Phase-matched ion pre-acceleration by upstreammagnetic dipole vortices in relativistic collisionlessshocks
यह अध्ययन यह प्रदर्शित करने के लिए टू-डायमेंशनल पार्टिकल-इन-सेल सिमुलेशन का उपयोग करता है कि रिलेटिविस्टिक कोलिजनलेस शॉक्स के अपस्ट्रीम क्षेत्र में स्व-निर्मित चुंबकीय द्विध्रुवीय भंवर (मैग्नेटिक डायपोल वोर्टिसेस), फेज मैचिंग बनाए रखकर और इंटरेक्शन समय को बढ़ाकर आयनों के लिए एक कुशल प्री-एक्सेलेरेशन तंत्र के रूप में कार्य करते हैं, जिससे वे बाद के शॉक एक्सेलेरेशन के लिए आवश्यक ऊर्जावान सीड कण प्रदान करते हैं।
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ब्रह्मांड अदृश्य ऊर्जा की दीवारों से भरा हुआ है जिन्हें 'कोलिजनलेस शॉक' (collisionless shocks) कहा जाता है। सुपरसोनिक जेट या विस्फोट से उत्पन्न शॉक वेव्स के विपरीत, जो हवा के अणुओं के आपस में टकराने से धीमे होने और गर्म होने पर निर्भर करती हैं, ये ब्रह्लीय बाधाएं अंतरिक्ष के उस लगभग पूर्ण निर्वात (vacuum) में मौजूद होती हैं जहाँ कण शायद ही कभी एक-दूसरे को छूते हैं। इसके बजाय, इन्हें शक्तिशाली चुंबकीय और विद्युत क्षेत्रों द्वारा थामे रखा जाता है और आकार दिया जाता है। ये शॉक प्रकृति के सबसे कुशल कण त्वरकों (particle accelerators) में से हैं, जो प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉनों को प्रकाश की गति के करीब की गति तक पहुँचाने में सक्षम हैं। यह प्रक्रिया उस उच्च-ऊर्जा विकिरण और कॉस्मिक किरणों के लिए जिम्मेदार है जो हमारे ग्रह पर बमबारी करती हैं। हालाँकि, पहेली का एक महत्वपूर्ण हिस्सा अब तक गायब था: कण वास्तव में इतने तेज़ कैसे होते हैं कि वे शॉक में प्रवेश कर सकें और चरम ऊर्जाओं तक अपनी यात्रा शुरू कर सकें? वैज्ञानिक लंबे समय से संदेह कर रहे थे कि शॉक के ठीक आगे के क्षेत्र में कुछ ऐसा होना चाहिए जो कणों को शुरुआती बढ़त दे सके, लेकिन यह विशेष तंत्र कि यह 'प्री-एक्सेलरेशन' (pre-acceleration) कैसे होता है, विशेष रूप से भारी आयनों (heavy ions) के लिए, निर्धारित करना कठिन रहा है।
इस रहस्य को सुलझाने के लिए, शोधकर्ताओं ने नेडा नासेरी, हवा तुर्काकिन और जेनेडी श्वेट्स ने एक शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन की ओर रुख किया जो एक सापेक्षिक (relativistic), गैर-चुंबकीय इलेक्ट्रॉन-आयन शॉक के व्यवहार की नकल करता है। इस डिजिटल प्रयोगशाला में, उन्होंने एक परिदृश्य बनाया जहाँ गर्म प्लाज्मा की एक धारा ठंडे प्लाज्मा की धारा से टकराती है, जिससे उन जटिल, स्व-निरंतर चुंबकीय संरचनाओं का निर्माण होता है जो इन ब्रह्वीय घटनाओं को परिभाषित करती हैं। उनका ध्यान शॉक फ्रंट के अपस्ट्रीम (upstream), या शॉक के आगे के क्षेत्र पर था, जहाँ उन्होंने घूमती हुई चुंबकीय संरचनाओं, जिन्हें 'मैग्नेटिक डिपोल वोर्टिसेस' (magnetic dipole vortices) कहा जाता है, के स्वतः निर्माण का अवलोकन किया। ये वोर्टिसेस स्थिर नहीं हैं; ये गतिशील इकाइयाँ हैं, जो प्लाज्मा के माध्यम से यात्रा करते समय बढ़ती और विकसित होती हैं। टीम ने हजारों व्यक्तिगत आयनों के पथों को ट्रैक किया जब वे इन चलते हुए चुंबकीय भंवरों (magnetic whirlpools) से टकराए, ताकि यह देख सकें कि कणों ने ऊर्जा कैसे प्राप्त की।
सिमुलेशन से पता चला कि आयन एक ही तरह से प्रतिक्रिया नहीं देते थे। शोधकर्ताओं ने दो अलग-अलग समूहों की पहचान की। पहले समूह को, जिसे उन्होंने 'पॉपुलेशन II' (Population II) कहा, वे चुंबकीय वोर्टिसेस के माध्यम से बस बह निकले और अपस्ट्रीम में आगे बढ़ने से पहले थोड़ी सी ऊर्जा प्राप्त की। दूसरे समूह, जिसे 'पॉपुलेशन I' (Population I) कहा गया, ने एक नाटकीय परिवर्तन का अनुभव किया। ये आयन चलती हुई चुंबकीय संरचना में फंस गए, उनकी आगे की गति काफी कम हो गई, और फिर वे वापस शॉक की ओर मुड़ गए। महत्वपूर्ण बात यह है कि इस दूसरे समूह के आयनों ने पहले समूह की तुलना में बहुत अधिक ऊर्जा प्राप्त की, जिससे वे उन ऊर्जावान 'सीड पार्टिकल्स' (seed particles) में बदल गए जिनकी आवश्यकता शॉक फ्रंट पर मुख्य त्वरण को ईंधन देने के लिए होती है।
इस नाटकीय त्वरण का रहस्य एक सूक्ष्म टाइमिंग तंत्र में छिपा है जिसे शोधकर्ता 'फेज मैचिंग' (phase matching) कहते हैं। जैसे ही एक आयन चुंबकीय डिपोल वोर्टेक्स में प्रवेश करता है, चुंबकीय क्षेत्र एक ऐसा बल लगाता है जो आयन की आगे की गति पर ब्रेक की तरह काम करता है। यह धीमा करने वाला प्रभाव इसलिए महत्वपूर्ण है क्योंकि यह आयन को चलते हुए वोर्टेक्स के साथ बहुत लंबे समय तक तालमेल बिठाकर रखने की अनुमति देता है। यदि आयन बहुत तेज़ होता, तो वह एक पल में संरचना के बीच से निकल जाता, और केवल एक क्षण के लिए त्वरित बलों के साथ अंतःक्रिया करता। आयन को धीमा करके, चुंबकीय क्षेत्र उसे बढ़ते हुए ढांचे के भीतर बनाए रखता है। एक बार जब आयन चलते हुए ढांचे के साथ तालमेल बिठा लेता है, तो उससे जुड़ा विद्युत क्षेत्र कण पर निरंतर कार्य कर सकता है, जिससे उसमें ऊर्जा भरी जा सकती है। चुंबकीय क्षेत्र स्वयं कार्य नहीं करता है; बल्कि, यह एक द्वारपाल की तरह कार्य करता है, जो कण को तब तक अपनी जगह पर थामे रखता है जब तक कि विद्युत क्षेत्र अपना काम कर सके।
अध्ययन ने उस विद्युत क्षेत्र के स्रोत का भी विश्लेषण किया जो त्वरण का कार्य कर रहा है। यह पता चला कि ऊर्जा दो स्रोतों से आती है जो मिलकर काम करते हैं। पहला है एक 'मोशनल इलेक्ट्रिक फील्ड' (motional electric field), जो केवल इसलिए उत्पन्न होता है क्योंकि चुंबकीय वोर्टेक्स प्लाज्मा के माध्यम से चल रहा है। दूसरा है एक शेष विद्युत क्षेत्र जो जटिल, विकसित होते प्लाज्मा द्वारा निर्मित होता है। ये दोनों क्षेत्र आयन की ऊर्जा वृद्धि में योगदान देते हैं, लेकिन उनकी पूरी शक्ति को अनलॉक करने की कुंजी चुंबकीय क्षेत्र द्वारा बनाए रखी जाने वाली 'फेज मैचिंग' है। चुंबकीय क्षेत्र द्वारा आयन को धीमा किए बिना, कण दोनों विद्युत क्षेत्रों में से किसी के भी महत्वपूर्ण ऊर्जा प्रदान करने से पहले ही अंतःक्रिया क्षेत्र से बाहर निकल जाएगा।
शोधकर्ताओं ने पाया कि यह प्रक्रिया बार-बार हो सकती है। एक आयन एक वोर्टेक्स से टकरा सकता है, थोड़ी ऊर्जा प्राप्त कर सकता है, और फिर दूसरे से टकराने के लिए आगे बढ़ सकता है। समय के साथ, ये चरण-दर-चरण अंतःक्रियाएं शॉक के आगे के क्षेत्र में अत्यधिक ऊर्जावान आयनों की एक आबादी बना सकती हैं। हालाँकि, सबसे नाटकीय त्वरण अक्सर एक अंतिम, शक्तिशाली अंतःक्रिया के दौरान होता है जहाँ आयन पूरी तरह से 'फेज-मैच्ड' होता है, उसका आगे का संवेग उलट जाता है, और उसे ऊर्जा के एक बड़े उछाल के साथ शॉक की ओर वापस भेज दिया जाता है। यह तंत्र एक सुसंगत स्पष्टीकरण प्रदान करता है कि शॉक को प्रारंभिक गतिमान कणों की आपूर्ति कैसे मिलती है।
यह कार्य सुझाव देता है कि एक कोलिजनलेस शॉक के आगे का क्षेत्र एक निष्क्रिय प्रतीक्षा कक्ष नहीं बल्कि एक सक्रिय 'प्री-एक्सेलरेशन ज़ोन' है। स्व-निर्मित चुंबकीय डिपोल वोर्टिसेस कुशल इंजन के रूप में कार्य करते हैं जो मुख्य घटना के लिए कणों को तैयार करते हैं। हालांकि सिमुलेशन ने कणों को शॉक के कई क्रॉसिंगों के माध्यम से नहीं देखा, लेकिन परिणाम संकेत देते हैं कि ये अपस्ट्रीम वोर्टिसेस 'सीड आयनों' की एक ऐसी आबादी बनाते हैं जिनके शॉक ट्रांजिशन तक पहुँचने पर अत्यधिक ऊर्जा तक त्वरित होने की संभावना बहुत अधिक होती है। अंतरिक्ष से बहने वाले ठंडे, धीमे प्लाज्मा और गर्म, तेज़ कणों जो ब्रह्वीय विकिरण को संचालित करते हैं, के बीच के अंतर को पाटकर, ये चुंबकीय वोर्टिसेस इस बात में मौलिक भूमिका निभाते हैं कि ब्रह्मांड पदार्थ को उसकी उच्चतम गति तक कैसे त्वरित करता है।
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