ब्रह्मांड का एक नया मानचित्र, ब्रह्मांडीय न्यूट्रिनो से चित्रित | क्वांटा पत्रिका

प्रति सेकंड आपके पास से गुजरने वाले 100 ट्रिलियन न्यूट्रिनो में से अधिकांश सूर्य या पृथ्वी के वायुमंडल से आते हैं। लेकिन कुछ कण - जो बाकियों की तुलना में बहुत तेजी से आगे बढ़ रहे हैं - दूर स्थित शक्तिशाली स्रोतों से यहां आए हैं। दशकों से, खगोल भौतिक विज्ञानी इन "ब्रह्मांडीय" न्यूट्रिनो की उत्पत्ति की तलाश कर रहे हैं। अब, आइसक्यूब न्यूट्रिनो वेधशाला ने आखिरकार उनमें से पर्याप्त मात्रा में एकत्र कर लिया है जिससे यह पता चल सके कि वे कहां से आ रहे हैं।

में पेपर आज प्रकाशित हुआ विज्ञानटीम ने न्यूट्रिनो में आकाशगंगा के पहले मानचित्र का खुलासा किया। (आम तौर पर हमारी आकाशगंगा को फोटॉन, प्रकाश के कणों के साथ चित्रित किया जाता है।) नया नक्शा पूरे आकाशगंगा से निकलने वाले ब्रह्मांडीय न्यूट्रिनो की एक व्यापक धुंध दिखाता है, लेकिन अजीब बात है कि कोई भी व्यक्तिगत स्रोत सामने नहीं आता है। “यह एक रहस्य है,” कहा फ्रांसिस हैलज़ेन, जो आइसक्यूब का नेतृत्व करता है।

परिणाम एक का अनुसरण करते हैं पिछले पतझड़ से आइसक्यूब अध्ययन, मे भी विज्ञान, वह ब्रह्मांडीय न्यूट्रिनो को एक व्यक्तिगत स्रोत से जोड़ने वाला पहला था। इससे पता चला कि वेधशाला द्वारा अब तक पता लगाए गए ब्रह्मांडीय न्यूट्रिनो का एक बड़ा हिस्सा एनजीसी 1068 नामक "सक्रिय" आकाशगंगा के दिल से आया है। आकाशगंगा के चमकते कोर में, पदार्थ एक केंद्रीय सुपरमैसिव ब्लैक होल में सर्पिल होता है, जो किसी तरह ब्रह्मांडीय न्यूट्रिनो बनाता है कार्रवाई में।

“यह वास्तव में संतुष्टिदायक है,” कहा केट स्कोलबर्ग, ड्यूक विश्वविद्यालय के एक न्यूट्रिनो भौतिक विज्ञानी जो अनुसंधान में शामिल नहीं थे। “उन्होंने वास्तव में एक आकाशगंगा की पहचान की है। यह एक ऐसी चीज़ है जिसे पूरा न्यूट्रिनो खगोल विज्ञान समुदाय हमेशा से करने की कोशिश कर रहा है।

ब्रह्मांडीय न्यूट्रिनो स्रोतों को इंगित करने से मौलिक भौतिकी की नई जांच के रूप में कणों का उपयोग करने की संभावना खुल जाती है। शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि न्यूट्रिनो का उपयोग कण भौतिकी के मौजूदा मानक मॉडल में दरारें खोलने और यहां तक ​​कि गुरुत्वाकर्षण के क्वांटम विवरण का परीक्षण करने के लिए भी किया जा सकता है।

फिर भी कम से कम कुछ ब्रह्मांडीय न्यूट्रिनो की उत्पत्ति की पहचान करना केवल पहला कदम है। इस बारे में बहुत कम जानकारी है कि कैसे कुछ सुपरमैसिव ब्लैक होल के आसपास की गतिविधि इन कणों को उत्पन्न करती है, और अब तक के सबूत कई प्रक्रियाओं या परिस्थितियों की ओर इशारा करते हैं।

लंबे समय से प्रतीक्षित उत्पत्ति

प्रचुर मात्रा में होने के कारण, न्यूट्रिनो आमतौर पर बिना कोई निशान छोड़े पृथ्वी से गुज़रते हैं; उनमें से पर्याप्त का पता लगाने के लिए एक शानदार विशाल डिटेक्टर का निर्माण करना पड़ा ताकि वे जिन दिशाओं से आते हैं, उनके पैटर्न को समझ सकें। 12 साल पहले बनाए गए आइसक्यूब में अंटार्कटिक बर्फ की गहराई में लगे डिटेक्टरों के किलोमीटर-लंबे तार शामिल हैं। हर साल, आइसक्यूब इतनी उच्च ऊर्जा वाले एक दर्जन या उससे अधिक ब्रह्मांडीय न्यूट्रिनो का पता लगाता है कि वे वायुमंडलीय और सौर न्यूट्रिनो की धुंध के खिलाफ स्पष्ट रूप से खड़े होते हैं। अधिक परिष्कृत विश्लेषण शेष डेटा से अतिरिक्त उम्मीदवार ब्रह्मांडीय न्यूट्रिनो को अलग कर सकते हैं।

खगोलभौतिकीविदों को पता है कि ऐसे ऊर्जावान न्यूट्रिनो केवल तभी उत्पन्न हो सकते हैं जब तेज गति से चलने वाले परमाणु नाभिक, जिन्हें कॉस्मिक किरणें कहा जाता है, अंतरिक्ष में कहीं सामग्री से टकराते हैं। और ब्रह्मांड में बहुत कम स्थानों पर चुंबकीय क्षेत्र इतना मजबूत है कि ब्रह्मांडीय किरणों को पर्याप्त ऊर्जा तक पहुंचा सके। गामा-किरण विस्फोट, प्रकाश की अत्यंत उज्ज्वल चमक जो तब होती है जब कुछ तारे सुपरनोवा में जाते हैं या जब न्यूट्रॉन तारे एक-दूसरे में सर्पिल होते हैं, लंबे समय से सबसे प्रशंसनीय विकल्पों में से एक माना जाता था। एकमात्र वास्तविक विकल्प सक्रिय गैलेक्टिक नाभिक या एजीएन था - आकाशगंगाएँ जिनके केंद्रीय सुपरमैसिव ब्लैक होल पदार्थ के गिरने पर कणों और विकिरण को बाहर निकालते हैं।

गामा-किरण-विस्फोट सिद्धांत 2012 में खो गया, जब खगोल भौतिकीविदों को एहसास हुआ कि यदि ये उज्ज्वल विस्फोट जिम्मेदार थे, तो हम देखने की उम्मीद करेंगे कई और ब्रह्मांडीय न्यूट्रिनो जितना हम करते हैं. फिर भी, विवाद सुलझने से कोसों दूर था।

फिर, 2016 में, आइसक्यूब ने हर बार एक ब्रह्मांडीय न्यूट्रिनो का पता लगाने पर अलर्ट भेजना शुरू कर दिया, जिससे अन्य खगोलविदों को दूरबीनों को उस दिशा में प्रशिक्षित करने के लिए प्रेरित किया गया जहां से यह आया था। अगले सितंबर में, वे अस्थायी रूप से TXS नामक एक सक्रिय आकाशगंगा के साथ एक ब्रह्मांडीय न्यूट्रिनो का मिलान किया 0506+056, या संक्षेप में TXS, जो एक ही समय में एक्स-रे और गामा किरणों की चमक उत्सर्जित कर रहा था। “इससे निश्चित रूप से काफी दिलचस्पी जगी,” उन्होंने कहा मार्कोस सेंटेंडर, अलबामा विश्वविद्यालय में एक आइसक्यूब सहयोगी।

अधिक से अधिक ब्रह्मांडीय न्यूट्रिनो एकत्र किए गए, और आकाश का एक और टुकड़ा वायुमंडलीय न्यूट्रिनो की पृष्ठभूमि के खिलाफ खड़ा होना शुरू हुआ। इस पैच के मध्य में पास की सक्रिय आकाशगंगा एनजीसी 1068 है। आइसक्यूब के हालिया विश्लेषण से पता चलता है कि यह सहसंबंध लगभग निश्चित रूप से कार्य-कारण के बराबर है। विश्लेषण के भाग के रूप में, आइसक्यूब वैज्ञानिकों ने अपने टेलीस्कोप को पुन: कैलिब्रेट किया और आकाश के विभिन्न हिस्सों के प्रति इसकी संवेदनशीलता को बेहतर ढंग से समझने के लिए कृत्रिम बुद्धिमत्ता का उपयोग किया। उन्होंने पाया कि 1 में 100,000 से भी कम संभावना है कि एनजीसी 1068 की दिशा से आने वाले न्यूट्रिनो की प्रचुरता एक यादृच्छिक उतार-चढ़ाव है।

सांख्यिकीय निश्चितता कि TXS एक ब्रह्मांडीय न्यूट्रिनो स्रोत है, बहुत पीछे नहीं है, और सितंबर में, आइसक्यूब ने संभवतः TXS के आसपास से एक न्यूट्रिनो रिकॉर्ड किया था जिसका अभी तक विश्लेषण नहीं किया गया है।

“हम आंशिक रूप से अंधे थे; यह ऐसा है जैसे हमने अपना ध्यान केंद्रित कर दिया है,'' हैलज़ेन ने कहा। “यह दौड़ गामा-किरण विस्फोटों और सक्रिय आकाशगंगाओं के बीच थी। वह दौड़ तय हो चुकी है।”

भौतिक तंत्र

ये दो एजीएन आकाश में सबसे चमकीले न्यूट्रिनो स्रोत प्रतीत होते हैं, फिर भी, आश्चर्यजनक रूप से, वे बहुत अलग हैं। TXS एक प्रकार का AGN है जिसे ब्लेज़र के रूप में जाना जाता है: यह सीधे पृथ्वी की ओर उच्च-ऊर्जा विकिरण का एक जेट छोड़ता है। फिर भी हमें एनजीसी 1068 से हमारी ओर इशारा करते हुए ऐसा कोई जेट नहीं दिखता है। इससे पता चलता है कि सक्रिय आकाशगंगाओं के हृदय में विभिन्न तंत्र ब्रह्मांडीय न्यूट्रिनो को जन्म दे सकते हैं। "स्रोत अधिक विविध प्रतीत होते हैं," कहा जूलिया तजस, जर्मनी में रूहर यूनिवर्सिटी बोचुम में एक सैद्धांतिक खगोल भौतिकीविद् और आइसक्यूब के सदस्य।

हेलज़ेन को संदेह है कि एनजीसी 1068 में सक्रिय कोर के आसपास कुछ सामग्री है जो न्यूट्रिनो के उत्पादन के दौरान गामा किरणों के उत्सर्जन को रोकती है। लेकिन सटीक तंत्र का अनुमान किसी को नहीं है। उन्होंने कहा, "हम सक्रिय आकाशगंगाओं के कोर के बारे में बहुत कम जानते हैं क्योंकि वे बहुत जटिल हैं।"

आकाशगंगा में उत्पन्न होने वाले ब्रह्मांडीय न्यूट्रिनो चीजों को और अधिक उलझा देते हैं। हमारी आकाशगंगा में ऐसे उच्च-ऊर्जा कणों का कोई स्पष्ट स्रोत नहीं है - विशेष रूप से, कोई सक्रिय गैलेक्टिक नाभिक नहीं है। हमारी आकाशगंगा का कोर लाखों वर्षों से हलचल नहीं कर रहा है।

हैलज़ेन का अनुमान है कि ये न्यूट्रिनो हमारी आकाशगंगा के पहले, सक्रिय चरण में उत्पन्न ब्रह्मांडीय किरणों से आते हैं। उन्होंने कहा, "हम हमेशा भूल जाते हैं कि हम समय के एक क्षण को देख रहे हैं।" "जिन त्वरक ने इन ब्रह्मांडीय किरणों को बनाया है, उन्होंने इन्हें लाखों साल पहले बनाया होगा।"

आकाश की नई छवि में जो बात सामने आती है वह एनजीसी 1068 और टीएक्सएस जैसे स्रोतों की तीव्र चमक है। जब खगोलशास्त्री फोटॉन से देखते हैं तो निकटवर्ती तारों और गर्म गैस से भरी आकाशगंगा अन्य सभी आकाशगंगाओं से अधिक चमकती है। लेकिन जब इसे न्यूट्रिनो में देखा जाता है, तो "आश्चर्यजनक बात यह है कि हम अपनी आकाशगंगा को मुश्किल से देख सकते हैं," हैलज़ेन ने कहा। "आकाश में एक्स्ट्रागैलेक्टिक स्रोतों का प्रभुत्व है।"

आकाशगंगा के रहस्य को एक तरफ रखते हुए, खगोल भौतिक विज्ञानी डार्क मैटर, क्वांटम गुरुत्व और न्यूट्रिनो व्यवहार के नए सिद्धांतों का अध्ययन करने के लिए दूर, उज्जवल स्रोतों का उपयोग करना चाहते हैं।

मौलिक भौतिकी की जांच

न्यूट्रिनो दुर्लभ सुराग प्रदान करते हैं कि कणों के एक अधिक संपूर्ण सिद्धांत को मानक मॉडल के रूप में ज्ञात समीकरणों के 50-वर्षीय सेट को प्रतिस्थापित करना होगा। यह मॉडल प्राथमिक कणों और बलों का लगभग पूर्ण परिशुद्धता के साथ वर्णन करता है, लेकिन जब न्यूट्रिनो की बात आती है तो यह गलत हो जाता है: यह भविष्यवाणी करता है कि तटस्थ कण द्रव्यमान रहित हैं, लेकिन वे नहीं हैं - बिल्कुल नहीं।

भौतिकविदों ने 1998 में पता लगाया कि न्यूट्रिनो अपने तीन अलग-अलग प्रकारों के बीच आकार-परिवर्तन कर सकते हैं; उदाहरण के लिए, सूर्य द्वारा उत्सर्जित एक इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो पृथ्वी तक पहुँचने तक म्यूऑन न्यूट्रिनो में बदल सकता है। और आकार-परिवर्तन के लिए, न्यूट्रिनो में द्रव्यमान होना चाहिए - दोलन केवल तभी समझ में आते हैं यदि प्रत्येक न्यूट्रिनो प्रजाति तीन अलग-अलग (सभी बहुत छोटे) द्रव्यमान का क्वांटम मिश्रण है।

दर्जनों प्रयोगों ने कण भौतिकविदों को धीरे-धीरे विभिन्न न्यूट्रिनो - सौर, वायुमंडलीय, प्रयोगशाला-निर्मित - के दोलन पैटर्न की एक तस्वीर बनाने की अनुमति दी है। लेकिन एजीएन से उत्पन्न होने वाले ब्रह्मांडीय न्यूट्रिनो बहुत बड़ी दूरी और ऊर्जाओं में कणों के दोलन व्यवहार पर एक नज़र डालते हैं। यह उन्हें "भौतिकी के प्रति एक बहुत ही संवेदनशील जांच बनाता है जो मानक मॉडल से परे है," ने कहा कार्लोस अर्गुएल्स-पतलाहार्वर्ड विश्वविद्यालय के एक न्यूट्रिनो भौतिक विज्ञानी, जो विशाल आइसक्यूब सहयोग का भी हिस्सा हैं।

ब्रह्मांडीय न्यूट्रिनो स्रोत इतने दूर हैं कि न्यूट्रिनो दोलन धुंधले हो जाने चाहिए - खगोलभौतिकीविद् जहां भी देखते हैं, वे तीन न्यूट्रिनो प्रकारों में से प्रत्येक का एक निरंतर अंश देखने की उम्मीद करते हैं। इन अंशों में कोई भी उतार-चढ़ाव यह संकेत देगा कि न्यूट्रिनो दोलन मॉडल पर पुनर्विचार की आवश्यकता है।

एक और संभावना यह है कि ब्रह्मांडीय न्यूट्रिनो यात्रा करते समय काले पदार्थ के साथ संपर्क करते हैं, जैसा कि कई लोगों ने भविष्यवाणी की थी डार्क-सेक्टर मॉडल. ये मॉडल प्रस्तावित करते हैं कि ब्रह्मांड के अदृश्य पदार्थ में कई प्रकार के गैर-चमकदार कण शामिल हैं। इन डार्क मैटर कणों के साथ परस्पर क्रिया विशिष्ट ऊर्जा वाले न्यूट्रिनो को बिखेर देगी एक अंतर बनाएँ ब्रह्मांडीय न्यूट्रिनो के स्पेक्ट्रम में जो हम देखते हैं।

या फिर अंतरिक्ष-समय की क्वांटम संरचना ही न्यूट्रिनो को खींचकर उन्हें धीमा कर सकती है। हाल ही में इटली में स्थित एक समूह में तर्क दिया प्रकृति खगोल विज्ञान आइसक्यूब डेटा ऐसा होने के संकेत दिखाता है, लेकिन अन्य भौतिक विज्ञानी संशय में रहे हैं इन दावों का.

इस तरह के प्रभाव सूक्ष्म होंगे, लेकिन अंतरिक्ष दूरियां उन्हें पता लगाने योग्य स्तर तक बढ़ा सकती हैं। स्कोलबर्ग ने कहा, "यह निश्चित रूप से कुछ ऐसा है जो तलाशने लायक है।"

पहले से ही, अर्गुएल्स-डेलगाडो और सहयोगियों ने अंतरिक्ष-समय की क्वांटम संरचना के साक्ष्य की तलाश के लिए एनजीसी 1068 जैसे विशिष्ट स्रोतों के बजाय - ब्रह्मांडीय न्यूट्रिनो की व्यापक पृष्ठभूमि का उपयोग किया है। जैसे वे में सूचना दी प्रकृति भौतिकी अक्टूबर में, उन्हें कुछ भी नहीं मिला, लेकिन आइसक्यूब डिटेक्टर में इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो से न्यूट्रिनो की तीसरी किस्म - ताउ - को अलग करने में कठिनाई के कारण उनकी खोज में बाधा उत्पन्न हुई। सह-लेखक ने कहा, "बेहतर कण पहचान" की आवश्यकता है टेपेई कटोरी किंग्स कॉलेज लंदन के. पर शोध चल रहा है दो प्रकारों को सुलझाएं.

कटोरी का कहना है कि ब्रह्मांडीय न्यूट्रिनो स्रोतों के विशिष्ट स्थानों और तंत्रों को जानने से नई भौतिकी के लिए इन खोजों की संवेदनशीलता में "बड़ा उछाल" आएगा। प्रत्येक न्यूट्रिनो प्रकार का सटीक अंश स्रोत मॉडल पर निर्भर करता है, और सबसे लोकप्रिय मॉडल, संयोग से, भविष्यवाणी करते हैं कि तीन न्यूट्रिनो प्रजातियों की समान संख्या पृथ्वी पर आएगी। लेकिन ब्रह्मांडीय न्यूट्रिनो को अभी भी इतना कम समझा गया है कि तीन प्रकार के अंशों में देखे गए किसी भी असंतुलन की गलत व्याख्या की जा सकती है। परिणाम क्वांटम गुरुत्व, डार्क मैटर या टूटे हुए न्यूट्रिनो दोलन मॉडल का परिणाम हो सकता है - या ब्रह्मांडीय न्यूट्रिनो उत्पादन की अभी भी धुंधली भौतिकी का परिणाम हो सकता है। (हालांकि, कुछ अनुपात नए भौतिकी के "धूम्रपान बंदूक" हस्ताक्षर होंगे, अर्गुएल्स ने कहा-डेलगाडो।)

कटोरी ने कहा, आखिरकार, हमें कई और ब्रह्मांडीय न्यूट्रिनो का पता लगाने की जरूरत है। और ऐसा लग रहा है जैसे हम करेंगे. अगले कुछ वर्षों में आइसक्यूब को उन्नत और 10 क्यूबिक किलोमीटर तक विस्तारित किया जा रहा है, और अक्टूबर में साइबेरिया में बैकाल झील के नीचे एक न्यूट्रिनो डिटेक्टर लगाया जाएगा। अपना पहला अवलोकन पोस्ट किया TXS से ब्रह्मांडीय न्यूट्रिनो की।

और भूमध्य सागर की गहराई में, न्यूट्रिनो डिटेक्टरों के दर्जनों तार सामूहिक रूप से बुलाए गए KM3Net कॉस्मिक-न्यूट्रिनो आकाश का पूरक दृश्य प्रस्तुत करने के लिए इन्हें एक रोबोट सबमर्सिबल द्वारा समुद्र तल पर बांधा जा रहा है। “दबाव बहुत ज़्यादा हैं; मार्सिले कण भौतिकी केंद्र के अनुसंधान निदेशक और प्रयोग के प्रवक्ता पास्कल कोयल ने कहा, "समुद्र बहुत क्षमाशील है।" लेकिन "हमें आकाश की जांच करने वाली अधिक दूरबीनों और अधिक साझा अवलोकनों की आवश्यकता है, जो अब आ रही है।"