Comment on "Fermi-LAT Galactic Center Excess Morphology of Dark Matter in Simulations of the Milky Way Galaxy"

हमारी मिल्की वे आकाशगंगा के हृदय में गहराई में, उच्च-ऊर्जा वाली रोशनी की एक निरंतर चमक, जिसे गामा किरणें कहा जाता है, वर्षों से खगोलविदों को उलझाए हुए है। यह चमक, जो गैलेक्टिक कोर (आकाशगंगा के केंद्र) पर केंद्रित है, आकाशगंगा के सामान्य तारों और गैस द्वारा अनुमानित मानक मॉडलों की तुलना में अधिक उज्ज्वल है। वैज्ञानिक लंबे समय से इस अतिरिक्त प्रकाश के स्रोत पर बहस कर रहे हैं। एक प्रमुख सिद्धांत बताता है कि यह डार्क मैटर (डार्क मैटर) का संकेत है, जो एक अदृश्य पदार्थ है और ब्रह्मांड के अधिकांश द्रव्यमान का निर्माण करता है। जब डार्क मैटर के दो कण आपस में टकराते हैं, तो वे एक-दूसरे को नष्ट (annihilate) कर सकते हैं, जिससे गामा किरणें निकलती हैं। एक वैकल्पिक सिद्धांत प्रस्तावित करता है कि यह प्रकाश पुराने, धुंधले तारों की एक घनी आबादी से आता है जो व्यक्तिगत रूप से देखने के लिए बहुत मंद हैं, लेकिन सामूहिक रूप से इस चमक को बनाने के लिए पर्याप्त उज्ज्वल हैं। इन दोनों संभावनाओं के बीच अंतर करना महत्वपूर्ण है क्योंकि इससे हमें पता चलेगा कि हम एक मौलिक कण अंतःक्रिया (particle interaction) को देख रहे हैं या केवल प्राचीन तारों का एक भीड़भाड़ वाला पड़ोस। इस रहस्य को सुलझाने की कुंजी चमक के आकार में निहित है: यदि यह डार्क मैटर से आता है, तो प्रकाश एक विशिष्ट तरीके से केंद्रित होना चाहिए जो तारों के वितरण से भिन्न हो।

मुरु और उनके सहयोगियों द्वारा एक हालिया अध्ययन में, मिल्की वे के परिष्कृत कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, यह दावा किया गया कि उन्होंने इस बहस को सुलझा लिया है। उन्होंने तर्क दिया कि डार्क मैटर विनाशीकरण (annihilation) द्वारा अनुमानित गामा-रे चमक का आकार, पुराने तारों द्वारा अनुमानित आकार के लगभग समान है। यदि यह सच है, तो इसका अर्थ होगा कि वर्तमान प्रकाश का आकार हमें यह नहीं बता सकता कि कौन सा स्रोत इसके लिए जिम्मेदार है। हालांकि, केवॉर्क अबाजियन, जेसन कुमार और ऑस्कर मैकियास द्वारा एक नया विश्लेषण इस निष्कर्ष को चुनौती देता है। उन्होंने पाया कि मूल अध्ययन ने डार्क मैटर से अपेक्षित प्रकाश की गणना करने के तरीके में एक मौलिक त्रुटि की थी। इस गणना को सुधारकर, नई टीम दिखाती है कि दोनों स्रोत वास्तव में अलग-अलग आकार उत्पन्न करते हैं, जिससे डार्क मैटर के वास्तविक मूल के रूप में बने रहने की संभावना बनी रहती है।

मूल कार्य में त्रुटि प्रकाश उत्पन्न होने के सूक्ष्म लेकिन महत्वपूर्ण अंतर से उपजी थी। जब डार्क मैटर के कण आपस में टकराते हैं, तो उत्पन्न होने वाली रोशनी की मात्रा किसी भी दिए गए बिंदु पर कणों के घनत्व के वर्ग (square) पर निर्भर करती है। पृथ्वी तक पहुँचने वाली कुल रोशनी खोजने के लिए, आपको पहले दृष्टि रेखा (line of sight) के हर स्थान पर डार्क मैटर के घनत्व का वर्ग करना होगा और फिर परिणामों को जोड़ना होगा। हालांकि, मूल अध्ययन ने एक अलग दृष्टिकोण अपनाया। उन्होंने पहले दृष्टि रेखा के साथ डार्क मैटर के कुल द्रव्यमान को जोड़ा और फिर उस अंतिम संख्या का वर्ग कर दिया। हालांकि यह एक मामूली गणितीय शॉर्टकट लग सकता है, लेकिन यह भौतिक अर्थ को पूरी तरह बदल देता है। कुल द्रव्यमान के मानचित्र का वर्ग करने से उसका सामान्य बाहरी आकार सुरक्षित रहता है, यही कारण है कि मूल लेखकों ने अपने परिणामों में मेल खाते आकार देखे। लेकिन यह उस तीव्र संकेंद्रण (concentration) को पकड़ने में विफल रहता है जो तब होता है जब योग करने से पहले घनत्व का वर्ग किया जाता है।

इसे ठीक करने के लिए, नए शोधकर्ताओं ने उसी कंप्यूटर सिमुलेशन और मूल अध्ययन में उपयोग किए गए उन्हीं छह आभासी मिल्की वे संस्करणों का उपयोग करके विश्लेषण को फिर से चलाया। उन्होंने सही पद्धति लागू की, प्रकाश की गणना दृष्टि रेखा के साथ डार्क मैटर के घनतत्व के वर्ग को जोड़कर की, जैसा कि कण विनाशीकरण के भौतिक नियमों के लिए आवश्यक है। इसके बाद उन्होंने अपने सुधारे गए मानचित्रों की तुलना पुराने तारकीय जनसंख्या के मानचित्रों से की। परिणाम स्पष्ट थे: डार्क मैटर विनाशीकरण से आने वाली रोशनी पुराने तारों की रोशनी की तुलना में आकाशगंगा के बिल्कुल केंद्र की ओर काफी अधिक केंद्रित है। वास्तविक दूरबीनों के रिज़ॉल्यूशन से मेल खाने के लिए छवियों को स्मूथ (smooth) करने के बाद भी, डार्क मैटर के मानचित्र मध्य में अधिक सघन रहे।

टीम ने चमक के आकार को भी देखा, विशेष रूप से यह कितनी गोल या चपटी दिखाई देती है। जबकि दोनों स्रोत थोड़ा चपटा आकार उत्पन्न करते हैं, डार्क मैटर की चमक पुराने तारों की चमक की तुलना में अधिक गोलाकार है। नए विश्लेषण ने पाया कि ड的に डार्क मैटर के मानचित्रों में उनकी सबसे छोटी चौड़ाई और सबसे लंबी चौड़ाई का अनुपात 0.76 है, जबकि तारकीय मानचित्र और गैलेक्टिक बल्ज के विभिन्न स्थापित मॉडल अधिक चपटे हैं, जिनका अनुपात 0.56 से 0.72 के बीच है। आकार और संकेंद्रण के इस अंतर का अर्थ है कि दोनों स्रोत अविभेद्य नहीं हैं, जैसा कि पिछले अध्ययन ने दावा किया था। सुधारे गए गणनाओं से पता चलता है कि यदि अतिरिक्त प्रकाश डार्क मैटर से आता है, तो यह पुराने तारों के प्रकाश से मापने योग्य रूप से भिन्न दिखना चाहिए।

यह खोज यह सिद्ध नहीं करती है कि डार्क मैटर ही स्रोत है, लेकिन यह एक बड़ी बाधा को हटा देती है जो यह सुझाव देती थी कि दोनों संभावनाओं के बीच अंतर करना असंभव है। इस अध्ययन में उपयोग किए गए सिमुलेशन की सीमाएं हैं; वे एक निश्चित आकार से छोटे ढांचों को हल (resolve) नहीं कर सकते, जो सिमुलेशन के पैमाने पर लगभग 0.22 किलोपारसेक (kiloparsecs) है, जो आकाश में लगभग 1.6 डिग्री के बराबर है। इस सीमा के बावजूद, संकेंद्रण का अंतर इतना मजबूत है कि इसे स्मूथिंग लागू करने के बाद भी देखा जा सकता है। लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि उनका कार्य पिछले पेपर की एक विशिष्ट गणना त्रुटि को ठीक करता है। डार्क मैटर विनाशीकरण कैसे प्रकाश बनाता है, इसके उचित भौतिक सूत्र का उपयोग करके, वे प्रदर्शित करते हैं कि गैलेक्टिक सेंटर एक्सस (Galactic Center Excess) की आकृति विज्ञान (morphology) इस रहस्यमय चमक के लिए डार्क मैटर जिम्मेदार है या नहीं, इसकी जांच करने के लिए एक व्यवहार्य उपकरण बनी हुई है। बहस अभी समाप्त नहीं हुई है, लेकिन रास्ता अब अधिक स्पष्ट है, क्योंकि दोनों प्रतिस्पर्धी सिद्धांत हमारी आकाशगंगा के केंद्र से दिखने वाले प्रकाश के बारे में स्पष्ट और मापने योग्य अंतर की भविष्यवाणी करते हैं।