Molecular hydrogen formation on dust: The impact of gas-dust drift on formation efficiency
यह अध्ययन यह प्रदर्शित करने के लिए कि हालांकि गैस-धूल ड्रिफ्ट (gas-dust drift) H-परमाणु टकराव दरों को बढ़ाता है, लेकिन परिणामस्वरूप उच्च प्रभाव ऊर्जाएं चिपकने की संभावनाओं (sticking probabilities) को कम करके आणविक हाइड्रोजन निर्माण दक्षता को महत्वपूर्ण रूप से दबा सकती हैं, यह धारणा को चुनौती देता है कि सापेक्ष गति हमेशा गतिशील रूप से सक्रिय अंतरतारकीय वातावरणों में H उत्पादन को बढ़ाती है।
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तारों के बीच के विशाल, ठंडे स्थानों में, एक शांत लेकिन महत्वपूर्ण परिवर्तन लगातार हो रहा है। हाइड्रोजन, जो ब्रह्मांड में सबसे प्रचुर मात्रा में मौजूद तत्व है, अधिकतर शून्य में तैरते हुए एकल परमाणुओं के रूप में मौजूद रहता है। फिर भी, उन सितारों और ग्रहों के निर्माण के लिए जो ब्रह्मांड को रोशन करते हैं, इन परमाणुओं को अणु बनाने के लिए आपस में जुड़ना पड़ता है। खुले स्थान में यह युग्मन (pairing) प्राप्त करना कठिन है क्योंकि परमाणु एक-दूसरे से बहुत दूर होते हैं ताकि वे पर्याप्त बार आपस में टकरा सकें, और जब वे टकराते भी हैं, तो वे आपस में जुड़ने के बजाय अक्सर टकराकर अलग हो जाते हैं। प्रकृति ने एक चतुर समाधान खोजा है: ब्रह्मांडीय धूल के सूक्ष्म कण। ये कण, जो सिलिकेट चट्टान या कार्बन जैसी सामग्रियों से बने होते हैं, सूक्ष्म कार्यबेंच (workbenches) के रूप में कार्य करते हैं। हाइड्रोजन के एकल परमाणु इन पर उतरते हैं, उनकी सतह पर इधर-उधर घूमते हैं, और अंततः एक साथी से मिलते हैं जिससे हाइड्रोजन गैस का एक अणु बनता है, जो फिर अंतरिक्ष में उड़ जाता है। यह प्रक्रिया आकाशगंगा में लगभग सभी रसायन विज्ञान की शुरुआत है और उन गैस के बादलों को ठंडा करने में मदद करती है जहाँ नए तारे जन्म लेते हैं।
द दशकों से, खगोलविदों ने यह समझ लिया है कि इन धूल के कणों का तापमान और उनकी सतहों के गुण इस बात के लिए कितने महत्वपूर्ण हैं कि यह आणविक कारखाना कितनी अच्छी तरह काम करता है। हालांकि, जर्मनी, कनाडा और संयुक्त राज्य अमेरिका के शोधकर्ताओं द्वारा किए गए एक नए अध्ययन से पता चलता है कि गैस के सापेक्ष धूल की गति पर विचार किए बिना यह कहानी अधूरी है। अंतरिक्ष के कई सक्रिय क्षेत्रों में, जैसे कि युवा सितारों के बहिर्वाह (outflows) या अशांत बादलों में, धूल के कण स्थिर नहीं रहते; वे उच्च गति से गैस के माध्यम से तैरते हैं। शोधकर्ता यह जानना चाहते थे कि यह सापेक्ष गति हाइड्रोजन अणु निर्माण की दक्षता को कैसे बदलती है। उन्होंने एक परिष्कृत कंप्यूटर सिमुलेशन बनाया जो व्यक्तिगत हाइड्रोजन परमाणुओं को धूल के कणों से टकराने के दौरान ट्रैक करता है, इस तथ्य को ध्यान में रखते हुए कि कण गैस के माध्यम से गति कर रहे हैं, जो यह बदल देता है कि परमाणु कितनी जोर से टकराते हैं और क्या वे चिपकते हैं या नहीं।
टीम ने गोलाकार धूल के कणों का एक विस्तृत मॉडल विकसित किया, जिसमें सिलिकेट और कार्बन-आधारित दोनों सतहों की नकल की गई। उन्होंने हाइड्रोजन परमाणुओं के आगमन का अनुकरण किया, जो या तो कण से चिपक सकते हैं और उसकी सतह पर घूम सकते हैं, या पहले से वहां प्रतीक्षा कर रहे परमाणु के साथ तुरंत प्रतिक्रिया कर सकते हैं। उनके कार्य का एक प्रमुख हिस्सा यह परीक्षण करना था कि परमाणु सतह से कैसे चिपकते हैं, इसके दो अलग-अलग विचारों का परीक्षण करना। एक परिदृश्य में, उन्होंने माना कि परमाणु के चिपकने की संभावना स्थिर रहती है, चाहे वह कितनी भी तेजी से टकराए। दूसरे में, उन्होंने एक अधिक यथार्थवादी नियम का उपयोग किया जहाँ यदि परमाणु बहुत जोर से टकराता है तो चिपकने की संभावना कम हो जाती है। यह अंतर महत्वपूर्ण है क्योंकि गैस के माध्यम से कण का बहाव (drift) उस गति को बढ़ा देता है जिस पर परमाणु सतह से टकराते हैं।
जब शोधकर्ताओं ने स्थिर चिपकाव संभावना (constant chance of sticking) के साथ अपने सिमुलेशन चलाए, तो उन्होंने पाया कि तेज़ बहाव वास्तव में मददगार था। चलते हुए कण ने प्रति सेकंड अधिक हाइड्रोजन परमाणुओं को अपने साथ समेटा, जिससे अणु निर्माण की दर बढ़ गई। हालांकि, परिणाम नाटकीय रूप से बदल गए जब उन्होंने उस नियम को शामिल किया कि कठिन प्रभाव परमाणुओं के चिपकने की संभावना को कम कर देते हैं। इस अधिक यथार्थवादी परिदृश्य में, तीव्र बहाव एक बाधा बन गया। जैसे-जैसे कण गैस के माध्यम से तेजी से चलते, हाइड्रोजन परमाणु इतनी ताकत से सतह से टकराते कि वे चिपकने के बजाय टकराकर वापस उछल जाते। इससे निर्माण दक्षता (formation efficiency), जो यह मापती है कि कितने टकराव सफलतापूर्वक एक अणु बनाते हैं, तेजी से गिर गई। उच्च गति से तैरते कणों के लिए, दक्षता केवल एक से तीन प्रतिशत तक गिर गई, जबकि धीमी गति वाले बहाव के दौरान यह बीस से पचास प्रतिशत थी।
अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि कण पर अणु कहाँ बनते हैं, यह समान नहीं है। जब एक कण बहता है, तो वह हाइड्रोजन परमाणुओं की एक ऐसी हवा बनाता है जो एक तरफ दूसरी तरफ की तुलना में अधिक टकराती है। कम गति पर, प्रतिक्रियाओं का वितरण काफी समान होता है। लेकिन उच्च गति पर, पैटर्न अत्यधिक असमान हो जाता है। यदि चिपकाने की संभावना प्रभाव की गति पर निर्भर करती है, तो अणु बनाने के लिए सबसे सक्रिय क्षेत्र कण का वह बिंदु नहीं है जहाँ गैस सीधे कण से टकराती है। इसके बजाय, यह कण के किनारे के चारों ओर एक वलय (ring) की ओर स्थानांतरित हो जाता है। बिल्कुल सामने, परमाणु इतनी जोर से टकराते हैं कि वे उछल जाते हैं। बिल्कुल पीछे, हवा इतनी कमजोर होती है कि बहुत कम परमाणु ला सके। 'स्वीट स्पॉट' इनके बीच में है, जहाँ टक्कर की दर अभी भी उच्च है, लेकिन प्रभाव की गति इतनी कम है कि परमाणु चिपक सकें।
एक अन्य प्रमुख निष्कर्ष धूल के कण के प्रकार से संबंधित है। कार्बन-आधारित कण सिलिकेट कणों की तुलना में बहुत अधिक लचीले (resilient) सिद्ध हुए। वे 150 केल्विन तक उच्च तापमान पर भी कुशलतापूर्वक हाइड्रोजन अणु बना सकते हैं, जबकि सिलिकेट कणों ने 110 केल्विन के आसपास प्रभावी रूप से काम करना बंद कर दिया। ऐसा इसलिए है क्योंकि कार्बन सतहें हाइड्रोजन परमाणुओं को अधिक मजबूती से थामे रखती हैं, जिससे वे कण के गर्म होने पर अंतरिक्ष में वापस वाष्पित होने से बच जाते हैं। इस लाभ के बावजूद, उच्च-गति बहाव का नकारात्मक प्रभाव दोनों प्रकार के कणों पर लागू हुआ। लगभग सभी मामलों में, वह प्रतिक्रिया जिसमें गैस का परमाणु सतह पर मौजूद स्थिर परमाणु से टकराता है, प्रक्रिया पर हावी रही, जबकि वह प्रतिक्रिया जिसमें दो घूमते हुए परमाणु मिलते हैं, बहाव बढ़ने और सतह की आबादी कम होने के साथ कम महत्वपूर्ण होती गई।
इन निष्कर्षों के निहितार्थ केवल अणुओं की गिनती तक ही सीमित नहीं हैं। धूल के कणों पर हाइड्रोजन के निर्माण से ऊर्जा निकलती है जो कणों को घुमा सकती है, जिससे उन्हें अंतरिक्ष में चुंबकीय क्षेत्रों के साथ संरेखित (align) करने में मदद मिलती है। यह संरेखण ही खगोलविदों को तारों के प्रकाश के ध्रुवीकरण (polarization) को देखकर चुंबकीय क्षेत्रों को मापने की अनुमति देता है। यदि कणों का बहाव यह बदल देता है कि अणु कितनी बार बनते हैं, तो यह कणों के घूमने और संरेखित होने के तरीके को भी बदल सकता है। यह सुझाव देता है कि गतिशील वातावरण जैसे कि तारकीय बहिर्वाह या शॉक वेव्स में, जहाँ धूल और गैस अलग-अलग गति से चलते हैं, आणविक निर्माण की भविष्यवाणी करने के लिए उपयोग किए जाने वाले मानक मॉडल काफी गलत हो सकते हैं। शोधकर्ता निष्कर्ष निकालते हैं कि ब्रह्मांड के रसायन विज्ञान को वास्तव में समझने के लिए, हमें गैस और धूल के बीच के सापेक्ष गति को ध्यान में रखना चाहिए, क्योंकि यह उन ब्रह्मांडीय मशीनों की दक्षता को मौलिक रूप से बदल देता है जो सितारों के निर्माण खंडों का निर्माण करती हैं।
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