Mixing stochasticity relinquishes evidence for magnetorotational hypernovae

हमारी मंदाकिनी आकाशगंगा के प्राचीन प्रभामंडल की गहराइयों में, उन तारों के बीच जो गैलेक्टिक केंद्र से बहुत दूर परिक्रमा करते हैं, रासायनिक जीवाश्म (chemical fossils) बिखरे पड़े हैं। ये ऐसे तारे हैं जो इतने पुराने और भारी तत्वों में इतने निर्धन हैं कि वे समय के कैप्सूल (time capsules) के रूप में कार्य करते हैं, जो अरबों साल पहले उन गैस बादलों की संरचना को संरक्षित करते हैं जिनसे वे उत्पन्न हुए थे। इन तारों में तत्वों के विशिष्ट मिश्रण का अध्ययन करके, खगोलशास्त्री उन हिंसक घटनाओं का पुनर्निर्माण कर सकते हैं जिन्होंने प्रारंभिक ब्रह्मांड को ग्रहों और जीवन के निर्माण खंडों से समृद्ध किया था। जब एक विशाल तारा सुपरनोवा विस्फोट में मरता है, या जब दो न्यूट्रॉन तारे आपस में टकराते हैं, तो वे नए तत्वों का निर्माण करते हैं और उन्हें अंतरिक्ष में बिखेर देते हैं। एक एकल तारे में इन तत्वों का पैटर्न आमतौर पर एक एकल, विनाशकारी घटना की कहानी बताता है जिसने इसके जन्म लेने वाले बादल को प्रदूषित किया था। हालाँकि, ब्रह्मांड शायद ही कभी सरल होता है, और वे गैस बादल जहाँ तारे बनते हैं, अक्सर अव्यवस्थित और असमान रूप से मिश्रित वातावरण होते हैं। इसका अर्थ यह है कि एक तारा किसी एक विस्फोट के संपूर्ण आउटपुट को प्राप्त करने के बजाय, उसका एक विशिष्ट, यादृच्छिक हिस्सा, या शायद विभिन्न स्रोतों के मलबे का एक मिश्रण प्राप्त कर सकता है।

हाल ही में एक अध्ययन ने SMSS J2003-1142 नामक एक विशेष रूप से विचित्र तारे पर ध्यान केंद्रित किया, जो आकाशगंगा के बाहरी छोरों में स्थित है। यह एक लाल दानव (red giant) तारा है जिसका धातु अंश सूर्य की तुलना में लगभग 3,000 गुना कम है, जो इसे ज्ञात सबसे कम धातु वाले तारों में से एक बनाता है। यह एक पीछे की ओर जाने वाली कक्षा (backward orbit) पर चलता है, जो यह संकेत देता है कि इसे संभवतः एक छोटे, प्राचीन बौने आकाशगंगा (dwarf galaxy) से लिया गया था जो बहुत पहले मंदाकिनी के साथ विलीन हो गई थी। चूँकि इस तारे में भारी तत्वों की असामान्य रूप से उच्च मात्रा है जो तीव्र न्यूट्रॉन कैप्चर द्वारा बनाई गई है, जिसे 'r-प्रक्रिया' (r-process) कहा जाता है, शोधकर्ताओं की एक पिछली टीम ने एक नाटकीय उत्पत्ति की कहानी प्रस्तावित की थी। उन्होंने तर्क दिया कि इस तारे के अद्वितीय रासायनिक निशान को केवल एक एकल, अविश्वसनीय रूप से ऊर्जावान घटना द्वारा समझाया जा सकता है: एक मैग्नेटोरोटेशनल हाइपरनोवा (magnetorotational hypernova)। यह काल्पनिक विस्फोट एक तेजी से घूमते हुए, विशाल तारे से संबंधित होगा जो ढह जाता है और शक्तिशाली जेट छोड़ता है, जिससे मानक भारी तत्वों और दुर्लभ r-प्रक्रिया तत्वों दोनों का एक साथ निर्माण होता है।

एक नए विश्लेषण में, शोधकर्ताओं अनमोल अग्रवाल और राल्फ शोनरिच ने इस एकल, उच्च-ऊर्जा वाली व्याख्या को चुनौती दी है। वे प्रस्ताव करते हैं कि इस तारे की अजीब रासायनिक संरचना एक एकल, विलक्षण विस्फोट का परिणाम नहीं है, बल्कि एक अधिक सामान्य, फिर भी जटिल मिश्रण प्रक्रिया का परिणाम है। एक हाइपरनोवा के बजाय, वे सुझाव देते हैं कि यह तारा एक ऐसे गैस बादल से बना है जो दो साधारण, फिर भी विशिष्ट, ब्रह्मांडीय घटनाओं द्वारा समृद्ध हुआ था: एक विशाल तारे से होने वाला एक मानक कोर-कोलैप्स सुपरनोवा और एक न्यूट्रॉन तारा विलय (neutron star merger)। शोधकर्ताओं ने 'मिक्सिंग स्टोकेस्टिसिटी' (mixing stochasticity) नामक एक अवधारणा को लागू किया, जो इस तथ्य को ध्यान में रखता है कि जब एक सुपरनोवा विस्फोट होता है, तो उसका मलबा एक चिकने कोहरे की तरह समान रूप से नहीं फैलता है। इसके बजाय, सामग्री गांठदार और असमान होती है। पास में बनने वाला एक नया तारा उस मलबे के केवल एक विशिष्ट, यादृच्छिक हिस्से को, या विभिन्न स्रोतों के मलबे के मिश्रण को ग्रहण कर सकता है, न कि विस्फोट के पूर्ण, औसत आउटपुट को।

अपने विचार का परीक्षण करने के लिए, टीम ने एक मॉडल बनाया जिसने एक मानक सुपरनोवा और एक न्यूट्रॉन तारा विलय से प्राप्त रासायनिक उपज (chemical yields) को जोड़ा, और फिर सिम्युलेट किया कि इन सामग्रियों का एक यादृच्छिक, असमान मिश्रण एक नए तारे में शामिल होने पर कैसा दिखेगा। उन्होंने इस सिमुलेशन की तुलना SMSS J2003-1142 में देखे गए वास्तविक तत्वों की प्रचुरता से की। परिणाम आश्चर्यजनक थे। एक मानक सुपरनोवा और एक न्यूट्रॉन तारा विलय पर आधारित मॉडल, हाइपरनोवा मॉडल की तुलना में देखे गए डेटा के साथ काफी बेहतर तरीके से फिट बैठता है। हाइपरनोवा भविष्यवाणी और वास्तविक तारे के बीच का अंतर, नए दो-स्रोत वाले मॉडल में पाए गए अंतर से लगभग दोगुना बड़ा था। विशेष रूप से, नया मॉडल कैल्शियम, मैग्नीशियम और निकल जैसे तत्वों के स्तर को सफलतापूर्वक पुनरुत्पादित करता है, जिसे हाइपरनोवा मॉडल मिलाने में संघर्ष करता था, जबकि इसने न्यूट्रॉन तारा विलय घटक के माध्यम से भारी r-प्रक्रिया तत्वों का भी हिसाब रखा।

शोधकर्ताओं ने हाइपरनोवा सिद्धांत का समर्थन करने के लिए उपयोग किए गए विशिष्ट तर्कों को भी संबोधित किया। मूल अध्ययन ने कोबाल्ट और जिंक जैसे तत्वों के उच्च अनुपात को एक उच्च-ऊर्जा विस्फोट के प्रमाण के रूप में इंगित किया था, लेकिन नए मॉडल ने दिखाया कि एक मानक सुपरनोवा, जब न्यूट्रॉन स्टार सामग्री के साथ मिश्रित होता है, तो बिना किसी विलक्षण हाइपर-ऊर्जावान घटना की आवश्यकता के इन्हीं समान अनुपातों को उत्पन्न कर सकता है। इसके अलावा, यह विचार कि तारे को एक एकल शून्य-धातु (zero-metallicity) जनक से आना चाहिए था, अनावश्यक सिद्ध हुआ; मिश्रण मॉडल स्वाभाविक रूप से यह अनुमति देता है कि कई स्रोत एक एकल तारे की संरचना में योगदान दे सकें, जबकि कुल धातु सामग्री को अत्यंत कम रखा जा सके। सांख्यिकीय साक्ष्य दृढ़ता से उस परिदृश्य का पक्ष लेते हैं जहाँ एक सामान्य सुपरनोवा और एक न्यूट्रॉन तारा विलय ने अपने मलबे को एक असमान बादल में मिला दिया था, न कि एक एकल, दुर्लभ हाइपरनोवा का।

यह खोज बताती है कि प्रारंभिक ब्रह्मांड का रासायनिक इतिहास पहले की तुलना में अधिक विविध और दुर्लभ, चरम घटनाओं पर कम निर्भर है। यह संकेत देता है कि कुछ सबसे पुराने तारों में देखी जाने वाली विचित्र प्रचुरता के पैटर्न को समझाने के लिए किसी अद्वितीय, एक-बार होने वाले विस्फोट की आवश्यकता नहीं है। इसके बजाय, उन्हें सामान्य ब्रह्मांडीय घटनाओं—सुपरनोवा और न्यूट्रॉन तारा टकरावों—और अंतरतारकीय गैस बादलों की अव्यवस्थित, असमान प्रकृति के बीच परस्पर क्रिया के परिणाम के रूप में समझा जा सकता है। यह दिखाकर कि घटनाओं का एक सरल, अधिक सामान्य संयोजन डेटा के साथ बेहतर ढंग से फिट बैठता है, यह कार्य विलक्षण, उच्च-ऊर्जा विस्फोटों की खोज से ध्यान हटाकर यह समझने की ओर स्थानांतरित करता है कि प्रारंभिक आकाशगंगा में साधारण Stellar मृत्यु के मलबे को कैसे मिश्रित और वितरित किया जाता है। तारा SMSS J2003-1142, जिसे कभी एक हाइपरनोवा का निर्णायक प्रमाण माना जाता था, अब मिश्रण की शक्ति और उन विभिन्न स्रोतों का प्रमाण बन गया है जिन्होंने हमारे ब्रह्मांडीय पड़ोस के रासायनिक परिदृश्य को आकार दिया है।