Dark Matter Particle Explorer: Ten-Year On-Orbit Performance and Scientific Outcomes

ब्रह्मांड अदृश्य यात्रियों से भरा हुआ है। ये कॉस्मिक किरणें (cosmic rays) हैं, जो गहरे अंतरिक्ष से पृथ्वी पर गिरने वाले उच्च-गति के कण हैं। लगभग एक सदी से, वैज्ञानिक यह जानना चाहते थे कि ये कण कहाँ से आते हैं और वे इतनी अविश्वसनीय गति कैसे प्राप्त करते हैं। साथ ही, खगोलविदों को पता है कि ब्रह्मांड का अधिकांश हिस्सा ऐसी किसी चीज़ से बना है जिसे वे बिल्कुल भी नहीं देख सकते: डार्क मैटर (dark matter)। यह रहस्यमय पदार्थ प्रकाश उत्सर्जित नहीं करता है, लेकिन इसका गुरुत्वाकर्षण आकाशगंगाओं को एक साथ थामे रखता है। यदि डार्क मैटर कणों के रूप में मौजूद है, तो वे कभी-कभी आपस में टकराकर लुप्त हो सकते हैं, और इलेक्ट्रॉन या गामा किरणों जैसे साधारण कणों में बदल सकते हैं। इन विशिष्ट संकेतों को खोजना एक बड़ी सफलता होगी, जो डार्क ब्रह्मांड की वास्तविक प्रकृति को उजागर करेगा। इन क्षणिक आगंतुकों को पकड़ने के लिए, वैज्ञानिकों को ऐसे उपकरणों की आवश्यकता है जो कणों की ऊर्जा और दिशा को अत्यधिक सटीकता के साथ माप सकें, जो जमीनी दूरबीनों की क्षमता से कहीं अधिक हो।

2015 में, चीन ने इन सुरागों की तलाश में 'डैम्पे' (DAMPE) नामक एक उपग्रह अंतरिक्ष में लॉन्च किया, जिसका अर्थ है "वुकोंग" (Wukong), जो वानर राज (Monkey King) के नाम पर है। अब, शोधकर्ताओं की एक टीम ने उपग्रह के संचालन के पहले दस वर्षों की रिपोर्ट प्रकाशित की है, जिसमें इस बात का विवरण दिया गया है कि इस उपकरण ने कैसा प्रदर्शन किया है और इसने क्या खोजा है। यह उपग्रह एक परिष्कृत डिटेक्टर लेकर चलता है जिसे कणों के लिए एक विशाल, त्रि-आयामी (three-dimensional) कैमरे की तरह काम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यह चार सेंसर परतों से बना है। शीर्ष परत आने वाले कणों के विद्युत आवेश (electric charge) को पकड़ती है। उसके नीचे, एक ट्रैकर उनके पथ को रिकॉर्ड करता है। मशीन का हृदय क्रिस्टल का एक मोटा ब्लॉक है जो कणों को अवशोषित करता है और उनकी कुल ऊर्जा को मापता है। अंत में, एक निचली परत न्यूट्रॉन की तलाश करती है, जो विभिन्न प्रकार के कणों के बीच अंतर करने में मदद करती है। पिछले दशक में, इस उपकरण ने अरबों घटनाओं को रिकॉर्ड किया है, और इसने एक स्थिर और सटीक प्रदर्शन बनाए रखा है जो वैज्ञानिकों को अभूतपूर्व विवरण के साथ कॉस्मिक किरणों की ऊर्जा का मानचित्र बनाने की अनुमति देता है।

दर्ज की गई सबसे महत्वपूर्ण उपलब्धियों में से एक इलेक्ट्रॉनों और उनके प्रतिद्रव्यमान जुड़वा (antimatter twins), यानी पॉजिट्रॉन (positrons) के ऊर्जा स्पेक्ट्रम का मापन है। मिशन के पहले कुछ वर्षों के डेटा का विश्लेषण करके, टीम ने इन कणों के प्रवाह में एक स्पष्ट व्यवधान (break) पाया। जैसे-जैसे इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा बढ़ती है, कणों की संख्या एक विशिष्ट तरीके से कम होती जाती है, लेकिन लगभग 0.9 TeV के ऊर्जा स्तर पर, यह पैटर्न तेजी से बदल जाता है। यह "ब्रेक" बताता है कि इन उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों का स्रोत आकाशगंगा में समान नहीं है। यह एक विशिष्ट, निकटवर्ती त्वरक (accelerator) की ओर संकेत करता है, जैसे कि एक पल्सर (pulsar), या शायद डार्क मैटर कणों की परस्पर क्रिया से मिलने वाला संकेत। डेटा इतना सटीक है कि यह संख्याओं में एक सरल, सहज गिरावट को खारिज करता है, जिससे पुष्टि होती है कि उच्च-ऊर्जा वाले आकाश में कुछ जटिल हो रहा है।

उपग्रह ने भारी नाभिकों (nuclei) की ओर भी ध्यान दिया जो अधिकांश कॉस्मिक किरणों का निर्माण करते हैं, जैसे कि प्रोटॉन, हीलियम, कार्बन और लोहा। लंबे समय से, वैज्ञानिक उम्मीद करते थे कि इन विभिन्न तत्वों के ऊर्जा स्पेक्ट्रा समान दिखेंगे, शायद केवल उनके द्रव्यमान के आधार पर थोड़े भिन्न होंगे। हालाँकि, डैम्पे के मापन ने एक आश्चर्यजनक नई संरचना का खुलासा किया। जब इन कणों की ऊर्जा एक निश्चित बिंदु तक पहुँचती है, तो उनकी संख्या पहले की तुलना में अधिक तेजी से गिरती है। महत्वपूर्ण रूप से, यह गिरावट एक विशिष्ट "रिजिडिटी" (rigidity) पर होती है, जो इस बात का माप है कि चुंबकीय क्षेत्र के साथ किसी कण के पथ को मोड़ना कितना कठिन है। टीम ने पाया कि यह तीव्र गिरावट प्रोटॉन, हीलियम, कार्बन, ऑक्सीजन और लोहे के लिए समान रिजिडिटी पर होती है, चाहे उनका द्रव्यमान कुछ भी हो। यह सार्वभौमिक व्यवहार बताता है कि यह सीमा त्वरण प्रक्रिया (acceleration process) द्वारा या इन कणों के आकाशगंगा के माध्यम से यात्रा करने के तरीके द्वारा निर्धारित होती है, न कि विशिष्ट प्रकार के कण द्वारा। यह निष्कर्ष एक मजबूत सुराग प्रदान करता है कि कॉस्मिक किरणों के स्रोतों की एक सामान्य ऊर्जा सीमा है।

डार्क मैटर की खोज में, उपग्रह ने एक बहुत ही विशिष्ट संकेत की तलाश की: गामा किरणों की एक तीक्ष्ण, एकल रेखा। यदि डार्क मैटर के कण आपस में टकराते और विलीन होते हैं, तो उन्हें एक बहुत ही विशिष्ट ऊर्जा वाली गामा किरणें उत्पन्न करनी चाहिए, जो डेटा में एक स्पाइक (spike) के रूप में दिखाई देंगी। शोधकर्ताओं ने इन स्पाइक्स को खोजने के लिए उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाले क्रिस्टल का उपयोग करते हुए 10 से 300 GeV की विस्तृत ऊर्जा रेंज को स्कैन किया। उन्हें ऐसी कोई रेखाएं नहीं मिलीं। हालांकि इसका मतलब यह है कि उन्हें इस ऊर्जा सीमा में डार्क मैटर विलोपन (annihilation) का प्रत्यक्ष प्रमाण नहीं मिला, फिर भी यह परिणाम प्रभावशाली है। उपग्रह ने डार्क मैटर कितनी बार विलीन हो सकता है, इस पर सख्त सीमाएं लगा दी हैं, जिससे कई सैद्धांतिक मॉडलों को खारिज किया जा सका है। चूंकि इस उपकरण में बहुत सूक्ष्म ऊर्जा रिज़ॉल्यूशन है, इसलिए इसके प्रतिबंध अन्य प्रमुख अंतरिक्ष दूरबीनों की तुलना में प्रतिस्पर्धी हैं, और कुछ मामलों में उनसे भी अधिक मजबूत हैं, भले ही इसने कुल डेटा कम एकत्र किया हो।

डार्क मैटर और कॉस्मिक किरणों की उत्पत्ति की खोज के अलावा, मिशन ने माध्यमिक कणों (secondary particles) के व्यवहार का भी मानचित्रण किया है। जब प्राथमिक कॉस्मिक किरणें अंतरिक्ष में गैस से टकराती हैं, तो वे बोरॉन (boron) जैसे हल्के तत्वों का निर्माण करती हैं। बोरॉन और कार्बन एवं ऑक्सीजन जैसे भारी तत्वों के अनुपात को मापकर, वैज्ञानिक यह समझ सकते हैं कि कॉस्मिक किरणें आकाशगंगा में कैसे तैरती हैं। डैम्पे ने पाया कि यह अनुपात उस तरह से बदलता है जैसा कि शास्त्रीय मॉडलों ने भविष्यवाणी नहीं की थी, जो उच्च ऊर्जाओं पर स्पेक्ट्रम में एक 'हार्डनिंग' (hardening) को दर्शाता है। यह सुझाव देता है कि बहुत उच्च गति पर आकाशगंगा के माध्यम से कॉस्मिक किरणों के प्रसार (diffusion) का तरीका बदल जाता है, शायद अपेक्षा से अधिक धीमा हो जाता है। यह खोज अंतरतारकीय माध्यम (interstellar medium) के माध्यम से कणों के संचलन के बारे में हमारी समझ में जटिलता की एक नई परत जोड़ती है।

जैसे-जैसे उपग्रह अपना संचालन जारी रख रहा है, टीम पहले से ही इन मापों को और भी उच्च ऊर्जाओं तक विस्तारित करने पर काम कर रही है, जिससे ब्रह्मांड के सबसे ऊर्जावान कणों के बारे में हमारी जानकारी की सीमाओं को आगे बढ़ाया जा सके। दस साल की रिपोर्ट पुष्टि करती है कि उपकरण अभी भी अपने शिखर प्रदर्शन पर है, और अधिक डेटा एकत्र करने के लिए तैयार है जो अंततः कॉस्मिक किरणों और डार्क मैटर के लंबे समय से चले आ रहे रहस्यों को सुलझा सकता है। अब तक के निष्कर्षों ने अंतिम उत्तर तो नहीं दिया है, लेकिन उन्होंने समस्या का एक बहुत अधिक स्पष्ट मानचित्र तैयार किया है, जो ठीक से दिखाता है कि विसंगतियां कहाँ स्थित हैं और अगली पीढ़ी के प्रयोगों का मार्गदर्शन करता है।