तारकीय वायुमंडल से तारों की एक नई झलक

In a major advance in computational astrophysics, a team of scientists has developed a method to compute more realistic properties of stellar atmospheres. The method opens the door to more realistic simulations of stellar spectra — the primary tool astronomers use to decode the physical conditions in stars, circumstellar disks, and interstellar clouds. Atmospheres of the Sun and stars are known to be a heterogeneous mixture of neutral and ionized matter immersed in a diffuse radiation field. Interaction between the matter and radiation in such an atmosphere involves several physical phenomena that directly affect both the constituents. In reality, stellar atmospheres are chaotic. Photons scatter, energy levels fluctuate, and velocity distributions can stray from the equilibrium picture. Capturing this complexity requires what astrophysicists call full non-local thermodynamic equilibrium (FNLTE) radiative transfer — a formidable problem that scientists first described back in the 1980s but couldn’t solve due to computational limitations.

 

-By- Jyoti Rawat

कम्प्यूटेशनल खगोल भौतिकी में एक बड़ी प्रगति के रूप में, वैज्ञानिकों की एक टीम ने तारकीय वायुमंडल के अधिक यथार्थवादी गुणों की गणना करने की एक विधि विकसित की है। यह विधि तारकीय स्पेक्ट्रा के अधिक यथार्थवादी अनुकरण का एक प्राथमिक उपकरण है जिसका उपयोग खगोलविद तारों, परतारकीय डिस्क और अंतरतारकीय बादलों की भौतिक स्थितियों को समझने के लिए करते हैं।

सूर्य और तारों का वायुमंडल एक विसरित विकिरण क्षेत्र में डूबे हुए उदासीन और आयनित पदार्थों का एक विविध मिश्रण माना जाता है। ऐसे वायुमंडल में पदार्थ और विकिरण के बीच परस्पर क्रिया में कई भौतिक घटनाएं शामिल होती हैं जो दोनों घटकों को प्रत्यक्ष रुप से प्रभावित करती हैं। हालांकि इन भौतिक घटनाओं की गणना एक जटिल समस्या है।

अब तक, ज़्यादातर मॉडल एक महत्वपूर्ण सरलीकरण पर निर्भर थे जिसमें यह माना जाता था कि ऊर्जा अवस्थाओं के संदर्भ में परमाणु संतुलन से विचलित हो सकते हैं, फिर भी उनके वेग (वे कितनी तेज़ी से घूमते हैं) एक सुस्पष्ट, पूर्वानुमेय वितरण का अनुसरण करते हैं – मैक्सवेलियन वक्र की संतुलन संबंधी धारणा, खासकर अल्पकालिक उत्तेजित अवस्थाओं वाले परमाणुओं के लिए हमेशा यथार्थवादी नहीं होती।

वास्तव में, तारकीय वायुमंडल अव्यवस्थित होते हैं। फोटॉन बिखरते हैं, ऊर्जा स्तर में उतार-चढ़ाव होता है, और वेग वितरण संतुलन चित्र से भटक सकते हैं। इस जटिलता को समझने के लिए खगोल भौतिकीविदों द्वारा पूर्ण गैर-स्थानीय ऊष्मागतिक संतुलन (एफएनएलटीई) विकिरण स्थानांतरण की आवश्यकता होती है। यह एक विकट समस्या जिसका वैज्ञानिकों ने पहली बार 1980 के दशक में वर्णन किया था, लेकिन गणना संबंधी सीमाओं के कारण इसका समाधान नहीं हो सका।

 

चित्र 1: ‘स्रोत फलन’ को विभिन्न आवृत्तियों (रंगों) के लिए ‘प्रकाशीय गहराई’ के फलन के रूप में आलेखित किया गया है। बाईं ओर मानक सन्निकटन है और दाईं ओर नए एफएनएलटीई मॉडल से प्राप्त परिणाम हैं, जो यथार्थवादी स्थितियों के समावेश के कारण महत्वपूर्ण अंतर दर्शाते हैं

एफएनएलटीई मॉडलिंग हर चीज़ को बदलने की अनुमति देती है: प्रत्येक ऊर्जा अवस्था में परमाणुओं की संख्या, उनका वेग वितरण, और स्वयं विकिरण क्षेत्र की परस्पर निर्भरता समीकरणों का एक ऐसा जटिल जाल है जिसे समझना शक्तिशाली कंप्यूटर के लिए भी चुनौतीपूर्ण है।

भारतीय खगोल भौतिकी संस्थान (आईआईए) के शोधकर्ता ने आईआरएपी – इंस्टिट्यूट डी रिसर्च एन एस्ट्रोफिजिक एट प्लैनेटोलॉजी, फ्रांस के सहयोगियों के साथ मिलकर बड़ी प्रगति की है। टीम ने एफएनएलटीई समस्या के सरलीकरण के साथ-साथ द्वि-स्तरीय और त्रि-स्तरीय परमाणु समस्या के समाधान पर काम किया।

तीन परमाणु स्तरों के साथ, नए प्रकार के प्रकीर्णन क्रियाशील होते हैं, जिनमें रमन प्रकीर्णन भी शामिल है — जहां एक परमाणु प्रकाश को अवशोषित करता है और उसे एक अलग आवृत्ति पर पुनः उत्सर्जित करता है। ये प्रक्रियाएं मानक मॉडलों में केवल अनुमानित होती हैं, लेकिन नया एफएनएलटीई दृष्टिकोण इन्हें स्वाभाविक रूप से ग्रहण करता है।

जब टीम ने अपने एफएनएलटीई परिणामों की तुलना पारंपरिक मॉडलों से की, तो अंतर स्पष्ट दिखाई दिए, जिसमें उत्तेजित हाइड्रोजन परमाणुओं का वेग वितरण अब सुस्पष्ट मैक्सवेलियन वक्र के अनुसरण करने के बजाय तारकीय सतह के पास महत्वपूर्ण विचलन दिखाई दिए, खासकर वहां जहां खगोलविद तारों के वर्णक्रमीय फिंगरप्रिंट एकत्र करते हैं।

 

चित्र 2: 3-स्तरीय हाइड्रोजन परमाणु के दूसरे उत्तेजित स्तर के एफएनएलटीई वेग वितरण का मानक सन्निकटन से विचलन , जो तारों के वायुमंडल की सतह के पास महत्वपूर्ण अंतर दर्शाता है

इस प्रगति का अर्थ है कि खगोलभौतिकीविद् अब अभूतपूर्व यथार्थवाद के साथ तारकीय स्पेक्ट्रम का अनुकरण करने के एक कदम और करीब हैं। अधिक सटीक मॉडल खगोलविदों को तारों के तापमान और संरचना का अधिक विश्वसनीय रूप से पता लगाने, परितारकीय डिस्क और आणविक बादलों के भौतिकी को बेहतर ढंग से समझने में मदद करते हैं जहां तारे और ग्रह बनते हैं, और पृथ्वी जैसे बाह्यग्रहों की खोज को आगे बढ़ाते हैं, क्योंकि तारों के प्रकाश का पता लगाना सूक्ष्म ग्रहों के संकेतों को खोजने की कुंजी है।

विज्ञान एवं प्रौद्योगिकी विभाग (डीएसटी) के एक स्वायत्त संस्थान, आईआईए की सम्पूर्णा एम ने कहा, “दो से तीन या उससे अधिक परमाणु स्तरों तक की प्रमुख वैचारिक छलांग अब पूरी हो चुकी है।” आईआरएपी, टूलूज़, फ्रांस के टी. लागाचे और एफ. पालेतोउ, और आईआईए, बेंगलुरु की एम. सम्पूर्णा की टीम अब इस पद्धति को और भी जटिल परमाणुओं के लिए सामान्यीकृत करने और भारी गणनाओं को संभालने के लिए संख्यात्मक योजनाएं विकसित करने पर काम कर रही है।

एस्ट्रोनॉमी एंड एस्ट्रोफिजिक्स में प्रकाशित इस टीम का कार्य, तारों के अव्यवस्थित, गतिशील और अंतहीन रूप से उनके आकर्षक वास्तविक स्वरूप को समझने की दिशा में एक महत्वपूर्ण उपलब्धि है।