🔭 astrophysics

The Amerigo Vespucci as a traveling laboratory for studying the cosmic-ray fluxes at sea level

इतालवी नौसेना के प्रशिक्षण पोत अमेरिगो वेस्पुची के 2023-2025 के वैश्विक दौरे के दौरान, शोधकर्ताओं ने पृथ्वी के भू-चुंबकीय क्षेत्र की विन्यास के कारण 7° उत्तर के पास सबसे कम दर और ट्रिएस्टे में सबसे अधिक दर के बीच 16% का अंतर देखते हुए, एक विस्तृत अक्षांश सीमा में समुद्र-स्तर के कॉस्मिक-रे प्रवाह को मापने के लिए एक प्लास्टिक सिंटिलेटर डिटेक्टर का उपयोग किया।

मूल लेखक: Davide Cerasole, Federica Cuna, Gaia De Palma, Riccardo Di Tria, Leonardo Di Venere, Fabio Gargano, Mario Giliberti, Francesco Licciulli, Antonio Liguori, Pierpaolo Loizzo, Francesco Loparco, Leonarda

प्रकाशित 2026-07-07

📖 5 मिनट में पढ़ें🧠 गहराई से पढ़ें

CC BY 4.0

मूल लेखक: Davide Cerasole, Federica Cuna, Gaia De Palma, Riccardo Di Tria, Leonardo Di Venere, Fabio Gargano, Mario Giliberti, Francesco Licciulli, Antonio Liguori, Pierpaolo Loizzo, Francesco Loparco, Leonarda Lorusso, Mario Nicola Mazziotta, Giuliana Panzarini, Roberta Pillera, Davide Serini

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

कल्पना कीजिए कि पृथ्वी एक विशाल, अदृश्य चुंबकीय बल क्षेत्र (magnetic force field) में लिपटी हुई है, जो एक सुरक्षात्मक बुलबुले की तरह है। यह बुलबुला एक बहुत ही विशिष्ट क्लब के बाउंसर (bouncer) की तरह काम करता है: यह तय करता है कि कौन से उच्च-गति वाले अंतरिक्ष कण (जिन्हें कॉस्मिक किरणें कहा जाता है) हमारे वायुमंडल में प्रवेश कर सकते हैं और किन्हें वापस लौटा दिया जाना चाहिए।

यह शोध पत्र बताता है कि कैसे वैज्ञानिकों ने एक ऐतिहासिक इतालवी नौसेना के पाल वाले जहाज, एमेरिगो वेस्पुची (Amerigo Vespucci) का उपयोग एक विशाल, चलते-फिरते प्रयोगशाला के रूप में किया, ताकि इस "बाउंसर" का परीक्षण किया जा सके और यह देखा जा सके कि दुनिया भर में यात्रा करते समय अंतरिक्ष का मौसम कैसे बदलता है।

यहाँ उनके साहसिक कार्य का विवरण दिया गया है:

मिशन: एक तैरती हुई प्रयोगशाला

एमेरिगो वेस्पुची एक सुंदर, ऊंचे मस्तूल वाला जहाज है जिसका उपयोग युवा नौसेना अधिकारियों को प्रशिक्षित करने के लिए किया जाता है। 2024 के अंत में, वैज्ञानिकों ने जहाज पर एक विशेष "कॉस्मिक-रे डिटेक्टर" बांध दिया। इस डिटेक्टर को एक हाई-टेक रेन गेज (वर्षामापी) की तरह समझें, लेकिन यह पानी को नहीं पकड़ता, बल्कि अंतरिक्ष से गिरने वाले अदृश्य कणों को पकड़ता है।

जहाज डार्विन, ऑस्ट्रेलिया से रवाना हुआ और पूरे रास्ते चलकर ट्रिएस्टे, इटली तक पहुँचा, और फिर भूमध्य सागर के माध्यम से जेनोआ तक पहुँचा। इस यात्रा में उन्होंने अक्षांशों (latitudes) की एक विस्तृत श्रृंखला को पार किया, गर्म भूमध्य रेखा से लेकर ठंडे उत्तरी समुद्रों तक।

"बाउंसर" प्रभाव (अक्षांश)

मुख्य खोज यह थी कि पृथ्वी का चुंबकीय क्षेत्र इस बात पर निर्भर करता है कि आप कहाँ हैं।

भूमध्य रेखा एक सख्त बाउंसर है: भूमध्य रेखा के पास (7° उत्तर अक्षांश के आसपास, सिंगापुर और फुकेट जैसी जगहों के पास), पृथ्वी का चुंबकीय क्षेत्र आने वाले कणों के खिलाफ सबसे मजबूत होता है। यह एक बहुत ही सख्त बाउंसर की तरह है जो केवल सबसे शक्तिशाली, ऊर्जावान कणों को ही अंदर आने देता है। इसके परिणामस्वरूप, डिटेक्टर ने यहाँ कणों की सबसे कम संख्या देखी।
ध्रुव एक उदार बाउंसर हैं: जैसे-जैसे जहाज उत्तर की ओर इटली की तरफ बढ़ा, चुंबकीय "बाउंसर" अधिक उदार होता गया। इसने अधिक कणों को अंदर आने दिया। जब तक जहाज ट्रिएस्टे (सबसे उत्तरी बिंदु) पहुँचा, डिटेक्टर ने भूमध्य रेखा की तुलना में लगभग 16% अधिक कणों की गिनती की।

वैज्ञानिकों ने पाया कि एक बार जब आप एक निश्चित अक्षांश (लगभग 40° उत्तर) के आगे निकल जाते हैं, तो "बाउंसर" अपना निर्णय बदलना बंद कर देता है, और कणों की संख्या स्थिर हो जाती है।

"सौर तूफान" (फोरबुश डिक्रीज़ेस - Forbush Decreases)

यात्रा के दौरान, सूर्य एक सक्रिय अवधि (सौर चक्र 25) से गुजर रहा था। सूर्य कभी-कभी चुंबकीय ऊर्जा और कणों के विशाल बादल बाहर निकालता है, जिन्हें कोरोनल मास इजेक्शन (Coronal Mass Ejections) कहा जाता है।

जब ये सौर बादल पृथ्वी से टकराते हैं, तो वे कॉस्मिक किरणों को दूर धकेल देते हैं, जैसे तेज हवा बारिश के बादलों को एक तरफ उड़ा देती है। वैज्ञानिकों ने इन घटनाओं को "फोरबुश डिक्रीज़ेस" कहा।

उन्होंने यात्रा के दौरान सात प्रमुख सौर तूफानों का पता लगाया।
हर बार जब कोई तूफान आया, तो डिटेक्टर ने कॉस्मिक किरणों की संख्या में अचानक और तेज गिरावट देखी।
दिलचस्प बात यह है कि फिनलैंड में एक स्थिर डिटेक्टर (लगभग 3-12%) की तुलना में जहाज पर यह गिरावट बहुत कम (लगभग 1-4%) थी। इससे पता चलता है कि जहाज से टकराने वाले कण (मुख्य रूप से म्यूऑन) अधिक मजबूत हैं और उच्च-ऊर्जा स्रोतों से आते हैं, जो फिनिश डिटेक्टर पर टकराने वाले कणों से भिन्न हैं।

उपकरण और "मौसम"

यह सुनिश्चित करने के लिए कि उनके माप सटीक हों, वैज्ञानिकों ने केवल कणों की गिनती नहीं की; उन्होंने जहाज के वातावरण की भी निगरानी की।

तापमान और दबाव: जिस तरह मौसम बारिश को प्रभावित करता है, वैसे ही वायु दाब (air pressure) इस बात को प्रभावित करता है कि कितने कण समुद्र तल तक पहुँचते हैं। उन्होंने अपने डेटा को इसके लिए सुधारा, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि कणों की संख्या में गिरावट केवल इसलिए नहीं थी क्योंकि वायु का दबाव बदल गया था।
जहाज का झुकाव: चूंकि जहाज लहरों पर डोलता है, इसलिए डिटेक्टर भी झुकता है। वैज्ञानिकों ने इस "डोलने" के लिए गणितीय सुधार किया ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि वे सीधे नीचे आने वाले कणों को गिन रहे हैं, न कि केवल बगल से आने वाले कणों को।

निष्कर्ष

जून 2025 में जेनोआ में अपनी यात्रा समाप्त करने तक, वैज्ञानिकों ने उस बात की पुष्टि कर दी थी जिसका उन्हें संदेह था:

स्थान मायने रखता है: पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र के कारण आपको भूमध्य रेखा के पास कम कॉस्मिक किरणें और ध्रुवों के पास अधिक किरणें मिलती हैं।
सूर्य मायने रखता है: सौर तूफान अस्थायी रूप से कॉस्मिक किरणों के आकाश को साफ कर सकते हैं।
डिटेक्टर काम करता है: एक चलते हुए जहाज पर एक साधारण, प्लास्टिक-सिंटिलेटर डिटेक्टर सटीक, उच्च-गुणवत्ता वाला डेटा प्रदान कर सकता है जो जमीन पर स्थित विशाल, स्थिर डिटेक्टरों के साथ मेल खाता है।

संक्षेप में, जहाज एक विशाल, चलते-फिरते रूलर (मापक) की तरह था, जिसने कॉस्मिक किरणों की अदृश्य "बारिश" को मापा और यह सिद्ध किया कि पृथ्वी का चुंबकीय ढाल एक गतिशील, परिवर्तनशील बल है जो पूरी तरह से इस बात पर निर्भर करता है कि आप मानचित्र पर कहाँ खड़े हैं।

तकनीकी सारांश: समुद्र तल पर कॉस्मिक-रे फ्लक्स के अध्ययन के लिए एक चलते हुए प्रयोगशाला के रूप में 'अमेरिगो वेस्पुची'

समस्या और संदर्भ
कॉस्मिक किरणें (CR), मुख्य रूप से उच्च-ऊर्जा वाले प्रोटॉन और परमाणु नाभिक, पृथ्वी के वायुमंडल के साथ परस्पर क्रिया करके द्वितीयक कणों के कैस्केड (जैसे म्यूऑन और इलेक्ट्रॉन) उत्पन्न करती हैं, जो समुद्र तल तक पहुँचते हैं। पृथ्वी की सतह पर इन कणों की तीव्रता दो प्राथमिक कारकों द्वारा नियंत्रित होती है: भू-चुंबकीय क्षेत्र (geomagnetic field) और सौर गतिविधि। भू-चुंबकीय क्षेत्र एक ढाल के रूप में कार्य करता है, जो निम्न-ऊर्जा वाले आवेशित कणों को विक्षेपित करता है; किसी विशिष्ट स्थान तक पहुँचने के लिए एक कण के लिए आवश्यक न्यूनतम संवेग को "भू-चुंबकीय कटऑफ" (geomagnetic cutoff) के रूप में जाना जाता है। यह कटऑफ अक्षांश के साथ बदलता है, जो चुंबकीय भूमध्य रेखा के पास उच्चतम और ध्रुवों के पास निम्नतम होता है। इसके अतिरिक्त, सौर गतिविधि, जो 11-वर्षीय सौर चक्र, सौर ज्वालाओं और कोरोनल मास इजेक्शन (CMEs) द्वारा अभिलक्षित है, "फोरबश डिक्रीज़" (Forbush decreases) नामक क्षणिक कमी के माध्यम से CR फ्लक्स को प्रभावित करती है।

ऐतिहासिक रूप से, CRs पर अक्षांश प्रभाव को 1930 के दशक में जे. क्ले के अभियानों और बाद में आर्थर कॉम्पटन द्वारा स्थापित किया गया था। हालाँकि, भू-चुंबकीय क्षेत्र समय के साथ विकसित होता है, जिससे कटऑफ रिजिडिटी (cutoff rigidities) बदल जाती है। इसके अलावा, जबकि न्यूट्रॉन मॉनिटर्स (NMs) ने न्यूक्लियोनिक घटक के लिए व्यापक डेटा प्रदान किया है, उच्च सौर गतिविधि की अवधि के दौरान विभिन्न अक्षांशों पर समुद्र तल पर म्यूओनिक घटक के निरंतर और विस्तृत माप तुलनात्मक विश्लेषण के लिए मूल्यवान बने हुए हैं। यह अध्ययन विभिन्न भू-चुंबकीय अक्षांशों और सौर स्थितियों के तहत समुद्र तल पर द्वितीयक CR फ्लक्स के निरंतर, उच्च-परिशुद्धता मापन की आवश्यकता को संबोधित करता है।

कार्यप्रणाली
लेखकों ने अपने 2023-2025 के वैश्विक दौरे के दौरान कॉस्मिक-रे फ्लक्स को मापने के लिए एक मोबाइल प्रयोगशाला के रूप में इतालवी नौसेना के प्रशिक्षण जहाज अमेरिगो वेस्पुची का उपयोग किया। अध्ययन को दो मुख्य अभियानों में विभाजित किया गया था:

वर्ल्ड टूर (डार्विन से ट्रिएस्टे): 4 अक्टूबर, 2024 से 4 मार्च, 2025 तक, जो 12.47°S से 45.63°N की भौगोलिक अक्षांश सीमा को कवर करता है।
मेडिटेरेनियन टूर (ट्रिएस्टे से जेनोआ): 7 मार्च, 2025 से 11 जून, 2025 तक।

डिटेक्टर सिस्टम:
उपकरण में दो ओवरलैपिंग 1 सेमी मोटे प्लास्टिक स्किंटिलेटर टाइल्स (15 × 15 सेमी²) शामिल थे, जिन्हें सिलिकॉन फोटोमल्टीप्लायर (SiPMs) द्वारा पढ़ा गया था। सिस्टम को इवेंट को ट्रिगर करने के लिए 50 ns विंडो के भीतर 4-फोल्ड संयोग (प्रत्येक टाइल से दो सिग्नल) की आवश्यकता थी, जिसमें भेदभाव थ्रेशोल्ड लगभग 0.75 MeV था। डिटेक्टर को पर्यावरणीय और स्थितिजन्य चरों की निगरानी के लिए एक व्यापक सेंसर सूट से लैस किया गया था, जिसमें शामिल हैं:

स्थिति और अभिविन्यास: GPS (L80-M39) और या (yaw), पिच (pitch), रोल (roll) तथा स्थानीय चुंबकीय क्षेत्र के लिए एक सेंस हैट बोर्ड (LSM9DS1)।
पर्यावरणीय स्थितियाँ: तापमान (DS18B20, BME280), दबाव (LPS25H, BME280), और आर्द्रता (HTS221)।
डेटा अधिग्रहण: एक रास्पबेरी पाई 4 (Raspberry Pi 4) ने 10-मिनट के रन में डेटा संग्रह का प्रबंधन किया, डेटा को स्थानीय रूप से संग्रहीत किया और इसे INFN बारी कंप्यूटर केंद्र में प्रसारित किया।

डेटा विश्लेषण और सुधार:
कच्चे काउंट रेट्स (raw count rates) को निम्नलिखित के लिए सुधारा गया:

झुकाव (Inclination): जहाज की गति और डिटेक्टर के ऑफ-एक्सिस कोण के आधार पर समायोजित किया गया।
बैरोमेट्रिक प्रभाव: वायुमंडलीय दबाव के उतार-चढ़ाव को ध्यान में रखने के लिए डार्विन में निर्धारित एक गुणांक ( $\beta$ ) का उपयोग करके सुधारा गया ( $\beta = 1.52 \pm 0.48 \times 10^{-3} \text{ hPa}^{-1}$ )।
सौर गतिविधि: ओउलू न्यूट्रॉन मॉनिटर (NM) डेटा का उपयोग फोरबश डिक्रीज़ को पहचानने और मॉडल करने के लिए संदर्भ के रूप में किया गया। लेखकों ने वेस्पुची डेटा को एक फेनोमेनोलॉजिकल मॉडल (समीकरण 1) का उपयोग करके फिट किया, जो एक अक्षांश-निर्भर पद और एक फोरबश डिक्रीज़ पद को जोड़ता है। अक्षांश पद को डॉर्मन फंक्शन (समीकरण 5) का उपयोग करके वर्टिकल भू-चुंबकीय कटऑफ रिजिडिटी ( $R_c$ ) के फलन के रूप में मॉडल किया गया था।

प्रमुख परिणाम

अक्षांश निर्भरता: अध्ययन ने स्पष्ट अक्षांश प्रभाव की पुष्टि की। सबसे कम CR दर लगभग 7°N भौगोलिक अक्षांश (सिंगापुर, बेलावन और फुकेत के पास) पर देखी गई, जहाँ भू-चुंबकीय कटऑफ अधिकतम है। यह न्यूनतम दर ट्रिएस्टे (45.63°N) में मापे गए अधिकतम दर से लगभग 16% कम थी, जो यात्रा का सबसे उत्तरी बिंदु था।
संतृप्ति (Saturation): डेटा इंगित करता है कि CR दर 40° अक्षांश (लगभग ~5 GV की वर्टिकल कटऑफ रिजिडिटी के नीचे) के ऊपर संतृप्त होने लगती है।
फोरबश डिक्रीज़: डार्विन-ट्रिएस्टे चरण के दौरान सात विशिष्ट फोरबश डिक्रीज़ की पहचान की गई, जो सौर चक्र 25 में सौर गतिविधि के शिखर के अनुरूप थीं। वेस्पुची म्यूऑन डिटेक्टर में इन डिक्रीज़ का आयाम 1.1% से 4% के बीच था, जो ओउलू NM में देखे गए 3.1% से 12.3% की तुलना में काफी कम है। यह विसंगति इस बात को उजागर करती है कि म्यूऑन, न्यूट्रॉन की तुलना में उच्च-ऊर्जा वाले प्राथमिक CR के प्रति संवेदनशील होते हैं।
मेडिटेरेनियन अभियान: दूसरे चरण (ट्रिएस्टे से जेनोआ) ने सुसंगत परिणाम दिखाए, जिसमें उत्तरी बिंदु (ट्रिएस्टे) और सबसे दक्षिणी बिंदु (ला वैलेट) के बीच 5% दर की कमी देखी गई, जो वैश्विक दौरे के डेटा के अनुरूप है। मई 2025 के अंत में एक फोरबश डिक्रीज़ भी दर्ज की गई, जिसमें ओउलू NM की तुलना में समान आयाम कमी (~8%) देखी गई।
मॉडल फिटिंग: प्रायोगिक डेटा को वर्टिकल भू-चुंबकीय कटऑफ से संबंधित डॉर्मन फंक्शन द्वारा अच्छी तरह से वर्णित किया गया था। फिट किए गए पैरामीटर $A = 9.21 \pm 0.22$ और $k = 0.575 \pm 0.007$ थे। $k$ का मान आमतौर पर NM डेटा से प्राप्त मानों से कम पाया गया, जो इस अवलोकन का समर्थन करता है कि CR के परमाणु घटक को वायुमंडल द्वारा म्यूऑन घटक की तुलना में अधिक तेजी से क्षीण किया जाता है।

महत्व और दावे
यह पत्र दावा करता है कि अमेरिगो वेस्पुची अभियान ने सौर चक्र 25 के अधिकतम सौर गतिविधि के दौरान एक विस्तृत श्रृंखला के अक्षांशों (15°S से 45°N) में समुद्र तल पर कॉस्मिक-रे फ्लक्स का एक अद्वितीय, निरंतर डेटासेट प्रदान किया है। अध्ययन ने अक्षांश प्रभाव और कॉस्मिक-रे भूमध्य रेखा (लगभग 7°N के आसपास) के स्थान के संबंध में ऐतिहासिक निष्कर्षों को मान्य किया।

लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि एक लंबे समय तक एकल, स्थिर उपकरण के उपयोग ने कम व्यवस्थित प्रभावों के साथ एक सटीक डेटासेट प्रदान किया है। वेस्पुची म्यूऑन काउंटर और ओउलू न्यूट्रॉन मॉनिटर के बीच तुलनात्मक अध्ययन उनके अलग-अलग ऊर्जा संवेदनशीलता के लिए अनुभवजन्य साक्ष्य प्रदान करता है, जो यह दर्शाता है कि म्यूऑन, न्यूट्रॉन की तुलना में फोरबश डिक्रीज़ और वायुमंडलीय क्षीणन से कम प्रभावित होते हैं। उनके परिणाम पिछले अभियानों (जैसे कॉम्पटन, मिलिकन, JARE, और आइसब्रेकर सर्वेक्षणों) के अनुरूप हैं और पृथ्वी की चुंबोस्फीयर संरचना और सौर-स्थलीय अंतःक्रियाओं की निरंतर समझ में योगदान करते हैं।

मिशन: एक तैरती हुई प्रयोगशाला

"बाउंसर" प्रभाव (अक्षांश)

"सौर तूफान" (फोरबुश डिक्रीज़ेस - Forbush Decreases)

उपकरण और "मौसम"

निष्कर्ष

इसी तरह के और पेपर