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एस्ट्रोसैट सीजेडटी प्रतिबिंबित्र ने पहले चरण में क्रैब पल्सर के एक्स-रे ध्रुवीकरण का समाधान किया

 

एक्स-रे ध्रुवीकरण: सभी प्रकार के विद्युत चुम्बकीय विकिरण, जैसे एक्स-रे और प्रकाशीय प्रकाश, ऊर्जा के समूह हैं, जिन्हें विद्युत सदिश और लंबकोणीय चुंबकीय सदिश द्वारा परिभाषित फोटॉन कहा जाता है। विद्युत सदिश अधिकतर अभिविन्यास में यादृच्छिक होते हैं, लेकिन इन फोटॉंनों के स्रोत स्थितियों के आधार पर अक्सर वे  विशेष दिशा में गठबंधन करते हैं। उदाहरण के लिए, आकाश में प्रकीर्णन हुए प्रकाशीय प्रकाश प्रकीर्णन मैदान में गठबंधन या ध्रुवीकृत होते हैं और आप आकाश में सरल प्रकाशीय ध्रुवीणक देख सकते हैं और स्रोत से फोटॉन घटना की दिशा (प्रकीर्णन से पहले) निर्धारित कर सकते हैं - इस मामले में सूर्य है। विद्युत चुम्बकीय विकिरणों के ध्रुवीकरण गुणों को नियमित रूप से खगोलविदों द्वारा इन विकिरणों के उत्सर्जन करने वाले ब्रह्मांड स्रोतों की स्थितियों का अध्ययन करने के लिए उपयोग किया जाता है। उदाहरण के लिए, हमारी आकाशगंगा में आकाशगंगा के चुंबकीय क्षेत्र की दिशा, का ध्रुवीकरण माप का उपयोग करके सटिक मापन किया जा सकता है।

खगोल भौतिकी स्रोतों से शक्तिशाली एक्स-रे उत्सर्जन अक्सर ब्रह्मांड में असाधारण सुसंहत पिंडों की उपस्थिति का प्रतीक है: न्यूट्रॉन तारे और ब्लैक होल। इन पिंडों से एक्स-रे उत्सर्जन कण त्वरण के क्षेत्रों का पता लगाते हैं और कण त्वरण की स्थितियां हमें कई असाधारण घटनाओं के बारे में बता सकते हैं: उदाहरण के लिए, क्या ब्लैक होल प्रचक्रणीय है, ब्लैक होल शक्तिशाली गुरुत्वाकर्षण आइंस्टीन के समीकरण का पालन करते हैं, या क्या न्यूट्रॉन तारे साधारण पदार्थ या विचित्र तत्वों से बने होते हैं आदि । लंबे समय से यह सोचा गया है कि एक्स-रे ध्रुवीकरण गुण हमें इन विचित्र पिडों के रहस्यों के बारे में अधिक बताएंगे।

1962 में एक्स-रे खगोल विज्ञान के जन्म के तुरंत बाद, रॉकेट उड़ान में अतिरिक्त सौर एक्स-रे स्रोत की छद्म खोज के कारण, एक्स-रे खगोल विज्ञान के सभी पहलुओं में ध्रुवीकरण माप सहित गतिविधि का अचानक होना था। कोलंबिया विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों ने 1969 में क्रैब नेबुला में पल्सर को देखने के लिए रॉकेट फ्लाइट में साधारण प्रकीर्णन वाले एक्स-रे ध्रुवीणमापी को लगाया था: पर वे किसी भी ध्रुवीकरण का पता नहीं लगा सके - एक्स-रे फोटोनों के 36% से भी कम उनके विद्युत सदिश के गठबंधन थे । उन्होनें 1971 में और एक राकेट ग्रेफाइट क्रिस्टल के बेहतर संस्करण के साथ 2.6 केवी में विशिष्ट ऊर्जा के एक्स-रे को देखने के लिए भेजा और क्रैब में एक्स-रे ध्रुवीकरण की खोज की: इस ऊर्जा में लगभग 20% फोटॉन गठबंधन वाले विद्युत सदिश दिखाते हैं। इस सफलता से उत्साहित, उन्होंने 1975 में 8वीं कक्षीय सौर वेधशाला (ओएसओ -8) में ध्रुवणमापी को भेजा: इसने क्रैब में एक्स-रे ध्रुवीकरण की पुष्टि की और कई उज्ज्वल एक्स-रे स्रोत पर (5-10%) ऊपरी सीमा ध्रुवीकरण पर तय किया।

एस्ट्रोसैट का उपयोग कर एक्स-रे ध्रुवीकरण की खोज

एस्ट्रोसैट, भारत का पहला समर्पित खगोल विज्ञान मिशन, कई इसरो केंद्रों, शैक्षणिक संस्थानों और विश्वविद्यालयों की भागीदारी का अथक प्रयास था। टाटा इंस्टीट्यूट ऑफ फंडामेंटल रिसर्च (टीआईएफआर), मुंबई ने एस्ट्रोसैट के पांच प्रमुख पेलोडों को सुपुर्द करने की ज़िम्मेदारी उठाकर वैज्ञानिक प्रयासों का नेतृत्व किया।

खगोलशास्त्र और खगोल भौतिकी अंतर-विश्वविद्यालय केंद्र (आईयूसीएए), पुणे "भारतीय विश्वविद्यालयों में खगोल विज्ञान और खगोल भौतिकी में सक्रिय समूहों का नाभिकन और विकास" को बढ़ावा देने के स्पष्ट उद्देश्य के लिए स्थापित, एस्ट्रोसैट उपकरण विकास में अप्रत्यक्ष रूप से प्रतिभागी था: दीपंकर भट्टाचार्य (आईयूसीएए) ने एस्ट्रोसैट के दो उपकरणों के लिए विशेष कोडित एपर्चर मास्क का डिजाइन किया है। चूंकि एस्ट्रोसैट को विश्वविद्यालयों के उन सभी उपभोक्ताओं के लिए वेधशाला वर्ग के उपग्रह की पूर्ति करना है, अतः यह माना जाता है कि सॉफ्टवेयर विकास, छात्र प्रशिक्षण आदि जैसे कई संबद्ध कार्यों में आईयूसीएए की  औपचारिक भागीदारी एस्ट्रोसैट डेटा की उपयोगिता को बढ़ाती है ।

आर्थर होली कॉम्पटन ने 1923 में, खोज की थी कि एक्स-रे सामग्री में अपनी ऊर्जा का हिस्सा जमा कर सकते हैं और 'कॉम्पटन' प्रकीर्णन से करती हैं । सीजेडटी संसूचको ने चित्रांशित किया है (और इसलिए, स्थिति की जानकारी है) और कुछ ऊर्जा पर, एक्स-रे मुख्य रूप से कॉम्प्टन प्रकीर्णन की प्रतिक्रिया करेंगे। अगर इस उपकरण को एक्स-रे और प्रकीर्णन एक्सरे को मापने के लिए संवेदनशील बनाया गया, तो सीजेडटी संसूचक के पड़ोसी चित्रांश में प्रकीर्णित हुए एक्स-रे का वितरण आने वाले एक्स-रे के ध्रुवीकरण गुण कुछ साफ दिखाई देने वाले संकेत दिखाएगा । यह सोचा गया कि ऐसे चित्रांशित एक्स-रे संसूचक एक्स-रे ध्रुवीमीटर के रूप में काम करेंगे, लेकिन प्रयोगात्मक रूप से, अब तक कोई भी, चित्रांशित एक्सरे संसूचको ने ध्रुवीकरण गुणों को प्रदर्शित नहीं किया था। चूंकि एक्स-रे ध्रुवीकरण माप एक्स-रे खगोल विज्ञान में प्रयोगात्मक तकनीक के बाद लंबे समय की मांग है, इसलिए एक्स-रे ध्रुवणमापी के रूप में सीजेडटीआई की उपयोगिता की जांच आकर्षक लग रही है।

ध्रुवीकरण प्रयोग

गतिविधि की हलचल ने यह प्रदर्शित किया कि सीजेडटीआई का एक्स-रे ध्रुवीकरण उपकरण के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है । राव ने सीजेडटी संसूचको के आपूर्ति से पता लगाया कि घटना के गुणों और प्रकीर्णित एक्स-रे को मापा और बनाए रखा गया है, और यह तेजी से ज्ञात ऊर्जा के रेडियो सक्रिय स्रोतों का उपयोग करके कुछ साधारण प्रयोगों द्वारा प्रदर्शित किया गया। संतोष ने इस व्यवहार का अनुकरण करने के लिए अत्याधुनिक कोड का इस्तेमाल किया और खुद संतुष्ट हुए कि ध्रुवीकरण माप वास्तव में किया जा सकता है। फिर अहमदाबाद और मुंबई के बीच वारकरी की श्रृंखला की गई: संतोष और उनके छात्र तन्मय चट्टोपाध्याय (वर्तमान में पेंसिल्वेनिया स्टेट यूनिवर्सिटी में पीएचडी पश्च शोधकर्ता के रूप में काम कर रहे हैं) ने सीजेडटीआई संसूचको के उड़ान मॉडलों पर नियंत्रित प्रयोग किया। कई सुधार परीक्षण का हिस्सा थे: जैसे कि साधे थर्मोकॉल टुकड़ों को प्रायोगिक सेट-अप के रूप में इस्तेमाल करना, एक्स-रे के बहुत शक्तिशाली रेडियो-सक्रिय स्रोतों का उपयोग करना और उनको ध्रुवीकरण करने के लिए एल्यूमीनियम के ब्लॉक से प्रकीर्णन करना - ताकि परिष्कृत अनुकरण का उपयोग कर प्रकीर्णित एक्स-रे की ऊर्जा की ठीक से गणना करना ।

इन सभी गतिविधियों को किया गया जबकि उड़ान मॉडल्स का संविरचन और परीक्षण चल रहा था! पहले एक एक्स-रे संसूचक, जिसे मॉड्यूल कहा गया, को ज्ञात ऊर्जा के एक्स-रे के साथ बमबारी की गई और इसके गुणों को मापा गया। इन प्रयोगात्मक परिणामों के आधार पर, गहन मॉडलिंग, दिखाता है कि 64 संसूचक मॉड्यूल के साथ सीजेडटी प्रतिबिंबित्र पूरे, उज्ज्वल कॉस्मिक एक्स-रे स्रोतों से एक्स-रे ध्रुवीकरण को मापने के लिए पर्याप्त संवेदनशील होंगे। फिर इस अवधारणा के सबूत के लिए नियंत्रित प्रयोगों की श्रृंखला शुरू की गई: एक्स-रे की बीम ध्रुवीकरण के बिना या इसके साथ जनित की गई, और संसूचक में ध्रुवीकरण संकेत को मापा गया और अनुकरण से परिणाम के साथ तुलना की गई। सभी परीक्षणों को एक ही ऊर्जा एक्स-रे साथ ही साथ एक्स-रे की निरंतरता (जैसा कि कॉस्मिक एक्स-रे स्रोतों से अपेक्षित) के लिए दोहराया गया । अंत में, कुछ बहुमूल्य समय को उड़ान मॉडल की अति व्यस्त अनुसूची से समायोजित किया गया ताकि इन परीक्षणों को पूरी तरह से उड़ान जैसे वातावरण में दोहराया जा सके।

यह मात्र कहानी की शुरुआत है । क्योंकि, प्रयोगशाला में सभी परीक्षण एक्स-रे के छोटे बीम होते हैं और उड़ान में, जबकि एक्स-रे स्रोत हजारों प्रकाश वर्ष दूर स्थित होते हैं,  यह अपेक्षित है कि ध्रुवीकृत एक्स-रे के समानांतर बीम हो। प्रयोगशाला में एक्स-रे के समान बड़े क्षेत्र के ध्रुवीकृत किरणों के साथ परीक्षण करने के लिए, विशाल सुविधा बनाने की जरूरत थी - संभवत: इसे संविरचन करने के लिए ही कई वर्षों तक प्रयास करना पड़ता। पूरे संसूचक ज्यामिति अनुकरणित थे और संसूचक के व्यवहार के अनुमान करने के लिए परिष्कृत अनुकरण किया गया था। इन्हें अलग-अलग प्रयोगात्मक विन्यासों पर छोटे बिमों के नियंत्रित प्रयोगशाला प्रयोगों के साथ तुलना करने के लिए चुना गया, ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि अनुकरण परिणाम वास्तव में प्रयोगशाला में अवलोकित के अनुसार हैं। इसने बड़े क्षेत्र के समानांतर किरण के पूर्वानुमान के लिए विश्वास दिलाया और परिणाम ने वास्तव में दिखाया कि सीजेडटी प्रतिबिंबित्र एक्स-रे ध्रुवणमापी अति संवेदनशील है।

अंत में, 28 सितंबर, 2015 को, पूर्ण भू अंशाकित एक्स-रे ध्रुवणमापी को अंतरिक्ष में भेजा गया था।

विशेष स्रोत 'क्रैब' और इसका ध्रुवीकरण

जब 17वीं और 18वीं सदी में यूरोप में खगोलविज्ञान का नया युग शुरू हुआ, तो यह महसूस किया गया कि आकाश में बिन्दु जैसे तारों के अलावा कई धुंधले पिंड हैं और उन्हें 'नेबुला' नाम दिया गया है। वृषाकार तारामंडल में क्रैब नेबुला, मैसियर, फ्रांसीसी खगोल विज्ञानी, द्वारा पहचाना गया पहला पिंड है, जिसने ऐसे पिंडों को सूक्ष्मता से सूचीबद्ध किया। क्रैब नेबुला खुली आंखों से नहीं देखा जा सकता है, लेकिन साधारण द्विनेत्री द्वारा धुंधले क्रैब जैसी आकृति (इसलिए नाम दिया गया) के रूप में देखा जा सकता है । इस तरह के नेबुला, सुपरनोवा अवशेष के बड़े अंश बनाते हैं। जल्द ही, यह पाया गया था कि क्रैब नेबुला 'गेस्ट स्टार' के अलावा  दूसरा नहीं, या जिसे सुपरनोवा चीनी खगोलविदों द्वारा वर्ष 1054 में दर्ज किया गया था।

1967 में पल्सर की खोज के एक साल (तेजी से घूमते हुए अति चुंबकित न्यूट्रॉन तारें) के भीतर, पल्सर 33 मिलीसेकेंड की अवधि के साथ क्रैब नेबुला पाया गया। हालांकि, यह अनुमान लगाया गया कि लगभग 1000 साल पहले हुई सुपरनोवा के विस्फोट के लंबे समय के कारण अपनी ऊर्जा खो चुका है और वर्तमान में, नेबुला अपने केंद्र में बैठे भीमकाय द्वारा ऊर्जावान है: तेज चक्रण न्यूट्रॉन तारा है । क्रैब नेबुला, अपने पल्सर के साथ, सभी पर्यवेक्षकों के प्रिय बन गया है: यह एकमात्र पल्सर है जो विद्युत चुम्बकीय विकिरण की सभी शाखाओं में रेडियो से लेकर अति उच्च ऊर्जा गामा-रे तक भी ध्यान खिंचता है। चूंकि स्पंदन घूर्णन न्यूट्रॉन तारे के साधारण प्रकाश-घर के प्रभाव के कारण होने से, अवधि सभी तरंग दैर्घ्यों में समान होनी चाहिए, और इसी प्रकार से क्रैब पल्सर किसी भी अवलोकन नए विंडो की समय की सटीकता का परीक्षण करने के लिए अंशाकन स्रोत बन गया है। चुंबकीय क्षेत्र में कणों की गतिविधि के कारण उत्सर्जन तंत्र को समझा जाता है, उच्च घूर्णन वाले चुंबकीय न्यूट्रॉन तारे के ध्रुवीय आवरण में कणों को तीव्र ऊर्जा में तेजी से बढ़ाया जाता है। चूंकि चुंबकीय क्षेत्र और घूर्णन की अवधि कई सालों तक काफी स्थिर रहती है,  हार्ड एक्स-रे में उत्सर्जन प्रवाह, स्थिर होने की उम्मीद है: इसलिए यह किसी भी नए अवलोकन के लिए अच्छा अभिवाह अंशांकक भी बन गया है। कणों को बहुत ऊंची ऊर्जा में तेजी लाने के कारण ऐसे युवा सुपरनोवा अवशेषों के लिए पृथ्वी पर रहस्यमय कणों के स्रोतों से बमबारी त्वरित मामला बन गया है : कॉस्मिक किरण।

हाल के वर्षों में, क्रैब नेबुला और पल्सर और न्यूट्रॉन तारों में कण त्वरण तंत्र को समझने के लिए विविध अवलोकनों और सिद्धांतों के विषय हैं। प्रकाशीय और रेडियो तरंग दैर्घ्य में पल्सर चरण के कार्यवाही के रूप में ध्रुवीकरण के मापन और विस्तृत सैद्धांतिक मॉडलिंग यह संकेत दे रहे हैं कि कण त्वरण इस स्रोत के `लाइट सिलेंडर 'के बाहर होता है और दुनिया भर के वैज्ञानिक इस तरह के त्वरण की प्रकृति पर विचार कर रहे हैं ।

एस्ट्रोसैट का उपयोग कर क्रैब ध्रुवीकरण

क्रैब नेबुला पहला स्रोत था जिसे एस्ट्रोसैट को चालू करने के पश्चात और सत्यापन में देखा था, और यह एक्स-रे उपकरणों की आवधिक अंशांकन के लिए अक्सर इसके स्रोत को, इसके ध्रुवीकरण को मापने के लिए बारंबार देख रहा था। इसके बाद इसका बहुत सावधानीपूर्वक विश्लेषण किया गया । प्रत्येक रिकॉर्ड किए गए फोटॉन की जांच की गई, कॉम्पटन-प्रकीर्णित घटनाओं के रूप में वैध मानी जाने के लिए कड़े मानदंड अपनाए गए, उनके पड़ोस में उनके वितरण की जांच की गई, इन उपकरणों में अलग-अलग संसूचको के बीच स्थिरता के लिए जांच की गई। आकाश में स्थित क्षेत्रों की पहचान की गई और उपग्रह की स्थिति के लिए कौशल आयोजित किया गया  कि इस तरह के उपकरण पृथ्वी के संबंध में इसी तरह की उपग्रह उन्मुखीकरण पर आकाश में 'स्रोत मुक्त' क्षेत्र में दिखते हैं। इन `पृष्ठभूमि' क्षेत्रों में संसूचक के व्यवहार का अध्ययन किया गया था और परिणामस्वरूप प्रोफ़ाइल स्रोत अवलोकनों से हटा दिया गया था। यह स्थापित करने के लिए कि ये `कॉम्पटन-प्रकीर्णन' फोटॉन वास्तव में क्रैब से थे, उनके आगमन के समय की जांच की गई और 33 मिली-सेकंड के मानक क्रैब घड़ी पर फिंटाई को पाया गया।

हां, एक्स-रे ध्रुवीकरण स्पष्ट रूप से आधे दिन तक रहने वाले विशेष अवलोकनों से भी स्पष्ट रूप से पता चला था और जब सभी ग्यारह अवलोकनों को एक साथ जोड़ दिया गया था, तो माप स्पष्ट रूप से अब तक का सबसे सटीक एक्स-रे ध्रुवीकरण माप है, इस परिणाम को ब्रिटिश जर्नल नेचर में प्रस्तुत किए गए थे ।

यह सच है कि उच्चतम सटीकता के साथ ध्रुवीकरण को मापना तकनीकी चुनौती है: लेकिन हम जो नई चीज सीख रहे हैं वह क्या है? शोधकर्ताओं में गहन बहस के कुछ हफ्तों के बाद, अधिक आंकड़ों को इकट्ठा करने का निर्णय लिया गया और ध्रुवीकरण गुणों की भिन्नता का जब पल्सर बीम ने हमें पार किया, अवलोकन का बहुत ही सटीक माप का प्रयास किया गया । इसके लिए, 18 महीनों के विस्तृत विभिन्न अवलोकनों के डेटा को जोड़ा जाना था। क्या हम इसकी पल्सर अवधि को सही जान पाएंगे? हरदिन ऊटी रेडियो दूरबीन से रेडियो तरंग दैर्घ्य में क्रैब पल्सर का अवलोकन किया गया था और इन महीनों के दौरान पुणे के पास खोदड़ में विशाल मीटर-तरंग रेडियो टेलीस्कोप (जीएमआरटी) से भी कई बार देखा गया था। पल्सर की स्पंदन को सही तरीके से मापा गया, एक्स-रे फोटॉनों के स्पंदन चरण और ध्रुवीकरण गुणों को बदल दिया गया क्योंकि स्पंदित बीम उत्सर्जन का अध्ययन किया जाए।

जब हमें लगता है कि पल्सर बीम कहीं और चमक रहा है, तो बीम का शेष पर्याप्त एक्स-रे उत्सर्जन करता है, जिसके साथ ध्रुवीकरण बढ़ रहा है और तेज बदलाव दिख रहा है। इसका अर्थ यह है कि प्रकाश घर हर समय उच्च ऊर्जा एक्स-रे का रिसाव और उत्सर्जित कर रहा है। अधिकांश चुंबकीयमंडल सिद्धांतों का अनुमान है कि एक्स-रे विकिरण के ध्रुवीकरण केवल स्पंदन के उत्सर्जन के दौरान परिवर्तन दिखाएंगे, लेकिन अन्य समय पर नहीं। इस प्रकार नए अवलोकन इस दृष्टिकोण का समर्थन करते हैं कि कण त्वरण चुंबकीयमंडल की परंपरागत सीमा के बाहर हो रहा है, जहां इस क्षेत्र में पल्सर द्वारा उत्पन्न चार्ज कण पवन के रूप में बढ़ रहे हैं। "ऑफ पल्स" क्षेत्र में ध्रुवीकरण के तेज बदलाव का सीजेडटीआई द्वारा आश्चर्यजनक अवलोकन स्पष्ट रूप से सिद्धांतवादियों के लिए बड़ी चुनौती है।

 इस परिणाम को 6 नवंबर, 2017 को नेचर एस्ट्रानामी में प्रकाशित किया गया है, प्रकाशन ब्यौरा: 10.1038/s41550-017-0293-z

 

        एस्ट्रोसैट सीजेडटी प्रतिबिंबित्र ने पहले चरण में क्रैब पल्सर के एक्स-रे ध्रुवीकरण का समाधान किया

बायां पैनल: भूरी रेखा क्रैब पल्सर की चमक को दर्शाती है जैसा कि एस्ट्रोसैट सीजेडटीआई द्वारा अवलोकित किया गया है। क्षैतिज अक्ष (चरण) पल्सर की स्पिन अवधि की इकाइयों में व्यक्त समय का प्रतिनिधित्व करता है। चरण 0.0 से 1.0 पल्सर के पूर्ण घूर्णन चक्र के लिए है। आवधिक पैटर्न के स्पष्ट प्रदर्शन के लिए समान परिणाम चरण 1.0 और 2.0 के बीच दोहराया गया है । रंगीन रेखाओं से पता चलता है कि अवलोकित विकिरण कितना गहन ध्रुवीकृत है। चमक कम होने पर ध्रुवीकरण की तीव्र भिन्नता एस्ट्रोसैट की आश्चर्यजनक खोज है।

दायां पैनल: एस्ट्रोसैट सीजेडटीआई द्वारा मापा एक्स-रे ध्रुवीकरण का कोण क्रमशः नासा के हबल और चंद्र दूरबीन द्वारा क्रमशः क्रैब नेबुला की समग्र प्रकाशीय और एक्स-रे प्रतिबिंब पर आरोहित दिखायी देता है। सफेद संकेतक नेबुला के केंद्र में स्थित पल्सर के अनुमानित स्पिन अक्ष का प्रतिनिधित्व करता है। अन्य संकेतक अवलोकित ध्रुवीकरण के उन्मुखीकरण को प्रदर्शित करते हैं। संकेतक का रंग उस चरण की सीमा को इंगित करता है जो बाएं पैनल में संबंधित छाया की रेखाओं के द्वारा फैला हुआ है।