ब्लॅक पर्ल: महास्फोटानंतर 50 कोटी वर्षांनी धुळीचा ठसा

जेम्स वेब अवकाश दुर्बीण वारंवार दाखवते आहे की विश्वाच्या इतिहासाच्या पहिल्या एक अब्ज वर्षांतच दीर्घिका आश्चर्यकारक वेगाने धातू आणि धुळीने भरल्या. इतक्या दूरच्या धुळीचा अभ्यास करणे कठीण आहे: तिची स्वतःची उष्णता-प्रभा शोधणे अत्यंत अवघड असते. पण धूळ आपल्यातून जाणाऱ्या ताऱ्यांच्या प्रकाशावरही खुणा सोडते, आणि त्यातली एक खूण विशेष बोलकी आहे.

अतिनील प्रकाशातील एक खळगा

आकाशगंगेत धूळ अतिनील प्रकाशाला 2,175 अँगस्ट्रॉमजवळ केंद्रित असलेल्या एका रुंद “उंचवट्याने” (bump) मंद करते: वर्णपटातील एक खळगा, आपल्या दीर्घिकेच्या विलोपन-वक्रातील (extinction curve) सर्वांत ठळक वैशिष्ट्य. तो सहसा कार्बनयुक्त लहान कण किंवा रेणूंमुळे असतो असे मानले जाते, पण नेमके कोणते यावर अजून वाद आहे — ग्रॅफाइटचे लहान कण, बहुचक्रीय ॲरोमॅटिक हायड्रोकार्बन (PAH) आणि अस्फटिक कार्बन हे उमेदवारांपैकी आहेत. आकाशगंगेतील वेगवेगळ्या दृष्टिरेषांवर उंचवट्याची रुंदी आणि तीव्रता बदलते, पण त्याचे केंद्रस्थान उल्लेखनीयरीत्या स्थिर असते.

वेबने हा शोध आद्य विश्वापर्यंत नेला आहे. एक महत्त्वाचा शोध 6.71 तांबडे विचलन (redshift) असलेल्या, म्हणजे महास्फोटानंतर सुमारे 80 कोटी वर्षांच्या, दीर्घिकेत लागला, जिथे उंचवट्याचे शिखर सुमारे 2,263 Å वर होते — आकाशगंगेपेक्षा अधिक तांबड्या बाजूला. 7.11 तांबडे विचलन असलेल्या आणखी एका दीर्घिकेत शिखर 2,257 Å वर आहे. सरासरी पाहता, अधिक आधीच्या काळाकडे जाताना उंचवटा कमकुवत होत जातो असे दिसते.

9.33 तांबड्या विचलनावरील एक दीर्घिका

पादुआ विद्यापीठ आणि INAF च्या ज्युलिया रोदिगिएरो (Giulia Rodighiero) आणि युरोप, अमेरिका खंड आणि आशियातील सुमारे पन्नास सहलेखकांनी ZENITH आणि EMBER या दोन समन्वित कार्यक्रमांतील वेबच्या NIRSpec वर्णपटांचा आढावा घेतला. त्यांनी 8 पेक्षा जास्त तांबडे विचलन असलेले स्रोत पाहिले, जिथे 2,175 Å चा प्रदेश व्यापला जातो, आणि आधीच उंचवटा दाखवणारे स्रोत निवडले नाहीत. त्यांपैकी एक उठून दिसला. ते त्याला ब्लॅक पर्ल (काळा मोती) म्हणतात — शोधनिबंध याचे कारण सांगत नाही.

हायड्रोजन आणि ऑक्सिजनच्या उत्सर्जन-रेषा तिला 9.3335 तांबड्या विचलनावर ठेवतात, म्हणजे ती महास्फोटानंतर सुमारे 50 कोटी वर्षांनी जशी होती तशी दिसते. ही बरीच लहान दीर्घिका आहे, तिचे तारकीय वस्तुमान सुमारे 10^8.35 सूर्य आहे, ती दरवर्षी सुमारे 2.4 सूर्यांइतके तारे निर्माण करते, आणि 9 पेक्षा जास्त तांबड्या विचलनावर वर्णपटीयदृष्ट्या पुष्टी झालेल्या दीर्घिकांपैकी अतिनील प्रकाशात सर्वाधिक तेजस्वी दीर्घिकांमध्ये ती एक आहे.

एकाच खळग्याकडे पाहण्याचे दोन मार्ग

तिच्या वर्णपटात नेमके तिथे एक रुंद खोलगटपणा दिसतो जिथे धुळीचा उंचवटा असायला हवा. संघाने तो दोन स्वतंत्र मार्गांनी मोजला.

पहिला, थेट: अतिनील सलग वर्णपट एका गुळगुळीत वक्राने जुळवायचा आणि अतिरिक्त मंदावणे मोजायचे. खळगा 17.6 सिग्मावर आढळतो, आणि उंचवट्याच्या आकाराचे प्रोफाइल जोडल्यावर जुळणी प्रचंड सुधारते (χ² 474 वरून 8.2 वर येतो). प्रोफाइलचे शिखर 2,132 ± 17 Å वर आहे, रुंदी 413 ± 54 Å आणि कमाल मंदावणे 0.21 प्रत (magnitude). तपासण्यांमुळे जवळची कार्बन उत्सर्जन-रेषा किंवा अविभक्त रेषांचे मिश्रण हे कारण असण्याची शक्यता बाद होते.

दुसरा, दीर्घिकेच्या संपूर्ण मॉडेलसह — तारे, वायू, धूळ आणि प्रकाशमापन — एक लवचीक धूळ-नियम वापरून, ज्यात उंचवट्याचे स्थान आणि रुंदी मुक्त ठेवलेली आहे. तपासलेल्या दोन्ही तारा-निर्मिती इतिहासांतून उंचवटा मिळतो, सुमारे 2,147 आणि 2,168 Å वर, जो कमी अचूक असला तरी थेट मापनाशी सुसंगत आहे.

कृष्णविवर तर हा आभास निर्माण करत नसेल? सक्रिय केंद्रक लोहाच्या रेषांचे असे जंगल निर्माण करू शकते जे खळग्याची नक्कल करते. उत्सर्जन-रेषा कठोर प्रारण-क्षेत्राकडे निर्देश करतात आणि केंद्रकाच्या काही योगदानाला वाव ठेवतात, पण अतिनील प्रकाशावर वर्चस्व गाजवण्याइतक्या प्रबळ योगदानाला नाही. लेखक धुळीच्या बाजूने आहेत, पण नमूद करतात की “कदाचित बरेच मोठेसुद्धा” असलेले केंद्रक ठामपणे नाकारता येत नाही.

चुकीच्या दिशेला सरकलेला

रुंदी आकाशगंगेशी जुळते. स्थान जुळत नाही: आपल्या दीर्घिकेच्या सरासरीपेक्षा 43 Å अधिक निळे, सुमारे 2.5 सिग्मावर, आणि 7 तांबड्या विचलनाच्या आसपास ज्ञात असलेल्या, तांबड्या बाजूला सरकलेल्या दोन उंचवट्यांपेक्षा सुमारे 127 Å अधिक निळे. लेखकांच्या मते ही विविधता आद्य विश्वात एकाच सार्वत्रिक उंचवट्याच्या विरोधात साक्ष देते: त्यामागचे धुळीचे कण बहुधा दीर्घिकेनुसार वेगवेगळे होते.

ते कोणते आहेत? सर्वांत लहान ग्रॅफाइट कणांसाठीच्या गणना ब्लॅक पर्लच्या प्रोफाइलच्या जवळ येतात, आधीच्या 6.71 तांबड्या विचलनाच्या उदाहरणाच्या उलट. काही वैयक्तिक PAH रेणूदेखील त्याची प्रतिकृती करू शकतात — पण कमी तांबड्या विचलनावरील धातू-दरिद्री दीर्घिकांमध्ये PAH दुर्मीळ असतात, आणि इथे अनुमानित तीव्र प्रारण सर्वांत लहान PAH नष्ट करू शकते. दोन्ही शक्यता टिकून आहेत.

20 कोटी वर्षांत धूळ

महत्त्वाचे घड्याळ महास्फोटापासूनची 50 कोटी वर्षे नसून दीर्घिकेने तारे निर्माण करायला सुरुवात केल्यापासूनचा काळ आहे. ती सुरुवात सुमारे 14 तांबड्या विचलनाच्या आसपास झाली असेल, तर सुमारे 20 कोटी वर्षे उपलब्ध होती. महानवतारे, ताऱ्यांदरम्यान कणांची वाढ आणि कदाचित सर्वांत वेगाने उत्क्रांत होणारे AGB तारे यांचे योगदान असू शकते; प्रत्येकाने किती योगदान दिले हा प्रश्न खुला आहे.

ही एकच दीर्घिका आहे, तिच्या उंचवट्याचे सरकणे केवळ सुमारे 2.5 सिग्मावर अर्थपूर्ण आहे, आणि क्षीणन-वक्र कणांच्या प्रकारांशी एकमेवपणे जुळत नाहीत. हा शोधनिबंध ApJ या नियतकालिकाकडे पाठवला आहे. त्याचा संदेश असा की उंचवट्याचे केवळ अस्तित्वच नव्हे, तर त्याचा आकारही आता पहिली धूळ कशी बनली याचा मागोवा घेऊ शकतो.