XRISM-এর পর্যবেক্ষণে ব্ল্যাক হোলের শক্তিশালী জেটের সম্ভাব্য শক্তির উৎস হিসেবে উত্তপ্ত অভ্যন্তরীণ প্রবাহের সন্ধান

দ্রুত পদার্থ গ্রাসকারী ব্ল্যাক হোল উন্মোচন করল এক গুরুত্বপূর্ণ অভ্যন্তরীণ সীমানা

প্রায় ৪২ কোটি আলোকবর্ষ দূরে থাকা একটি অতিভারী ব্ল্যাক হোলের শক্তিশালী জেটের পেছনে থাকতে পারে এর দিকে ধাবিত পদার্থের আকার ও তাপমাত্রার পরিবর্তন। 3C 120 ছায়াপথের পর্যবেক্ষণ থেকে জানা যায়, এর তুলনামূলক শীতল, চ্যাপ্টা চাকতি ব্ল্যাক হোলের কিছুটা দূরেই শেষ হয়েছে। ফলে ভেতরের অঞ্চলটি অনেক বেশি উত্তপ্ত প্লাজমায় ভরা, যেখানে শক্তিশালী চৌম্বক ক্ষেত্র জমা হতে পারে।

তোহোকু বিশ্ববিদ্যালয়ের সহযোগী অধ্যাপক হিরোফুমি নোদা এবং নাগোয়া সিটি বিশ্ববিদ্যালয়ের সহযোগী অধ্যাপক কাজুহিরো হাদার নেতৃত্বে একটি দল জাপানের এক্স-রে ইমেজিং অ্যান্ড স্পেকট্রোস্কপি মিশন, সংক্ষেপে XRISM-এর পর্যবেক্ষণের সঙ্গে তিনটি আন্তর্জাতিক রেডিও টেলিস্কোপ নেটওয়ার্কের পরিমাপ মিলিয়ে দেখেছে। এসব যন্ত্রের তথ্য একত্রে ব্ল্যাক হোলের দিকে আসা পদার্থের গঠন এবং এর কাছ থেকে বেরিয়ে আসা সরু জেটের মধ্যে যোগসূত্র তুলে ধরেছে।

২০২৬ সালের ১৯ অক্টোবর The Astrophysical Journal Letters-এ প্রকাশিত এই গবেষণা একটি ধাঁধার উত্তর খোঁজে: একটি ব্ল্যাক হোল কীভাবে দ্রুত পদার্থ গ্রাস করার পাশাপাশি আলোর গতির প্রায় সমান বেগে শক্তিশালী প্লাজমার প্রবাহ ছুড়ে দিতে পারে? দ্রুত পদার্থ গ্রাসের সময় যে ধরনের চাকতি তৈরি হবে বলে ধারণা করা হয়, তা এই প্রক্রিয়ার জন্য প্রয়োজনীয় চৌম্বক ক্ষেত্র জমা করতে উপযোগী নয় বলেই মনে করা হতো।

তোহোকু বিশ্ববিদ্যালয়ের গবেষণা-সংক্রান্ত ঘোষণায়, যা ২০ অক্টোবর প্রকাশিত হয়, সম্ভাব্য একটি উত্তর তুলে ধরা হয়েছে। বাইরের শীতল চাকতি ভেতরের উত্তপ্ত প্রবাহে রূপ নেয়। এতে এমন পরিবেশ তৈরি হয়, যেখানে চৌম্বক ক্ষেত্র ব্ল্যাক হোলের ঘূর্ণনশক্তি আহরণ করে তা জেটে প্রবাহিত করতে পারে।

কেন 3C 120 একটি ধাঁধা

3C 120 বৃষ নক্ষত্রমণ্ডলের দিকে অবস্থিত। এর কেন্দ্রীয় ব্ল্যাক হোলের ভর প্রায় ৬ কোটি সূর্যের সমান। এটি আশপাশের পদার্থ দ্রুত গ্রাস করার পাশাপাশি শক্তিশালী জেটও তৈরি করছে। এই দুই বৈশিষ্ট্যের কারণে, পদার্থ গ্রাস ও জেট তৈরির প্রক্রিয়া কীভাবে সম্পর্কিত তা অনুসন্ধানের জন্য এটি একটি কার্যকর লক্ষ্য।

ব্ল্যাক হোলের দিকে এগিয়ে আসা পদার্থের সাধারণত কিছুটা পার্শ্বীয় গতি থাকে। তাই তা সোজা ভেতরে না পড়ে ঘুরতে ঘুরতে এগোয়। পদার্থ জমে তৈরি করে একটি সঞ্চয়ন চাকতি। সেখানে ঘর্ষণ ও অন্যান্য প্রক্রিয়ায় পদার্থ উত্তপ্ত হয় এবং আলোসহ নানা ধরনের বিকিরণ নির্গত করে। জ্যোতির্বিজ্ঞানীরা এমন একটি অঞ্চল সম্পর্কে জানতে এই বিকিরণ বিশ্লেষণ করেন, যা সরাসরি পর্যবেক্ষণ করা সম্ভব নয়।

দ্রুত পদার্থ গ্রাসের ক্ষেত্রে সাধারণত ধারণা করা হয়, ব্ল্যাক হোলের কাছাকাছি পর্যন্ত বিস্তৃত তুলনামূলক শীতল ও জ্যামিতিকভাবে পাতলা চাকতি তৈরি হয়। এখানে ‘শীতল’ বলতে কেন্দ্রের কাছের অনেক বেশি উত্তপ্ত প্লাজমার তুলনায় কম তাপমাত্রা বোঝানো হয়েছে। পাতলা চাকতির প্রস্থের তুলনায় এর উল্লম্ব পুরুত্ব কম, অনেকটা চ্যাপ্টা পাতের মতো।

সমস্যাটি চৌম্বক ক্ষেত্র নিয়ে। শক্তিশালী জেট তৈরির একটি বহুল গ্রহণযোগ্য ব্যাখ্যায় ঘূর্ণায়মান ব্ল্যাক হোলের কাছে শক্তিশালী চৌম্বক ক্ষেত্র থাকা প্রয়োজন। পাতলা চাকতির পক্ষে প্রয়োজনীয় চৌম্বক ক্ষেত্রের গঠন বজায় রাখা কঠিন বলে মনে করা হয়। অপেক্ষাকৃত উত্তপ্ত ও পুরু অভ্যন্তরীণ প্রবাহ এ ক্ষেত্রে বেশি অনুকূল পরিবেশ দিতে পারে। তাই চাকতির গঠনের পরিবর্তন কোথায় ঘটে, সেটিই এই গবেষণার মূল বিষয়।

লোহা বিশ্লেষণ করে চাকতির গঠন পড়ে XRISM

জাপান অ্যারোস্পেস এক্সপ্লোরেশন এজেন্সির একটি মিশন XRISM, 3C 120-এর ব্ল্যাক হোল ঘিরে থাকা পদার্থে লোহা থেকে নির্গত এক্স-রে শনাক্ত করেছে। লোহা নির্দিষ্ট বৈশিষ্ট্যপূর্ণ শক্তিতে বিকিরণ তৈরি করে। এক্স-রে বর্ণালিতে এটি ‘নিঃসরণ রেখা’ নামে পরিচিত একটি শনাক্তযোগ্য বৈশিষ্ট্য তৈরি করে। বর্ণালি বিকিরণকে তার শক্তি অনুযায়ী আলাদা করে।

ব্ল্যাক হোলের কাছে লোহার রেখার আকার বদলে যায়। পর্যবেক্ষকের দিকে বা তার কাছ থেকে দূরে সরে যাওয়া পদার্থের কারণে তার কাছে পৌঁছানো বিকিরণের শক্তি বদলে যায়। ব্ল্যাক হোলের কাছে প্রবল মহাকর্ষও বেরিয়ে আসা এক্স-রের শক্তি পরিবর্তন করে। এই দুই প্রভাব মিলে রেখাটিকে প্রসারিত ও বিকৃত করে।

গবেষকেরা এই বিকৃতি কাজে লাগিয়ে অনুমান করেন, তুলনামূলক শীতল চাকতিটি ভেতরের দিকে কত দূর পর্যন্ত বিস্তৃত। বিশ্ববিদ্যালয়ের বর্ণনা অনুযায়ী, এর ভেতরের কিনারা ব্ল্যাক হোলের ব্যাসার্ধের প্রায় ২০ গুণ দূরে। গবেষণাপত্রে এই সীমানাকে আনুমানিক ২০ মহাকর্ষীয় ব্যাসার্ধ বলা হয়েছে। এটি ব্ল্যাক হোলের ভরের ভিত্তিতে নির্ধারিত একটি দূরত্বের মাপ।

দলটির ধারণা, এই সীমানার ভেতরে প্রবাহটি উত্তপ্ত ও জ্যামিতিকভাবে পুরু হয়ে ওঠে। সেখানে প্লাজমার তাপমাত্রা কয়েক শ কোটি ডিগ্রি পর্যন্ত পৌঁছাতে পারে বলে মনে করা হয়। প্লাজমা হলো এমন গ্যাস, যার পরমাণু থেকে ইলেকট্রন বিচ্ছিন্ন হয়ে গেছে। এর ফলে পদার্থটি চৌম্বক ক্ষেত্রের সঙ্গে জোরালোভাবে মিথস্ক্রিয়া করতে পারে।

রেডিও টেলিস্কোপে জেটের ভেতরের দিক অনুসরণ

প্রায় একই সময়ে নেওয়া রেডিও পর্যবেক্ষণ ছবির বাকি অংশ তুলে ধরে। জেটটি ব্ল্যাক হোলের দিকে যেতে যেতে কীভাবে সরু হয়ে আসে, তা অনুসরণ করতে দলটি গ্লোবাল মিলিমিটার ভিএলবিআই অ্যারে, ভেরি লং বেসলাইন অ্যারে এবং ইস্ট এশিয়ান ভিএলবিআই নেটওয়ার্ক ব্যবহার করে।

এই নেটওয়ার্কগুলো বহু দূরে অবস্থিত টেলিস্কোপগুলোর পরিমাপ একত্র করে। পদ্ধতিটির নাম ভেরি লং বেসলাইন ইন্টারফেরোমেট্রি, সংক্ষেপে VLBI। একটি রেডিও টেলিস্কোপ একা যতটা সূক্ষ্মভাবে কোনো বস্তু শনাক্ত করতে পারে, এই পদ্ধতিতে তার চেয়ে অনেক সূক্ষ্ম বিবরণ দেখা যায়। এই গবেষণায় এটি জেটকে তার উৎসের দিকে অনুসরণ করতে সহায়তা করেছে।

জেটের আকৃতি থেকে গবেষকেরা অনুমান করেন, এর গোড়ার ব্যাসার্ধ ব্ল্যাক হোলের ব্যাসার্ধের প্রায় ১০ গুণের বেশি নয়। তাঁদের সম্মিলিত ব্যাখ্যা অনুযায়ী, এক্স-রে পরিমাপে শনাক্ত করা উত্তপ্ত অভ্যন্তরীণ প্রবাহের মধ্যে, ব্ল্যাক হোলের কাছেই জেটটির উৎপত্তি।

গবেষণার সহ-নেতৃত্ব দেওয়া তোহোকু বিশ্ববিদ্যালয়ের সহযোগী অধ্যাপক নোদা ব্যাখ্যা করেন, পর্যবেক্ষণগুলো একত্র করা কেন গুরুত্বপূর্ণ ছিল:

অত্যাধুনিক এক্স-রে ও রেডিও টেলিস্কোপ দিয়ে একই ব্ল্যাক হোল পর্যবেক্ষণ করে আমরা ব্ল্যাক হোলকে ঘিরে থাকা উত্তপ্ত প্লাজমা এবং সেখান থেকে বেরিয়ে আসা জেট, দুটিই দেখতে পেরেছি। এর ফলে ব্ল্যাক হোলের কাছের চরম পরিবেশের সঙ্গে জেট তৈরির সরাসরি যোগসূত্র স্থাপন করা সম্ভব হয়েছে।

ঘূর্ণন যেভাবে জেটের শক্তি জোগাতে পারে

দলটির প্রস্তাবিত ব্যাখ্যায় তিনটি বিষয় যুক্ত: একটি ঘূর্ণায়মান ব্ল্যাক হোল, ভেতরের দিকে প্রবাহিত উত্তপ্ত প্লাজমা এবং শক্তিশালী চৌম্বক ক্ষেত্র। বাইরের শীতল চাকতি পদার্থ জোগায়। ব্ল্যাক হোলের কাছাকাছি উত্তপ্ত ও পুরু প্রবাহ এমন একটি অঞ্চল তৈরি করে, যেখানে চৌম্বক ক্ষেত্র তুলনামূলক সহজে জমা হতে পারে।

এই ক্ষেত্রগুলো ব্ল্যাক হোলের ঘূর্ণনশক্তির কিছু অংশ আহরণ করে তা প্লাজমার সরু প্রবাহে পাঠাতে পারে। এই প্রক্রিয়ার প্রধান তাত্ত্বিক ব্যাখ্যার নাম ব্ল্যান্ডফোর্ড-জ্নায়েক প্রক্রিয়া। সহজভাবে বললে, চৌম্বক ক্ষেত্র ব্ল্যাক হোলের কাছের ঘূর্ণায়মান পরিবেশকে এমন পদার্থের সঙ্গে যুক্ত করে, যা বাইরে দিকে ত্বরিত হয়।

অন্য পদার্থ ভেতরের দিকে পড়তে থাকলেও জেটটি ব্ল্যাক হোলের কাছ থেকেই শক্তি পায়। ফলে ব্যবস্থাটিতে পরস্পর-সম্পর্কিত দুটি প্রবাহ থাকে: ভেতরের দিকে পদার্থের সরবরাহ এবং বাইরের দিকে শক্তি বহনকারী প্রবাহ, যা আশপাশের ছায়াপথে ছড়িয়ে পড়ে।

3C 120-এর ক্ষেত্রে গবেষকেরা প্রস্তাব করেছেন, বাইরের পাতলা চাকতি থেকে ভেতরের পুরু প্রবাহে পরিবর্তন এই দুই প্রবাহকে একই ব্যবস্থায় সম্ভব করে তোলে। চৌম্বক ক্ষেত্রের সুনির্দিষ্ট গঠন এবং ঘূর্ণনশক্তি কীভাবে জেটে স্থানান্তরিত হয়, তা নিয়ে আরও গবেষণা প্রয়োজন।

গঠনের পরিবর্তনেই মেলে পর্যবেক্ষণগুলোর যোগসূত্র

গবেষণাপত্রের শিরোনাম, "Disk truncation triggers relativistic jet launching of a highly accreting supermassive black hole," প্রস্তাবিত যোগসূত্রটি তুলে ধরে। চাকতি ছাঁটাই বলতে বোঝায়, শীতল ও পাতলা চাকতির অংশটি ব্ল্যাক হোল পর্যন্ত পৌঁছানোর আগেই শেষ হয়ে যায়। আপেক্ষিকতাবাদী বলতে এমন গতিকে বোঝায়, যা এত দ্রুত যে তা বুঝতে আইনস্টাইনের আপেক্ষিকতার তত্ত্ব অপরিহার্য।

এক্স-রে পরিমাপে শীতল চাকতির ভেতরের সীমানা নির্ধারণ করা হয়েছে। রেডিও পরিমাপে জেটকে সেই সীমানার ভেতরের একটি অঞ্চল পর্যন্ত অনুসরণ করা হয়েছে। একসঙ্গে দেখলে, পর্যবেক্ষণগুলো থেকে গবেষকেরা ব্যাখ্যা করতে পারেন, দ্রুত পদার্থ গ্রাস করা একটি ব্যবস্থায় কীভাবে শক্তিশালী জেট তৈরির অনুকূল পরিবেশ বজায় থাকে।

একই বস্তুর চারপাশে চাকতি ও জেট আছে, শুধু এটুকু দেখার চেয়ে এই ব্যাখ্যা আরও নির্দিষ্ট। গবেষণাটি চাকতির পরিবর্তনশীল গঠনের সঙ্গে জেটের উৎপত্তিস্থলের যোগসূত্র স্থাপন করে। এতে ভেতরের দিকে আসা এবং বাইরের দিকে যাওয়া পদার্থ একই ভৌত চিত্রের অংশ হয়ে ওঠে।

3C 120 বিশেষভাবে কার্যকর, কারণ এখানে পদার্থ তুলনামূলক দ্রুত হারে ব্ল্যাক হোলে জমা হচ্ছে। গবেষকেরা এর সঙ্গে M87-এর মতো অপেক্ষাকৃত কম হারে পদার্থ গ্রাসকারী সক্রিয় ছায়াপথের তুলনা করেছেন। M87-তে উত্তপ্ত ও পুরু প্রবাহ জেট তৈরির চৌম্বকীয় ব্যাখ্যাকে সমর্থন করেছে। নতুন ফলাফল এই অনুসন্ধানকে ভিন্ন ধরনের পদার্থ সরবরাহের পরিবেশে প্রসারিত করেছে।

একটি ছায়াপথের বাইরেও কেন ফলাফলটি গুরুত্বপূর্ণ

জেট অতিভারী ব্ল্যাক হোলের তাৎক্ষণিক আশপাশ থেকে শক্তি বহন করে দূরে নিয়ে যায়। ছায়াপথের ভেতরের ও চারপাশের গ্যাসের সঙ্গে মিথস্ক্রিয়া করলে, জেট নক্ষত্র সৃষ্টির পরিবেশ বদলে দিতে পারে। তাই ব্ল্যাক হোলের কাছের শক্তি উৎপাদনকারী প্রক্রিয়া বোঝা গবেষকদের আরও বড় পরিসরে ঘটে চলা পরিবর্তনগুলো অধ্যয়নে সহায়তা করে।

3C 120-এর গবেষণায় এই দুই পরিসরের মধ্যে একটি সুনির্দিষ্ট যোগসূত্র পাওয়া গেছে: ভেতরের দিকে আসা পদার্থের গঠন শক্তিশালী জেট তৈরি হবে কি না, তা নির্ধারণে ভূমিকা রাখতে পারে। ব্ল্যাক হোলের কাছের একটি সীমানা তার অনেক দূর পর্যন্ত শক্তি পৌঁছানোর ধরনকে প্রভাবিত করতে পারে।

দলটি XRISM ও বৈশ্বিক রেডিও মানমন্দির ব্যবহার করে আরও বেশি ভরের একটি ব্ল্যাক হোলের সমন্বিত পর্যবেক্ষণ চালাচ্ছে। প্রস্তাবিত জ্যামিতি পদার্থ ও চৌম্বক ক্ষেত্রের আচরণ কতটা ভালোভাবে ব্যাখ্যা করে, তা যাচাই করতে গবেষকেরা তাত্ত্বিক মডেল ও কম্পিউটার সিমুলেশনের সঙ্গে পরিমাপের তুলনাও করার পরিকল্পনা করছেন।

পরবর্তী ধাপের উদ্দেশ্য ব্যাখ্যা করে নোদা বলেন:

এই চরম পরিবেশে পদার্থ, চৌম্বক ক্ষেত্র এবং ব্ল্যাক হোলের ঘূর্ণন কীভাবে মিথস্ক্রিয়া করে, তার আরও পূর্ণাঙ্গ চিত্র তৈরি করাই আমাদের পরবর্তী লক্ষ্য। এই প্রক্রিয়া বুঝতে পারলে অতিভারী ব্ল্যাক হোল ছায়াপথ এবং মহাবিশ্বের বৃহত্তর কাঠামোর বিবর্তনে কীভাবে প্রভাব ফেলে, তা আরও ভালোভাবে বোঝা যেতে পারে।

প্রকাশনা ও পরবর্তী পর্যবেক্ষণ

এই গবেষণায় জাপানের একটি এক্স-রে মিশন এবং কয়েকটি অঞ্চলজুড়ে বিস্তৃত রেডিও নেটওয়ার্কের তথ্য একত্র করা হয়েছে। পদ্ধতিটির জন্য এদের পরিপূরক পরিমাপ অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ: এক্স-রে সঞ্চয়ন প্রবাহের অবস্থা প্রকাশ করে, আর রেডিও পর্যবেক্ষণে জেটের গঠন অনুসরণ করা যায়।

গবেষণাপত্র প্রকাশ ও পরবর্তী পর্যবেক্ষণের পরিকল্পনা:

• ১৯ অক্টোবর, ২০২৬: নোদা ও হাদার নেতৃত্বে করা গবেষণাটি The Astrophysical Journal Letters-এ প্রকাশিত হয়।
• ২০ অক্টোবর, ২০২৬: তোহোকু বিশ্ববিদ্যালয় ফলাফল ঘোষণা করে এবং সম্মিলিত এক্স-রে ও রেডিও পর্যবেক্ষণের বিবরণ দেয়।
• পরবর্তী ধাপ: দলটি আরও বেশি ভরের একটি ব্ল্যাক হোলের সমন্বিত পর্যবেক্ষণ চালাচ্ছে এবং মডেল ও সিমুলেশনের সঙ্গে ফলাফলের তুলনা করছে।

গবেষণাপত্রটির DOI হলো 10.3847/2041-8213/aeaa2c। এই প্রকাশনা-সংক্রান্ত তথ্য গবেষণার আনুষ্ঠানিক ঘোষণাতেও দেওয়া হয়েছে। অন্য একটি ব্ল্যাক হোলে একই পর্যবেক্ষণ-পদ্ধতি প্রয়োগ করলে, 3C 120-এ পাওয়া গঠনগত পরিবর্তন ভিন্ন কোনো ব্যবস্থাতেও দেখা যায় কি না, তা পরীক্ষা করার সুযোগ পাবেন গবেষকেরা।

মূল বিষয়গুলো

• প্রায় ৪২ কোটি আলোকবর্ষ দূরে অবস্থিত 3C 120-কে XRISM ও তিনটি রেডিও টেলিস্কোপ নেটওয়ার্ক দিয়ে পর্যবেক্ষণ করা হয়েছে।
• ছায়াপথটির ব্ল্যাক হোলের ভর প্রায় ৬ কোটি সূর্যের সমান। এটি দ্রুত পদার্থ গ্রাস করার পাশাপাশি শক্তিশালী জেট ছুড়ছে।
• এক্স-রে পরিমাপ থেকে বোঝা যায়, শীতল ও পাতলা চাকতিটি ব্ল্যাক হোলে পৌঁছানোর আগেই শেষ হয়ে গেছে; এরপর রয়েছে অনেক বেশি উত্তপ্ত অভ্যন্তরীণ প্রবাহ।
• রেডিও পর্যবেক্ষণে জেটের উৎপত্তিস্থলকে ওই উত্তপ্ত প্রবাহের অঞ্চল পর্যন্ত অনুসরণ করা হয়েছে।
• দলটির প্রস্তাব, সেখানে জমা হওয়া চৌম্বক ক্ষেত্র ব্ল্যাক হোলের ঘূর্ণনশক্তি কাজে লাগিয়ে জেটকে শক্তি জোগাতে পারে।
• পরবর্তী পর্যবেক্ষণে আরও বেশি ভরের একটি ব্ল্যাক হোল পরীক্ষা করা হবে এবং তাত্ত্বিক মডেল ও সিমুলেশনের সঙ্গে তুলনা করে ব্যাখ্যাটি যাচাই করা হবে।