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X-Ray Vision and Polarized Glasses Unite to Uncover Mysteries of the Universe – Teachable Moments

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नासा का अंतरिक्ष दूरबीन मिशन खगोलविदों को ब्रह्मांड में झाँकने का एक नया तरीका दे रहा है, जिससे हमें ब्लैक होल जैसी वस्तुओं के आसपास के लंबे समय से चले आ रहे रहस्यों को उजागर करने की अनुमति मिल रही है। पता लगाएं कि यह कैसे काम करता है और मिशन के पीछे विज्ञान में छात्रों को कैसे शामिल किया जाए।


हमारे ब्रह्मांड की कुछ बेतहाशा, सबसे रोमांचक विशेषताएं – ब्लैक होल से लेकर न्यूट्रॉन तारे तक – हमारे लिए रहस्य बने हुए हैं। हम जो जानते हैं वह यह है कि उनके अत्यधिक वातावरण के कारण, इनमें से कुछ अत्यधिक ऊर्जावान एक्स-रे प्रकाश उत्सर्जित करते हैं, जिसे हम अपने और स्रोत के बीच विशाल दूरी के बावजूद पहचान सकते हैं।

अब, एक नासा अंतरिक्ष दूरबीन मिशन नई तकनीकों का उपयोग कर रहा है ताकि न केवल इन दूर की घटनाओं का पता लगाया जा सके, बल्कि यह भी उनकी उत्पत्ति के बारे में नई जानकारी प्रदान करें. यह जानने के लिए पढ़ें कि कैसे वैज्ञानिक हमारे ब्रह्मांड पर रोमांचक नए दृष्टिकोण प्राप्त कर रहे हैं और एक्स-रे खगोल विज्ञान का भविष्य क्या है।

उन्होंने यह कैसे किया

2021 में, नासा ने लॉन्च किया इमेजिंग एक्स-रे पोलारिमीटर एक्सप्लोरर, या IXPE, बॉल एयरोस्पेस और इतालवी अंतरिक्ष एजेंसी के सहयोग से। स्पेस टेलीस्कोप को दो साल तक संचालित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जो अंतरिक्ष में अत्यधिक ऊर्जावान वस्तुओं, जैसे ब्लैक होल, विभिन्न प्रकार के न्यूट्रॉन सितारों (जैसे, पल्सर और मैग्नेटर्स) और सक्रिय गैलेक्टिक नाभिक से उत्सर्जित एक्स-रे का पता लगाता है। अपने पहले वर्ष में, टेलीस्कोप लगभग एक दर्जन पहले से अध्ययन किए गए एक्स-रे स्रोतों पर ध्यान केंद्रित कर रहा है, अंतरिक्ष यान के वैज्ञानिक उपकरणों द्वारा संभव किए गए नए डेटा को प्रकट करने के लिए प्रत्येक लक्ष्य को देखते हुए घंटे या दिन भी बिता रहा है।

IXPE एक्स-रे प्रकाश में ब्रह्मांड का निरीक्षण करने वाला पहला टेलीस्कोप नहीं है। नासा के चंद्र एक्स-रे वेधशालाजिसे 1999 में लॉन्च किया गया था, ने प्रसिद्ध रूप से उच्च-ऊर्जा वातावरण में पाए जाने वाले प्रकाश की तरंग दैर्ध्य पर हमारे ब्रह्मांड की तस्वीर लेने में 20 से अधिक वर्षों का समय बिताया है, जैसे कि तीव्र चुंबकीय क्षेत्र या अत्यधिक गुरुत्वाकर्षण के परिणामस्वरूप ब्रह्मांडीय सामग्री को लाखों डिग्री तक गर्म किया जाता है।

चंद्रा का उपयोग करके, वैज्ञानिक इन वातावरणों द्वारा उत्पादित विभिन्न ऊर्जा स्तरों, या तरंग दैर्ध्य को रंग प्रदान कर सकते हैं। यह हमें ब्लैक होल और छोटे न्यूट्रॉन सितारों द्वारा उत्सर्जित अत्यधिक ऊर्जावान प्रकाश की एक तस्वीर प्राप्त करने की अनुमति देता है – हमारे सूर्य के 10-25 गुना बड़े पैमाने पर छोटे, लेकिन बेहद घने सितारे। चंद्रा के पहले लक्ष्य, कैसिओपिया ए (संक्षिप्त रूप में कैस ए) जैसे ये खूबसूरत चित्र, सितारों के विस्फोट की हिंसक सुंदरता दिखाते हैं।

नासा के चंद्र एक्स-रे वेधशाला से सुपरनोवा कैसिओपिया ए की यह छवि विस्फोट के अवशेषों में विभिन्न तत्वों का स्थान दिखाती है: सिलिकॉन (लाल), सल्फर (पीला), कैल्शियम (हरा) और लोहा (बैंगनी)। इनमें से प्रत्येक तत्व संकीर्ण ऊर्जा सीमाओं के भीतर एक्स-रे उत्पन्न करता है, जिससे उनके स्थान के मानचित्र तैयार किए जा सकते हैं। छवि क्रेडिट: NASA/CXC/SAO | › पूरी छवि और कैप्शन

जबकि चंद्रा ने अपना नाम “महान वेधशालाओं” में से एक के रूप में अर्जित किया है, खगोलविदों ने लंबे समय से अंतरिक्ष में अत्यधिक ऊर्जावान वातावरण में उन्हें और भी अधिक विस्तार से कैप्चर करने की इच्छा जताई है।

आईएक्सपीई ने पोलीमीटर नामक एक उपकरण की शुरुआत के साथ चंद्रा के काम का विस्तार किया, एक ऐसा उपकरण जिसका उपयोग अंतरिक्ष दूरबीन के डिटेक्टरों तक पहुंचने वाले प्रकाश के आकार और दिशा को समझने के लिए किया जाता है। IXPE पर पोलीमीटर वैज्ञानिकों को ब्लैक होल, सुपरनोवा और मैग्नेटर्स के बारीक विवरण में अंतर्दृष्टि प्राप्त करने की अनुमति देता है, जैसे कि वे किस दिशा में घूम रहे हैं और उनका त्रि-आयामी आकार।

टेढ़ी-मेढ़ी रेखाओं का एक नीला प्रभामंडल नीले और सफेद रंग के छींटे के साथ मैजेंटा के फजी डोनट के आकार की धुंध को घेरता है।

कैसिओपिया ए की यह छवि IXPE द्वारा एकत्र किए गए कुछ पहले एक्स-रे डेटा का उपयोग करके बनाई गई थी, जो नीले रंग में चंद्रा से उच्च-ऊर्जा एक्स-रे डेटा के साथ मैजेंटा में दिखाया गया था। छवि क्रेडिट: NASA/CXC/SAO/IXPE | › पूरी छवि और कैप्शन

जबकि वैज्ञानिकों ने IXPE की क्षमताओं का उपयोग करना शुरू कर दिया है, वे पहले से ही इन वस्तुओं के आंतरिक कामकाज के बारे में नए विवरण प्रकट करना शुरू कर रहे हैं – जैसे कि Cas A के आसपास चुंबकीय क्षेत्र का वातावरण, एक नई जारी की गई छवि में दिखाया गया है।

सुपरनोवा अवशेष को नीले रंग की बूँद के रूप में दिखाया गया है जिसमें चमकीले नीले रंग के भंवर और सफेद रंग के बड़े छींटे हैं।  छवि के शीर्ष पर धराशायी लाइनें केंद्र से बाहर की ओर प्रवाहित होती हैं।  सुपरनोवा और रेखाओं को एक वृत्त के चौथाई खंडों में विभाजित करते हुए, शीर्ष दाएँ भाग में ऐसी रेखाएँ हैं जो सीधे उत्तर पूर्व की ओर बहती हैं।  नीचे दाईं ओर के खंड में ऐसी रेखाएँ हैं जो लगभग दक्षिण-पूर्व की ओर प्रवाहित होती हैं लेकिन उत्तर की ओर थोड़ी सी वक्र होती हैं नीचे बाईं ओर के खंड में ऐसी रेखाएँ होती हैं जो सुपरनोवा के निचले किनारे से सीधे ऊपर की ओर प्रवाहित होती हैं, केंद्र के चारों ओर वक्र होती हैं और फिर वापस नीचे की ओर प्रवाहित होती हैं।  और शीर्ष बाईं ओर के खंड में ऐसी रेखाएँ हैं जो केंद्र से सीधे पश्चिम की ओर बहती हैं, अन्य जो केंद्र के चारों ओर मुड़ती हैं और तिरछे उत्तर पश्चिम में प्रवाहित होती हैं और अन्य जो केंद्र से उत्तर की ओर बहती हैं।  सुपरनोवा के 1 बजे, 2 बजे, 4 बजे, 7 बजे और 11 बजे के हिस्से में लाइनों के छोटे खंड हरे रंग में हाइलाइट किए गए हैं।

इस नई जारी की गई छवि में लाइनें IXPE माप से आती हैं जो कैसिओपिया ए के क्षेत्रों में चुंबकीय क्षेत्र की दिशा दिखाती हैं। हरी रेखाएं उन क्षेत्रों को दर्शाती हैं जहां माप सबसे अधिक महत्वपूर्ण हैं। इन परिणामों से संकेत मिलता है कि सुपरनोवा अवशेष के बाहरी इलाके के पास चुंबकीय क्षेत्र रेखाएं बड़े पैमाने पर रेडियल रूप से उन्मुख हैं, अर्थात, अवशेष के केंद्र से बाहर की ओर एक दिशा में। IXPE टिप्पणियों से यह भी पता चलता है कि छोटे क्षेत्रों पर चुंबकीय क्षेत्र अत्यधिक पेचीदा है, बिना किसी प्रमुख पसंदीदा दिशा के। इस तरह की टिप्पणियों से वैज्ञानिकों को यह जानने में मदद मिल सकती है कि सुपरनोवा से निकलने वाले कण विस्फोट द्वारा बनाए गए चुंबकीय क्षेत्र से कैसे संपर्क करते हैं। छवि क्रेडिट: एक्स-रे: चंद्रा: NASA/CXC/SAO; IXPE: NASA/MSFC/J. विंक एट अल। | + छवि का विस्तार करें | › पूरी छवि और कैप्शन

“पहली बार, हम प्रकाश के प्रत्येक एकत्रित फोटॉन का उपयोग आकाश में वस्तुओं की प्रकृति और आकार के बारे में बताने के लिए करेंगे जो अन्यथा प्रकाश के बिंदु होंगे,” कहते हैं। रोजर रोमानीएक स्टैनफोर्ड प्रोफेसर और IXPE पर सह-अन्वेषक।

यह काम किस प्रकार करता है

आम तौर पर, जब प्रकाश उत्पन्न होता है, तो इसे हम अध्रुवीकृत कहते हैं, जिसका अर्थ है कि यह हर दिशा में दोलन करता है। उदाहरण के लिए, हमारा सूर्य अध्रुवीकृत प्रकाश उत्पन्न करता है। लेकिन कभी-कभी, प्रकाश केवल एक दिशा में दोलन करते हुए अत्यधिक संगठित तरीके से उत्पन्न होता है। खगोल विज्ञान में, यह तब उत्पन्न होता है जब चुंबकीय क्षेत्र कणों को अविश्वसनीय रूप से उच्च गति के लिए मजबूर करते हैं, अत्यधिक संगठित, या ध्रुवीकृत, प्रकाश बनाते हैं।

यह वही है जो सुपरनोवा कैस ए जैसी वस्तुओं को IXPE के लिए आकर्षक लक्ष्य बनाता है। कैस ए जैसे विस्फोटित सितारे जब सुपरनोवा में जाते हैं तो बड़े पैमाने पर ऊर्जावान तरंगें उत्पन्न करते हैं, जिससे वैज्ञानिकों को यह पता चलता है कि कैसे अत्यधिक गति से निकलने वाले कण इस तरह की घटना से चुंबकीय क्षेत्र के साथ परस्पर क्रिया करते हैं। कैस ए के मामले में, IXPE यह निर्धारित करने में सक्षम था कि एक्स-रे बहुत ध्रुवीकृत नहीं हैं, जिसका अर्थ है कि विस्फोट ने कई क्षेत्र दिशाओं के साथ बहुत अशांत क्षेत्रों का निर्माण किया।

जबकि ध्रुवीकृत या संगठित प्रकाश का विचार सारगर्भित लग सकता है, हो सकता है कि आपने इसे आखिरी बार देखा हो जब आप धूप के दिन बाहर थे। यदि आपने ध्रुवीकृत धूप के चश्मे की एक जोड़ी पर कोशिश की है, तो आपने देखा होगा कि चमक बहुत कम हो गई थी। ऐसा इसलिए है क्योंकि जैसे ही प्रकाश बिखरता है, यह सभी दिशाओं में परावर्तक सतहों से उछलता है। हालांकि, ध्रुवीकृत लेंस में छोटे फिल्टर होते हैं जो केवल दिशाओं के एक संकीर्ण बैंड से आने वाले प्रकाश को गुजरने की अनुमति देते हैं।

IXPE पर पोलीमीटर इसी तरह काम करता है। टेलीस्कोप द्वारा पता लगाए गए प्रकाश का कितना ध्रुवीकरण है, यह मापने के लिए खगोलविद ध्रुवीयमीटर का उपयोग करके किसी वस्तु के चुंबकीय क्षेत्र की ताकत का निर्धारण कर सकते हैं। आमतौर पर, प्रकाश जितना अधिक ध्रुवीकृत होता है, स्रोत पर चुंबकीय क्षेत्र उतना ही मजबूत होता है।

टेलीस्कोप तक पहुंचने वाले प्रकाश के कोण को मापकर खगोलविद इस दिशा को मापने के लिए एक कदम आगे भी जा सकते हैं। क्योंकि ध्रुवीकृत प्रकाश स्रोत को एक पूर्वानुमेय फैशन में छोड़ देता है – अर्थात् अपने चुंबकीय क्षेत्र से लंबवत – दोलनशील प्रकाश के कोण को जानने से रोटेशन की धुरी और संभावित रूप से न्यूट्रॉन सितारों और नेबुला जैसी वस्तुओं की सतह संरचना के बारे में भी जानकारी मिलती है।

अगल-बगल के एनिमेशन एक खुली खिड़की के माध्यम से एक रस्सी को एक तरफ से दूसरी तरफ और एक रस्सी को एक खुली खिड़की के माध्यम से ऊपर और नीचे ले जाते हुए दिखाते हैं।  जैसे ही खिड़की बंद होती है, ऊपर और नीचे जाने वाली रस्सी में कम तरंगें खिड़की के माध्यम से इसे बनाती हैं जबकि रस्सी एक तरफ से दूसरी तरफ चलती है, अबाधित होती है।

इस प्रदर्शन में, रस्सी प्रकाश तरंगों का प्रतिनिधित्व करती है और खुली खिड़की एक पोलीमीटर का प्रतिनिधित्व करती है। प्रकाश तरंगों (रस्सी) के कोण के आधार पर, अधिक या कम जानकारी पोलीमीटर (खिड़की) के माध्यम से इसे संकरा बनाती है। पोलीमीटर के माध्यम से प्राप्त प्रकाश की मात्रा को मापकर, IXPE प्रकाश के कोण और ध्रुवीकरण को निर्धारित कर सकता है। छवि क्रेडिट: NASA/JPL-कालटेक | + छवि का विस्तार करें

उदाहरण के लिए, कल्पना कीजिए कि आप रस्सी के एक छोर को दूसरे छोर पर किसी वस्तु से बंधे हुए पकड़ रहे हैं। यदि आप क्षैतिज तरंगों को बनाने के लिए रस्सी को एक तरफ घुमाते हैं, तो वे तरंगें खिड़की की तरह एक संकीर्ण लक्ष्य के माध्यम से इसे बनाने में सक्षम होंगी। यदि आप खिड़की को ऊपर से बंद करना शुरू करते हैं, उद्घाटन को संकीर्ण करते हुए, लहरें अभी भी उद्घाटन के माध्यम से इसे बना सकती हैं। हालाँकि, यदि आपने रस्सी को ऊपर और नीचे लहराते हुए लंबवत तरंगें बनाईं, जैसे ही खिड़की बंद हुई, कम और कम तरंगें उद्घाटन के माध्यम से बनेंगी। इसी तरह, पोलीमीटर के माध्यम से दूसरी तरफ डिटेक्टर तक पहुंचने वाले प्रकाश को मापकर, IXPE प्राप्त प्रकाश के कोण को निर्धारित कर सकता है।

इस प्रकाश को इकट्ठा करने के लिए, IXPE चार मीटर (13 फुट) बूम के अंत में तीन समान दर्पणों का उपयोग करता है। आईएक्सपीई द्वारा प्राप्त प्रकाश तेजी से उछाल के दूसरे छोर पर अंतरिक्ष यान के ध्रुवीयमीटर पर केंद्रित है, जिससे वैज्ञानिकों को उन महत्वपूर्ण मापों को इकट्ठा करने की इजाजत मिलती है।

(एम्बेड)https://www.youtube.com/watch?v=JD5jMpcBT10(/embed)

IXPE प्रक्षेपण प्रसारण के दौरान, टिप्पणीकार अंतरिक्ष यान के घटकों पर चर्चा करते हैं और यह कैसे ध्रुवीकरण को मापता है। | यूट्यूब पर देखें

यह क्यों महत्वपूर्ण है

पिछले दो दशकों से चंद्रा की टिप्पणियों पर निर्माण, एक्स-रे विज्ञान के लिए IXPE का उपन्यास दृष्टिकोण ब्रह्मांड में सबसे आकर्षक वस्तुओं में से कुछ पर पर्दे को और भी पीछे खींच रहा है, यह पहली बार देखता है कि कुछ में कैसे और कहाँ विकिरण उत्पन्न हो रहा है। ब्रह्मांड में सबसे चरम वातावरण। IXPE के Cas A के माप अभी शुरुआत हैं, और भी अधिक रहस्यमय लक्ष्यों का पता लगाने के लिए तैयार हैं।

से ले लो मार्टिन वीस्कॉफIXPE के प्रमुख वैज्ञानिक और चंद्रा के लिए परियोजना वैज्ञानिक, जिन्होंने एक्स-रे खगोल विज्ञान में काम करते हुए अपना 50 साल का करियर बिताया है, जो कहते हैं, “IXPE इस क्षेत्र को उन तरीकों से खोल देगा जिनके बारे में हम केवल सैद्धांतिक रूप से अटके हुए हैं।”

इसे सिखाओ

नासा हमारे ब्रह्मांड का मानचित्रण करने के लिए प्रकाश का उपयोग कैसे करता है, इस बारे में अधिक अन्वेषण करें, और ब्लैकहोल और न्यूट्रॉन सितारों जैसे कुछ खगोलीय विशेषताओं का अध्ययन करने की अनुमति देता है।

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नासा का यूनिवर्स ऑफ लर्निंग सामग्री द्वारा समर्थित कार्य पर आधारित हैं नासा पुरस्कार संख्या NNX16AC65A के तहत अंतरिक्ष टेलीस्कोप विज्ञान संस्थानके साथ साझेदारी में काम कर रहा है कैलटेक/आईपीएसी, खगोलभौतिकी केंद्र | हार्वर्ड और स्मिथसोनियनऔर यह जेट प्रणोदन प्रयोगशाला.

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  • ब्रैंडन रोड्रिगेज

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