X-ray Flares in Gamma-Ray Bursts at High and Very-High-Energies

ब्रह्मांड हिंसक, क्षणिक घटनाओं से भरा हुआ है जो कुछ ही सेकंडों में हमारे सूर्य के पूरे जीवनकाल में निकलने वाली ऊर्जा से अधिक ऊर्जा मुक्त करती हैं। इनमें सबसे शक्तिशाली गामा-रे बर्स्ट (gamma-ray bursts) हैं, जो विशाल तारों की मृत्यु या घने तारकीय अवशेषों के टकराव को चिह्नित करने वाले विशाल विस्फोट हैं। दशकों से, खगोलशास्त्री इन घटनाओं को दो अलग-अलग चरणों में घटित होते देखते आए हैं। पहले उच्च-ऊर्जा प्रकाश की एक अंधा कर देने वाली चमक आती है, जिसे "प्रॉम्प्ट" (prompt) उत्सर्जन कहा जाता है, जो केवल कुछ सेकंड तक रहता है। इसके बाद एक मंद होता हुआ आफ्टरग्लो (afterglow) आता है, जो प्रकाश के स्पेक्ट्रम में एक लंबे समय तक रहने वाली चमक है, क्योंकि विस्फोट का मलबा आसपास की गैस से टकराता है। हालांकि आफ्टरग्लो आमतौर पर सुचारू रूप से फीका पड़ता है, लेकिन दूरबीनों ने एक अजीब विचित्रता का खुलासा किया है: कभी-कभी, प्रकाश अचानक फिर से चमक उठता है, और मंद होने से पहले तेजी से उज्ज्वल हो जाता है। ये एक्स-रे फ्लेयर्स (X-ray flares), जो प्रारंभिक विस्फोट के मिनटों से घंटों बाद दिखाई देते हैं, वैज्ञानिकों को लंबे समय से उलझाए हुए हैं। वे गतिविधि के दूसरे विस्फोट की तरह दिखते हैं, जिससे संकेत मिलता है कि विस्फोट को चलाने वाला इंजन शांत हो जाने के बहुत बाद भी लड़खड़ा रहा है या फिर से शुरू हो रहा है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इन रहस्यमय फ्लेयर्स पर बारीकी से नज़र डाली है, जिसमें उन्होंने डेढ़ दशक के डेटा का उपयोग करके एक सरल लेकिन गहन प्रश्न पूछा है: क्या ये फ्लेयर्स ब्रह्मांड के उच्चतम-ऊर्जा वाले प्रकाश का उत्पादन करते हैं, या वे केवल फीके पड़ते आफ्टरग्लो का एक दुष्प्रभाव हैं? एक्स-रे देखने वाले अंतरिक्ष दूरबीनों और गामा किरणों का पता लगाने वाले उपकरणों के अवलोकनों को मिलाकर, वैज्ञानिकों ने इन घटनाओं में से दर्जनों के व्यवहार का मानचित्र तैयार किया। उन्होंने पाया कि जबकि फ्लेयर्स एक्स-रे में अत्यंत उज्ज्वल होते हैं, वे उस तीव्र उच्च-ऊर्जा गामा किरणों को उत्पन्न नहीं करते हैं जिनकी कुछ सिद्धांतों ने भविष्यवाणी की थी। इसके बजाय, इन समयों के दौरान पता चलने वाला उच्च-ऊर्जा प्रकाश मानक, फीके पड़ते आफ्टरग्लो से आता है, न कि स्वयं फ्लेयर से। यह खोज इन विस्फोटों के काम करने के तरीके के बारे में कुछ विचारों को खारिज करने में मदद करती है और सुझाव देती है कि जिन क्षेत्रों में फ्लेयर्स होते हैं, वे अविश्वसनीय रूप से मजबूत चुंबकीय क्षेत्रों से भरे होते हैं। अध्ययन भविष्य की ओर भी देखता है, यह भविष्यवाणी करते हुए कि अगली पीढ़ी की विशाल जमीनी दूरबीनें अंततः इन फ्लेयर्स को पकड़ सकती हैं यदि वे विस्फोट के जीवन के काफी बाद में घटित होते हैं, जिससे इन ब्रह्मांडीय आपदाओं के हृदय में झांकने का एक नया तरीका मिलता है।

गामा-रे बर्स्ट ब्रह्मांड के सबसे ऊर्जावान विस्फोट हैं, जो आमतौर पर तब होते हैं जब एक विशाल तारा ढह जाता है या जब दो सघन पिंड, जैसे न्यूट्रॉन तारे, आपस में टकराते हैं। मानक सिद्धांत बताता है कि प्रकाश का प्रारंभिक विस्फोट लगभग प्रकाश की गति से चलने वाले पदार्थ की एक जेट के भीतर आंतरिक टकरावों से आता है। जैसे ही यह जेट तारे के आसपास की गैस से टकराता है, यह एक शॉक वेव (shock wave) बनाता है जो आफ्टरग्लो उत्पन्न करता है, जिसे एक अनुमानित, स्थिर पैटर्न में फीका पड़ जाना चाहिए। हालांकि, स्विफ्ट ऑब्जर्वेटरी (Swift Observatory) द्वारा देखे गए एक्स-रे फ्लेयर्स इस सुचारू गिरावट में बाधा डालते हैं। ये फ्लेयर्स अचानक, चमकदार स्पाइक्स हैं जो जेट के भीतर एक दूसरे इंजन के चालू होने जैसा प्रतीत होते हैं। चूंकि वे प्रारंभिक विस्फोट के बहुत लंबे समय बाद होते हैं, इसलिए वे हमारे ब्रह्मांडीय इंजनों के संचालन के बारे में हमारी समझ को चुनौती देते हैं। यदि केंद्रीय इंजन वास्तव में इतने लंबे समय तक सक्रिय रहता है, तो इसका तात्पर्य एक जटिल, दीर्घकालिक प्रक्रिया से है जिसे हम अभी तक पूरी तरह से नहीं समझते हैं। इसके अलावा, यदि ये फ्लेयर्स उसी तंत्र द्वारा संचालित होते हैं जिससे प्रारंभिक विस्फोट होता है, तो उन्हें सैद्धांतिक रूप से उच्च-ऊर्जा प्रकाश की एक श्रृंखला उत्पन्न करनी चाहिए, जो गामा-रे और बहुत-उच्च-ऊर्जा श्रेणियों तक पहुँचती है। इस उच्च-ऊर्जा प्रकाश का पता लगाना जेट के भीतर चुंबकीय क्षेत्रों और कणों की गति को मापने का एक सीधा तरीका होगा, जो ब्रह्मांड के सबसे चरम भौतिकी में एक प्रोब (probe) के रूप में कार्य करेगा।

इसकी जांच करने के लिए, शोधकर्ताओं ने सत्रह वर्षों का, 2008 से 2025 तक का एक विशाल डेटासेट एकत्र किया। उन्होंने 47 अलग-अलग गामा-रे बर्स्ट पर ध्यान केंद्रित किया जिन्होंने कुल 66 विशिष्ट एक्स-रे फ्लेयर्स उत्पन्न किए थे। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने केवल उन्हीं बर्स्ट को चुना जो फर्मी लार्ज एरिया टेलिस्कोप (Fermi Large Area Telescope) के लिए दृश्यमान थे, जो एक अंतरिक्ष उपकरण है जिसे उच्च-ऊर्जा गामा किरणों का पता लगाने के लिए डिज़ाइन किया गया है। इसने उन्हें एक साथ संकेत खोजने की अनुमति दी: यदि एक्स-रे फ्लेयर उच्च-ऊर्जा प्रकाश का उत्पादन कर रहा था, तो फर्मी टेलिस्कोप को ठीक उसी समय इसे देखना चाहिए। टीम ने इन घटनाओं के लाइट कर्व्स और स्पेक्ट्रा का सावधानीपूर्वक विश्लेषण किया, इन घटनाओं के एक्स-रे फ्लेयर्स की चमक की तुलना गामा-रे डेटा से की। परिणाम आश्चर्यजनक थे। अध्ययन किए गए 66 फ्लेयर्स में से केवल पांच में ही उच्च-ऊर्जा गामा किरणों का कोई महत्वपूर्ण पता चला। उन पांच मामलों में भी, डेटा ने सुझाव दिया कि गामा किरणें स्वयं फ्लेयर से नहीं आ रही थीं। इसके बजाय, उच्च-ऊर्जा प्रकाश मानक आफ्टरग््लो के अपेक्षित व्यवहार से मेल खाता था, जो शॉक वेव से टकराने वाली गैस से निकलने वाली फीकी पड़ती चमक है। फ्लेयर, ऐसा लगता है, इस उज्जवल, स्थिर पृष्ठभूमि के नीचे छिपा हुआ था।

यह निष्कर्ष इन घटनाओं की व्याख्या करने के तरीके में एक महत्वपूर्ण बदलाव लाता है। शोधकर्ता तर्क देते हैं कि फ्लेयर के समय पता चलने वाली उच्च-ऊर्जा गामा किरणें संभवतः मानक आफ्टरग््लो का अंतिम हिस्सा हैं, न कि कोई नया संकेत। इसका परीक्षण करने के लिए, उन्होंने एक मॉडल का उपयोग किया जो यह सिम्युलेट करता है कि इलेक्ट्रॉन और चुंबकीय क्षेत्र प्रकाश उत्पन्न करने के लिए कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। उन्होंने उच्च-ऊर्जा गामा किरणों का पता न चलने को एक सख्त सीमा (strict limit) के रूप में लिया, यह पूछते हुए कि अत्यधिक गामा-रे प्रकाश उत्पन्न किए बिना देखे गए एक्स-रे को उत्पन्न करने के लिए किन भौतिक स्थितियों की आवश्यकता होगी। उनके गणनाओं ने खुलासा किया कि जिस क्षेत्र में फ्लेयर होता है, वह अत्यधिक चुंबकीय होना चाहिए। इन क्षेत्रों में, चुंबकीय क्षेत्र में संग्रहीत ऊर्जा, कणों द्वारा ले जाई जाने वाली ऊर्जा के कम से कम बराबर, और संभवतः उससे भी अधिक होती है। यह चुंबकीय प्रभुत्व यह समझाने में मदद करता है कि क्यों फ्लेयर उज्ज्वल एक्स-रे उत्पन्न करता है लेकिन उच्च-ऊर्जा गामा किरणों को उत्पन्न करने में विफल रहता है जिसकी उम्मीद कमजोर चुंबकीय क्षेत्रों के मामले में की जाती है। यह एक ऐसे जेट की तस्वीर पेश करता है जहाँ चुंबकीय बल विस्फोट के अंतिम, अनियमित क्षणों को आकार देने में प्रमुख भूमिका निभाते हैं।

अध्ययन ने भविष्य की ओर भी देखा, यह पूछते हुए कि क्या हम कभी बहुत-उच्च-ऊर्जा रेंज में इन फ्लेयर्स को पकड़ पाएंगे, जहाँ प्रकाश की ऊर्जा दस या सैकड़ों अरब इलेक्ट्रॉन वोल्ट तक पहुँचती है। अपने मॉडलों का उपयोग करते हुए, टीम ने भविष्यवाणी की कि विस्फोट के जीवन में बाद के समय में (लगभग 5,000 सेकंड के आसपास) होने वाले फ्लेयर्स पहचान के लिए सबसे अच्छे उम्मीदवार होंगे। इन बाद के समयों में, मानक आफ्टरग्लो इतना फीका पड़ चुका होता है कि फ्लेयर का अपना उच्च-ऊर्जा संकेत उभर सकता है। उन्होंने पाया कि चेरेंकोव टेलीस्कोप का अगला समूह, जैसे कि चेरेंकोव टेलीस्कोप एरे ऑब्जर्वेटरी (Cherenkov Telescope Array Observatory), इन घटनाओं को पहचानने की संवेदनशीलता रखेगा, बशर्ते वे विस्फोट के प्रति त्वरित प्रतिक्रिया दे सकें। यह खगोलशास्त्रियों के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है: बाद के समय के फ्लेयर्स पर ध्यान केंद्रित करके और उपलब्ध सबसे शक्तिशाली दूरबीनों का उपयोग करके, हम अंततः फ्लेयर के सिग्नल को अलग करने और जेट के भीतर चरम स्थितियों को मापने में सक्षम हो सकते हैं। तब तक, इन फ्लेयर्स से उच्च-ऊर्जा गामा किरणों की अनुपस्थिति एक शक्तिशाली सुराग के रूप में कार्य करती है, जो बताती है कि इन विस्फोटों के सबसे हिंसक हिस्से चुंबकीय क्षेत्रों द्वारा नियंत्रित होते हैं जो पहले की तुलना में कहीं अधिक शक्तिशाली हैं, और उच्चतम-ऊर्जा वाले प्रकाश को हमारी दृष्टि से दूर रखते हैं।