Infrared Lines from Sterile-Neutrino Transition Magnetic Moments at JWST

द दशकों से, खगोलविदों को पता है कि ब्रह्मांड उस पदार्थ से कहीं अधिक भरा हुआ है जिसे हम देख सकते हैं। यह अदृश्य पदार्थ, जिसे डार्क मैटर (dark matter) के रूप में जाना जाता है, आकाशगंगाओं को एक साथ थामे रखता है और कॉस्मिक वेब (cosmic web) को आकार देता है, फिर भी यह अपने वास्तविक स्वरूप को प्रकट करने से इनकार करता है। जबकि कई सिद्धांत सुझाव देते हैं कि डार्क मैटर पूरी तरह से स्थिर है और कभी नहीं बदलता, अन्य प्रस्ताव देते हैं कि यह धीरे-धीरे लुप्त हो रहा हो सकता है, अरबों वर्षों में साधारण कणों में परिवर्तित हो रहा है। यदि यह धीमा क्षय होता है, तो यह एक मंद, विशिष्ट संकेत छोड़ सकता है: प्रकाश का एक एकल रंग, जैसे कि एक छोटा, अदृश्य बीकन (beacon), जो डार्क मैटर के टूटने के दौरान उत्सर्जित होता है। इस प्रकाश को खोजना एक ऐतिहासिक खोज होगी, जो उस कण भौतिकी की सीधी झलक प्रदान करेगी जो अदृश्य ब्रह्मांड को नियंत्रित करती है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इन मंद संकेतों की खोज के लिए अब तक निर्मित सबसे शक्तिशाली इन्फ्रारेड टेलीस्कोप को अंधेरे आकाश की ओर मोड़ दिया है। जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप (James Webb Space Telescope) का उपयोग करते हुए, उन्होंने एक बहुत ही विशिष्ट प्रकार के प्रकाश की खोज की जो 'स्टेराइल न्यूट्रिनो' (sterile neutrino) नामक डार्क मैटर के एक काल्पनिक रूप द्वारा उत्पन्न किया जा सकता है। जिन न्यूट्रिनो को हम जानते हैं, उनके विपरीत, स्टेराइल न्यूट्रिनो भूतिया होते हैं और अन्य कणों को लगभग स्पर्श भी नहीं करते। शोधकर्ताओं ने एक ऐसे परिदृश्य पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ एक भारी स्टेराइल न्यूट्रिनो एक हल्के वाले में बदल जाता है, और इस प्रक्रिया में एक फोटॉन, या प्रकाश के कण को मुक्त करता है। इस सिद्धांत का अनूठा मोड़ यह है कि मुक्त होने वाले प्रकाश की ऊर्जा डार्क मैटर के कुल वजन पर नहीं, बल्कि भारी और हल्के संस्करणों के बीच वजन के सूक्ष्म अंतर पर निर्भर करती है। इसका अर्थ यह है कि भले ही डार्क मैटर के कण अपेक्षाकृत भारी हों, लेकिन उनके द्वारा उत्सर्जित प्रकाश बहुत कम ऊर्जा वाला हो सकता है, जो इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रम के उस हिस्से में आता है जहाँ यह टेलीस्कोप उत्कृष्ट प्रदर्शन करता है।

टीम ने एक दूरस्थ आकाशगंगा के पास के खाली आकाश के एक हिस्से का विश्लेषण किया, यह क्षेत्र इसलिए चुना गया क्योंकि यह धूल और चमकीले सितारों से मुक्त है जो आमतौर पर ब्रह्मांड के हमारे दृश्य को अव्यवस्थित करते हैं। उन्होंने इन्फ्रारेड प्रकाश में एक तीखे, संकीर्ण स्पाइक (spike) की तलाश की जो ब्रह्मांड की पृष्ठभूमि की सहज चमक के विरुद्ध अलग से दिखाई दे सके। पृष्ठभूमि का सावधानीपूर्वक मॉडल बनाकर और किसी भी अप्रत्याशित अतिरिक्त प्रकाश की खोज करके, उन्होंने यह निर्धारित करने का प्रयास किया कि क्या ऐसा कोई संकेत मौजूद है। उन्हें इस क्षय का कोई पुष्ट पता नहीं चला। इसके बजाय, उनके कार्य ने इस बात की सख्त सीमाएं स्थापित कीं कि यह प्रक्रिया कितनी बार हो सकती है। उन्होंने गणना की कि यदि ये स्टेराइल न्यूट्रिनो हमारी आकाशगंगा के समस्त डार्क मैटर का निर्माण करते हैं, तो इनके क्षय की दर अविश्वसनीय रूप से धीमी होनी चाहिए, और वह चुंबकीय अंतःक्रिया (magnetic interaction) जो इन्हें क्षय होने की अनुमति देती है, एक विशिष्ट, अत्यंत सूक्ष्म सीमा से भी कमजोर होनी चाहिए।

स्टेराइल न्यूट्रिनो के विचार का परीक्षण करने के अलावा, शोधकर्ताओं ने 'मेजरॉन' (Majoron) नामक डार्क मैटर के एक अलग प्रकार के उम्मीदवार की भी जांच की, जो दो फोटॉनों में विभाजित होकर क्षय होता है। यह खोज एक तुलना के रूप में की गई थी ताकि यह दिखाया जा सके कि उनकी विधियाँ विभिन्न प्रकार के अदृश्य कणों के लिए कैसे काम कर सकती हैं। एक बार फिर, कोई संकेत नहीं मिला, लेकिन टीम इन कणों के प्रकाश के साथ कितनी मजबूती से अंतःक्रिया कर सकते हैं, इसकी संभावनाओं की एक विस्तृत श्रृंखला को खारिज करने में सक्षम रही। परिणाम दर्शाते हैं कि जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप डार्क मैटर की खोज के लिए एक शक्तिशाली नया उपकरण है, जो भौतिकी के उस क्षेत्र की जांच करने में सक्षम है जहाँ एक्स-रे टेलीस्कोप और प्रयोगशाला प्रयोग नहीं पहुँच सकते। इन मंद इन्फ्रारेड रेखाओं की खोज करके, यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि अब हम अदृश्य ब्रह्मांड के बारे में विचारों का परीक्षण उस सटीकता के साथ कर सकते हैं जो पहले असंभव थी, जिससे डार्क मैटर वास्तव में क्या है, इसे समझने की राह और भी स्पष्ट हो गई है।