AXIS Could Have Accessed Dark Matter Decays
यद्यपि AXIS मिशन को कार्यान्वयन के लिए नहीं चुना गया था, फिर भी इसका परिपक्व उपकरण डिज़ाइन एक बेंचमार्क के रूप में कार्य करता है जो यह दर्शाता है कि एक भविष्य का AXIS-समान एक्स-रे वेधशाला keV द्रव्यमान सीमा में मौजूदा डार्क मैटर क्षय जीवनकाल सीमाओं को एक क्रम (order) तक सुधार सकती है।
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डार्क मैटर वह अदृश्य ढांचा है जो ब्रह्मांड को एक साथ थामे रखता है। खगोलशास्त्री जानते हैं कि यह वहां मौजूद है क्योंकि आकाशगंगाएँ केवल दृश्य तारों के गुरुत्वाकर्षण से बंधे रहने के लिए बहुत तेजी से घूमती हैं, और इसलिए भी क्योंकि दूर स्थित वस्तुओं से आने वाला प्रकाश अदृश्य द्रव्यमान के चारों ओर मुड़ जाता है। फिर भी, दशकों की खोज के बावजूद, किसी ने भी डार्क मैटर के किसी कण को सीधे नहीं देखा है। यह न तो चमकता है, न ही प्रकाश को परावर्तित करता है, और न ही सामान्य पदार्थ के साथ किसी भी तरह से ऐसी अंतःक्रिया करता है जिसे हम आसानी से पहचान सकें। इस रहस्य को सुलझाने के लिए एक प्रमुख विचार यह है कि डार्क मैटर पूरी तरह से स्थिर नहीं है। इसके बजाय, यह एक भारी, धीमी गति वाला कण हो सकता है जो कभी-कभी क्षय (decay) होता है, यानी हल्के कणों में टूट जाता है, जिनमें फोटॉन भी शामिल हैं, जो प्रकाश के कण हैं। यदि ऐसा होता है, तो वे फोटॉन पृथ्वी पर एक्स-रे के एक बहुत ही विशिष्ट, मंद संकेत के रूप में पहुंचेंगे, जो ब्रह्मांडीय विकिरण के अराजक बैकग्राउंड से अलग होंगे। इस संकेत को खोजना डार्क मैटर के निर्माण को पहचानने का एक सीधा तरीका होगा।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में यह पता लगाने के लिए अन्वेषण किया कि प्रस्तावित अंतरिक्ष दूरबीन, जिसे 'एडवांस्ड एक्स-रे इमेजिंग सैटेलाइट' या AXIS कहा जाता है, इन सूक्ष्म संकेतों की खोज कितनी अच्छी तरह कर सकती है। हालांकि यह मिशन कभी बनाया नहीं गया, वैज्ञानिकों ने उपकरण के प्रदर्शन का अनुकरण (simulate) करने के लिए विस्तृत डिजाइन योजनाओं का उपयोग किया। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या AXIS की विशिष्ट क्षमताओं वाला कोई वेधशाला हमारे अपने आकाशगंगा के केंद्र में डार्क मैटर के क्षय से उत्पन्न होने वाली विशिष्ट चमक को पकड़ सकता है। अध्ययन से पता चला कि ऐसा टेलीस्कोप एक शक्तिशाली उपकरण होगा, जो डार्क मैटर के क्षय का पता लगाने में अत्यधिक सक्षम होगा, और कुछ द्रव्यमान श्रेणियों में मौजूदा सीमाओं को दस गुना तक बेहतर बनाने की क्षमता रखेगा।
शोधकर्ताओं ने गैलेक्टिक सेंटर (आकाशगंगा का केंद्र), जो मिल्की वे का सघन कोर है, पर ध्यान केंद्रित किया, जहाँ डार्क मैटर का संकेंद्रण सबसे अधिक होने की उम्मीद है। उन्होंने मॉडल किया कि यह डार्क मैटर हमारी आकाशगंगा के केंद्र के चारों ओर एक बादल के रूप में दो अलग-अलग तरीकों से वितरित हो सकता है। एक परिदृश्य में, डार्क मैटर का घनत्व केंद्र की ओर तेजी से बढ़ता है, जबकि दूसरे में, यह धीरे-धीरे बढ़ता है। उन्होंने यह भी ध्यान में रखा कि ब्रह्मांड हर जगह डार्क मैटर से भरा हुआ है, न कि केवल हमारी आकाशगंगा में। दूर की आकाशगंगाओं में ड decaying डार्क मैटर से निकलने वाले फोटॉन भी हम तक पहुंचेंगे, हालांकि ब्रह्मांड के विस्तार के कारण उनकी ऊर्जा कम (stretch) हो जाएगी। टीम ने इन स्रोतों को जोड़कर यह भविष्यवाणी की कि एक AXIS-जैसे टेलीस्कोप लंबे समय के अवलोकन के दौरान कुल कितने एक्स-रे फोटॉन एकत्र करेगा।
यह निर्धारित करने के लिए कि क्या टेलीस्कोप वास्तव में संकेत खोज पाएगा, वैज्ञानिकों को उस शोर (noise) का हिसाब लगाना था जो इसे दबा सकता है। एक्स-रे आकाश में, हमारी आकाशगंगा की गर्म गैस, दूर के सक्रिय ब्लैक होल और टेलीस्कोप से टकराने वाले कणों से आने वाले बैकग्राउंड रेडिएशन की एक निरंतर गूंज होती है। टीम ने AXIS उपकरण के लिए सबसे हालिया सिमुलेशन फाइलों का उपयोग करके यह गणना की कि डिटेक्टर में कितने बैकग्राउंड फोटॉन दिखाई देंगे। इसके बाद उन्होंने इस शोर की तुलना उन अतिरिक्त फोटॉनों की संख्या से की जो डार्क मैटर के क्षय होने पर दिखाई देंगे। उनकी सफलता की कुंजी टेलीस्कोप का डिजाइन था: इसमें फोटॉनों को पकड़ने के लिए एक बहुत बड़ा संग्रह क्षेत्र (collecting area), आकाश के एक बड़े हिस्से को स्कैन करने के लिए एक विस्तृत दृश्य क्षेत्र (field of view), और एक्स-रे को अत्यधिक सटीकता के साथ केंद्रित करने की क्षमता होगी, जो कुछ आर्क-सेकंड जितने छोटे विवरणों को भी स्पष्ट कर सकेगी। यह तीक्ष्ण फोकस (sharp focus) डार्क मैटर के मंद संकेत को अन्य ब्रह्मांडीय स्रोतों के धुंधले बैकग्राउंड से अलग करने में मदद करेगा।
सिमुलेशन के परिणामों ने दिखाया कि एक AXIS-जैसा उपकरण लगभग 10 की घात 31 सेकंड तक के डार्क मैटर जीवनकाल (lifetimes) की जांच करने में सक्षम होगा। इस संख्या को समझने के लिए, ब्रह्मांड केवल 13.8 अरब वर्ष पुराना है, जो लगभग 4 की घात 17 सेकंड के बराबर है। इसका अर्थ है कि टेलीस्कोप ऐसे डार्क मैटर कणों का पता लगा सकता है जो इतने स्थिर हैं कि वे वर्तमान ब्रह्मांड की आयु से खरबों गुना अधिक समय तक जीवित रहेंगे। अध्ययन ने प्रदर्शित किया कि संभावित डार्क मैटर द्रव्यमानों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए, विशेष रूप से किलो-इलेक्ट्रॉनवोल्ट पैमाने पर, नया टेलीस्कोप उन क्षयों को देख पाएगा जो वर्तमान में हमारे सर्वश्रेष्ठ मौजूदा वेधशालाओं के लिए अदृश्य हैं। संवेदनशीलता में सुधार महत्वपूर्ण होगा, जो वर्तमान में संभव स्तरों से एक क्रम (order of magnitude) बेहतर तक पहुंच जाएगा।
शोधकर्ताओं ने इन सामान्य निष्कर्षों को डार्क मैटर के बारे में दो विशिष्ट सिद्धांतों की भाषा में भी अनुवादित किया। पहला सिद्धांत 'एक्सियन-लाइक पार्टिकल्स' (axion-like particles) से संबंधित है, जो काल्पनिक कण हैं जो दो फोटॉन में क्षय हो सकते हैं। दूसरा सिद्धांत 'स्टेराइल न्यूट्रिनो' (sterile neutrinos) से संबंधित है, जो एक प्रकार का भारी न्यूट्रिनो है जो केवल गुरुत्वाकर्षण के माध्यम से अंतःक्रिया करता है और एक एकल फोटॉन तथा एक मानक न्यूट्रिनो में क्षय हो सकता है। इन सिद्धांतों पर अपने सिमुलेशन परिणामों को लागू करके, टीम ने दिखाया कि एक AXIS-जैसा टेलीस्कोप या तो इन कणों की खोज कर सकता है या उस पैरामीटर स्पेस के बड़े हिस्सों को खारिज कर सकता है जहाँ वे मौजूद हो सकते हैं। स्टेराइल न्यूट्रिनो के लिए, अध्ययन ने पुष्टि की कि टेलीस्कोप उन द्रव्यमानों का परीक्षण कर सकता है जो वर्तमान में अन्य बाधाओं द्वारा अनुमत हैं लेकिन अभी तक प्रत्यक्ष रूप से देखे नहीं गए हैं।
हालांकि AXIS मिशन का चयन निर्माण के लिए नहीं किया गया था, फिर भी यह कार्य एक्स-रे खगोल विज्ञान के भविष्य के लिए एक महत्वपूर्ण बेंचमार्क के रूप में कार्य करता है। यह अध्ययन सिद्ध करता है कि एक बड़ा संग्रह क्षेत्र, एक विस्तृत दृश्य क्षेत्र और उच्च-रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग का संयोजन, क्षय होने वाले डार्क मैटर से निकलने वाली मंद, संकीर्ण प्रकाश रेखाओं की खोज के लिए एक आदर्श नुस्खा है। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि अन्य प्रस्तावित मिशन, जैसे कि 'लाइन एमिशन मैपर' (Line Emission Mapper), अपनी बेहतर ऊर्जा रिज़ॉल्यूशन के कारण और भी अधिक संवेदनशीलता प्राप्त कर सकते हैं, जो उन्हें बैकग्राउंड शोर से सिग्नल को और भी प्रभावी ढंग से अलग करने की अनुमति देगा। हालांकि, AXIS की अवधारणा उस प्रकार के उपकरण का एक मजबूत उदाहरण बनी हुई है जिसकी आवश्यकता अदृश्य पदार्थ को देखने के लिए है जो हमारे ब्रह्मांड को आकार देता है। निष्कर्ष बताते हैं कि यदि डार्क मैटर का क्षय होता भी है, तो अगली पीढ़ी के एक्स-रे टेलीस्कोप ही उसे खोजने वाले होंगे।
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