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There and back again: Mysterious optical pulse profile behavior of the transitional millisecond pulsar PSR J1023+0038

6-मीटर बीटीए (BTA) टेलीस्कोप का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने ट्रांज़िशनल मिलीसेकंड पल्सर PSR J1023+0038 में एक दुर्लभ 220-सेकंड की घटना देखी जहाँ इसका आमतौर पर स्थिर द्वि-शिखर (double-peaked) ऑप्टिकल पल्स प्रोफाइल अचानक एक एकल-शिखर, साइनुसोइडल आकार में बदल गया जिसमें काफी बढ़ी हुई पल्स्ड अंश (pulsed fraction) देखी गई, जो पल्सर विंड इंटरैक्शन के वर्तमान मॉडलों को चुनौती देता है।

मूल लेखक: S. V. Karpov, Artyom S. Tanashkin, G. M. Beskin, V. L. Plokhotnichenko, Y. A. Shibanov, D. A. Zyuzin

प्रकाशित 2026-05-22

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CC BY 4.0

मूल लेखक: S. V. Karpov, Artyom S. Tanashkin, G. M. Beskin, V. L. Plokhotnichenko, Y. A. Shibanov, D. A. Zyuzin

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

एक ब्रह्मांडीय लाइटहाउस की कल्पना करें, एक न्यूट्रॉन तारा जिसका नाम PSR J1023+0038 है, जो अविश्वसनीय रूप से तेज़ घूम रहा है—लगभग हर सेकंड 600 बार। यह तारा एक "संक्रमणकालीन" (transitional) चरण में है, जिसका अर्थ है कि यह दो अलग-अलग जीवनशैलियों के बीच एक खींचतान में फंसा हुआ है: एक जहाँ यह अपने साथी तारे से पदार्थ को खाता है (एक भूखे राक्षस की तरह), और दूसरा जहाँ यह अपने स्वयं के घूर्णन द्वारा संचालित होता है (एक घूमते हुए लट्टू की तरह)।

आमतौर पर, जब यह लाइटहाउस दृश्य प्रकाश (visible light) में चमकता है, तो यह अनुमानित व्यवहार करता है। इसके प्रकाश वक्र (light curve) को प्रत्येक स्पिन पर दो विशिष्ट उभारों वाले दिल की धड़कन के रूप में सोचें। यह एक दो-कूबड़ वाले ऊंट की तरह है: एक बड़ा उभार, एक गिरावट, एक छोटा उभार, और फिर एक गिरावट। यह पैटर्न वर्षों से स्थिर रहा है, जिसमें इसका प्रकाश बहुत मामूली रूप से टिमटिमाता है (इसकी कुल चमक के 1% से भी कम)।

रहस्यमय घटना
हालाँकि, नवंबर 2017 में दो रातों में, रूस के एक विशाल 6-मीटर टेलीस्कोप के साथ इस तारे को देख रहे खगोलविदों ने कुछ अजीब होते देखा। पलक झपकते ही (शाब्दिक रूप से कुछ सेकंड में), वह "दोहरा-कूबड़" वाला दिल की धड़कन अचानक एक एकल, चिकनी तरंग में ढह गया। कल्पना कीजिए कि दो-कूबड़ वाला ऊंट अचानक एक एकल, लुढ़कती हुई पहाड़ी में बदल गया।

इस परिवर्तन के मुख्य विवरण यहाँ दिए गए हैं:

आकार में परिवर्तन: प्रकाश दो शिखरों (peaks) से बदलकर एक एकल, साइनुसोइडल (sinusoidal) शिखर में बदल गया।
चमक में उछाल: केवल आकार ही नहीं बदला, बल्कि "टिमटिमाहट" बहुत अधिक शक्तिशाली हो गई। प्रकाश का उतार-चढ़ाव एक नगण्य 1% से बढ़कर भारी 5% हो गया। यह ऐसा था जैसे लाइटहाउस अचानक फुसफुसाने के बजाय चिल्लाने लगा हो।
अवधि: यह नया, जंगली व्यवहार लगभग 220 सेकंड (लगभग 3.5 मिनट) तक चला।
फ्लेयर (Flare): इस दौरान, तारा अचानक, चमकीले प्रकाश के विस्फोटों (flares) के साथ एक "तौबा" (tantrum) भी कर रहा था।
वापसी: लगभग 220 सेकंड के बाद, एकल शिखर धीरे-धीरे वापस फैल गया, और तारा अपने सामान्य दो-कूबड़ वाले आकार में लौट आया। प्रकाश की टिमटिमाहट भी धीरे-धीरे अपने सामान्य शांत स्तर पर वापस आ गई।

यह भ्रमित करने वाला क्यों है?
वैज्ञानिकों के पास इस "सामान्य" दो-कूबड़ वाले व्यवहार का एक अच्छा विचार है। उनका मानना है कि तारा कणों की एक हवा (wind) छोड़ रहा है। यह हवा तारे के चारों ओर घूम रहे गैस के डिस्क (disk) से टकराती है, जिससे एक शॉकवेव (जैसे कि सोनिक बूम) पैदा होती है। क्योंकि यह हवा घूमने के दौरान डिस्क से दो विपरीत दिशाओं से टकराती है, इसलिए यह प्रति घूर्णन दो फ्लैश बनाती है।

लेकिन एकल-कूबड़ वाली घटना नियमों को तोड़ती है।

यदि हवा डिस्क से दो तरफ से टकराती है, तो आपको हमेशा दो फ्लैश दिखने चाहिए।
इन दो फ्लैशों के एक होने के लिए, कुछ ऐसा होना चाहिए जिसने उस टकराव क्षेत्र (collision zone) के भौतिकी को बदल दिया हो। शायद गैस डिस्क किसी विशिष्ट स्थान पर अधिक मोटी या घनी हो गई, या तारे के चुंबकीय क्षेत्र में थोड़ा बदलाव आया, जिससे दोनों शॉकवेव्स आपस में मिल गईं।

यह शोध पत्र कुछ संभावनाओं का सुझाव देता है, जैसे कि आंतरिक डिस्क में गैस का अस्थायी संचय या तारे के चुंबकीय क्षेत्र का गैस के साथ होने वाला परिवर्तन। हालाँकि, लेखक स्वीकार करते हैं कि उनके पास अभी भी पूर्ण उत्तर नहीं है। यह ऐसा है जैसे अचानक एक कार को चार पहियों के बजाय दो पहियों पर चलते देखना; आप अनुमान लगा सकते हैं कि मैकेनिक्स गड़बड़ हो सकती है, लेकिन बिना यह देखे कि "हुड के नीचे" क्या टूटा है (एक साथ एक्स-रे अवलोकन के बिना), आप निश्चित नहीं हो सकते।

मुख्य निष्कर्ष
यह पेपर एक ब्रह्मांडीय लाइटहाउस में एक दुर्लभ, 3-मिनट के ग्लिच (glitch) की रिपोर्ट है। तारे ने क्षण भर में अपनी लय को "दो-धड़कन" से "एक-धड़कन" में बदल लिया और ऐसा करते समय काफी चमकीला हो गया। यह साबित करता है कि भले ही ब्रह्मांड स्थिर दिखता हो, चीजें पलक झपकते ही बदल सकती हैं, और हमें अभी भी बहुत कुछ सीखना बाकी है कि कैसे ये घूमते हुए तारे अपने परिवेश के साथ परस्पर क्रिया करते हैं।

समस्या
संक्रमणकालीन मिलीसेकंड पल्सर (MSPs), जैसे कि PSR J1023+0038 (इसके बाद J1023), जटिल व्यवहार प्रदर्शित करते हैं, जो एक्रिशन-संचालित लो-मास एक्स-रे बाइनरी (LMXB) अवस्थाओं और रोटेशन-संचालित रेडियो पल्सर अवस्थाओं के बीच झूलते रहते हैं। सबल्युमिनस डिस्क अवस्था में, J1023 न्यूट्रॉन स्टार की स्पिन फ्रीक्वेंसी पर सुसंगत ऑप्टिकल पल्सेशन प्रदर्शित करता है। ये पल्सेशन आमतौर पर एक स्मूथ, डबल-पीक्ड प्रोफाइल के रूप में प्रकट होते हैं जिनका पल्स्ड फ्रैक्शन $\lesssim 1\%$ होता है, जिसके बारे में माना जाता है कि यह पल्सर विंड ऊर्जा के पुन: उत्सर्जन से उत्पन्न होता है, जो आसपास के माध्यम में आवेशित कणों द्वारा होता है, संभवतः एक शॉक के माध्यम से जो लाइट सिलेंडर के परे एक्रिशन डिस्क के साथ टकराता है। जबकि चोटियों (peaks) के आयाम भिन्न होते हैं, समग्र डबल-पीक्ड संरचना को स्थिर बना हुआ देखा गया है। इस अध्ययन द्वारा संबोधित समस्या इस स्थायित्व का एक दुर्लभ, नाटकीय उल्लंघन है: ऑप्टिकल पल्स प्रोफाइल का एक सिंगल-पीक्ड, साइनसोइडल आकार में क्षणिक रूपांतरण, जिसके साथ पल्स्ड फ्रैक्शन में उल्लेखनीय वृद्धि होती है।

कार्यप्रणाली (Methodology)
लेखकों ने 14–15 नवंबर, 2017 की दो लगातार रातों के दौरान रूसी विज्ञान अकादमी की विशेष खगोलीय वेधशाला के 6-मीटर BTA टेलीस्कोप का उपयोग करके J1023 के उच्च-टेम्पोरल-रिज़ॉल्यूशन ऑप्टिकल अवलोकन किए। उपयोग किया गया उपकरण मल्टी-चैनल पैनोरैमिक फोटोपोलारिमीटर (MPPP) था, जो $\sim 1 \mu\text{s}$ टेम्पोरल रिज़ॉल्यूशन के साथ "रेड" (प्रभावी तरंगदैर्ध्य 5670 Å) और "ब्लू" (4320 Å) बैंड में फोटॉन को एक साथ एकत्र करने के लिए ड्यूल-चैनल शासन में संचालित होता है।

डेटा रिडक्शन में फोटॉन आगमन के समय (ToAs) को सोलर सिस्टम के बैरीसेंटर में बदलना और बाइनरी ऑर्बिटल मोशन के लिए सुधार करना शामिल था। J1023 के ऑर्बिटल फेज में ज्ञात स्टोकेस्टिक विविधताओं के कारण, लेखकों ने आवधिक सिग्नल का पता लगाने को अधिकतम करने के लिए $Z^2_K$ -सांख्यिकी (जहाँ $K=2$ हार्मोनिक्स हैं) का उपयोग करके ऑर्बिटल फेज की सूक्ष्म ट्यूनिंग की। उन्होंने दो मेट्रिक्स का उपयोग करके बैकग्राउंड-करेक्टेड पल्स्ड फ्रैक्शन की गणना की: $p_{area}$ (प्रोफाइल और न्यूनतम बिन स्तर के बीच के क्षेत्र का कुल क्षेत्रफल से अनुपात) और $p_{rms}$ (रूट मीन स्क्वायर एम्प्लीट्यूड)। विश्लेषण में बेसलाइन प्रोफाइल स्थापित करने के लिए पूरे डेटासेट को फोल्ड करना और टेम्पोरल परिवर्तनशीलता की जांच करने के लिए व्यक्तिगत समय के टुकड़ों (दहाई से सैकड़ों सेकंड) का विश्लेषण करना शामिल था।

मुख्य योगदान और परिणाम
इस कार्य का प्राथमिक योगदान एक 220-सेकंड के एपिसोड का पता लगाना और उसका लक्षण वर्णन करना है जहाँ J1023 का ऑप्टिकल पल्स प्रोफाइल अपने मानक डबल-पीक्ड आकार से बदलकर एक सिंगल-पीक्ड, लगभग साइनसोइडल आकार में तेजी से परिवर्तित हो गया।

प्रोफाइल रूपांतरण: इस घटना के दौरान, पल्स प्रोफाइल दो विशिष्ट चोटियों से बदलकर एक एकल विस्तृत चोटी (single broad peak) में बदल गया। इस नई चोटी का शिखर सामान्य अवस्था की दोनों चोटियों में से किसी के भी साथ संरेखित नहीं था।
आयाम में वृद्धि: पल्स्ड फ्रैक्शन नाटकीय रूप से बढ़ गया। सामान्य डबल-पीक्ड अवस्था में, संयुक्त रेड और ब्लू चैनल ने $p_{area} \approx 0.65\%$ और $p_{rms} \approx 0.43\%$ दिखाया। सिंगल-पीक्ड अंतराल के दौरान, ये मान बढ़कर $p_{area} \approx 3.3\%$ और $p_{rms} \approx 1.9\%$ हो गए, जो चार-से-पाँच गुना वृद्धि का प्रतिनिधित्व करते हैं। पीक पल्स्ड फ्रैक्शन घटना के पहले कुछ सेकंडों के भीतर $\approx 5\%$ तक पहुँच गया।
टेम्पोरल विकास: सिंगल-पीक्ड अवस्था में संक्रमण सेकंडों के भीतर हुआ। उच्च-आयाम वाली अवस्था लगभग 220 सेकंड तक बनी रही, जिसके साथ लाइट कर्व में फ्लेयरिंग गतिविधि भी देखी गई। सामान्य अवस्था में वापसी क्रमिक थी: प्रोफाइल पहले डबल-पीक्ड आकार में वापस आया, और कई दहाई सेकंडों के विलंब के बाद ही पल्स्ड फ्रैक्शन वापस सामान्य $\lesssim 1\%$ स्तर पर गिरा।
स्पेक्ट्रल विश्लेषण: मौजूदा स्पेक्ट्रल डेटा के साथ प्रेक्षित पल्स्ड फ्रैक्शन की तुलना करके, लेखकों ने पल्स्ड घटक के स्पेक्ट्रल इंडेक्स ( $\alpha$ ) का अनुमान लगाया। परिणाम संकेत देते हैं कि सिंगल-पीक्ड अवस्था के दौरान ऊर्जा वितरण का हार्डनिंग (एक $\alpha$ में कमी) हुआ, हालांकि अनिश्चितताएं बड़ी बनी हुई हैं।
मॉडलिंग: लेखक दो चोटियों के विलय को समझाने के लिए एक "टॉय मॉडल" प्रस्तावित करते हैं। उनका सुझाव है कि यह रूपांतरण चुंबकीय क्षेत्र ( $B$ ) और उत्सर्जित प्लाज्मा के लोरेंत्ज़ फैक्टर ( $\gamma$ ) में मध्यम विविधताओं के कारण सिनक्रोट्रॉन कूलिंग टाइमस्केल में परिवर्तन के कारण होने वाले दूसरे पीक (D2) के विस्तार का परिणाम हो सकता है, जो संभवतः आंतरिक डिस्क में पदार्थ के संचय के कारण होता है।

महत्व और दावे
यह पेपर दावा करता है कि यह अवलोकन J1023 की एक "रहस्यमय" और "विचित्र" विशेषता को प्रकट करता है, जो यह दर्शाता है कि पल्स प्रोफाइल संरचना उतनी स्थायी नहीं है जितनी पहले मानी जाती थी। लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि जबकि मानक डबल-पीक्ड प्रोफाइल को पल्सर विंड और एक्रिशन डिस्क के बीच परस्पर क्रिया के परिणाम के रूप में अच्छी तरह से समझा जाता है, इस क्षणिक सिंगल-पीक्ड अवस्था के पीछे का तंत्र अभी भी अस्पष्ट है।

लेखक स्पष्ट रूप से कहते हैं कि इस व्यवहार की पूर्ण तस्वीर "अभी प्रकट होना बाकी है।" वे कई संभावनाओं पर चर्चा करते हैं, जिनमें शामिल हैं:

उत्सर्जित आयतन (emitting volume) के भीतर भौतिक स्थितियों में परिवर्तन (जैसे, चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति, कण घनत्व) जिससे दो शॉक उत्सर्जन स्थानों का विलय हो जाता है।
न्यूट्रॉन स्टार के मैग्नेटोस्फीयर का वैश्विक पुनर्गठन (हालांकि वे नोट करते हैं कि अपेक्षाकृत कम चुंबकीय क्षेत्र वाले पुराने MSP के लिए यह कल्पना करना कठिन है)।
बंद मैग्नेटोस्फीयर में प्रवेश करने वाले इन्फॉलिंग प्लाज्मा और पल्सर मैग्नेटोस्फेरिक कणों के बीच परस्पर क्रिया।

अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि इस विशिष्ट घटना के दौरान समवर्ती एक्स-रे अवलोकनों की कमी इस विशिष्ट एक्स-रे मोड या सटीक भौतिक प्रक्रियाओं की निश्चित पहचान करने की क्षमता को सीमित करती है। फलस्वरूप, लेखक ऐसे क्षणिक घटनाओं की आगे जांच करने के लिए भविष्य के समन्वित एक्स-रे और ऑप्टिकल टाइमिंग और स्पेक्ट्रल अवलोकनों के महत्व पर जोर देते हैं।

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