वैज्ञानिकों ने एक दूर के गैलेक्सी से न्यूट्रिनो का पता लगाने का रोमांच समझाया

लगभग चार अरब साल पहले, जब ग्रह पृथ्वी अभी भी अपनी प्रारंभिक अवस्था में था, सूर्य की तुलना में लगभग एक अरब गुना अधिक बड़े ब्लैक होल की धुरी उस बिंदु की ओर इंगित करती है जहां हमारा ग्रह 22 सितंबर, 2017 को होने जा रहा था।

धुरी के साथ, कणों की एक उच्च-ऊर्जा जेट ने प्रकाश की गति पर या उसके निकट हमारी दिशा में फोटॉन और न्यूट्रिनो रेसिंग को भेजा। दक्षिण ध्रुव पर आइसक्यूब न्यूट्रीनो वेधशाला ने इन उप-परमाणु कणों में से एक का पता लगाया - आइसक्यूब-170922 ए न्युट्रीनो - और इसे वापस तारामंडल में आकाश के एक छोटे से पैच से पता लगाया और ब्रह्मांडीय स्रोत को इंगित किया: एक भड़कने वाला ब्लैक होल एक अरब के आकार का सूरज, पृथ्वी से 3.7 बिलियन प्रकाश वर्ष, जिसे ब्लाजर TXS 0506 + 056 के रूप में जाना जाता है। कुछ समय से ब्लेज़र के बारे में जाना जाता है। क्या स्पष्ट नहीं था कि वे उच्च-ऊर्जा न्यूट्रिनो का उत्पादन कर सकते थे। इससे भी अधिक रोमांचक इस तरह के न्यूट्रिनो थे जो पहले कभी भी अपने स्रोत का पता नहीं लगा पाए थे।

राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन द्वारा 12 जुलाई, 2018 को पहली बार घोषित किए गए उच्च-ऊर्जा न्यूट्रिनो के ब्रह्मांडीय स्रोत का पता लगाना, न्यूट्रिनो खगोल विज्ञान के एक नए युग की शुरुआत का प्रतीक है। फिट्स में शुरू हुआ और 1976 के बाद से शुरू होता है, जब अग्रणी भौतिकविदों ने पहले हवाई तट से बड़े पैमाने पर उच्च-ऊर्जा न्यूट्रिनो डिटेक्टर बनाने की कोशिश की, आइसक्यूब की खोज ने कई सैकड़ों वैज्ञानिकों और इंजीनियरों द्वारा एक लंबे और कठिन अभियान के विजयी निष्कर्ष को चिह्नित किया - और एक साथ खगोल विज्ञान की एक पूरी तरह से नई शाखा का जन्म।

ओरियन का तारामंडल, ब्लाजर के स्थान पर एक बुल्सआई के साथ। (सिल्विया ब्रावो गेलर्ट / Project_WIPAC_Communications, CC BY-ND)

दो अलग-अलग खगोलीय संदेशवाहक - न्यूट्रिनो और प्रकाश - का पता लगाना एक शक्तिशाली प्रदर्शन है कि तथाकथित मल्टीमेसर खगोल विज्ञान ब्रह्मांड में कुछ सबसे ऊर्जावान घटनाओं की पहचान करने और समझने की आवश्यकता का लाभ कैसे प्रदान कर सकता है। एक साल से भी कम समय पहले न्यूट्रिनो स्रोत के रूप में इसकी खोज के बाद से, ब्लाजर TXS 0506 + 056 गहन जांच का विषय रहा है। न्यूट्रीनो की इसकी संबद्ध धारा ब्लैक होल के पास काम करने वाली भौतिक प्रक्रियाओं और उसके कणों और विकिरण के शक्तिशाली जेट में गहरी अंतर्दृष्टि प्रदान करना जारी रखती है, ओरियन के कंधे से कुछ ही दूर पृथ्वी से सीधे उसके स्थान पर पहुंच जाती है।

इस उल्लेखनीय खोज में शामिल भौतिक विज्ञानियों और खगोलविदों की एक वैश्विक टीम में तीन वैज्ञानिकों के रूप में, हम इस गहन प्रयोग के लिए इस प्रयोग में भाग लेने के लिए तैयार थे, जो महंगी डालने पर एक क्रूर ठंडी जगह पर लंबी पारियों में काम करने की शारीरिक और भावनात्मक चुनौती के लिए था, छेद में संवेदनशील उपकरण 1.5 मील गहरी बर्फ में ड्रिल किए गए और यह सब काम कर रहा था। और, निश्चित रूप से, एक नए प्रकार के टेलीस्कोप में सहकर्मी होने के लिए पहले लोगों के लिए रोमांचकारी अवसर के लिए और देखें कि यह आकाश के बारे में क्या दर्शाता है।

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9, 000 फीट से अधिक की ऊंचाई पर और औसत गर्मियों के तापमान के साथ शायद ही कभी एक -30 डिग्री सेल्सियस को तोड़ते हुए, दक्षिणी ध्रुव आपको कुछ भी करने के लिए आदर्श स्थान के रूप में हड़ताल नहीं कर सकता है, एक तरफ एक जगह पर जाने के बारे में डींग मारने से अलग है जो इतनी धूप और उज्ज्वल है कि आपको सनस्क्रीन की आवश्यकता है अपनी नासिका के लिए। दूसरी ओर, एक बार जब आप महसूस करते हैं कि ऊंचाई बर्फ की मोटी कोट के कारण होती है, जो कई सौ सालों के प्राचीन हिमपात से बनी होती है और कम तापमान ने इसे पूरी तरह से स्थिर कर दिया है, तो यह आपको आश्चर्यचकित नहीं कर सकता है कि न्यूट्रिनो टेलीस्कोप बिल्डरों, वैज्ञानिक लाभ निषिद्ध वातावरण पल्ला झुकना। दक्षिणी ध्रुव अब दुनिया का सबसे बड़ा न्यूट्रिनो डिटेक्टर, आइसक्यूब का घर है।

मार्च 2015: अंटार्कटिका में अमुंडसेन-स्कॉट साउथ पोल स्टेशन पर आइसक्यूब प्रयोगशाला, डिटेक्टर से कच्चे डेटा एकत्र करने वाले कंप्यूटरों की मेजबानी करता है। उपग्रह बैंडविड्थ आवंटन के कारण, पुनर्निर्माण और घटना फ़िल्टरिंग का पहला स्तर इस प्रयोगशाला में वास्तविक समय के पास होता है। (एरिक बीसर, आइसक्यूब / एनएसएफ)

यह अजीब लग सकता है कि हमें इस तरह के एक विस्तृत डिटेक्टर की आवश्यकता है जो इन मौलिक कणों के बारे में 100 बिलियन सही आपके थम्बनेल के माध्यम से प्रत्येक सेकंड में और सहजता से पूरी पृथ्वी के माध्यम से एक भी सांसारिक परमाणु के साथ बातचीत किए बिना।

वास्तव में, न्यूट्रिनोस दूसरे सबसे सर्वव्यापी कण हैं, जो बिग बैंग से बचे कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड फोटॉनों के बाद दूसरे स्थान पर हैं। उनमें एक चौथाई ज्ञात मूलभूत कण शामिल हैं। फिर भी, क्योंकि वे मुश्किल से दूसरे मामले के साथ बातचीत करते हैं, वे यकीनन कम से कम अच्छी तरह से समझते हैं।

इन मायावी कणों की एक मुट्ठी पकड़ने के लिए, और अपने स्रोतों की खोज करने के लिए, भौतिकविदों को बर्फ की तरह - एक स्पष्ट रूप से स्पष्ट सामग्री से बने बड़े-किलोमीटर-चौड़ा - डिटेक्टरों की आवश्यकता होती है। सौभाग्य से माँ प्रकृति ने स्पष्ट बर्फ की इस प्राचीन स्लैब को प्रदान किया जहां हम अपने डिटेक्टर का निर्माण कर सकते थे।

IceCube न्यूट्रिनो वेधशाला उपकरण 1, 450 और 2, 450 मीटर की गहराई पर 5, 160 डिजिटल ऑप्टिकल मॉड्यूल (DOMs) के साथ लगभग अंटार्कटिक बर्फ के लगभग एक घन किलोमीटर की मात्रा का एक उपकरण है। वेधशाला में एक घनी तरह का उप-खंड, दीपकोर और एक सतह वायु बौछार सरणी, आइसटॉप शामिल हैं। (फेलिप पेडरोस, आइसक्यूब / एनएसएफ)

दक्षिणी ध्रुव में, कई सौ वैज्ञानिकों और इंजीनियरों ने 86 अलग-अलग 1.5-मील गहरे छेदों में 5, 000 से अधिक व्यक्तिगत फ़ोटोग्राफ़रों का निर्माण और तैनाती की है, जो एक कस्टम-डिज़ाइन किए गए गर्म-पानी की ड्रिल के साथ ध्रुवीय आइस कैप में पिघल गए हैं। सात ऑस्ट्रल समर सीज़न के दौरान हमने सभी सेंसर लगाए। IceCube सरणी 2011 की शुरुआत में पूरी तरह से स्थापित हो गई थी और तब से लगातार डेटा ले रही है।

बर्फ से बंधे डिटेक्टरों की यह सरणी बड़ी सटीकता के साथ समझ सकती है जब एक न्यूट्रिनो उड़ता है और कुछ सांसारिक कणों के साथ बातचीत करता है जो नीले चेरनकोव प्रकाश के मंद पैटर्न उत्पन्न करते हैं, जब चार्ज किए गए कण हल्के गति के करीब बर्फ जैसे माध्यम से चलते हैं।

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न्यूट्रिनो डिटेक्टरों की अकिलीज़ एड़ी यह है कि आस-पास के वातावरण में उत्पन्न होने वाले अन्य कण भी ब्लिश चेरेंकोव प्रकाश के इन पैटर्नों को ट्रिगर कर सकते हैं। इन झूठे संकेतों को खत्म करने के लिए, डिटेक्टर को संवेदनशील डिटेक्टर तक पहुंचने से पहले हस्तक्षेप को छानने के लिए बर्फ में गहराई से दफन किया जाता है। लेकिन लगभग एक मील तक ठोस बर्फ के नीचे होने के बावजूद, आइसक्यूब अभी भी हर सेकंड लगभग 2, 500 ऐसे कणों के हमले का सामना करता है, जिनमें से प्रत्येक एक न्यूट्रिनो के कारण हो सकता है।

दिलचस्प, वास्तविक खगोल भौतिकी न्यूट्रिनो इंटरैक्शन (जैसे ब्लैक होल से आने वाले न्यूट्रिनो) की अनुमानित दर के साथ, प्रति माह लगभग एक हॉवरिंग, हमें एक कठिन सुई-इन-हिस्टैक समस्या का सामना करना पड़ा।

आइसक्यूब की रणनीति केवल इतनी उच्च ऊर्जा वाली घटनाओं को देखने के लिए है कि वे मूल रूप से वायुमंडलीय होने की संभावना नहीं हैं। इन चयन मानदंडों और कई वर्षों के आंकड़ों के साथ, आइसक्यूब ने उस खगोल-वैज्ञानिक न्यूट्रिनो की खोज की, जिसकी वह लंबे समय से तलाश कर रहा था, लेकिन यह किसी भी व्यक्तिगत स्रोतों की पहचान नहीं कर सका - जैसे कि सक्रिय गैलेक्टिक नाभिक या गामा-रे फट - कई दर्जन उच्च-ऊर्जा न्यूट्रिनो के बीच। कब्जा कर लिया था।

वास्तविक स्रोतों को चिढ़ाने के लिए, IceCube ने अप्रैल 2016 में पेन स्टेट में एस्ट्रोफिजिकल मल्टीमेसन ऑब्जर्वेटरी नेटवर्क की मदद से न्यूट्रिनो आगमन अलर्ट वितरित करना शुरू किया। अगले 16 महीनों के दौरान, 11 आइसक्यूब-एएमओएन न्यूट्रिनो अलर्ट एएमओएन और गामा-रे कोऑर्डिनेट नेटवर्क के माध्यम से वितरित किए गए, दक्षिण ध्रुव पर पता लगाने के कुछ ही मिनट या सेकंड बाद।

22 सितंबर, 2017 को, आइसक्यूब ने अंतरराष्ट्रीय खगोल विज्ञान समुदाय को एक उच्च-ऊर्जा न्यूट्रिनो का पता लगाने के बारे में सचेत किया। पृथ्वी और अंतरिक्ष में लगभग 20 वेधशालाओं ने अनुवर्ती टिप्पणियां कीं, जिससे वैज्ञानिकों को यह पता चलता है कि बहुत उच्च ऊर्जा वाले न्यूट्रिनो का स्रोत क्या है और इस प्रकार, ब्रह्मांडीय किरणों का। न्यूट्रिनो के अलावा, विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम में किए गए अवलोकनों में गामा-किरणें, एक्स-रे और ऑप्टिकल और रेडियो विकिरण शामिल थे। ये वेधशालाएँ दुनिया भर के देशों में फ़ंडिंग एजेंसियों द्वारा समर्थित 1, 000 से अधिक वैज्ञानिकों द्वारा अंतर्राष्ट्रीय टीमों द्वारा चलाई जाती हैं। (निकोल आर। फुलर / एनएसएफ / आइसक्यूब)

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अलर्ट ने नासा के नील गेहर्ल्स स्विफ्ट वेधशाला के साथ एक्स-रे और पराबैंगनी टिप्पणियों के एक स्वचालित अनुक्रम को ट्रिगर किया और नासा के फर्मी गामा-रे स्पेस टेलीस्कोप और न्यूक्लियर माइक्रोस्कोपिक टेलीस्कोप एरे, और दुनिया भर में 13 अन्य वेधशालाओं के साथ आगे के अध्ययन का नेतृत्व किया।

स्विफ्ट न्युट्रीनो घटना के संभावित स्रोत के रूप में भड़कते हुए ब्लाजर TXS 0506 + 056 की पहचान करने वाली पहली सुविधा थी। फर्मी लार्ज एरिया टेलीस्कोपेंथेन ने बताया कि ब्लाजर एक भयावह स्थिति में था, जो पिछले समय की तुलना में कई अधिक गामा-किरणों का उत्सर्जन कर रहा था। जैसे ही यह खबर फैली, अन्य वेधशालाएं उत्साहपूर्वक बैंडबाजे पर कूद गईं और व्यापक रूप से अवलोकन किए गए। MAGIC ग्राउंड-आधारित दूरबीन ने उल्लेख किया कि हमारा न्यूट्रिनो एक ऐसे क्षेत्र से आया है जो बहुत अधिक ऊर्जा वाली गामा-किरणों का उत्पादन करता है (प्रत्येक में एक्स-रे की तुलना में लगभग दस लाख गुना अधिक ऊर्जावान), पहली बार ऐसा संयोग देखा गया है। अन्य ऑप्टिकल अवलोकनों ने पृथ्वी से लगभग चार अरब प्रकाश वर्ष: TXS 0506 + 056: की दूरी को मापने के द्वारा पहेली को पूरा किया।

उच्च-ऊर्जा न्यूट्रिनो के एक ब्रह्मांडीय स्रोत की पहली पहचान के साथ, खगोल विज्ञान के पेड़ पर एक नई शाखा अंकुरित हुई है। जैसा कि उच्च-ऊर्जा न्यूट्रिनो खगोल विज्ञान अधिक डेटा, बेहतर अंतर-वेधशाला समन्वय और अधिक संवेदनशील डिटेक्टरों के साथ बढ़ता है, हम न्यूट्रिनो आकाश को बेहतर और बेहतर परिशुद्धता के साथ मैप करने में सक्षम होंगे।

और हम सूट का पालन करने के लिए ब्रह्मांड की हमारी समझ में रोमांचक नई सफलताओं की उम्मीद करते हैं, जैसे: आश्चर्यजनक रूप से ऊर्जावान कॉस्मिक किरणों की उत्पत्ति के सदियों पुराने रहस्य को सुलझाना; यदि बहुत ही कम दूरी के तराजू में क्वांटम उतार-चढ़ाव के साथ, स्पेसक्राफ्ट में झाग आ रहा है, तो क्वांटम गुरुत्व के कुछ सिद्धांतों द्वारा भविष्यवाणी की जाती है; और पता लगा कि कैसे ब्रह्मांडीय त्वरक, जैसे कि TXS 0506 + 056 ब्लैक होल के आसपास, ऐसे लुभावने उच्च ऊर्जा वाले कणों को गति देने का प्रबंधन करते हैं।

20 साल के लिए, आइसक्यूब सहयोग का सपना उच्च ऊर्जा वाले कॉस्मिक न्यूट्रिनो के स्रोतों की पहचान करना था - और यह सपना अब एक वास्तविकता है।

यह आलेख मूल रूप से वार्तालाप पर प्रकाशित हुआ था।

डौग कोवेन, भौतिकी के प्रोफेसर और खगोल विज्ञान और खगोल भौतिकी, पेंसिल्वेनिया स्टेट यूनिवर्सिटी के प्रोफेसर

अज़ादेह कीवानी, फ्रंटियर ऑफ़ साइंस फ़ेलो, कोलंबिया विश्वविद्यालय

डेरेक फॉक्स, पेंसिल्वेनिया स्टेट यूनिवर्सिटी के खगोल विज्ञान और खगोल भौतिकी के एसोसिएट प्रोफेसर