Astrophysical Signatures of Fermionic Dark Matter
यह शोध पत्र फर्मीयोनिक डार्क मैटर (fermionic dark matter) द्वारा निर्मित उन सघन पिंडों की जांच करता है जो डिजेनेरेसी प्रेशर (degeneracy pressure) द्वारा समर्थित होते हैं, माइक्रोलेंसिंग सर्वेक्षणों से द्रव्यमान संबंधी प्रतिबंध प्राप्त करता है और यह निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि उनका अभिवृद्धि-प्रेरित विस्फोट उत्सर्जन (accretion-induced burst emission) गैलेक्टिक सेंटर GeV अतिरिक्त की व्याख्या नहीं कर सकता है, फिर भी ऐसे मिश्रित डार्क मैटर-बेरियन पिंड ब्रह्मांड के लापता बेरयॉन के एक अंश की व्याख्या करने में संभावित रूप से सक्षम हो सकते हैं।
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ब्रह्मांड केवल उन सितारों, ग्रहों और गैस के बादलों से नहीं भरा है जिन्हें हम देख सकते हैं। खगोलविदों को लंबे समय से पता है कि डार्क मैटर नामक एक विशाल, अदृश्य पदार्थ आकाशगंगाओं को एक साथ थामे रखता है, जो एक गुरुत्वाकर्षण गोंद की तरह कार्य करता है ताकि वे बिखर न जाएं। हालांकि यह पदार्थ ब्रह्मांड के लगभग एक चौथाई हिस्से का निर्माण करता है, लेकिन इसकी वास्तविक प्रकृति विज्ञान के सबसे बड़े रहस्यों में से एक बनी हुई है। हम जानते हैं कि यह प्रकाश उत्सर्जित नहीं करता है और यह साधारण पदार्थ के साथ लगभग विशेष रूप से केवल गुरुत्वाकर्षण के माध्यम से अंतःक्रिया करता है, लेकिन हम यह नहीं जानते कि यह किन कणों से बना है। एक प्रमुख विचार यह सुझाव देता है कि डार्क मैटर भारी, धीमी गति वाले कणों से बना है जो फर्मियॉन (fermions) की तरह व्यवहार करते हैं, जो कणों का एक वर्ग है जिसमें इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन शामिल हैं। चूंकि ये कण एक ही समय में एक ही स्थान पर नहीं रह सकते, इसलिए वे एक प्रकार का आंतरिक दबाव उत्पन्न करते हैं जो विशाल संरचनाओं को उनके अपने गुरुत्वाकर्षण के विरुद्ध सहारा दे सकता है, ठीक वैसे ही जैसे इलेक्ट्रॉन का दबाव एक श्वेत वामन तारे (white dwarf star) को ढहने से रोकता है। यदि ऐसे कण मौजूद हैं, तो वे केवल अंतरिक्ष में स्वतंत्र रूप से तैर ही नहीं सकते; वे सघन, अदृश्य वस्तुओं के रूप में एक साथ एकत्रित हो सकते हैं।
भारत के क्राइस्ट यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह जांचने के लिए हाथ में लिया कि क्या ये फर्मिओनिक डार्क मैटर कण वास्तव में ऐसी सघन वस्तुएं बना सकते हैं और यदि ऐसा है, तो वे कैसी दिखेंगी। उन्होंने डार्क मैटर कणों के वजन के आधार पर इन वस्तुओं के सैद्धांतिक द्रव्यमान की गणना करके शुरुआत की। उनके मॉडलों ने सुझाव दिया कि यदि कणों का द्रव्यमान लगभग 10 बिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट है, तो परिणामी सघन वस्तुओं का वजन हमारे सूर्य के द्रव्यमान का लगभग 1.6 प्रतिशत होगा। यह जांचने के लिए कि क्या ये अदृश्य दिग्गज अस्तित्व में हो सकते हैं, वैज्ञानिकों ने गुरुत्वाकर्षण माइक्रोलेंसिंग (gravitational microlensing) की घटना की ओर रुख किया। यह तब होता है जब एक विशाल वस्तु एक दूर स्थित तारे के सामने से गुजरती है, जिससे तारे का प्रकाश मुड़ जाता है और वह अस्थायी रूप से चमक उठता है। सर्वेक्षणों के डेटा की समीक्षा करते हुए, जिन्होंने लाखों सितारों की इन संक्षिप्त चमकने वाली घटनाओं की निगरानी की थी, शोधकर्ताओं ने इन विशिष्ट डार्क मैटर वस्तुओं के संकेतों की तलाश की। उन्होंने पाया कि उनके द्वारा गणना किए गए द्रव्यमान वाली वस्तुएं लेंसिंग की ऐसी घटनाओं की संख्या उत्पन्न करेंगी जो अवलोकन संबंधी सीमाओं के अनुरूप है, जबकि इन वस्तुओं के बहुत हल्के संस्करण बहुत अधिक चमकने वाली घटनाएं पैदा करेंगे, जो प्रभावी रूप से उन छोटे उम्मीदवारों के अस्तित्व को खारिज करता है।
यह स्थापित करने के बाद कि ये वस्तुएं वर्तमान सीमाओं के भीतर संभवतः अस्तित्व में हो सकती हैं, टीम ने यह पता लगाने की कोशिश की कि क्या होगा यदि वे साधारण गैस और धूल के बादलों के बीच से गुजरें। जैसे ही एक सघन डार्क मैटर वस्तु अंतरिक्ष में चलती है, उसका गुरुत्वाकर्षण आसपास के हाइड्रोजन और हीलियम को अपनी ओर खींचता है, जिससे गैस गर्म होकर चमकने लगती है। शोधकर्ताओं ने इस चमकती गैस के तापमान और ऊर्जा की गणना की, और पाया कि यह 100 बिलियन डिग्री से अधिक तापमान तक पहुंच जाएगी। इन चरम तापमानों के बावजूद, गैस से उत्सर्जित होने वाला प्रकाश उस ऊर्जा से बहुत कम स्तर पर होगा जिसकी आवश्यकता 'गैलेक्टिक सेंटर GeV एक्सस' (Galactic Center GeV excess) नामक एक विशिष्ट खगोलीय पहेली को समझाने के लिए होती है। यह एक्सस हमारी आकाशगंगा के केंद्र से आने वाली उच्च-ऊर्जा गामा किरणों का एक अप्रत्याशित अधिशेष है, जिसे कुछ वैज्ञानिकों ने उम्मीद की थी कि यह डार्क मैटर कणों के टकराने और विलीन होने (annihilating) के कारण हो सकता है। अध्ययन दर्शाता है कि इन सघन डार्क मैटर वस्तुओं से निकलने वाली ऊर्जा का विस्फोट उस संकेत का स्रोत होने के लिए बहुत कमजोर और बहुत कम ऊर्जा वाला है, जो यह सुझाव देता है कि इस विशेष रहस्य को कहीं और देखकर सुलझाया जाना चाहिए।
हालांकि ये वस्तुएं गामा-रे एक्सस की व्याख्या नहीं कर सकतीं, शोधकर्ताओं ने एक अलग, अधिक सूक्ष्म संभावना पाई। उन्होंने इस विचार पर विचार किया कि ये सघन डार्क मैटर कोर शुद्ध डार्क मैटर नहीं हो सकते बल्कि इनमें साधारण बेरियोनिक पदार्थ (baryonic matter) का मिश्रण हो सकता है, जो वह पदार्थ है जिससे तारे और ग्रह बनते हैं। यदि ऐसा मिश्रण बनता है, तो वस्तु एक शुद्ध डार्क मैटर के गुच्छे की तुलना में अधिक भारी और बड़ी होगी। टीम ने गणना की कि यदि ये मिश्रित वस्तुएं मौजूद हैं, तो वे "लुप्त बेरयॉन्स" (missing baryons)—वह साधारण पदार्थ जिसे ब्रह्मंडविज्ञानी जानते हैं कि वहां होना चाहिए लेकिन उन्होंने स्थानीय ब्रह्मांड में अभी तक नहीं पाया है—का एक महत्वपूर्ण हिस्सा समझा सकती हैं। इस बात पर निर्भर करते हुए कि कितना साधारण पदार्थ मिश्रित है, ये वस्तुएं संभावित रूप से लुप्त द्रव्यमान का 10 से 90 प्रतिशत तक स्पष्ट कर सकती हैं। हालांकि, लेखक सावधानीपूर्वक नोट करते हैं कि यह एक सैद्धांतिक संभावना है न कि एक पुष्ट समाधान। उन्होंने अभी तक उस भौतिक प्रक्रिया का निर्धारण नहीं किया है जो डार्क मैटर और साधारण पदार्थ को मिलने और इन स्थिर, ग्रह-आकार के पिंडों को बनाने की अनुमति देती है। फिलहाल, यह कार्य इन डार्क मैटर वस्तुओं के बारे में क्या हो सकता है, इस पर एक मजबूत सीमा निर्धारित करने का कार्य करता है, जो कुछ विचारों को खारिज करता है और ब्रह्मांड के लुप्त साधारण पदार्थ के लिए एक शांत, प्रशंसनीय नया घर भी प्रदान करता है।
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