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Discovery of Optical Filaments in the North Polar Spur/eROSITA Bubble

यह शोध पत्र नॉर्थ पोलर स्पर क्षेत्र में ऑप्टिकल फिलामेंट्स की खोज की रिपोर्ट करता है, जो 144 मेगाहर्ट्ज़ रेडियो संरचनाओं के साथ सहवर्ती हैं, जिनकी उत्सर्जन विशेषताओं और ऊर्जा आवश्यकताओं से यह संकेत मिलता है कि इनका उद्भव विशिष्ट स्टार फॉर्मेशन-संचालित विंड्स के बजाय एजीएन (AGN) गतिविधि या स्टार फॉर्मेशन रिंग्स द्वारा संचालित है।

मूल लेखक: Julian Shapiro

प्रकाशित 2026-07-23

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Julian Shapiro

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कल्पना कीजिए कि मिल्की वे (Milky Way) केवल सितारों का एक स्थिर संग्रह नहीं है, बल्कि एक जीवित, सांस लेती हुई शहर है जो कभी-कभी एक विशाल पार्टी आयोजित करता है। कभी-कभी, इस गैलेक्टिक शहर का केंद्र थोड़ा अधिक उत्साहित हो जाता है, जिससे ऊर्जा की विशाल, अदृश्य शॉकवेव्स (shockwaves) बाहर की ओर निकलती हैं, जैसे तालाब में पत्थर गिरने पर लहरें उठती हैं। वैज्ञानिक काफी समय से इन "बुलबुलों" (bubbles) के बारे में जानते रहे हैं—जो गर्म गैस और उच्च-ऊर्जा कणों के बने होते हैं—इन्हें एक्स-रे और रेडियो तरंगों में देखा गया है। लेकिन लंबे समय तक, इसकी "ऑप्टिकल" (optical) कहानी—वह दृश्य प्रकाश जिसे हम अपनी आँखों से देख सकते हैं—एक रहस्य बनी रही। यह ऐसा ही है जैसे किसी अंधेरे कमरे में एक विशाल विस्फोट हुआ हो, यह जानते हुए भी कि क्या हुआ, लेकिन तब तक चिंगारियां नहीं देख पा रहे थे जब तक कि अंततः किसी ने रोशनी नहीं जला दी। यह शोध पत्र अंततः उन चिंगारियों को देखने के बारे में है।

कह chuyện दो प्रसिद्ध ब्रह्मांडीय संरचनाओं से शुरू होती है: "फेर्मी बबल्स" (Fermi bubbles), जो गामा-रे के विशाल बुलबुले हैं, और उससे भी बड़े "इरोसिटा बबल्स" (eROSITA bubbles), जो एक्स-रे शेल (shells) हैं। ये दोनों हमारे आकाशगंगा के बिल्कुल केंद्र से उत्पन्न होते प्रतीत होते हैं, जो संभवतः एक सुपरमैसिव ब्लैक होल या तीव्र तारा निर्माण गतिविधि के कारण होते हैं। इन बुलबुलों के भीतर, एक चमकीली, घुमावदार विशेषता है जिसे "नॉर्थ पोलर स्पर" (North Polar Spur - NPS) कहा जाता है। दशकों से, खगोलशास्त्री रेडियो तरंगों में इस स्पर को देखते आए हैं, लेकिन वे अनिश्चित थे कि यह दृश्य प्रकाश में कैसा दिखता है। बड़ा सवाल यह था: क्या यह स्पर केवल आकाशगंगा की पृष्ठभूमि गैस का एक सामान्य हिस्सा है, या यह गैलेक्टिक केंद्र से जुड़ी एक विशेष, उच्च-ऊर्जा संरचना है? इसे समझने के लिए, हमें कुछ चीजों को जानना आवश्यक है। पहला, "आयोनाइज्ड गैस" (ionized gas) केवल वह गैस है जिससे इलेक्ट्रॉन छीन लिए गए हैं, जो अक्सर तीव्र गर्मी या विकिरण द्वारा किया जाता है, जिससे वह चमकने लगती है। दूसरा, अलग-अलग प्रकार की चमकती गैसें प्रकाश के विशिष्ट "रंगों" (या तरंग दैर्ध्य) को उत्सर्जित करती हैं; उदाहरण के लिए, हाइड्रोजन लाल (Hα) रंग में चमकता है, जबकि सल्फर और ऑक्सीजन विशिष्ट हरे और लाल रंगों में चमकते हैं। इन रंगों के अनुपात को देखकर, वैज्ञानिक बता सकते हैं कि गैस एक मंद हवा (जैसे सामान्य तारों का प्रकाश) से गर्म हो रही है या एक हिंसक शॉकवेव (जैसे विस्फोट) से।

खोज: अदृश्य तंतुओं (Filaments) का मिलना

इस शोध पत्र में, लेखक जूलियन शापिरो एक ब्रह्मांडीय जासूस की तरह कार्य करते हैं जिन्होंने अंततः पहेली का खोया हुआ हिस्सा ढूंढ लिया है। एक नए, उच्च-रिज़ॉल्यूशन सर्वेक्षण जिसे "नार्दर्न स्काई नैरोबैंड सर्वे" (NSNS) कहा जाता है, का उपयोग करते हुए, शापिरो ने नॉर्थ पोलर स्पर के क्षेत्र में प्रकाश के विशिष्ट रंगों—Hα, [O iii], और [S ii]—की तलाश की। उन्हें जो मिला वह था "ऑप्टिकल फिलामेंट्स" (optical filaments) का एक नेटवर्क। इन्हें चमकते हुए, धागे जैसे गैस के रेशों के रूप में सोचें जो पहले शोर (noise) में छिपे हुए थे। ये तंतु केवल यादृच्छिक (random) नहीं हैं; वे 144 MHz पर पता लगाए गए रेडियो तरंगों के साथ पूरी तरह से संरेखित होते हैं, जो सुझाव देते हैं कि वे एक ही भौतिक संरचना का हिस्सा हैं।

प्रमाण: यह औसत गैस नहीं है

हमें कैसे पता चलता है कि ये तंतु विशेष हैं और सामान्य पृष्ठभूमि गैस नहीं हैं? यह शोध पत्र प्रकाश के "रंगों" के उपयोग में एक चतुर तकनीक का उपयोग करता है। आकाशगंगा के सामान्य, शांत हिस्सों (जिन्हें 'वॉर्म आयनाइज्ड मीडियम' या WIM कहा जाता है) में, सल्फर प्रकाश और हाइड्रोजन प्रकाश का अनुपात एक अनुमानित पैटर्न का पालन करता है। हालाँकि, नॉर्थ पोलर स्पर के तंतु इस पैटर्न को तोड़ते हैं। वे अपेक्षित दर से हाइड्रोजन की तुलना में सल्फर का उच्च अनुपात दिखाते हैं। यह एक सामान्य लकड़ी की आग की तुलना में एक अलग रासायनिक मिश्रण के साथ जलती हुई कैंपफायर (campfire) को खोजने जैसा है; यह सुझाव देता है कि गैस को किसी अधिक ऊर्जावान चीज़, जैसे कि शॉकवेव या तीव्र विकिरण द्वारा हिट किया जा रहा है, न कि केवल दूर के तारों की मंद चमक में बैठे रहने से।

इसके अलावा, लेखक ने एक गणितीय उपकरण जिसका नाम "पावर स्पेक्ट्रम" है, का उपयोग करके गैस की "बनावट" (texture) का विश्लेषण किया। जहाँ सामान्य गैस एक चिकने, धुंधले बादल की तरह दिखती है, वहीं नॉर्थ पोलर स्पर के तंतु एक विशिष्ट आकार के प्रति स्पष्ट प्राथमिकता दिखाते हैं: वे लगभग 0.6 डिग्री चौड़े हैं। यह विशिष्ट पैमाना इस संरचना का एक फिंगरप्रिंट है, जो पुष्टि करता है कि ये संगठित, भौतिक विशेषताएं हैं और केवल यादृच्छिक शोर नहीं हैं।

स्रोत: ऊर्जा कहाँ से आई?

इस शोध पत्र का सबसे रोमांचक हिस्सा यह पता लगाना है कि इस चमक को क्या शक्ति प्रदान कर रहा है। लेखक ने गणना की कि गैस को उसकी चमक बनाए रखने के लिए कितनी कुल ऊर्जा की आवश्यकता है। संख्या $5 \times 10^{41}$ और $12 \times 10^{41}$ erg s $^{-1}$ के बीच आई। इसे समझने के लिए, यह एक विस्मयकारी मात्रा है।

शोध पत्र फिर विभिन्न सिद्धांतों का परीक्षण करता है कि कौन सी चीज़ इतनी शक्ति प्रदान कर सकती है:

तारा निर्माण पवनें (Star Formation Winds): यह विचार कि नए सितारों के समूह गैस को एक विशाल पंखे की तरह बाहर फेंक रहे हैं, खारिज कर दिया गया है। आवश्यक ऊर्जा बहुत अधिक है; यदि आकाशगंगा का प्रत्येक तारा जितनी जोर से फूँक मार सकता है, वह भी पर्याप्त नहीं होगा।
एक्टिव गैलेक्टिक न्यूक्लिआई (AGN) जेट्स: यह सिद्धांत बताता है कि आकाशगंगा के केंद्र में एक सुपरमैसिव ब्लैक होल कणों की एक जेट छोड़ रहा है। शोध पत्र पाता है कि यह मॉडल आसानी से पर्याप्त ऊर्जा प्रदान करता है, जो आवश्यकता से कहीं अधिक है।
हॉट एक्रेशन फ्लो (Hot Accretion Flows): यह ब्लैक होल पर गैस का एक धीमा, "टपकता हुआ" प्रवाह है। शोध पत्र सुझाव देता है कि यह भी एक संभावित स्रोत है, क्योंकि इसमें अवलोकनों से मेल खाने के लिए पर्याप्त शक्ति है।
स्टार-फॉर्मिंग रिंग (Star-Forming Ring): एक नया सिद्धांत सुझाव देता है कि केंद्र के पास तारा-निर्माण करने वाले समूहों की एक रिंग इस बहिर्वाह (outflow) को संचालित कर रही है। शोध पत्र पाता है कि यह भी एक मजबूत उम्मीदवार है, विशेष रूप से क्योंकि आकाश में चुंबकीय संरचनाएं इन तंतुओं के आधार के साथ पूरी तरह से संरेखित दिखाई देती हैं।

इसका क्या अर्थ है

शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि नॉर्थ पोलर स्पर संभवतः हमारी आकाशगंगा के केंद्र की गतिविधियों का सीधा परिणाम है, न कि पास में हुए किसी स्थानीय विस्फोट का। तंतु इसलिए चमक रहे हैं क्योंकि उन्हें गैलेक्टिक कोर से आने वाली शक्तिशाली ताकतों से टकराया जा रहा है। हालांकि यह शोध पत्र निश्चित रूप से यह साबित नहीं करता है कि कौन सा विशिष्ट तंत्र (जेट बनाम एक्रेशन फ्लो) अपराधी है, लेकिन यह संदिग्धों की सूची को काफी कम कर देता है। यह "स्थानीय शॉक" (local shock) के विचार और "स्टार विंड" (star wind) के विचार को खारिज करता है, जिससे गैलेक्टिक केंद्र के शक्तिशाली इंजन ही एकमात्र ऐसे बचते हैं जिनके पास इन ब्रह्मांडीय तंतुओं को रोशन करने के लिए पर्याप्त शक्ति है।

संक्षेप में, यह शोध पत्र एक ब्रह्मांडीय रहस्य की चमक को बढ़ा देता है, यह प्रकट करता है कि नॉर्थ पोलर स्पर हमारी आकाशगंगा के हृदय से संचालित एक चमकती हुई, तंतुमय संरचना है, और यह हमें यह समझने की एक स्पष्ट तस्वीर देता है कि हमारा घर आकाशगंगा कैसे सांस लेती है और विकसित होती है।

तकनीकी सारांश: नॉर्थ पोलर स्पर/eROSITA बबल में ऑप्टिकल फिलामेंट्स की खोज

समस्या और संदर्भ
eROSITA बबल्स, जो गैलेक्टिक केंद्र से निकलने वाले एक्स-रे उत्सर्जित करने वाले विशाल शेल (shells) का एक जोड़ा है, और फर्मी बबल्स (Fermi bubbles), उनके मूल (AGN जेट बनाम स्टार फॉर्मेशन विंड्स) और भौतिक संबंध के संबंध में गहन बहस का विषय बने हुए हैं। जबकि ये संरचनाएं $\gamma$ -रे, एक्स-रे और रेडियो डोमेन में अच्छी तरह से परिभाषित हैं, इनसे जुड़ी ऑप्टिकल उत्सर्जन (optical emission) को काफी हद तक अनछुआ छोड़ दिया गया है। फर्मी बबल्स और नॉर्थ पोलर स्पर (NPS) में हाई-वेलोसिटी H $\alpha$ का पता लगाने के प्रयास विस्कॉन्सिन एच-अल्फा मैपर (WHAM) का उपयोग करके, या तो सर्वे की गहराई की सीमाओं पर गैर-पता लगाने (non-detections) के रूप में रहे या केवल उच्च-वेग वाले घटकों के रूप में रहे। NPS की प्रकृति—चाहे वह एक स्थानीय सुपरनोवा अवशेष (supernova remnant) हो या गैलेक्टिक सेंटर (GC) की घटना—और eROSITA बबल्स के साथ इसका संबंध, बहु-तरंगदैर्ध्य (multi-wavelength) बाधाओं की आवश्यकता रखता है, विशेष रूप से शॉक आयनीकरण (shock ionization), फोटोआयनीकरण (photoionization), या सामान्य वॉर्म आयनाइज्ड मीडियम (WIM) के बीच अंतर करने के लिए।

कार्यप्रणाली
यह अध्ययन नॉर्दर्न स्काई नैरोबैंड सर्वे (NSNS) DR0.2 के डेटा का उपयोग करता है, जो H $\alpha$ , [O iii], और [S ii] उत्सर्जन रेखा मानचित्र प्रदान करता है, साथ ही लोफर टू-मीटर स्काई सर्वे (LoTSS DR3) के 144 MHz रेडियो डेटा और 408 MHz हसलाम (Haslam) मैप का भी उपयोग करता है। विश्लेषण गैलेक्टिक निर्देशांक $l = 17.3^\circ, b = 44.6^\circ$ पर केंद्रित $50^\circ \times 100^\circ$ क्षेत्र पर केंद्रित है।

मुख्य कार्यप्रणाली संबंधी चरण शामिल हैं:

एक्सटिंक्शन करेक्शन (Extinction Correction): ऑप्टिकल फ्लक्स को ठीक करने के लिए प्रति-पिक्सेल आधार पर Bayestar19 डस्ट मैप्स और फिट्ज़पैट्रिक एट अल. (2019) के एक्सटिंक्शन लॉ का अनुप्रयोग।
स्ट्रक्चर मास्किंग (Structure Masking): NPS फिलामेंट्स को अलग करने के लिए एक सर्वसम्मत मास्क बनाना। इसमें NPS प्रोजेक्शन को अलग करने के लिए एक गाऊसी-स्मूथ (Gaussian-smoothed) हसलाम इमेज को घटाना शामिल है, फिर आर्टिफैक्ट्स और बैकग्राउंड शोर को कम करने के लिए [O iii] या [S ii] डिटेक्शन के साथ H $\alpha$ डिटेक्शन ( $>2.5\sigma$ ) का प्रतिच्छेदन (intersection) करना।
सांख्यिकीय विश्लेषण (Statistical Analysis): NPS फिलामेंट्स को WIM से अलग करने के लिए गैलेक्टिक अक्षांश के विरुद्ध लाइन रेश्यो ([S ii]/H $\alpha$ , [O iii]/H $\alpha$ ) की तुलना करना। H $\alpha$ डेटा पर पावर स्पेक्ट्रम और $\Delta$ -वेरिएंस विश्लेषण किया जाता है ताकि फिलामेंटरी स्केल्स को कैरेक्टराइज किया जा सके, जो नियंत्रण WIM क्षेत्रों के विरुद्ध NPS की तुलना करता है।
बहु-तरंगदैर्ध्य प्रोफाइलिंग (Multi-wavelength Profiling): NPS किनारे के लंबवत पांच स्थानिक प्रोफाइल (a–e लेबल वाले) निकाले गए हैं ताकि ऑप्टिकल, रेडियो (144 MHz), और एक्स-रे (eROSITA) तीव्रता को सह-संबंधित किया जा सके।
ऊर्जा विज्ञान और मॉडलिंग (Energetics and Modeling): GC मूल को मानते हुए एमिशन मेजर (emission measures), इलेक्ट्रॉन घनत्व, और आयनित द्रव्यमान की गणना की जाती है। देखे गए आयनीकरण को बनाए रखने के लिए आवश्यक शक्ति ( $P_{req}$ ) व्युत्पन्न की जाती है। सैद्धांतिक लाइन रेश्यो की तुलना MAPPINGS V शॉक मॉडल और क्लाउडी (Cloudy) फोटोआयनीकरण मॉडल के साथ की जाती है।

मुख्य परिणाम

ऑप्टिकल फिलामेंट्स की खोज: पेपर NPS और उत्तरी eROSITA बबल के साथ सहवर्ती (coincident) H $\alpha$ , [O iii], और [S ii] में विशिष्ट ऑप्टिकल फिलामेंट्स का पहला पता लगाने की रिपोर्ट करता है।
फिलामेंटरी संरचना: $\Delta$ -वेरिएंस विश्लेषण $L \approx 0.6^\circ$ के लैग (lag) पर फिलामेंटरी संरचनाओं के लिए प्राथमिकता प्रकट करता है, जो पिछले WHAM सर्वेक्षणों की रिज़ॉल्यूशन सीमा ( $1^\circ$ ) से नीचे का पैमाना है।
आयनीकरण डायग्नोस्टिक्स: NPS फिलामेंट्स मानक WIM संबंध की तुलना में अक्षांश $25^\circ-40^\circ$ पर उन्नत [S ii]/H $\alpha$ अनुपात ( $\sim 0.12-0.43$ ) प्रदर्शित करते हैं, जो एक विशिष्ट शॉक या फोटोआयनीकरण घटक का सुझाव देते हैं।
स्थानिक सह-घटना (Spatial Coincidence): ऑप्टिकल उत्सर्जन, NPS के एक आंतरिक क्षेत्र में 144 MHz रेडियो उत्सर्जन के साथ स्थानिक रूप से मेल खाता है, जो ज्ञात चुंबकीय गैलेक्टिक संरचनाओं के साथ संरेखित है। eROSITA बबल के किनारे पर भी धुंधला उत्सर्जन पाया गया है।
गैर-फ्री-फ्री उत्पत्ति (Non-Free-Free Origin): देखा गया रेडियो ब्राइटनेस टेम्परेचर ( $T_b \approx 7.3$ K @ 408 MHz), H $\alpha$ तीव्रता ( $T_b \approx 0.1$ K) से प्राप्त अपेक्षित फ्री-फ्री उत्सर्जन से बहुत अधिक है, जो थर्मल ब्रेम्सट्रालुंग (thermal bremsstrahlung) को प्राथमिक रेडियो तंत्र के रूप में खारिज करता है।
ऊर्जा विज्ञान (Energetics): बैकग्राउंड-सबट्रैक्टेड H $\alpha$ तीव्रता $I_{H\alpha} = 1.85 \pm 1.04$ R है। इस आयनीकरण को उत्पन्न करने के लिए आवश्यक शक्ति $P_{req} \approx 5-12 \times 10^{41}$ erg s $^{-1}$ अनुमानित है।

महत्व और दावे
पेपर का दावा है कि इन ऑप्टिकल फिलामेंट्स की खोज NPS और eROSITA बबल्स की उत्पत्ति के लिए महत्वपूर्ण बाधाएं प्रदान करती है:

स्टार फॉर्मेशन विंड्स का बहिष्करण: आवश्यक शक्ति ( $P_{req}$ ), पूर्ण दक्षता मानते हुए भी, स्टार फॉर्मेशन-संचालित विंड मॉडल्स ( $\sim 5 \times 10^{40}$ erg s $^{-1}$ ) की क्षमताओं से काफी अधिक है।
गैलेक्टिक सेंटर मूल का समर्थन: ऊर्जा विज्ञान, AGN जेट मॉडल्स ( $\sim 10^{44}$ erg s $^{-1}$ ) द्वारा आसानी से पार कर लिया जाता है और AGN हॉट एक्रेशन फ्लो मॉडल्स ( $\sim 2 \times 10^{41}$ erg s $^{-1}$ ) के लिए भी प्रशंसनीय है।
स्टार फॉर्मेशन रिंग मॉडल: चुंबकीय संरचनाओं और Hi-GAL स्टार-फॉर्मिंग क्लंप्स के आधार के साथ ऑप्टिकल/रेडियो चोटियों का स्थानिक संरेखण, स्टार फॉर्मेशन रिंग मॉडल (जो GC से $\sim 3-5$ pc दूर क्लंप्स द्वारा संचालित है) को एक सम्मोहक, हालांकि निश्चित रूप से प्रमाणित नहीं किया गया, विकल्प बनाता है।
स्थानीय शॉक का बहिष्करण: निम्न $Q$ पैरामीटर ( $I_{H\alpha}/I_{1.4 \text{ GHz}} \approx 320-440}$ ) और रेडियो उत्सर्जन के सापेक्ष H $\alpha$ की धुंधलापन, एक स्थानीय सुपरनोवा अवशेष (SNR) शॉक के साथ असंगत है, जिसके लिए काफी उच्च H $\alpha$ तीव्रता की आवश्यकता होगी।

लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि हालांकि धातुता (metallicity) और चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति को सीमित करने के लिए गहन फॉलो-अप के बिना विशिष्ट आयनीकरण तंत्र (शॉक बनाम फोटोआयनीकरण) को अनन्य रूप से निर्धारित नहीं किया जा सकता है, फिर भी डेटा स्थानीय या स्टार-फॉर्मेशन-संचालित विंड परिदृश्यों की तुलना में NPS/eROSITA सिस्टम के लिए गैलेक्टिक सेंटर मूल के पक्ष में मजबूती से झुकता है।

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