Generation of TeV Photons by PeV Neutrinos in Dense Astrophysical Environments

ब्रह्मांड की गहराइयों में, पृथ्वी पर बनी किसी भी मशीन की पहुँच से बहुत दूर, प्रकृति एक अकल्पनीय शक्ति वाले कण त्वरक (particle accelerator) के रूप में कार्य करती है। इन चरम वातावरणों में, जैसे कि विस्फोट होते सितारों के हिंसक कोर या ब्लैक होल्स से निकलने वाली जेट्स में, प्रोटॉन आपस में टकराते हैं या प्रकाश से टकराकर नए कणों की बौछार पैदा करते हैं। इनमें न्यूट्रिनो शामिल हैं, जो भूतिया कण हैं जो शायद ही कभी किसी चीज़ के साथ अंतःक्रिया करते हैं, और फोटॉन, जो केवल प्रकाश के कण हैं। दशकों से, खगोलशास्त्री इन उच्च-ऊर्जा संदेशवाहकों की खोज कर रहे हैं ताकि यह समझ सकें कि ब्रह्मांड पदार्थ को इतनी अत्यधिक गति तक कैसे त्वरित करता है। जबकि हमने हाल ही में प्रयोगशाला में बनाई जा सकने वाली किसी भी चीज़ से दस लाख गुना अधिक ऊर्जा वाले न्यूट्रिनो का पता लगाया है, और दूर के ब्रह्मांडीय विस्फोटों से समान तीव्रता का प्रकाश देखा है, दोनों के बीच एक सीधा संबंध अभी भी मायावी बना हुआ है। चुनौती यह समझने की थी कि एक न्यूट्रिनो, जो लगभग हर चीज़ के माध्यम से गुजर जाता है, वास्तव में प्रकाश की एक चमक कैसे पैदा कर सकता है जिसे हम देख सकते हैं।

भौतिकविदों की एक टीम ने अब एक विशिष्ट तंत्र प्रस्तावित किया है जो इस अंतर को पाटता है, यह सुझाव देते हुए कि एक ब्रह्मांडीय विस्फोट के घने, अराजक परिवेश में, एक उच्च-ऊर्जा न्यूट्रिनो एक प्रोटॉन या न्यूट्रॉन से टकराकर प्रकाश का एक विस्फोट उत्पन्न कर सकता है। अपने अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने गणना की कि क्या होता है जब एक न्यूट्रिनो, जो लगभग प्रकाश की गति से यात्रा कर रहा है, एक न्यूक्लियॉन (nucleon)—जो परमाणु नाभिक का निर्माण खंड है—से टकराता है। यह टक्कर न्यूक्लियॉन को छिन्न-भिन्न कर देती है, जिससे छोटे कणों का एक स्प्रे बनता है जो तेजी से आपस में जुड़कर एक प्रकार के अस्थिर कण को बनाते हैं जिसे न्यूट्रल पायोन (neutral pion) कहा जाता है। ये पायोन क्षणभंगुर होते हैं; वे एक सेकंड के बहुत छोटे हिस्से के लिए अस्तित्व में रहते हैं और फिर क्षय होकर दो उच्च-ऊर्जा फोटॉन में विभाजित हो जाते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि यदि यह अंतःक्रिया एक घने खगोलीय वातावरण की बाहरी, पतली परतों में होती है, तो ये नव-निर्मित फोटॉन आसपास के पदार्थ से बचकर निकल सकते हैं और हमारे दूरबीनों तक पहुँचने के लिए ब्रह्मांड में यात्रा कर सकते हैं।

टीम ने इस प्रक्रिया की विस्तृत गणना की, जिसमें प्रारंभिक न्यूट्रिनो से लेकर अंतिम प्रकाश के विस्फोट तक ऊर्जा प्रवाह को ट्रैक किया गया। उन्होंने एक ट्रिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट से लेकर 220 क्वाड्रिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट तक की ऊर्जा वाले न्यूट्रिनो पर विचार किया, जो IceCube और KM3Net जैसे वेधशालाओं द्वारा हाल ही में की गई खोजों के अनुरूप है। उनके परिणाम दर्शाते हैं कि यह प्रक्रिया आश्चर्यजनक रूप से कुशल है। प्रत्येक न्यूट्रिनो के लिए जिसकी ऊर्जा एक क्वाड्रिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट से ऊपर है और जो इन बाहरी क्षेत्रों में एक न्यूक्लियॉन से टकराता है, एक ट्रिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट से अधिक ऊर्जा वाला फोटॉन उत्पन्न करने की संभावना तेरह प्रतिशत से अधिक है। उच्च-ऊर्जा भौतिकी की दुनिया में यह एक महत्वपूर्ण संभावना है, जो सुझाव देती है कि ऐसे घटनाक्रम इतने सामान्य हो सकते हैं कि उन्हें देखा जा सके। गणनाओं से यह भी पता चला कि परिणामी प्रकाश की ऊर्जा आने वाले न्यूट्रिनो की ऊर्जा पर निर्भर करती है, लेकिन एक विशिष्ट निचले स्तर के साथ; यहाँ तक कि सबसे ऊर्जावान न्यूट्रिनो भी पायोन के द्रव्यमान और न्यूक्लियॉन के द्रव्यमान द्वारा निर्धारित एक विशिष्ट सीमा से कम ऊर्जा वाला प्रकाश उत्पन्न नहीं कर सकते।

यह परीक्षण करने के लिए कि क्या यह सैद्धांतिक तंत्र वास्तविक दुनिया के अवलोकनों की व्याख्या कर सकता है, लेखकों ने अपने मॉडल को एक विशिष्ट, रहस्यमय घटना पर लागू किया: GRB 221009A का प्री-बर्स्ट सिग्नल, जो अक्टूबर 2022 में पहचाना गया एक गामा-रे बर्स्ट है। इस बर्स्ट के मुख्य विस्फोट के रिकॉर्ड होने से पहले, चीन में जमीनी वेधशालाओं, विशेष रूप से LHAASO ने, मुख्य घटना से कुछ दस सेकंड पहले चार उच्च-ऊर्जा फोटॉन दर्ज किए थे। ये शुरुआती चमक, जिन्हें प्री-बर्स्ट फोटॉन कहा जाता है, ट्रिलियन-इलेक्ट्रॉन-वोल्ट की श्रेणी में ऊर्जा रखते थे, लेकिन इनका मूल एक पहेली बना रहा, क्योंकि इन विस्फोटों के बनने के मानक मॉडल इतनी जल्दी और इतनी उच्च ऊर्जा के साथ प्रकाश के प्रकट होने की व्याख्या आसानी से नहीं कर सकते थे। शोधकर्ताओं ने एक तारे के भीतर से उत्पन्न होने वाले न्यूट्रिनो की यात्रा का मॉडल तैयार किया, जहाँ पदार्थ इतना घना है कि प्रकाश बाहर नहीं निकल सकता। जबकि प्रकाश फंसा रहता है, न्यूट्रिनो बाहर निकल जाता है, तारे के बाहरी आवरण के माध्यम से यात्रा करता है। वहाँ, वह प्रोटॉन और न्यूट्रॉन से टकराता है, न्यूट्रल पायोन बनाता है जो उच्च-ऊर्जा फोटॉन में क्षय होते हैं।

मॉडल ने LHAASO द्वारा पता लगाए गए चार फोटॉनों के समय और ऊर्जा को सफलतापूर्वक पुनरुत्पादित किया। गणनाओं ने दिखाया कि तारे के आवरण के विभिन्न गहराइयों से उत्पन्न न्यूट्रिनो पृथ्वी पर थोड़े अलग समय पर पहुँचेंगे, जिससे पूर्ववर्ती प्रकाश (precursor light) की एक धारा निर्मित होगी जो मुख्य विस्फोट से दस सेकंड पहले के देखे गए समय के अनुरूप है। इन फोटॉनों की अनुमानित ऊर्जा, जो चार और दस ट्रिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट के बीच गिरती है, डेटा के साथ पूरी तरह से मेल खाती है। यह सुझाव देता है कि शुरुआती प्रकाश विस्फोट का प्रत्यक्ष उत्सर्जन नहीं था, बल्कि एक माध्यमिक संकेत था जो उन न्यूट्रिनो द्वारा बनाया गया था जो तारे से पहले निकले और फिर घने तारकीय वातावरण के किनारे तक पहुँचने से ठीक पहले प्रकाश में परिवर्तित हो गए।

यह कार्य एक ऐसी घटना के लिए ठोस स्पष्टीकरण प्रदान करता है जो पहले सरल व्याख्या को चुनौती दे रही थी। यह प्रदर्शित करता है कि न्यूट्रिनो, जिन्हें अक्सर अदृश्य पर्यवेक्षक माना जाता है, दृश्य प्रकाश के लिए उत्प्रेरक के रूप में कार्य कर सकते हैं। उच्च-ऊर्जा न्यूट्रिनो का पता लगाने को उच्च-ऊर्जा फोटॉन के आगमन से जोड़कर, यह अध्ययन मल्टी-मैसेंजर खगोल विज्ञान डेटा की व्याख्या करने का एक नया तरीका प्रदान करता है, जहाँ किसी घटना के इतिहास को पुनर्गठित करने के लिए विभिन्न प्रकार के ब्रह्मांडीय संकेतों का एक साथ उपयोग किया जाता है। निष्कर्ष यह दावा नहीं करते हैं कि वे GRB 221009A के प्री-बर्स्ट का एकमात्र संभावित स्पष्टीकरण हैं, लेकिन वे एक व्यवहार्य और मात्रात्मक मार्ग स्थापित करते हैं जो बिना किसी नई भौतिकी की आवश्यकता के देखे गए डेटा के अनुकूल है। यदि भविष्य के अवलोकन ऐसे पूर्ववर्ती संकेतों का पता लगाना जारी रखते हैं, तो यह तंत्र ब्रह्मांडीय विस्फोटों की छिपी हुई गतिशीलता को समझने के लिए एक मानक उपकरण बन सकता है, जो यह प्रकट करेगा कि ब्रह्मांड की सबसे हिंसक घटनाओं में ऊर्जा कैसे स्थानांतरित और रूपांतरित होती है।