Unchanged X-Ray Polarization During Accretion Dips in the Low Hard State of Cygnus X-1

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल, अराजक रसोई है जहाँ तारे रसोइये हैं और ब्लैक होल सबसे अधिक भूख रखने वाले ग्राहक हैं। जब एक ब्लैक होल पास के तारे को "खाता" है, तो वह भोजन को पूरा नहीं निगलता; बल्कि यह गैस का एक घूमता हुआ, अत्यधिक गर्म भंवर बनाता है जिसे 'एक्रीशन डिस्क' (accretion disk) कहा जाता है। जैसे-जैसे यह गैस अंदर की ओर घूमती है, इसे तब तक दबाया और गर्म किया जाता है जब तक कि यह तीव्र एक्स-रे के साथ चमकने न लगे, जो कॉस्मिक स्पेक्ट्रम में सबसे उच्च-ऊर्जा वाली रोशनी है। दशकों से, खगोलविदों ने टेलिस्कोप का उपयोग करके यह मापने के लिए कि ये एक्स-रे कितने चमकीले हैं और उनमें कौन से रंग (ऊर्जाएं) शामिल हैं, जैसे कि एक रसोइया सामग्री का अनुमान लगाने के लिए सूप को चखता है। लेकिन इस रेसिपी में एक सामग्री गायब है: हम आसानी से घूमती हुई गैस के आकार या प्रकाश की दिशा को नहीं बता पा रहे थे।

यहाँ एक नया उपकरण आया है जिसे एक्स-रे पोलरिमेट्री (X-ray polarimetry) कहते हैं। प्रकाश को केवल एक किरण के रूप में नहीं, बल्कि एक तरंग के रूप में सोचें जो विभिन्न दिशाओं में कंपन कर सकती है। यदि आप धूप के चश्मे के माध्यम से देखते हैं, तो आप एक दिशा में कंपन करने वाले प्रकाश को रोक देते हैं लेकिन दूसरी दिशा को गुजरने देते हैं। अंतरिक्ष में, यदि एक्स-रे "पोलराइज्ड" (polarized) हैं, तो इसका मतलब है कि वे एक विशिष्ट दिशा में मुख्य रूप रूप से कंपन कर रहे हैं, जैसे कि लोगों की एक भीड़ जो बेतरतीब ढंग से घूमने के बजाय एक सीधी रेखा में मार्च कर रही हो। यह दिशा एक ब्रह्मांडीय दिशा-सूचक (कॉस्मिक कंपास) की तरह कार्य करती है, जो ब्लैक होल के वातावरण की ज्यामिति की ओर संकेत करती है। इस "मार्च करने की दिशा" को मापकर, वैज्ञानिक अंततः यह पता लगा सकते हैं कि गर्म गैस एक चपटी पैनकेक की तरह है, एक ऊंचे टावर की तरह है, या एक बिखरे हुए बादल की तरह है, जिससे वह रहस्य सुलझ जाता है जिसे मानक टेलिस्कोप हल नहीं कर सके।

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लुप्त होती रोशनी का रहस्य

"Unchanged X-Ray Polarization During Accretion Dips in the Low Hard State of Cygnus X-1" नामक शोध पत्र में, खगोलविदों की एक टीम ने इस नए दिशा-सूचक का परीक्षण करने का निर्णय लिया कि एक प्रसिद्ध ब्रह्मांडीय ग्राहक: साइग्नस X-1 (Cygnus X-1) पर। यह एक स्टेलर-मास ब्लैक होल है, जो हमारे सूर्य से लगभग 21 गुना भारी है, और एक विशाल, नीले सुपरजायंट तारे के साथ एक घनिष्ठ नृत्य में बंधा हुआ है। जैसे-जैसे वे हर 5.6 दिनों में एक-दूसरे की परिक्रमा करते हैं, ब्लैक होल अपने साथी से गैस चुराता है, जिससे एक चमकदार एक्स-रे बीकन (beacon) बनता है।

कभी-कभी, यह बीकन टिमटिमाता है। खगोलविद इन टिमटिमाहट को "डिप्स" (dips) कहते हैं। कल्पना कीजिए कि आप हाईवे पर गाड़ी चला रहे हैं और अचानक एक घने कोहरे के पैच से गुजरते हैं; आपकी हेडलाइट्स धीमी हो जाती हैं, और दुनिया अलग दिखाई देती है। साइग्नस X-1 में, ये डिप्स तब होते हैं जब गैस के घने, ठंडे गुच्छे—शायद साथी तारे की हवा या एक्रीशन डिस्क के किनारे से—हमारे और ब्लैक होल के बीच आ जाते हैं, जिससे कुछ रोशनी रुक जाती है। बड़ा सवाल यह था: जब रोशनी रुक जाती है, तो क्या शेष बची रोशनी की दिशा बदल जाती है?

यह पता लगाने के लिए, टीम ने तीन अंतरिक्ष टेलिस्कोपों का उपयोग किया: IXPE (पोलरिमेट्री विशेषज्ञ), NICER, और NuSTAR। उन्होंने 2022 के दो विशिष्ट महीनों के दौरान साइग्नस X-1 पर नज़र रखी, और उस समय इसे पकड़ा जब यह कोहरे के बीच 'डिप' कर रहा था।

महान "क्या होगा यदि" परीक्षण

वैज्ञानिकों के पास कुछ अनुमान थे कि क्या हो सकता है। एक विचार यह था कि डिप्स साथी तारे के वायुमंडल या एक गैस के गुच्छे के कारण होते हैं जो आंतरिक, सबसे गर्म एक्रीशन डिस्क को ब्लॉक कर रहा है। यदि ऐसा होता, तो प्रकाश की "मार्च करने की दिशा" (पोलराइजेशन) बदल जानी चाहिए थी, क्योंकि डिस्क और आसपास की गर्म गैस (कोरोना) अलग-अलग दिशाओं में इशारा कर सकती हैं। यह कुछ ऐसा होता जैसे कोहरा मार्चिंग बैंड को रोक देता लेकिन ड्रमलाइन को गुजरने देता; आप जो ध्वनि सुनते वह अलग होती।

एक अन्य विचार यह था कि डिप्स केवल पूरे दृश्य का एक सामान्य मंद होना (dimming) हैं, जिसका अर्थ है कि प्रकाश स्रोत का आकार नहीं बदला, केवल वॉल्यूम कम हुआ है।

चौंकाने वाला परिणाम

टीम ने डेटा का अत्यंत सावधानी से विश्लेषण किया, डिप से पहले, डिप के दौरान और डिप के बाद के प्रकाश को देखा। उन्होंने पोलराइजेशन डिग्री (प्रकाश तरंगें कितनी व्यवस्थित थीं) और पोलराइजेशन एंगल (वे किस दिशा में मार्च कर रही थीं) को मापा।

यहाँ मोड़ आया: दिशा बिल्कुल नहीं बदली।

भले ही एक्स-रे प्रकाश की कुल मात्रा काफी कम हो गई थी—मई में लगभग 33% और जून में 40%—लेकिन पोलराइजेशन एंगल स्थिर बना रहा। यह ब्लैक होल के रेडियो जेट की दिशा के साथ संरेखित रहा, जो लगभग -27 डिग्री पर इशारा कर रहा था। प्रकाश की तरंगों का "मार्चिंग ऑर्डर" बिल्कुल वैसा ही रहा, चाहे ब्लैक होल चमक रहा हो या गैस के बादल के पीछे छिपा हो।

यह निष्कर्ष निकालता है कि डिप्स आंतरिक एक्रीशन डिस्क के अवरोध के कारण नहीं हैं जो प्रकाश स्रोत की समग्र ज्यामिति को बदल दे। यदि डिस्क ही पोलराइज्ड प्रकाश का मुख्य स्रोत होती, तो उसे ब्लॉक करने से दिशा बिखर जाती। इसके बजाय, परिणाम बताते हैं कि जो प्रकाश हम देख रहे हैं वह ब्लैक होल के चारों ओर एक बहुत बड़े, विस्तृत "कोरोना" (इलेक्ट्रॉनों का एक गर्म, विसरित बादल) से आ रहा है। यह कोरोना इतना बड़ा और फैला हुआ है कि डिप्स पैदा करने वाले स्थानीय गैस के छोटे गुच्छे ऐसे हैं जैसे स्टेडियम में कोई व्यक्ति हाथ हिला रहा हो; वे कुछ सीटें तो ब्लॉक कर सकते हैं, लेकिन वे पूरे स्टेडियम के आकार या भीड़ के चेहरे की दिशा को नहीं बदल सकते।

इसका क्या अर्थ है

शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि साइग्नस X-1 में एक्स-रे पोलराइजेशन संभवतः इस विशाल, चपटे कोरोना से उत्पन्न होता है, न कि स्वयं आंतरिक डिस्क से। तथ्य यह है कि डिप्स के दौरान पोलराइजेशन स्थिर रहता है, यह सुझाव देता है कि उत्सर्जक क्षेत्र (emitting region) की ज्यामिति सुदृढ़ है और स्थानीय गैस के गुच्छों से आसानी से विचलित नहीं होती है।

हालांकि डिप्स के दौरान डेटा हर एक विवरण को 100% निश्चितता के साथ सिद्ध करने के लिए पर्याप्त मजबूत नहीं था, लेकिन एंगल की निरंतरता एक मजबूत संकेत है। यह हमें बताता है कि "कोरोना" ही एक्स-रे शो का मुख्य मंच है, और यह इतना बड़ा है कि वह सड़क के छोटे-मोटे उतार-चढ़ाव को अनदेखा कर सके। यह खगोलविदों को ब्लैक होल के खाने के तरीके के बारे में उनके मानसिक मॉडल को परिष्कृत करने में मदद करता है, यह सुझाव देते हुए कि उनके आसपास की गर्म गैस के बादल छोटे, सघन टावरों के बजाय विशाल, चपटे पैनकेक की तरह हैं।

संक्षेप में, जब साइग्नस X-1 टिमटिमाया, तो उसने अपनी दिशा बदलने के बारे में अपना विचार नहीं बदला। इसने केवल अपनी आवाज़ (वॉल्यूम) कम कर दी, जिससे पुष्टि हुई कि इसके पोलराइज्ड प्रकाश का स्रोत एक विशाल, स्थिर संरचना है जो ब्रह्मांडीय कोहरे में भी जीवित रहती है।