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Magnetic rigidity reveals the PeVatron acceleration region in SS 433

बहु-आवृत्ति VLBA अवलोकनों का विश्लेषण करके, जो आंतरिक जेट के साथ चुंबकीय कठोरता (मैग्नेटिक रिजिडिटी) में वृद्धि दर्शाने वाले चुंबकीय क्षेत्र प्रोफाइल को प्रकट करता है, यह अध्ययन माइक्रोक्वेसर SS 433 के बेरयोनिक इजेक्टा को एक छिपे हुए PeVatron के रूप में पहचानता है जो इसके विस्तृत TeV-उत्सर्जक लोब्स से काफी ऊपर प्रोटॉन को 1 PeV से अधिक ऊर्जा तक त्वरित करने में सक्षम है।

मूल लेखक: Lang Cui, Jie Liao, Wancheng Xu, Pak Hin Thomas Tam, Xi Yan, Linuo Yang, Ruo-Yu Liu, Liang Chen, Ning Chang, Yong-Feng Huang, Long Ji, Ashutosh Tripathi, Felix Aharonian

प्रकाशित 2026-08-24

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Lang Cui, Jie Liao, Wancheng Xu, Pak Hin Thomas Tam, Xi Yan, Linuo Yang, Ruo-Yu Liu, Liang Chen, Ning Chang, Yong-Feng Huang, Long Ji, Ashutosh Tripathi, Felix Aharonian

मूल पेपर CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

ब्रह्मांड की गहराइयों में, ब्रह्मांडीय त्वरकों (cosmic accelerators) का एक ऐसा वर्ग मौजूद है जो इतने शक्तिशाली हैं कि वे उप-परमाणु कणों को पृथ्वी पर हमारे द्वारा बनाए गए किसी भी स्तर से दस लाख गुना अधिक ऊर्जा तक उछाल सकते हैं। इन ब्रह्मांडीय मशीनों को पेवैट्रॉन (PeVatrons) कहा जाता है। दशकों से, खगोलशास्त्री इनकी खोज कर रहे हैं, यह जानते हुए कि हमारी अपनी आकाशगंगा में कहीं न कहीं, प्रकृति इन कणों को इतनी विस्मयकारी ऊंचाइयों तक बना रही है। हालांकि विस्फोट होते सितारों को लंबे समय से मुख्य संदिग्ध माना जाता रहा है, लेकिन SS 433 नामक एक विचित्र, लंबे समय से अध्ययन किए जा रहे पिंड से एक नया उम्मीदवार उभर कर आया है। यह प्रणाली एक द्विआधारी युग्म (binary pair) है जहाँ एक ब्लैक होल या न्यूट्रॉन स्टार अपने साथी तारे को बड़ी भूख से निगल रहा है, और विपरीत दिशाओं में अत्यधिक गर्म गैस की दो विशाल जेट्स (jets) छोड़ रहा है। हालिया अवलोकनों ने दिखाया है कि यह प्रणाली उच्च-ऊर्जा गामा किरणों उत्सर्जित करती है, जिससे संकेत मिलता है कि यह वास्तव में एक पेवैट्रॉन है, लेकिन एक महत्वपूर्ण रहस्य बना हुआ था: उन जेट्स के भीतर ठीक कहाँ त्वरण (acceleration) होता है? क्या यह केंद्रीय इंजन के पास होता है, या दूर जहाँ जेट्स आसपास की गैस से टकराते हैं?

खगोलशास्त्रियों की एक टीम ने SS 433 के जेट्स के भीतर के चुंबकीय वातावरण का अभूतपूर्व विवरण के साथ अध्ययन करके इस पहेली को सुलझा लिया है। पृथ्वी पर फैले रेडियो दूरबीनों के एक नेटवर्क का उपयोग करते हुए, उन्होंने जेट के आंतरिक भाग के चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति का मानचित्रण किया, जो केवल कुछ दस खगोलीय इकाइयों (astronomical units) चौड़ा क्षेत्र है। उन्होंने पाया कि जैसे-जैसे आप केंद्र से दूर जाते हैं, चुंबकीय क्षेत्र उतनी तेजी से कमजोर नहीं होता जितनी उम्मीद की गई थी। इसके बजाय, यह दूरी के साथ अपनी शक्ति को आश्चर्यजनक रूप से बनाए रखता है। यह विशिष्ट व्यवहार इस रहस्य की कुंजी है। भौतिकी में, एक चुंबकीय क्षेत्र की कणों को पकड़ने और त्वरित करने की क्षमता, क्षेत्र की शक्ति और उस क्षेत्र के आकार के संयोजन पर निर्भर करती है। चूंकि SS 433 में चुंबकीय क्षेत्र एक बड़े क्षेत्र में पर्याप्त मजबूत बना रहता है, इसलिए "चुंबकीय कठोरता" (magnetic rigidity)—तेजी से चलने वाले कणों को थामे रखने की क्षमता—वास्तव में जेट के साथ आगे बढ़ने पर बढ़ती जाती है।

यह खोज बताती है कि जेट का आंतरिक भाग, विशेष रूप से केंद्रीय द्विआधारी से कुछ सौ खगोलीय इकाइयों दूर का क्षेत्र, वह छिपा हुआ इंजन रूम है जहाँ प्रोटॉन को पेटा-इलेक्ट्रॉनवोल्ट (peta-electronvolt) ऊर्जाओं तक त्वरित किया जा रहा है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि इस विशिष्ट क्षेत्र में, चुंबकीय स्थितियाँ प्रोटॉन को लगभग 2.6 पेटा-इलेक्ट्रॉनवोल्ट की ऊर्जा तक धकेलने के लिए पर्याप्त मजबूत हैं। यह LHAASO वेधशाला द्वारा पता लगाए गए गामा किरणों से अनुमानित अधिकतम ऊर्जा स्तरों के साथ पूरी तरह मेल खाता है। यह अध्ययन इस विचार को खारिज करता है कि ये उच्चतम-ऊर्जा वाले कण उसी स्थान में इलेक्ट्रॉनों द्वारा बनाए जाते हैं, क्योंकि तीव्र चुंबकीय क्षेत्र इलेक्ट्रॉनों को ऐसी ऊर्जा तक पहुँचने से बहुत पहले ही ठंडा कर देगा। इसके बजाय, डेटा संकेत देता है कि प्रोटॉन ही प्राथमिक त्वरक (accelerators) हैं।

इससे जो चित्र उभरता है वह एक दो-चरणीय प्रक्रिया का है। SS 433 के सघन, आंतरिक जेट्स एक इंजेक्शन साइट के रूप में कार्य करते हैं, जहाँ चुंबकीय क्षेत्र द्वारा प्रोटॉन को अत्यधिक गति दी जाती है। एक बार जब ये सुपर-फास्ट प्रोटॉन इस आंतरिक क्षेत्र से बाहर निकल जाते हैं, तो वे बाहर की ओर स्थित नेबुला (nebula) में यात्रा करते हैं, जो W50 नामक गैस का एक विशाल बादल है। वहाँ, वे तटस्थ गैस परमाणुओं से टकराते हैं, जिससे उच्च-ऊर्जा गामा किरणों का विस्फोट उत्पन्न होता है जिसे पृथ्वी पर स्थित दूरबीनें देख सकती हैं। यह पृथक्करण समझाता है कि विभिन्न ऊर्जा स्तरों पर गामा-किरण उत्सर्जन अलग क्यों दिखता है: उच्चतम ऊर्जा वाले संकेत गैस के बादल में टकराव वाले क्षेत्र से आते हैं, जबकि त्वरण स्वयं स्रोत के बहुत करीब होता है। चुंबकीय क्षेत्र प्रोफाइल को मापकर, शोधकर्ताओं ने न केवल त्वरक का स्थान निर्धारित किया है, बल्कि यह भी पुष्टि की है कि माइक्रोक्वासर (microquasar) SS 433 एक वास्तविक पेवैट्रॉन है, जो कणों को हमारी आकाशगंगा में संभव सीमाओं तक ले जाने में सक्षम है।

तकनीकी सारांश: चुंबकीय कठोरता (Magnetic Rigidity) SS 433 में PeVatron त्वरण क्षेत्र को प्रकट करती है

समस्या विवरण
गैलेक्टिक PeVatrons—ऐसे त्वरक जो कॉस्मिक-रे कणों को पेटा-इलेक्ट्रॉनवोल्ट (PeV) ऊर्जाओं तक ले जाने में सक्षम हैं—की पहचान करना उच्च-ऊर्जा खगोल भौतिकी की एक केंद्रीय चुनौती बनी हुई है। जबकि सुपरनोवा अवशेष (supernova remnants) गैलेक्टिक कॉस्मिक-रे उत्पादन के स्थापित स्थल हैं, दसियों टेरा-इलेक्ट्रॉनवोल्ट (TeV) से ऊपर की गामा-किरण प्रेक्षणों से संकेत मिलता है कि "नी" (knee) ( $10^{15}$ – $10^{16}$ eV) तक के स्पेक्ट्रम की व्याख्या करने के लिए अतिरिक्त स्रोतों की आवश्यकता है। माइक्रोक्वेसर जेट, जैसे कि SS 433 से निकलने वाले, अपने बड़े गतिज शक्ति (kinetic power) और चुंबकीय, मध्यम-सापेक्षतावादी बहिर्वाह (outflows) के संयोजन के कारण सम्मोहक उम्मीदवार के रूप में उभरे हैं। यद्यपि लार्ज हाई एल्टीट्यूड एयर शॉवर ऑब्जर्वेटरी (LHAASO) ने SS 433/W50 क्षेत्र से अल्ट्रा-हाई-एनर्जी ( $>100$ TeV) गामा-किरण उत्सर्जन का पता लगाया है, जो PeV स्तर की जनक प्रोटॉन ऊर्जाओं का संकेत देता है, फिर भी इस प्रणाली के भीतर वह विशिष्ट स्थान अभी भी अनसुलझा है जहाँ इन कणों को सर्वप्रथम त्वरित और इंजेक्ट किया जाता है। $>100$ TeV उत्सर्जन एक परमाणु बादल (atomic cloud) के साथ स्थानिक रूप से सह-स्थित है और एक अर्ध-समदैशिक (quasi-isotropic) आकार प्रदर्शित करता है, जो डाउनस्ट्रीम जेट-क्लाउड इंटरैक्शन से उत्पन्न द्विध्रुवी (bipolar) TeV उत्सर्जन के विपरीत है। यह रूपात्मक विसंगति (morphological discrepancy) यह सुझाव देती है कि त्वरण स्थल डाउनस्ट्रीम विकिरण क्षेत्रों से भिन्न है, फिर भी वर्तमान गामा-किरण उपकरण उस आंतरिक रेडियो जेट (AU पैमाने पर) को हल (resolve) करने में सक्षम नहीं हैं जहाँ ऐसा त्वरण शुरू हो सकता है।

कार्यप्रणाली (Methodology)
त्वरण क्षेत्र का पता लगाने के लिए, लेखकों ने 16 जून, 1998 के 5, 8.4, और 15 GHz पर उपलब्ध बहु-आवृत्ति वेरी लॉन्ग बेसलाइन एरे (VLBA) अवलोकनों का उपयोग किया। अध्ययन में पश्चिमी जेट को प्रभावित करने वाले फ्री-फ्री अवशोषण (free-free absorption) से बचने के लिए पूर्वी (approaching) जेट पर ध्यान केंद्रित किया गया।

डेटा प्रोसेसिंग: बहु-आवृत्ति डेटा को एक सामान्य सर्कुलर बीम ( $\Theta_{maj} = 3.537$ mas) में पुनर्स्थापित किया गया और कोर-शिफ्ट प्रभावों को ध्यान में रखते हुए आवृत्ति-निर्भर कोर स्थितियों का उपयोग करके एक सामान्य फ्रेम में पंजीकृत किया गया।
स्लाइसिंग और स्पेक्ट्रल विश्लेषण: जेट के दस अनुप्रस्थ स्लाइस (transverse slices) का विश्लेषण किया गया, जो 24–75 AU (3.6–11.5 mas) के डीप्रोजेक्टेड दूरियों तक फैले हुए थे। प्रत्येक स्लाइस के लिए, स्थानीय फ्लक्स डेंसिटी, बीम-डीकनवोल्यूटेड ट्रांसवर्स चौड़ाई, और टू-पॉइंट स्पेक्ट्रल इंडेक्स को मापा गया। स्पेक्ट्रा ने मिड-जेट क्षेत्र में ऑप्टिकली थिन सिनक्रोट्रॉन उत्सर्जन की पुष्टि की।
चुंबकीय क्षेत्र अनुमान: मानक न्यूनतम-ऊर्जा (equipartition) धारणा के तहत, प्रत्येक स्लाइस के लिए चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति ( $B_{eq}$ ) की गणना की गई। विश्लेषण ने मोंटे कार्लो सिमुलेशन के माध्यम से फ्लक्स डेंसिटी, चौड़ाई और स्पेक्ट्रल इंडेक्स की अनिश्चितताओं को शामिल किया और गैर-विकिरणकारी से विकिरणकारी कण ऊर्जा के अनुपात ( $k$ ) के प्रति संवेदनशीलता का परीक्षण किया।
हिल्ल लिमिट (Hillas Limit) और त्वरण समयसीमा: लेखकों ने केंद्रीय कॉम्पैक्ट ऑब्जेक्ट से दूरी $H$ के फलन के रूप में चुंबकीय क्षेत्र $B(H)$ का एक स्थानिक रूप से हल किया गया प्रोफाइल बनाया। उन्होंने यह निर्धारित करने के लिए स्पीड-वेटेड हिल्ल ऊर्जा ( $E_{H,\beta} \propto \beta_j Z e B R_{acc}$ ) का मूल्यांकन किया कि क्या चुंबकीय कठोरता (magnetic rigidity) PeV प्रोटॉन को सीमित करने के लिए पर्याप्त है। इसके अलावा, उन्होंने यह सत्यापित करने के लिए त्वरण समयसीमा ( $t_{acc}$ ) की तुलना गतिशील प्रवाह समय ( $t_{dyn}$ ) और कण पलायन समय से की कि क्या कणों के बह जाने (advection) से पहले त्वरण हो सकता है।
गामा-रे मॉडलिंग: LHAASO $>100$ TeV स्पेक्ट्रम को देखे गए उत्सर्जन को उत्पन्न करने के लिए आवश्यक अधिकतम प्रोटॉन ऊर्जा ( $E_{p,max}$ ) का अनुमान लगाने हेतु एक लेप्टो-हैड्रोनिक मॉडल (इनवर्स-कॉम्पटन और पायोन-डिके कंपोनेंट्स को शामिल करते हुए) का उपयोग करके फिट किया गया।

मुख्य परिणाम

चुंबकीय क्षेत्र प्रोफाइल: अध्ययन ने एक चुंबकीय क्षेत्र प्रोफाइल प्राप्त किया जो आंतरिक जेट के साथ $B(H) \propto H^{-0.50 \pm 0.12}$ के रूप में घटता है। यह गिरावट एक स्थिर गति वाले शंक्वाकार (conical) जेट में शुद्ध टोरोइडल फील्ड से अपेक्षित $H^{-1}$ स्केलिंग, या पोलॉइडल फील्ड से अपेक्षित $H^{-2}$ स्केलिंग की तुलना में काफी कम (shallower) है।
बढ़ती चुंबकीय कठोरता: चूंकि चुंबकीय क्षेत्र $H^{-1}$ की तुलना में अधिक धीरे-धीरे घटता है, इसलिए एक शंक्वाकार जेट ( $R_{acc} \propto H$ ) के लिए चुंबकीय कठोरता ( $B \times R_{acc}$ ) डाउनस्ट्रीम की ओर दूरी के साथ बढ़ती है। विशेष रूप से, $E_{H,\beta} \propto H^{0.50 \pm 0.12}$ ।
PeV त्वरण क्षमता: $H \approx 100$ AU की दूरी पर, अनुमानित स्पीड-वेटेड हिल्ल ऊर्जा $\sim 2$ PeV तक पहुँच जाती है। $H \approx 140$ AU पर, यह सीमा कुछ-PeV रेंज तक पहुँच जाती है, जो LHAASO गामा-कि徑 स्पेक्ट्रम से अनुमानित प्रोटॉन कटऑफ ऊर्जा ( $E_{p,cut} \approx 2.63$ PeV) के अनुरूप है।
त्वरण दक्षता: नियर-बोहम फर्स्ट-ऑर्डर फर्मी त्वरण के लिए त्वरण समयसीमा, गतिशील प्रवाह समय की तुलना में कम है ( $t_{acc} < t_{dyn}$ )। इसके अलावा, $t_{acc}/t_{dyn}$ का अनुपात डाउनस्ट्रीम में घटता है, जिससे त्वरण की स्थिति दूरी के साथ उत्तरोत्तर कम प्रतिबंधात्मक होती जाती है।
इलेक्ट्रॉन बनाम प्रोटॉन मूल: कॉम्पैक्ट इजेक्टा में मजबूत चुंबकीय क्षेत्र PeV इलेक्ट्रॉनों को प्रवाह समय ( $\sim 110$ s) से बहुत कम समय में सिनक्रोट्रॉन विकिरण के माध्यम से ठंडा करेगा, जो PeV इलेक्ट्रॉन इनवर्स-कॉम्पटन उत्सर्जन के लिए कॉम्पैक्ट इजेक्टा को खारिज करता है। यह उच्चतम ऊर्जा वाली गामा किरणों के लिए एक हैड्रोनिक मूल का समर्थन करता है।
ऊर्जा बजट: अनुमानित सब-गास चुंबकीय क्षेत्र (k=1 के लिए 0.20–035 G, जो बड़े k के लिए अधिक हो सकते हैं) ऊर्जावान रूप से व्यवहार्य हैं, जिसके लिए कुल जेट गतिज शक्ति का केवल एक छोटा हिस्सा ( $\sim 0.7\%$ – $1.3\%$ ) आवश्यक है।

महत्व और दावे
यह शोध पत्र दावा करता है कि यह माइक्रोक्वेसर SS 433 के बेरियोनिक इजेक्टा के भीतर एक "छिपे हुए PeVatron" को प्रकट करता है, जो विस्तारित TeV-उत्सर्जित लोब्स (lobes) से काफी ऊपर स्थित है। इसकी प्राथमिक महत्ता कॉम्पैक्ट रेडियो-रिज़ॉल्व्ड इजेक्टा (दहाई से सैकड़ों AU) को उस विशिष्ट क्षेत्र के रूप में पहचानने में है जहाँ PeV प्रोटॉन त्वरित और इंजेक्ट किए जाते हैं।

लेखक एक बहु-क्षेत्र (multi-zone) त्वरण चित्र का प्रस्ताव करते हैं:

त्वरण क्षेत्र (Acceleration Zone): आंतरिक जेट (कॉम्पैक्ट इजेक्टा) त्वरक के रूप में कार्य करता है, जो प्रोटॉनों को PeV ऊर्जाओं तक बढ़ाने के लिए बढ़ती चुंबकीय कठोरता का उपयोग करता है।
इंजेक्शन और विकिरण (Injection and Radiation): ये त्वरित प्रोटॉन बाहर निकलते हैं या W50 नेबुला में प्रवाहित होते हैं, जहाँ वे $pp $टकरावों के माध्यम से तटस्थ हाइड्रोजन गैस (H I) के साथ परस्पर क्रिया करते हैं ताकि देखे गए विस्तारित$ >100$ TeV गामा-किरण उत्सर्जन को उत्पन्न किया जा सके।
डाउनस्ट्रीम क्षेत्र (Downstream Zones): पारसेक-स्केल जेट-क्लाउड इंटरैक्शन क्षेत्र (लोब्स) कम-ऊर्जा वाले TeV इलेक्ट्रॉन त्वरण और पुनर्संसाधन (reprocessing) के स्थल बने रहते हैं, जो H.E.S.S. अवलोकनों के अनुरूप है।

यह कार्य माइक्रोक्वेसर जेट के चुंबकीय कठोरता प्रोफाइल को PeV प्रोटॉन के त्वरण से जोड़ने वाले पहले प्रत्यक्ष प्रमाण प्रदान करता है, जो त्वरण स्थल और देखे गए उच्च-ऊर्जा गामा-किरण आकार के बीच स्थानिक विसंगति को हल करता है। यह प्रदर्शित करता है कि माइक्रोक्वेसर जेट कुशल गैलेक्टिक PeVatrons के रूप में कार्य कर सकते हैं, जहाँ त्वरण केवल टर्मिनल शॉक पर ही नहीं, बल्कि सापेक्षतावादी बहिर्वाह के गहरे भीतर होता है।

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