ब्लैक पर्ल: बिग बैंग के 50 करोड़ साल बाद धूल की एक उँगली-छाप

जेम्स वेब अंतरिक्ष दूरबीन बार-बार पाती है कि आकाशगंगाएँ ब्रह्मांडीय इतिहास के पहले एक अरब वर्षों के भीतर ही आश्चर्यजनक तेज़ी से धातुओं और धूल से भर गईं। इतनी दूर धूल का अध्ययन कठिन है: उसकी अपनी ऊष्मीय चमक को पकड़ना बेहद मुश्किल है। लेकिन धूल अपने से होकर गुज़रने वाले तारों के प्रकाश पर भी निशान छोड़ती है, और उनमें से एक निशान ख़ास तौर पर बहुत कुछ बताता है।

पराबैंगनी में एक गड्ढा

मंदाकिनी में धूल पराबैंगनी प्रकाश को एक चौड़े “उभार” (bump) के साथ मद्धम करती है, जिसका केंद्र 2,175 ऐंग्स्ट्रॉम के पास है: स्पेक्ट्रम में एक गड्ढा, जो हमारी आकाशगंगा के विलोपन वक्र (extinction curve) की सबसे प्रबल विशेषता है। इसे व्यापक रूप से कार्बन-समृद्ध छोटे कणों या अणुओं का परिणाम माना जाता है, हालाँकि ठीक-ठीक कौन-से, इस पर अब भी बहस है — ग्रेफ़ाइट के छोटे कण, बहुचक्रीय ऐरोमैटिक हाइड्रोकार्बन (PAH) और अक्रिस्टलीय कार्बन उम्मीदवारों में हैं। मंदाकिनी में अलग-अलग दृष्टि-रेखाओं पर इस उभार की चौड़ाई और प्रबलता बदलती है, लेकिन इसकी केंद्रीय स्थिति उल्लेखनीय रूप से स्थिर रहती है।

वेब ने इस खोज को प्रारंभिक ब्रह्मांड तक पहुँचा दिया है। एक ऐतिहासिक पहचान 6.71 के रेडशिफ़्ट पर एक आकाशगंगा में हुई, बिग बैंग के लगभग 80 करोड़ साल बाद, जिसमें उभार का शिखर लगभग 2,263 Å पर था — मंदाकिनी की तुलना में ज़्यादा लाल। एक और, 7.11 के रेडशिफ़्ट पर, 2,257 Å पर शिखर पर है। औसतन, उभार पहले के समय की ओर कमज़ोर होता दिखता है।

9.33 रेडशिफ़्ट पर एक आकाशगंगा

पादोवा विश्वविद्यालय और INAF की जूलिया रोडिगिएरो (Giulia Rodighiero) और यूरोप, अमेरिका और एशिया के लगभग पचास सह-लेखकों ने दो समन्वित कार्यक्रमों, ZENITH और EMBER, से वेब के NIRSpec स्पेक्ट्रा खँगाले। उन्होंने रेडशिफ़्ट 8 से आगे के स्रोतों को देखा, जहाँ 2,175 Å का क्षेत्र दायरे में आता है, बिना उन स्रोतों को चुने जो पहले से उभार दिखा रहे थे। एक अलग नज़र आया। वे इसे ब्लैक पर्ल (काला मोती) कहते हैं — शोधपत्र यह नहीं बताता कि क्यों।

हाइड्रोजन और ऑक्सीजन की उत्सर्जन रेखाएँ इसे 9.3335 के रेडशिफ़्ट पर रखती हैं, यानी हम इसे वैसा देखते हैं जैसी यह बिग बैंग के लगभग 50 करोड़ साल बाद थी। यह काफ़ी छोटी आकाशगंगा है, जिसका तारकीय द्रव्यमान लगभग 10^8.35 सूर्य है, जो हर साल मोटे तौर पर 2.4 सूर्यों के बराबर तारे बनाती है, और रेडशिफ़्ट 9 से आगे स्पेक्ट्रमी रूप से पुष्ट सबसे अधिक पराबैंगनी-दीप्त आकाशगंगाओं में से एक है।

एक ही गड्ढे को देखने के दो तरीक़े

इसके स्पेक्ट्रम में ठीक वहीं एक चौड़ा अवनमन दिखता है जहाँ धूल का उभार होना चाहिए। टीम ने इसे दो स्वतंत्र तरीक़ों से मापा।

पहला, सीधे: पराबैंगनी सातत्य (continuum) को एक चिकने वक्र से फ़िट करना और अतिरिक्त मद्धमता को मापना। गड्ढा 17.6 सिग्मा पर पकड़ा जाता है, और उभार के आकार वाली एक प्रोफ़ाइल जोड़ने से फ़िट बहुत ज़्यादा सुधर जाता है (χ² 474 से गिरकर 8.2 हो जाता है)। प्रोफ़ाइल का शिखर 2,132 ± 17 Å पर है, चौड़ाई 413 ± 54 Å और शिखर मद्धमता 0.21 मैग्निट्यूड। जाँचें पास की एक कार्बन उत्सर्जन रेखा और अविभेदित रेखाओं के मिश्रण को कारण के रूप में ख़ारिज करती हैं।

दूसरा, आकाशगंगा के एक पूरे मॉडल के साथ — तारे, गैस, धूल और फ़ोटोमेट्री — एक लचीले धूल-नियम का उपयोग करते हुए जिसमें उभार की स्थिति और चौड़ाई मुक्त हैं। परखे गए दोनों तारा-निर्माण इतिहास एक उभार लौटाते हैं, लगभग 2,147 और 2,168 Å पर, जो सीधे माप से संगत है, हालाँकि कम सटीक।

क्या कोई ब्लैक होल इसकी नक़ल कर सकता है? एक सक्रिय नाभिक लोहे की रेखाओं का ऐसा जंगल पैदा कर सकता है जो गड्ढे जैसा दिखे। उत्सर्जन रेखाएँ एक कठोर विकिरण क्षेत्र की ओर इशारा करती हैं और किसी नाभिक के कुछ योगदान की गुंजाइश छोड़ती हैं, लेकिन इतने प्रबल नाभिक की नहीं जो पराबैंगनी पर हावी हो जाए। लेखक धूल के पक्ष में हैं, यह मानते हुए कि एक नाभिक, “संभवतः काफ़ी बड़ा भी”, पक्के तौर पर ख़ारिज नहीं किया जा सकता।

ग़लत दिशा में खिसका

चौड़ाई मंदाकिनी से मेल खाती है। स्थिति नहीं: हमारी आकाशगंगा के औसत से 43 Å ज़्यादा नीली, लगभग 2.5 सिग्मा पर, और रेडशिफ़्ट 7 के आसपास ज्ञात दो उभारों से लगभग 127 Å ज़्यादा नीली, जो लाल की ओर खिसके हुए हैं। लेखकों के लिए यह विविधता प्रारंभिक ब्रह्मांड में किसी एक सार्वभौमिक उभार के विरुद्ध तर्क है: इसके पीछे के धूल-कण शायद आकाशगंगा-दर-आकाशगंगा अलग थे।

वे क्या हैं? सबसे छोटे ग्रेफ़ाइट कणों की गणनाएँ ब्लैक पर्ल की प्रोफ़ाइल के क़रीब आती हैं, जबकि पहले के 6.71 रेडशिफ़्ट वाले मामले में ऐसा नहीं था। कुछ अलग-अलग PAH अणु भी इसे दोहरा सकते हैं — लेकिन कम रेडशिफ़्ट पर धातु-विहीन आकाशगंगाओं में PAH दुर्लभ हैं, और यहाँ अनुमानित तीव्र विकिरण सबसे छोटे PAH को नष्ट कर सकता है। दोनों संभावनाएँ बनी हुई हैं।

20 करोड़ साल में धूल

प्रासंगिक घड़ी बिग बैंग से अब तक के 50 करोड़ साल नहीं, बल्कि आकाशगंगा के तारे बनाना शुरू करने के बाद का समय है। अगर वह रेडशिफ़्ट 14 के आसपास शुरू हुआ, तो लगभग 20 करोड़ साल उपलब्ध थे। सुपरनोवा, तारों के बीच कणों की वृद्धि और शायद सबसे तेज़ी से विकसित होने वाले AGB तारे योगदान दे सकते थे; हर एक ने कितना योगदान दिया, यह अभी खुला प्रश्न है।

यह एक ही आकाशगंगा है, इसके उभार का खिसकाव केवल लगभग 2.5 सिग्मा पर सार्थक है, और क्षीणन वक्र कण-प्रकारों से अद्वितीय रूप से नहीं जुड़ते। शोधपत्र ApJ पत्रिका को भेजा गया है। इसका संदेश यह है कि अब उभार का आकार, न कि केवल उसकी मौजूदगी, यह पता लगाने में मदद कर सकता है कि पहली धूल कैसे बनी।