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Experimental Ni II Oscillator Strengths for Transitions from $3d^84d$ to $3d^84p$ Levels Measured Using High-resolution Fourier Transform Spectroscopy

यह अध्ययन $3d^84d$ और $3d^84p$ स्तरों के बीच 174 Ni II संक्रमणों के लिए पहली बार प्रयोगात्मक रूप से मापे गए ऑसिलेटर स्ट्रेंथ (oscillator strengths) प्रस्तुत करता है, जो उच्च-रिज़ॉल्यूशन फूरियर ट्रांसफॉर्म स्पेक्ट्रोस्कोपी और ब्रांचिंग अंशों (branching fractions) से प्राप्त किए गए हैं, ताकि मौजूदा सैद्धांतिक गणनाओं में सुधार करते हुए निर्णायक परमाणु डेटा प्रदान किया जा सके।

मूल लेखक: Ruijie Chen, Christian P. Clear, Gillian Nave, Juliet C. Pickering

प्रकाशित 2026-09-14

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Ruijie Chen, Christian P. Clear, Gillian Nave, Juliet C. Pickering

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तारे केवल दूर स्थित प्रकाश के बिंदु मात्र नहीं हैं; वे विशाल प्रयोगशालाएँ हैं जहाँ हमारे संसार को बनाने वाले तत्वों को गढ़ा और रूपांतरित किया जाता है। ये ब्रह्मांडीय इंजन कैसे कार्य करते हैं, वे कैसे विकसित होते हैं, और वे किससे बने हैं, इसे समझने के लिए खगोलशास्त्री प्रकाश के एक सटीक मानचित्र पर निर्भर करते हैं। जब तारे का प्रकाश किसी प्रिज्म या स्पेक्ट्रोमीटर से गुजरता है, तो यह एक इंद्रधनुष में विभाजित हो जाता है, लेकिन यह इंद्रधनुष चिकना नहीं होता है। यह गहरे और चमकीले रेखाओं द्वारा कटा हुआ होता है, जिनमें से प्रत्येक एक विशिष्ट परमाणु या आयन द्वारा एक बहुत ही विशेष रंग पर प्रकाश को अवशोषित या उत्सर्जित करने का एक फिंगरप्रिंट (अंगुलियों के निशान) है। आयरन-ग्रुप (लोहा समूह) के तत्वों के लिए, जो ब्रह्मांड में प्रचुर मात्रा में हैं और तारकीय वायुमंडल की अपारदर्शिता के लिए महत्वपूर्ण हैं, ये फिंगरप्रिंट अविश्वसनीय रूप से घने और जटिल होते हैं। इनमें से, एकल आयनित निकल, जिसे Ni II के रूप में जाना जाता है, एक प्रमुख खिलाड़ी है। हालाँकि, दशकों से, इन फिंगरप्रिंट्स का मानचित्र अधूरा रहा है। जबकि वैज्ञानिक जानते थे कि कम-ऊर्जा वाले परमाणु कैसे व्यवहार करते हैं, उच्च, अधिक उत्तेजित ऊर्जा अवस्थाओं में निकल परमाणुओं का व्यवहार एक रहस्य बना रहा, जिससे तारों और सुपरनोवा की रासायनिक संरचना को सटीक रूप से मापने की हमारी क्षमता में एक कमी रह गई।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस लापता मानचित्र के एक महत्वपूर्ण हिस्से को उन निकल आयनों द्वारा उत्सर्जित प्रकाश को मापकर पूरा कर दिया है, जो एक उच्च-ऊर्जा अवस्था में थे और जिसे पहले कभी प्रयोगात्मक रूप से परिमाणित नहीं किया गया था। इंपीरियल कॉलेज लंदन और नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ स्टैंडर्ड्स एंड टेक्नोलॉजी के विशेष उपकरणों के साथ काम करते हुए, वैज्ञानिकों ने निकल और हीलियम गैस से भरे खोखले कैथोड लैंप का उपयोग करके एक नियंत्रित वातावरण बनाया। इस गैस के माध्यम से एक विद्युत धारा प्रवाहित करके, उन्होंने निकल परमाणुओं को उत्तेजित किया, जिससे वे चमकने लगे। इसके बाद उन्होंने इन चमकते परमाणुओं से निकलने वाले प्रकाश को उच्च-रिज़ॉल्यूशन स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग करके कैप्चर किया, जो ऐसे उपकरण हैं जो प्रकाश को उसके व्यक्तिगत रंगों में अत्यधिक सटीकता के साथ अलग करने में सक्षम हैं। लक्ष्य यह मापना था कि निकल परमाणु एक उच्च-ऊर्जा अवस्था, विशेष रूप से 3d84d विन्यास से, एक थोड़ी निचली अवस्था, 3d84p विन्यास तक गिरते समय उत्सर्जित होने वाली प्रकाश की विशिष्ट रेखाओं की चमक कितनी है।

इस प्रक्रिया के लिए केवल प्रकाश की तस्वीर लेना पर्याप्त नहीं था। शोधकर्ताओं को यह निर्धारित करना था कि एक एकल उत्तेजित निकल परमाणु द्वारा उत्सर्जित कुल प्रकाश का कितना हिस्सा प्रत्येक विशिष्ट रंग रेखा में गया। इसे 'ब्रांचिंग फ्रैक्शन' (शाखा अंश) कहा जाता है। कल्पना कीजिए कि पानी की एक बूंद ऊंचाई से गिर रही है और कई छोटी धाराओं में विभाजित हो रही है; शोधकर्ताओं को यह मापना था कि प्रत्येक धारा में वास्तव में कितना पानी गया। ऐसा करने के लिए, उन्होंने यह सुनिश्चित करने के लिए विभिन्न परिस्थितियों में स्पेक्ट्रा को कई बार रिकॉर्ड किया कि रेखाएं उपकरण या परमाणुओं द्वारा अपने स्वयं के प्रकाश को अवशोषित करने से विकृत न हों। उन्होंने यह सुनिश्चित करने के लिए कि प्रत्येक रंग की तीव्रता को सटीक रूप से रिकॉर्ड किया गया है, अपने मापों को मानक लैंपों के विरुद्ध कैलिब्रेट किया। इन मापे गए अनुपातों को उत्तेजित अवस्थाओं के ज्ञात या गणना किए गए जीवनकाल (lifetimes) के साथ जोड़कर—अर्थात, एक परमाणु नीचे गिरने से पहले उस उच्च-ऊर्जा अवस्था में कितनी देर रहता है—वे प्रत्येक संक्रमण की पूर्ण संभावना की गणना करने में सक्षम हुए।

इसका परिणाम प्रकाश की 174 विशिष्ट रेखाओं का एक नया, प्रयोगात्मक रूप से सत्यापित डेटा सेट है। इन 17 रेखाओं के लिए, डेटा पूरी तरह से प्रत्यक्ष प्रयोगशाला माप पर आधारित है, जो इन विशिष्ट मूल्यों को पहली बार प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित करने का प्रतिनिधित्व करता है। शेष रेखाओं के लिए, टीम ने प्रकाश के अनुपातों के अपने नए मापों को उच्च-ऊर्जा अवस्थाओं में परमाणुओं के जीवित रहने के सैद्धांतिक गणनाओं के साथ जोड़ा ताकि पूर्ण मान प्राप्त किए जा सकें। टीम ने पाया कि सबसे मजबूत रेखाओं के लिए, उनके नए माप हाल के सैद्धांतिक अनुमानों के साथ बहुत अच्छी तरह मेल खाते हैं, जो उन्हें डेटा की सटीकता में विश्वास दिलाते हैं। हालाँकि, धुंधली, कमजोर रेखाओं के लिए, सैद्धांतिक गणनाओं ने अधिक बिखराव और नए मापों के साथ कम सहमति दिखाई, जो यह सुझाव देता है कि यद्यपि सिद्धांत एक शक्तिशाली उपकरण है, फिर भी यह प्रयोगात्मक मार्गदर्शन के बिना सबसे सूक्ष्म परमाणु संक्रमणों के व्यवहार की भविष्यवाणी करने में संघर्ष करता है।

यह कार्य इन उच्च-ऊपरी निकल ऊर्जा स्तरों के संक्रमणों के लिए पहले पूर्णतः प्रयोगात्मक ब्रांचिंग फ्रैक्शन और ऑसिलेटर स्ट्रेंथ (दोलन शक्ति) प्रदान करता है। अधिक पूर्ण और सटीक संख्याओं का सेट प्रदान करके, यह अध्ययन खगोलशास्त्रियों को दूर के तारों, सुपरनोवा और क्वासर के प्रकाश की व्याख्या अधिक सटीकता के साथ करने की अनुमति देता है। जब एक मरते हुए तारे या दूर की आकाशगंगा के प्रकाश का विश्लेषण किया जाता है, तो ये नए डेटा बिंदु वैज्ञानिकों को निकल की सटीक मात्रा निर्धारित करने में मदद करेंगे, जिससे यह स्पष्ट होगा कि तारे कैसे विकसित होते हैं और ब्रह्मांड में भारी तत्व कैसे निर्मित होते हैं। शोधकर्ताओं ने अपने मापों की पूरी सूची वैज्ञानिक समुदाय के लिए उपलब्ध करा दी है, यह सुनिश्चित करते हुए कि निकल की कहानी का यह नया अध्याय ब्रह्मांड के हमारे मॉडलों को परिष्कृत करने के लिए उपयोग किया जा सके।

तकनीकी सारांश: 3d⁸4d से 3d⁸⁴p स्तरों के संक्रमणों के लिए प्रयोगात्मक Ni II ऑसिलेटर स्ट्रेंथ (Oscillator Strengths)

समस्या विवरण
सटीक परमाणु डेटा, विशेष रूप से ऑसिलेटर स्ट्रेंथ (log(gf)), उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाले खगोलीय स्पेक्ट्रा की व्याख्या करने और तारकीय एवं गैलेक्टिक वातावरण में तत्वों की प्रचुरता निर्धारित करने के लिए मौलिक हैं। जबकि निकेल (Ni II) एक महत्वपूर्ण आयरन-ग्रुप तत्व है जिसे विविध खगोलीय प्रणालियों में देखा जाता है, Ni II के लिए मौजूदा प्रयोगात्मक डेटा मुख्य रूप से निम्न-ऊर्जा स्तरों (विशेष रूप से 3d⁸4p – 3d⁸4s और 3d⁸4p – 3d⁹ arrays) से जुड़े संक्रमणों तक ही सीमित रहा है। उच्च-स्तरीय ऊर्जा स्तरों, जैसे कि 3d⁸4d विन्यास (configuration) से उत्पन्न होने वाले संक्रमणों के लिए प्रयोगात्मक संक्रमण प्रायिकता (transition probabilities) की एक महत्वपूर्ण कमी रही है। फलस्वरूप, इन उच्च उत्तेजना विभवों (excitation potentials) वाले प्लाज्मा के मॉडलिंग के लिए भारी रूप से सैद्धांतिक गणनाओं पर निर्भर रहना पड़ा है, जो सटीकता और पूर्णता में भिन्न होती हैं।

कार्यप्रणाली
यह अध्ययन 3d⁸4d (ऊपरी) और 3d⁸4p (निचले) विन्यासों के बीच Ni II संक्रमणों के लिए पूर्ण ऑसिलेटर स्ट्रेंथ निर्धारित करने के लिए 'ब्रांचिंग फ्रैक्शन' (branching fraction) विधि का उपयोग करता है। प्रयोगात्मक प्रक्रिया में निम्नलिखित चरण शामिल थे:

स्पेक्ट्रोस्कोपिक अधिग्रहण (Spectroscopic Acquisition): Ni-He हॉलो कैथोड लैंप का उपयोग करके उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाले फूरियर ट्रांसफॉर्म स्पेक्ट्रा (FTS) रिकॉर्ड किए गए। माप दो सुविधाओं में किए गए: इंपीरियल कॉलेज लंदन (IC) और नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ स्टैंडर्ड्स एंड टेक्नोलॉजी (NIST)। आठ विशिष्ट स्पेक्ट्रा (A–H के रूप में लेबल किए गए) प्राप्त किए गए, जो लगभग 24,000 cm⁻¹ से 54,000 cm⁻¹ (200–395 nm) की वेवनंबर रेंज को कवर करते हैं।
तीव्रता अंशांकन (Intensity Calibration): सापेक्ष रेखा तीव्रता को ड्यूटेरियम (D₂) मानक लैंप का उपयोग करके अंशांकित किया गया, जिन्हें स्वयं फिजिकलिश-टेक्निश द्वारा प्रमाणित (PTB द्वारा) किया गया था। स्पेक्ट्रोमीटर रिस्पॉन्स फंक्शन को मापे गए D₂ स्पेक्ट्रा की प्रमाणित रेडिएंस के विरुद्ध तुलना करके व्युत्पन्न किया गया।
ब्रांचिंग फ्रैक्शन निर्धारण: प्रेक्षित स्पेक्ट्रा में वोइगट प्रोफाइल (Voigt profiles) को फिट करने के लिए Xgremlin सॉफ्टवेयर का उपयोग करके एकीकृत रेखा तीव्रता प्राप्त की गई। प्रयोगात्मक ब्रांचिंग फ्रैक्शन (BF) की गणना सामान्य ऊपरी स्तरों से होने वाले संक्रमणों के लिए की गई, यह सुनिश्चित करते हुए कि देखे गए संक्रमणों का योग 31 के 35 देखे गए ऊपरी स्तरों के लिए कुल संक्रमण प्रायिकता के कम से कम 95% के बराबर है।
एब्सोल्यूट स्केल नॉर्मलाइजेशन: सापेक्ष ब्रांचिंग फ्रैक्शन को पूर्ण संक्रमण प्रायिकता ( $A_{ul}$ $A_{u l}$ ) और ऑसिलेटर स्ट्रेंथ ($gf $) में बदलने के लिए, प्रयोगात्मक BFs को स्तर के जीवनकाल ($ $) मेंबदलनेकेलिए, प्रयोगात्मक B F s कोस्तरकेजीवनकाल ($ \tau_u$) के साथ जोड़ा गया।
- सात 3d⁸4d स्तरों के लिए, हार्टमैन एट अल. (2017) द्वारा मापे गए प्रयोगात्मक जीवनकाल का उपयोग किया गया।
- शेष 24 स्तरों के लिए, क्लियर एट अल. (2026) द्वारा गणना किए गए सैद्धांतिक जीवनकाल का उपयोग किया गया। लेखकों ने उपलब्ध 3d⁸4p और 3d⁸4d स्तरों के प्रयोगात्मक डेटा के विरुद्ध इन सैद्धांतिक जीवनकालों को मान्य किया, और लगभग 8% के भीतर सहमति पाई, जिसे सैद्धांतिक मानों के लिए सापेक्ष अनिश्चितता के रूप में अपनाया गया।
अनिश्चितता विश्लेषण: सांख्यिकीय त्रुटियों (लाइन फिटिंग से), तीव्रता अंशांकन अनिश्चितताओं (कुल 6.1% अनुमानित), और साझा संदर्भ रेखा की अनुपस्थिति वाले स्पेक्ट्रा के लिए स्केलिंग कारकों को मिलाकर कुल अनिश्चितताएं प्राप्त की गईं।

प्रमुख योगदान और परिणाम
इस कार्य का प्राथमिक योगदान Ni II 3d⁸4d – 3d⁸4p संक्रमणों के लिए पहले प्रयोगात्मक रूप से मापे गए ऑसिलेटर स्ट्रेंथ प्रदान करना है। अध्ययन निम्नलिखित रिपोर्ट करता है:

174 रेखाएं: 31 ऊपरी स्तरों से उत्पन्न होने वाले 174 संक्रमणों के लिए पूर्ण ऑसिलेटर स्ट्रेंथ और संक्रमण प्राय्यता निर्धारित की गई।
पूर्णतः प्रयोगात्मक डेटा: चार विशिष्ट ऊपरी स्तरों से उत्पन्न होने वाली 19 रेखाओं के लिए, परिणाम पहले पूर्णतः प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित $gf$-मानों का प्रतिनिधित्व करते हैं, क्योंकि वे प्रयोगात्मक ब्रांचिंग फ्रैक्शन को प्रयोगात्मक जीवनकाल के साथ जोड़ते हैं।
अर्ध-अनुभवजन्य (Semi-Empirical) डेटा: शेष रेखाओं के लिए, प्रयोगात्मक ब्रांचिंग फ्रैक्शन और सैद्धांतिक रूप से प्राप्त जीवनकाल के संयोजन के साथ ऑसिलेटर स्ट्रेंथ को एक पूर्ण पैमाने पर रखा गया।
पूर्णता: 35 देखे गए ऊपरी स्तरों में से 31 के लिए, देखे गए संक्रमणों ने अनुमानित संक्रमण प्रायिकता के कम से कम 95% को कवर किया, जिससे विश्वसनीय ब्रांचिंग फ्रैक्शन सुनिश्चित हुआ। कम पूर्णता (<95%) वाले चार स्तरों को पूर्ण मानों के बजाय ब्रांचिंग अनुपात के रूप में माना गया।

सिद्धांत के साथ तुलना
लेखकों ने अपने नए प्रयोगात्मक log(gf) मानों की तुलना तीन सैद्धांतिक गणनाओं के सेट के साथ की:

क्लियर एट अल. (2026): इन गणनाओं ने नए प्रयोगात्मक डेटा के साथ सबसे अच्छा तालमेल दिखाया, विशेष रूप से मजबूत रेखाओं (log(gf) > -1.0) के लिए। लेखक इस सफलता का श्रेय क्लियर एट अल. (2026) के मॉडल में उपलब्ध सबसे सटीक प्रयोगात्मक ऊर्जा स्तरों का उपयोग करके आइजनवैल्यू (eigenvalues) के फाइन-ट्यूनिंग को देते हैं।
हार्टमैन एट अल. (2017) और कुरुज़ (2011): इन गणनाओं ने समान रुझान दिखाए लेकिन अधिक बिखराव (scatter) और बड़े अंतर प्रदर्शित किए, विशेष रूप से कमजोर संक्रमणों और महत्वपूर्ण कॉन्फ़िगरेशन मिक्सिंग वाले स्तरों के लिए।

महत्व
यह शोध दावा करता है कि यह कार्य Ni II 3d⁸4d – 3d⁸4p संक्रमणों के लिए पहले प्रयोगात्मक ब्रांचिंग फ्रैक्शन, संक्रमण प्रायिकता और ऑसिलेटर स्ट्रेंथ प्रदान करता है। इन डेटा को उपलब्ध कराकर, यह अध्ययन इन विशिष्ट संक्रमणों का उपयोग करके खगोलीय स्पेक्ट्रा में अधिक सटीक रासायनिक प्रचुरता निर्धारण को सक्षम बनाता है। परिणाम यह स्पष्ट करते हैं कि सैद्धांतिक परमाणु डेटा को मान्य करने और सुधारने के लिए प्रयोगशाला माप की आवश्यकता क्यों है, विशेष रूप से उच्च-स्तरीय ऊर्जा स्तरों के लिए जहाँ कॉन्फ़िगरेशन मिक्सिंग शुद्ध सैद्धांतिक भविष्यवाणियों की सटीकता को कम कर सकती है। इन डेटा का उद्देश्य गैर-LTE प्रभावों और 3D वायुमंडलीय संरचनाओं को ध्यान में रखने वाले यथार्थवादी सिंथेटिक स्पेक्ट्रा और फोटोस्फेरिक मॉडल के विकास में सहायता करना है।

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