Microgravity experiment measures compaction of fractal dust agglomerates by gas forces

तारों के बीच के विशाल, ठंडे अंधेरे में, जहाँ नए सौर मंडल जन्म लेते हैं, एक ग्रह की कहानी धूल जैसी सरल चीज़ से शुरू होती है। गैस और चट्टान के इन घूमते हुए डिस्कों में, नन्हे कण आपस में टकराते हैं और एक साथ जुड़ते हैं, धीरे-धीरे बड़े और बड़े ढेलों का निर्माण करते हैं। शुरुआत में, ये ढेले अविश्वसनीय रूप से नाजुक होते हैं, जो ठोस चट्टानों के बजाय फूला हुआ बर्फ के गोले या रेत के ढीले ढेर जैसे दिखते हैं। वे इतने छिद्रपूर्ण होते हैं कि उनमें ज्यादातर खाली स्थान होता है। वैज्ञानिक लंबे समय से यह समझने की कोशिश कर रहे हैं कि ये नाजुक संरचनाएं कणों के ढीले संग्रह से ग्रहों के ठोस निर्माण खंड बनने तक की यात्रा में कैसे जीवित रहती हैं। एक प्रमुख प्रश्न यह रहा है कि ये फूले हुए बादल किसी चीज़ में घने होने से पहले कितना दबाव झेल सकते हैं, और अंतरिक्ष के निर्वात में उन्हें एक साथ दबाने के लिए कौन से बल पर्याप्त रूप से मजबूत हैं।

इसका उत्तर देने के लिए, शोधकर्ताओं को पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण के हस्तक्षेप के बिना इन छोटे ढेलों का अवलोकन करने की आवश्यकता थी, क्योंकि गुरुत्वाकर्षण के कारण अध्ययन करने से पहले ही वे डूब जाते और नीचे बैठ जाते। जर्मनी के टेक्निकल यूनिवर्सिटी ब्रौन्शवीग के वैज्ञानिकों की एक टीम ने अपना प्रयोग अंतरिक्ष के किनारे तक पहुँचाया। उन्होंने एक साउंडिंग रॉकेट लॉन्च किया, जो एक ऐसा वाहन है जो ऊपरी वायुमंडल में उड़ता है और फिर वापस नीचे आता है, जिससे कुछ मिनटों के लिए भारहीनता (वेटलेसनेस) प्राप्त होती है। इस रॉकेट के भीतर, उन्होंने एक नियंत्रित वातावरण बनाया ताकि यह देखा जा सके कि जब धूल के सूक्ष्म कणों को गैस की गति द्वारा एक साथ धकेला जाता है, तो वे कैसा व्यवहार करते हैं। लक्ष्य यह मापना था कि ये फूले हुए धूल के गोले बिल्कुल कितना दबते हैं और क्या वे अपने नए, अधिक सघन आकार को तब भी बनाए रख सकते हैं जब उन पर उन्हें अलग करने वाले बल लग रहे हों।

ICAPS नामक यह प्रयोग एक वैक्यूम चैंबर के भीतर आयोजित किया गया था जहाँ हवा इतनी पतली थी कि वह लगभग एक पूर्ण निर्वात (वैक्यूम) थी। शोधकर्ताओं ने इस चैंबर में सिलिका के छोटे कणों का एक बादल पेश किया, जिनमें से प्रत्येक का आकार एक मीटर के दस लाखवें हिस्से के बराबर था। सामान्य परिस्थितियों में, ये कण या तो अलग हो जाते या नीचे बैठ जाते। हालाँकि, वैज्ञानिकों ने उन्हें चलाने के लिए एक चतुर तकनीक का उपयोग किया। उन्होंने चैंबर के भीतर तापमान का एक हल्का अंतर पैदा किया, जिससे एक हिस्सा थोड़ा गर्म और दूसरा थोड़ा ठंडा हो गया। निर्वात की पतली गैस में, यह तापमान अंतर गैस को एक विशिष्ट दिशा में बहने के लिए प्रेरित करता है, जिससे धूल के कण भी उसके साथ बहते हैं। इस प्रवाह ने एक कोमल, अदृश्य हाथ की तरह काम किया, जिसने धूल के कणों को एक केंद्रीय बिंदु की ओर धकेला और उन्हें आपस में टकराने और जुड़ने के लिए मजबूर किया।

जैसे-जैसे धूल के कण एकत्रित हुए, उन्होंने बड़े, फूले हुए क्लस्टर बनाए जो अभी भी ज्यादातर खाली स्थान थे। शोधकर्ताओं ने देखा कि कैसे गैस का प्रवाह जारी रहने पर ये क्लस्टर बढ़ते और फिर सिकुड़ते हैं। उन्होंने देखा कि क्लस्टर काफी छोटे और घने हो गए, जिसे संकुचन (कंपैक्शन) कहा जाता है। गैस के प्रवाह ने एक दबाव के रूप में कार्य किया, जिसने फूली हुई संरचना को तब तक दबाया जब तक कि कण आपस में अधिक कसकर नहीं पैक हो गए। टीम ने मापा कि क्लस्टर कितना सिकुड़ा और इस परिवर्तन को उत्पन्न करने के लिए आवश्यक दबाव की गणना की। उन्होंने पाया कि यहाँ तक कि एक बहुत ही कमजोर दबाव, जो हमारे दैनिक जीवन में महसूस किए जाने वाले दबाव से बहुत कम है, इन नाजुक संरचनाओं को संकुचित करने के लिए पर्याप्त था।

सबसे आश्चर्यजनक खोजों में से एक वह थी जो तब हुआ जब गैस के प्रवाह ने क्लस्टरों को अलग करने की कोशिश की। आमतौर पर, जब आप स्पंज जैसी किसी नरम वस्तु को दबाते हैं और फिर छोड़ देते हैं, तो वह अपने मूल आकार में वापस आ जाती है। शोधकर्ता उम्मीद कर रहे थे कि यदि उन पर लगने वाले बल बदल जाते हैं, तो धूल के क्लस्टर फिर से फैल जाएंगे और शिथिल हो जाएंगे। इसके विपरीत, क्लस्टर संकुचित ही रहे। एक बार जब धूल के कण पर्याप्त रूप से एक साथ दब गए, तो वे अपनी जगह पर जम गए और फैलने से इनकार कर दिया, भले ही उन पर अलग करने वाले गैस प्रवाह लग रहे थे। यह सुझाव देता है कि ये ब्रह्मांडीय धूल के ढेले एक बार बनने के बाद उच्च घनत्व बनाए रख सकते हैं, जो ग्रहों के निर्माण की प्रक्रिया में एक महत्वपूर्ण कदम है।

टीम ने अपने मापन की तुलना कंप्यूटर मॉडल से भी की जो धूल के व्यवहार की भविष्यवाणी करने के लिए विकसित किए गए थे। उनका प्रयोगात्मक डेटा इन सैद्धांतिक भविष्यवाणियों से बहुत अच्छी तरह मेल खा गया, भले ही उनके द्वारा परीक्षण किए गए दबाव उन मॉडलों की तुलना में बहुत कम थे जिनके विरुद्ध पहले परीक्षण किया गया था। यह सहमति वैज्ञानिकों को विश्वास दिलाती है कि अंतरिक्ष में धूल के व्यवहार के बारे में उनकी समझ सही है। यह पुष्टि करता है कि प्रोटोप्लेनेटरी डिस्क में गैस प्रवाह वास्तव में धूल के समुच्चय को संकुचित कर सकता है, जिससे वे ढीले, फूले हुए संग्रहों से ग्रहों के कोर बनाने के लिए आवश्यक घने निर्माण खंडों में बदल जाते हैं।

अध्ययन ने यह भी देखा कि क्या होता है जब गैस का प्रवाह क्लस्टरों को अलग करने की कोशिश करता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि संकुचित क्लस्टर विसंगत (डाइवर्जेंट) प्रवाह के संपर्क में आने पर भी टूटे नहीं या फैले नहीं। यह विस्तार के प्रति प्रतिरोध संभवतः कणों के जुड़ने के तरीके के कारण है। जैसे ही क्लस्टर को दबाया जाता है, कण एक-दूसरे के साथ अधिक संपर्क बिंदु बनाते हैं, जिससे एक कठोर संरचना बनती है जो अपने आकार को बनाए रखती है। यह खोज बताती है कि क्यों अंतरिक्ष में धूल के बादल उभरते सौर मंडल के अशांत वातावरण में जीवित रह सकते हैं।

ये परिणाम सूक्ष्म गुरुत्वाकर्षण वातावरण में गैस बलों द्वारा फ्रैक्टल धूल समुच्चय को संकुचित करने के प्रत्यक्ष और मात्रात्मक प्रमाण प्रदान करते हैं। डेटा स्पष्ट रूप से दिखाता है कि गैस द्वारा लगाए गए दबाव और धूल के घनत्व के बीच एक स्पष्ट संबंध है। यह संबंध एक विशिष्ट पैटर्न का पालन करता है जो हालिया सैद्धांतिक कार्यों से मेल खाता है, जो कंप्यूटर सिमुलेशन और वास्तविक दुनिया के अवलोकनों के बीच के अंतर को पाटता है। ये निष्कर्ष न केवल ग्रहों के निर्माण को समझने के लिए महत्वपूर्ण हैं, बल्कि अन्य क्षेत्रों के लिए भी इनके निहितार्थ हैं, जैसे कि हमारे अपने वायुमंडल में धूल कैसे व्यवहार करती है या फिल्टर कालिख (सूट) के कणों को कैसे पकड़ते हैं।

रॉकेट की उड़ान के सन्नाटे में इन सूक्ष्म घटनाओं का अवलोकन करके, शोधकर्ताओं ने ग्रह निर्माण के प्रारंभिक चरणों की एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान की है। उन्होंने दिखाया है कि ब्रह्मांड के पास गैस प्रवाह और तापमान अंतर जैसे सरल बलों के माध्यम से ढीली, नाजुक धूल को ठोस, सघन पदार्थ में बदलने का एक तरीका है। यह प्रक्रिया, जो सूक्ष्म स्तर पर हो रही है, संसारों के निर्माण की महान यात्रा का पहला कदम है। प्रयोग पुष्टि करता है कि अंतरिक्ष की धूल की नाजुक संरचनाएं पहले की तुलना में अधिक लचीली और अनुकूलनीय हैं, जो अपने वातावरण के दबाव को झेलने और नए सौर मंडलों के बीज बनने में सक्षम हैं।