोत पर फोटोडिसइंटीग्रेशन के विरुद्ध जीवित रह सकते हैं (जहाँ $\tau_{\gamma-N} < 10$) और पृथ्वी तक $\sim 100$ Mpc की विशिष्ट दूरियों पर प्रसार के दौरान भी। यह इस परिकल्पना का समर्थन करता है कि AICs देखे गए UHECRs की भारी संरचना में योगदान दे सकते हैं।
• ऊर्जा उत्पादन दर (Energy Generation Rate): त्वरण तंत्र और AIC दरों में अनिश्चितताओं को ध्यान में रखते हुए, लेखक अनुमान लगाते हैं कि AICs $\sim$ कुछ $\times 10^{43} - 10^{45}$ erg Mpc$^{-3}$ yr$^{-1}$ (आयरन-जैसे नाभिकों को मानते हुए) की ऊर्जा उत्पादन दर घनत्व में योगदान दे सकते हैं।
• स्रोतों के रूप में व्यवहार्यता (Viability as Sources): जब उन्हें स्रोत चमक बनाम संख्या घनत्व तल (चित्र 1) पर प्लॉट किया जाता है, तो AICs एक ऐसे क्षेत्र में स्थित होते हैं जो देखे गए UHECR फ्लक्स की व्याख्या करने में सक्षम है, बशर्ते कि एक महत्वपूर्ण हिस्सा AICs सापेक्षतावादी बहिर्वाह उत्पन्न करते हों। लेखक नोट करते हैं कि हालांकि AIC दर और जेट उत्पन्न करने वाले AIC के अंश में अनिश्चितताएं बड़ी हैं, फिर भी इस आबादी के पास देखे गए UHECRs को शक्ति देने की पर्याप्त क्षमता है।

महत्व और दावे
यह शोध पत्र दावा करता है कि यह UHECRs के संभावित स्रोतों के रूप में श्वेत बौनों के AIC को प्रस्तावित करने वाला पहला कार्य है, जो विशेष रूप से उन सापेक्षतावादी बहिर्वाहों के साथ संबंध का लाभ उठाता है जो GRBs को शक्ति दे सकते हैं। लेखक तर्क देते हैं कि यह परिदृश्य हालिया अवलोकन संबंधी साक्ष्यों के आलोक में सामयिक है जो AIC को किलोनोवा (जैसे GRB 21211A और GRB 230307A) से जोड़ते हैं, और भविष्य की सुविधाओं जैसे वेरा सी. रुबिन वेधशाला (LSST), जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप (JWST), और MeV गामा-रे वेधशालाओं (COSI, AMEGO-X) द्वारा देखे जाने वाले AIC के पूर्वानुमानों के अनुकूल है।

लेखक विनम्रतापूर्वक निष्कर्ष निकालते हैं कि त्वरण भौतिकी और वास्तविक AIC दर में बड़ी अनिश्चितताओं के बावजूद, इन घटनाओं की एक आबादी वास्तव में वर्तमान अवलोकन संबंधी स्तरों पर संभावित UHECR स्रोत के रूप में कार्य कर सकती है। वे इस बात पर जोर देते हैं कि उनका कार्य AICs को UHECR स्रोतों के रूप में महत्वपूर्ण बनाने की क्षमता को उजागर करता है और सूक्ष्म भौतिकी (microphysics), प्रसार प्रभावों और विशिष्ट जनसंख्या विश्लेषणों के साथ अधिक विस्तृत गणनाओं वाले भविष्य के अध्ययनों के लिए द्वार खोलता है। वे विस्तृत प्रसार गणनाओं और देखे गए UHECR कटऑफ (चाहे वह स्रोत-सीमित हो या प्रसार-सीमित) की व्याख्या को भविष्य के कार्य के लिए स्थगित करते हैं।