SST-1M: Recent results and prospects for observation of the Galactic Center region
यह शोध पत्र अत्यंत-उच्च-ऊर्जा गामा-किरण उत्सर्जन का पता लगाने में SST-1M दूरबीनों की क्षमताओं को प्रदर्शित करने वाले हालिया अवलोकनों को प्रस्तुत करता है और गैलेक्टिक सेंटर क्षेत्र की जांच करने के लिए उनकी भविष्य की संभावनाओं को रेखांकित करता है, विशेष रूप से PeVatrons और 10 TeV से ऊपर स्पेक्ट्रल कट-ऑफ की खोज के संदर्भ में।
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हमारी मिल्की वे गैलेक्सी (क्षीरगंगा) के बिल्कुल केंद्र में अत्यधिक गतिविधि वाला एक क्षेत्र स्थित है, जो गैस के घने बादलों, फटे हुए तारों के अवशेषों और युवा सितारों के विशाल समूहों से भरा एक भीड़भाड़ वाला पड़ोस है। इस अराजक वातावरण में, प्रकृति एक विशाल कण त्वरक (पार्टिकल एक्सेलेरेटर) के रूप में कार्य करती है, जो पदार्थ को आपस में टकराकर उच्च-ऊर्जा विकिरण पैदा करती है जो ब्रह्मांड में यात्रा करता है। वैज्ञानिक विशेष रूप से इस प्रकार के विकिरण के एक विशिष्ट प्रकार में रुचि रखते हैं जिसे 'वेरी-हाई-एनर्जी गामा रेज़' (अत्यधिक उच्च-ऊर्जा गामा किरणें) कहा जाता है। ये प्रकाश के सबसे ऊर्जावान रूपों में से एक हैं, जिनमें अस्पतालों में उपयोग की जाने वाली एक्स-रे की तुलना में लाखों गुना अधिक ऊर्जा होती है। जब ये गामा किरणें पृथ्वी के वायुमंडल से टकराती हैं, तो वे सीधे ज़मीन तक नहीं पहुँचतीं; इसके बजाय, वे नीले प्रकाश की एक क्षणिक, धुंधली चमक पैदा करती हैं जिसे 'चेरेनकोव रेडिएशन' (Cherenkov radiation) कहा जाता है। इन किरणों को उत्पन्न करने वाले ब्रह्त्वीय इंजनों का अध्ययन करने के लिए, खगोलशास्त्री ज़मीन पर विशेष टेलीस्कोप बनाते हैं जो विशाल दर्पणों की तरह काम करते हैं, जो ऊपर से आने वाली इन क्षणिक प्रकाश की चमक को पकड़कर उनके स्रोत की उत्पत्ति और प्रकृति का पुनर्निर्माण करते हैं।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नए प्रकार के टेलीस्कोप के साथ काम किया है जिसे विशेष रूप से इन उच्च-ऊर्जा चमक को पकड़ने के लिए डिज़ाइन किया गया है। ये उपकरण, जिन्हें 'सिंगल-मिरर स्मॉल-साइज़ टेलीस्कोप' (Single-Mirror Small-Size Telescopes) के रूप में जाना जाता है, वर्तमान में चेक गणराज्य में संचालित हो रहे हैं। उन्होंने क्रैब नेबुला (Crab Nebula) और दूर के सक्रिय आकाशगंगाओं जैसे प्रसिद्ध ब्रह््वीय पिंडों का अवलोकन करके अपनी उपयोगिता पहले ही सिद्ध कर दी है, लेकिन उत्तरी गोलार्ध में उनकी स्थिति उनके देखने की क्षमता को सीमित करती है। इस प्रकार के विज्ञान के लिए सबसे महत्वपूर्ण लक्ष्य, हमारी आकाशगंगा का केंद्र, उत्तरी गोलार्ध से स्पष्ट रूप से देखे जाने के लिए दक्षिणी आकाश में बहुत नीचे स्थित है। टीम अब अपने टेलीस्कोपों को अर्जेंटीना में एक नए स्थान पर ले जाने की योजना बना रही है, जहाँ गैलेक्टिक सेंटर (आकाशगंगा का केंद्र) लंबे समय तक दिखाई देता है। इस नए स्थान से उनके टेलीस्कोप क्या देखेंगे, इसका अनुकरण (सिमुलेशन) करके, शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि वे गैलेक्टिक कोर की जटिल संरचनाओं का मानचित्रण करने में सक्षम होंगे और यह परीक्षण करेंगे कि क्या वहां के कण उन ऊर्जाओं तक त्वरित किए जा रहे हैं जो पृथ्वी पर किसी भी मशीन द्वारा कभी प्राप्त नहीं की जा सकतीं।
टीम के काम की शुरुआत यह सिद्ध करने से हुई कि उनका वर्तमान सेटअप चेक गणराज्य में ठीक वैसे ही काम करता है जैसा कि अपेक्षित था। 2023 से, वे लगभग 155 मीटर की दूरी पर स्थित दो टेलीस्कोपों को एक साथ संचालित कर रहे हैं, जिससे वे मानव आँखों की गहराई देखने की क्षमता की तरह 'स्टीरियो' (stereo) में आकाश को देख सकते हैं। उन्होंने सैकड़ों घंटे क्रैब नेबुला को देखते हुए बिताए, जो सुपरनोवा का एक प्रसिद्ध अवशेष है, और सफलतापूर्वक 100 TeV तक इसके ऊर्जा स्पेक्ट्रम को मापा, जो ऊर्जा का एक ऐसा स्तर है जहाँ तक अन्य उपकरणों के लिए पहुँचना कठिन होता है। इस अवलोकन ने पुष्टि की कि उनके टेलीस्कोप उच्च सटीकता के साथ गामा किरणों के धुंधले, विस्तृत स्रोतों का पता लगा सकते हैं। उन्होंने सियानस (Cygnus) तारामंडल जैसे आकाश के अन्य क्षेत्रों का भी अध्ययन किया, जहाँ वे विकिरण के दो अलग-अलग स्रोतों को अलग करने में सक्षम रहे जो पहले आपस में धुंधले थे। आकाश के बारीक विवरणों को अलग करने की यह क्षमता अत्यंत महत्वपूर्ण है क्योंकि हमारी आकाशगंगा का केंद्र एक भीड़भाड़ वाली जगह है जहाँ कई अलग-अलग स्रोत एक-दूसरे के ऊपर आते हैं, जिससे यह बताना कठिन हो जाता है कि कौन सा पिंड किस संकेत को उत्पन्न कर रहा है।
इस प्रदर्शन की पुष्टि होने के बाद, शोधकर्ताओं ने भविष्य की ओर ध्यान केंद्रित किया। उन्होंने अपने वास्तविक दुनिया के डेटा द्वारा सत्यापित कंप्यूटर मॉडल का उपयोग किया, ताकि यह सिमुलेट किया जा सके कि यदि वे अपने टेलीस्कोपों को अर्जेंटीना के मालार्ग्यू (Malargüe) में ले जाते हैं तो क्या होगा। यह नया स्थान अधिक ऊंचाई पर स्थित है और हर साल सैकड़ों घंटों के लिए गैलेक्टिक सेंटर का स्पष्ट दृश्य प्रदान करता है। अपने सिमुलेशन में, उन्होंने कल्पना की कि वे आकाशगंगा के केंद्रीय क्षेत्र का 250 घंटों तक अवलोकन करेंगे, जिसमें उस क्षेत्र पर ध्यान केंद्रित किया जाएगा जिसे "रिज" (Ridge) के रूप में जाना जाता है, जो गैलेक्टिक कोर के आर-पार फैला हुआ विसरित (diffuse) गामा-रे उत्सर्जन का एक बैंड है। सिमुलेशन ने दिखाया कि टेलीस्कोप इस क्षेत्र में चमकीले बिंदु स्रोतों, जैसे कि केंद्र में स्थित अतिविशाल ब्लैक होल, के साथ-साथ 'रिज' की धुंधली, व्यापक चमक को स्पष्ट रूप से पहचान पाएंगे। महत्वपूर्ण रूप से, सिमुलेशन ने प्रदर्शित किया कि उपकरण ब्लैक होल और अन्य सघन पिंडों के प्रकाश को व्यापक, विसरित पृष्ठभूमि से अलग करने में सक्षम होंगे, जो ओवरलैपिंग संकेतों के कारण अन्य वेधशालाओं के लिए एक कठिन कार्य रहा है।
इस सिमुलेशन का सबसे महत्वपूर्ण हिस्सा एक विशिष्ट रहस्य का परीक्षण करना था: गैलेक्टिक सेंटर में कण कितनी उच्च ऊर्जा तक जाते हैं? कुछ सिद्धांत सुझाव देते हैं कि इस क्षेत्र में "पेवेट्रोन" (PeVatrons) मौजूद हैं, जो प्राकृतिक त्वरक हैं जो कणों को एक मिलियन बिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट, या 'PeV' ऊर्जाओं तक बढ़ाने में सक्षम हैं। यदि यह सच है, तो गामा किरणों का स्पेक्ट्रम एक विशिष्ट उच्च ऊर्जा पर एक तीव्र गिरावट, या 'कटऑफ' (cutoff) दिखाएगा। शोधकर्ताओं ने उस डेटा का सिमुलेशन किया जिसे वे एकत्र करेंगे और यह देखने के लिए उसका विश्लेषण किया कि क्या वे इस कटऑफ को पकड़ सकते हैं। उनके परिणाम संकेत देते हैं कि टेलीस्कोप दो से चार मानक विचलन (standard deviations) के बीच सांख्यिकीय महत्व के साथ एक कटऑफ का पता लगाने में सक्षम होंगे, जो इस बात पर निर्भर करता है कि गिरावट किस सटीक ऊर्जा पर होती है। इसका अर्थ यह है कि हालांकि डेटा एक निर्णायक, एकल-प्रहार प्रमाण नहीं हो सकता है, लेकिन यह इन चरम त्वरकों के अस्तित्व की पुष्टि करने या उन्हें खारिज करने के लिए मजबूत सबूत प्रदान करेगा। अध्ययन का सुझाव है कि एक विस्तृत दृश्य क्षेत्र (field of view) और उच्च संवेदनशीलता का संयोजन इन टेलीस्कोपों को इस पहेली को सुलझाने के लिए अद्वितीय रूप से उपयुक्त बनाता है।
अंततः, यह कार्य हमारे आकाशगंगा के केंद्र के रहस्यों को खोलने के लिए इन उपकरणों को दक्षिणी गोलार्ध में ले जाने की क्षमता को उजागर करता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि उनके टेलीस्कोप कम-से-कम आदर्श स्थितियों में भी उच्च-गुणवत्ता वाला डेटा देने में सक्षम हैं, और उनके सिमुलेशन पुष्टि करते हैं कि अर्जेंटीना में स्थानांतरण से उन्हें अभूतपूर्व स्पष्टता के साथ गैलेक्टिक सेंटर के आकार (morphology) और ऊर्जा स्पेक्ट्रा का मानचित्रण करने की अनुमति मिलेगी। विभिन्न प्रकार के विकिरण स्रोतों के बीच अंतर करके और उन पेवेट्रोन्स की उपस्थिति का संकेत देने वाले स्पेक्ट्रल कटऑफ की खोज करके, SST-1M सहयोग का लक्ष्य यह समझना है कि ब्रह्मांड कणों को उनकी उच्चतम संभव ऊर्जाओं तक कैसे त्वरित करता है। आगे का मार्ग हार्डवेयर को ऐसे स्थान पर स्थानांतरित करने की ओर है जहाँ गैलेक्टिक सेंटर रात के आकाश की एक प्रमुख विशेषता हो, जिससे वह क्षेत्र जो पहले अध्ययन करने में कठिन था, उच्च-ऊर्जा खगोल भौतिकी के लिए एक प्राथमिक प्रयोगशाला बन जाए।
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