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खंड 01
मूलभूत खगोलीय अवधारणाएँ: ब्रह्मांड की उत्पत्ति, डार्क मैटर–डार्क एनर्जी एवं तारकीय जीवन-चक्र
UPSC प्रारंभिक परीक्षा (GS-I) और मुख्य परीक्षा (GS-III) में अंतरिक्ष प्रौद्योगिकी को केवल 'रॉकेट और उपग्रहों के नाम' तक सीमित नहीं रखा जाता, बल्कि हर वर्ष 2 से 3 प्रश्न खगोल भौतिकी की मूलभूत अवधारणाओं (Fundamental Astrophysics & Space Science) — जैसे तारों के जीवन-चक्र (2024, 2023), सौर तूफानों (2022), ब्लैक होल एवं गुरुत्वीय तरंगों (2019, 2017) — से सीधे पूछे जाते हैं। खंड III (अंतरिक्ष: अध्याय 18–23) के इस प्रथम आधारभूत अध्याय में हम ब्रह्मांड के भौतिक नियमों से लेकर पृथ्वी की उपग्रह कक्षाओं तक का संपूर्ण वैज्ञानिक ताना-बाना समझेंगे।
1. ब्रह्मांड की उत्पत्ति (Big Bang), विस्तार के प्रमाण एवं संघटन (Dark Energy vs Dark Matter)
- महाविस्फोट सिद्धांत (Big Bang Theory — जॉर्ज लेमैत्रे): आधुनिक खगोल विज्ञान के अनुसार लगभग 13.8 अरब वर्ष पूर्व संपूर्ण ब्रह्मांड अत्यंत उच्च घनत्व और अनंत तापमान वाले एक सूक्ष्म बिंदु — 'विलक्षणता' (Singularity) — में केंद्रित था। इसके अचानक विस्तार (Expansion of space itself) से अंतरिक्ष, समय (Space-Time), ऊर्जा और मूलभूत कणों की उत्पत्ति हुई:
- कॉस्मिक इन्फ्लेशन (Cosmic Inflation): बिग बैंग के प्रथम 10−36 से 10−32 सेकंड के भीतर ब्रह्मांड का प्रकाश की गति से भी तीव्र घातांकी विस्तार हुआ।
- प्रारंभिक नाभिकीय संश्लेषण (Primordial Nucleosynthesis — प्रथम 3 मिनट): तापमान गिरने पर प्रोटॉन और न्यूट्रॉन जुड़कर सबसे हल्के तत्व — लगभग 75% हाइड्रोजन (1H), 25% हीलियम (4He) और सूक्ष्म मात्रा में लिथियम — बने। (कार्बन, ऑक्सीजन और लोहे जैसे भारी तत्व बाद में तारों के केंद्र और सुपरनोवा विस्फोटों में बने।)
- कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड (CMB — 3,80,000 वर्ष बाद): जब ब्रह्मांड ठंडा होकर ~3,000 K पर आया, तो इलेक्ट्रॉन नाभिकों से जुड़कर उदासीन परमाणु बने और प्रकाश (फोटॉन) पहली बार स्वतंत्र रूप से अंतरिक्ष में यात्रा करने लगा। आज यही प्राचीन विकिरण पूरे अंतरिक्ष में 2.725 केल्विन (−270.4°C) के एकसमान सूक्ष्मतरंग (Microwave) विकिरण के रूप में मिलता है, जिसे 1965 में आर्नो पेंजियास और रॉबर्ट विल्सन ने खोजा और COBE, WMAP तथा Planck मिशनों ने मापा।
- डॉप्लर अभिरक्त विस्थापन (Redshift) एवं हबल-लेमैत्रे नियम (v = H0d): जब कोई आकाशगंगा हमसे दूर जाती है, तो उससे आने वाले प्रकाश की तरंगदैर्ध्य खिंचकर लंबी हो जाती है और वर्णक्रम के लाल सिरे (Red end) की ओर खिसक जाती है। 1929 में एडविन हबल ने सिद्ध किया कि आकाशगंगाओं के दूर जाने का वेग (v) हमसे उनकी दूरी (d) के समानुपाती होता है (v = H0d, जहाँ H0 हबल स्थिरांक है)।
| ब्रह्मांड का घटक | कुल द्रव्यमान-ऊर्जा में हिस्सा | भौतिक प्रकृति एवं गुरुत्वीय/ब्रह्मांडीय भूमिका | प्रत्यक्ष/अप्रत्यक्ष वैज्ञानिक प्रमाण एवं मिशन |
|---|---|---|---|
| 1. डार्क एनर्जी (Dark Energy — श्याम ऊर्जा) | ~68.3% | अंतरिक्ष के निर्वात से जुड़ी एक रहस्यमयी प्रतिकर्षी ऊर्जा (Repulsive force / Negative pressure) जो गुरुत्वाकर्षण के विपरीत कार्य कर ब्रह्मांड के विस्तार की गति को त्वरित (Accelerating expansion) कर रही है। | 1998 में सुदूर Type Ia Supernovae (मानक मोमबत्तियों) के अपेक्षित से धुंधले दिखने से खोज (2011 भौतिकी नोबेल); ESA का Euclid मिशन व NASA का Roman टेलीस्कोप। |
| 2. डार्क मैटर (Dark Matter — श्याम पदार्थ) | ~26.8% | अदृश्य पदार्थ जो विद्युत-चुंबकीय विकिरण (प्रकाश, एक्स-रे, रेडियो तरंगों) का न तो उत्सर्जन करता है, न अवशोषण और न परावर्तन, किंतु आकर्षी गुरुत्वाकर्षण बल (Attractive gravity) लगाकर आकाशगंगाओं को बिखरने से बचाता है ('Cosmic Scaffolding')। | (i) आकाशगंगा घूर्णन वक्र (Galaxy Rotation Curves — वेरा रुबिन): बाहरी तारों का अनुमान से बहुत तेज घूमना; (ii) गुरुत्वीय लेंसिंग (Gravitational Lensing); (iii) बुलेट क्लस्टर। |
| 3. साधारण बैरियोनिक पदार्थ (Ordinary / Baryonic Matter) | ~4.9% | प्रोटॉन, न्यूट्रॉन और इलेक्ट्रॉनों से बना दृश्य व अदृश्य सामान्य पदार्थ — सभी तारे, ग्रह, नीहारिकाएँ, अंतरतारकीय गैस और जीव। | इसमें से भी केवल ~0.5% चमकते तारों/आकाशगंगाओं में है; शेष ~4.4% अंतर-आकाशगंगा गैस और प्लाज्मा (WHIM) के रूप में है। |
2. तारकीय विकास (Stellar Evolution), चंद्रशेखर सीमा (1.44 M☉) एवं UPSC Prelims 2024 व 2023 का विश्लेषण
एक तारे का जन्म विशाल अंतरतारकीय धूल और गैस (मुख्यतः हाइड्रोजन व हीलियम) के बादल — नीहारिका (Nebula — Stellar Nursery) — के गुरुत्वीय संकुचन से होता है। जब केंद्र का तापमान ~1 करोड़ केल्विन (107 K) पहुँचता है, तो नाभिकीय संलयन (Nuclear Fusion: 4 1H → 4He + ऊर्जा) प्रारंभ होता है और तारा मुख्य-अनुक्रम तारा (Main Sequence Star) बन जाता है।
UPSC Prelims 2024 (Q32) का स्वर्णिम नियम — विशालकाय तारे बनाम बौने तारे (Giant Stars vs Dwarf Stars):
• तारे का प्रारंभिक द्रव्यमान (Mass) ही उसके जीवनकाल और मृत्यु के मार्ग का निर्धारण करता है।
• विशालकाय तारे (Giant / Massive Stars): इनका द्रव्यमान सूर्य से 8–50 गुना अधिक होता है। अत्यधिक गुरुत्वीय दबाव के कारण इनके केंद्र (Core) का तापमान और घनत्व बहुत अधिक होता है, जिससे इनमें नाभिकीय संलयन अभिक्रियाओं की दर (Rate of nuclear reactions) बौने तारों की तुलना में हजारों गुना तीव्र होती है (Luminosity ∝ M3.5)। परिणामस्वरूप ये अपना ईंधन बहुत तेजी से समाप्त कर देते हैं और इनका जीवनकाल बहुत छोटा (मात्र कुछ लाख से कुछ करोड़ वर्ष — 10 to 100 Million years) होता है!
• बौने तारे (Dwarf Stars — जैसे हमारा सूर्य जो एक पीला बौना 'G-type Main Sequence Dwarf' है, या लाल बौने 'Red Dwarfs'): इनमें नाभिकीय संलयन बहुत धीमी गति से होता है, इसलिए ये विशालकाय तारों की तुलना में बहुत अधिक लंबे समय तक (10 अरब से 1,000 अरब वर्ष तक) जीवित रहते हैं। इसीलिए UPSC Prelims 2024 में Statement-I ("Giant stars live much longer than dwarf stars") गलत था और Statement-II ("Compared to dwarf stars, giant stars have a greater rate of nuclear reactions") सही था (उत्तर: d)।
• तारे का प्रारंभिक द्रव्यमान (Mass) ही उसके जीवनकाल और मृत्यु के मार्ग का निर्धारण करता है।
• विशालकाय तारे (Giant / Massive Stars): इनका द्रव्यमान सूर्य से 8–50 गुना अधिक होता है। अत्यधिक गुरुत्वीय दबाव के कारण इनके केंद्र (Core) का तापमान और घनत्व बहुत अधिक होता है, जिससे इनमें नाभिकीय संलयन अभिक्रियाओं की दर (Rate of nuclear reactions) बौने तारों की तुलना में हजारों गुना तीव्र होती है (Luminosity ∝ M3.5)। परिणामस्वरूप ये अपना ईंधन बहुत तेजी से समाप्त कर देते हैं और इनका जीवनकाल बहुत छोटा (मात्र कुछ लाख से कुछ करोड़ वर्ष — 10 to 100 Million years) होता है!
• बौने तारे (Dwarf Stars — जैसे हमारा सूर्य जो एक पीला बौना 'G-type Main Sequence Dwarf' है, या लाल बौने 'Red Dwarfs'): इनमें नाभिकीय संलयन बहुत धीमी गति से होता है, इसलिए ये विशालकाय तारों की तुलना में बहुत अधिक लंबे समय तक (10 अरब से 1,000 अरब वर्ष तक) जीवित रहते हैं। इसीलिए UPSC Prelims 2024 में Statement-I ("Giant stars live much longer than dwarf stars") गलत था और Statement-II ("Compared to dwarf stars, giant stars have a greater rate of nuclear reactions") सही था (उत्तर: d)।
आरेख 18.1: तारकीय जीवन-चक्र में डॉ. सुब्रह्मण्यम चंद्रशेखर की 1.44 सौर द्रव्यमान सीमा, बौने बनाम विशाल तारों की आयु (UPSC 2024) तथा पल्सर व ब्लैक होल का निर्माण (UPSC 2023, 2019, 2017)।
- चंद्रशेखर सीमा (Chandrasekhar Limit = 1.44 M☉ — 1983 भौतिकी नोबेल पुरस्कार): महान भारतीय-अमेरिकी खगोल भौतिकीविद् डॉ. सुब्रह्मण्यम चंद्रशेखर ने 1930 में मात्र 19 वर्ष की आयु में (भारत से इंग्लैंड की समुद्री यात्रा के दौरान) क्वांटम सांख्यिकी और विशेष सापेक्षता को मिलाकर सिद्ध किया कि किसी मृत तारे के अवशेष क्रोड (Core) को गुरुत्वीय पतन से बचाने वाला 'इलेक्ट्रॉन अपभ्रष्टता दाब' (Electron Degeneracy Pressure — पाउली का अपवर्जन सिद्धांत) केवल तभी तक कार्य कर सकता है जब तक तारे के अवशेष क्रोड का द्रव्यमान सूर्य के द्रव्यमान के 1.44 गुने (1.44 M☉) से कम हो:
- यदि अवशेष क्रोड < 1.44 M☉ हो (जैसे हमारा सूर्य): तारा लाल दानव (Red Giant) बनने के बाद अपनी बाहरी परतें ग्रहीय नीहारिका (Planetary Nebula) के रूप में त्याग देता है और उसका कार्बन-ऑक्सीजन क्रोड पृथ्वी के आकार के अत्यंत सघन श्वेत वामन (White Dwarf) में बदल जाता है, जो अरबों वर्षों में ठंडा होकर 'काला वामन' (Black Dwarf) बनता है।
- यदि अवशेष क्रोड 1.44 M☉ से ~3 M☉ (टोलमैन–ओपेनहाइमर–वोल्कॉफ / TOV सीमा) के बीच हो: इलेक्ट्रॉन अपभ्रष्टता दाब टूट जाता है; भयंकर Type II Supernova विस्फोट होता है तथा क्रोड में इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन मिलकर न्यूट्रॉन बना लेते हैं (p + e− → n + νe)। इससे मात्र ~20 किमी व्यास का अति-सघन न्यूट्रॉन तारा (Neutron Star) बनता है। तेजी से घूमते और चुंबकीय ध्रुवों से नियमित रेडियो/एक्स-रे स्पंद छोड़ते न्यूट्रॉन तारे को 'पल्सर' (Pulsar — UPSC Prelims 2023 Q56) तथा अत्यधिक चुंबकीय क्षेत्र (1015 गॉस) वाले न्यूट्रॉन तारे को 'मैग्नेटार' (Magnetar) कहते हैं।
- यदि अवशेष क्रोड > 3 M☉ हो: न्यूट्रॉन अपभ्रष्टता दाब भी गुरुत्वाकर्षण को नहीं रोक पाता और क्रोड अनंत घनत्व वाले बिंदु — ब्लैक होल (Black Hole) — में सिमट जाता है।
- सेफिड चर तारे (Cepheid Variable Stars — UPSC Prelims 2023 Q56): सेफिड ऐसे तारे हैं जो त्रिज्यीय रूप से स्पंदित (Pulsate) होते हुए नियमित अंतराल पर चमकते और मंद पड़ते हैं (Stars which brighten and dim periodically)। 1908 में हेनरीएटा स्वान लेविट (Henrietta Leavitt) ने खोजा कि सेफिड तारे के स्पंदन की अवधि (Period) उसकी वास्तविक चमक (Intrinsic Luminosity) के सीधे समानुपाती होती है। इसलिए खगोलविद इन्हें ब्रह्मांडीय दूरियाँ मापने के लिए 'मानक मोमबत्ती' (Standard Candles) के रूप में प्रयोग करते हैं! (UPSC 2023 में सेफिड और नीहारिका की परिभाषाओं को आपस में बदलकर पूछा गया था।)
घटना क्षितिज (Event Horizon — UPSC 2017)
ब्लैक होल के चारों ओर की वह गोलाकार सीमा (श्वार्ज़चाइल्ड त्रिज्या Rs = 2GM / c2) जिसके भीतर पलायन वेग प्रकाश की गति (c) से अधिक हो जाता है; यहाँ से प्रकाश या कोई भी सूचना बाहर नहीं निकल सकती।
विलक्षणता (Singularity — UPSC 2017, 2019)
ब्लैक होल के केंद्र (अथवा बिग बैंग के प्रारंभ) में स्थित वह बिंदु जहाँ अत्यधिक द्रव्यमान शून्य आयतन में संकुचित होने के कारण घनत्व और स्पेस-टाइम की वक्रता अनंत हो जाती है।
गुरुत्वीय तरंगें (Gravitational Waves — UPSC 2019)
विशाल ब्लैक होल या न्यूट्रॉन तारों के विलय जैसी प्रलयंकारी घटनाओं से स्पेस-टाइम (दिक्-काल) के ताने-बाने में प्रकाश की गति से फैलने वाली सूक्ष्म लहरें (1916 में आइंस्टीन द्वारा भविष्यवाणी; 2015 में LIGO द्वारा प्रत्यक्ष खोज)।
सेफिड तारे (Cepheids — UPSC 2023)
नियमित अवधि में चमकने और मंद पड़ने वाले स्पंदनशील चर तारे जिनका 'अवधि–दीप्ति संबंध' सुदूर आकाशगंगाओं की दूरी मापने में 'Standard Candle' का कार्य करता है।
पल्सर (Pulsars — UPSC 2023)
विशाल तारों के ईंधन समाप्त होने और सुपरनोवा पतन से बने अति-सघन, तीव्र घूर्णनशील न्यूट्रॉन तारे जो अपने चुंबकीय ध्रुवों से विकिरण की संकीर्ण किरणें उत्सर्जित करते हैं।
लैग्रेंज बिंदु (Lagrange Points L1–L5)
सूर्य–पृथ्वी जैसे दो विशाल पिंडों के गुरुत्वाकर्षण और अपकेंद्रीय बल के संतुलन वाले 5 अंतरिक्ष बिंदु जहाँ न्यूनतम ईंधन में अंतरिक्ष यान स्थिर कक्षा में रह सकते हैं (L1 पर आदित्य-L1, L2 पर JWST)।
कार्मन रेखा (Kármán Line — 100 km)
समुद्र तल से 100 किलोमीटर की ऊँचाई पर स्थित अंतरराष्ट्रीय स्तर पर मान्यता प्राप्त सीमा (FAI मानक) जो पृथ्वी के वायुमंडल को बाह्य अंतरिक्ष (Outer Space) से अलग करती है।
केसलर सिंड्रोम (Kessler Syndrome)
NASA वैज्ञानिक डोनाल्ड केसलर द्वारा 1978 में प्रतिपादित स्थिति जिसमें निम्न भू-कक्षा (LEO) में अंतरिक्ष मलबे (Space Debris) का घनत्व इतना बढ़ जाता है कि एक टकराव से शृंखलाबद्ध टकरावों (Cascading collisions) की बाढ़ आ जाती है।
खंड 02
परीक्षा-स्तरीय विस्तृत विश्लेषण: ब्लैक होल, गुरुत्वीय तरंगें, सौर भौतिकी (Space Weather), लैग्रेंज बिंदु एवं कक्षीय यांत्रिकी
1. ब्लैक होल, इवेंट होराइजन टेलीस्कोप (EHT) और गुरुत्वीय तरंगें (UPSC Prelims 2017 एवं 2019)
- UPSC Prelims 2017 (Q44) के 4 स्तंभ: UPSC ने पूछा था कि 'Event Horizon', 'Singularity', 'String Theory' और 'Standard Model' किस संदर्भ में चर्चा में रहते हैं? उत्तर था — ब्रह्मांड का प्रेक्षण और समझ (Observation and understanding of the Universe):
- मानक मॉडल (Standard Model of Particle Physics): यह परमाणु से छोटे मूलभूत कणों — 6 क्वार्क (Quarks), 6 लेप्टॉन (Leptons — इलेक्ट्रॉन, न्यूट्रिनो आदि), 4 गेज बोसॉन (फोटॉन, ग्लूऑन, W व Z बोसॉन) और हिग्स बोसॉन (Higgs Boson) — तथा गुरुत्वाकर्षण को छोड़कर शेष 3 मूलभूत बलों (विद्युत-चुंबकीय, प्रबल नाभिकीय एवं दुर्बल नाभिकीय बल) की व्याख्या करता है।
- स्ट्रिंग सिद्धांत (String Theory): यह क्वांटम यांत्रिकी और आइंस्टीन के गुरुत्वाकर्षण (सामान्य सापेक्षता) को एकीकृत करने वाला 'Theory of Everything' का उम्मीदवार सिद्धांत है, जिसके अनुसार बिंदु-समान कण वास्तव में एक-आयामी कंपन करते हुए ऊर्जा तंतु (Strings) हैं।
- ब्लैक होल की पहली प्रत्यक्ष छाया (Event Horizon Telescope — EHT): विश्व भर के रेडियो टेलीस्कोपों ने VLBI (Very Long Baseline Interferometry) तकनीक से पृथ्वी के आकार का आभासी टेलीस्कोप बनाकर अप्रैल 2019 में M87* आकाशगंगा के महाविशाल ब्लैक होल (पृथ्वी से 5.5 करोड़ प्रकाश-वर्ष दूर, 6.5 × 109 M☉) और मई 2022 में हमारी अपनी आकाशगंगा (मिल्की वे) के केंद्र में स्थित महाविशाल ब्लैक होल सैगिटेरियस A* (Sagittarius A* — 4 × 106 M☉) की अभिवृद्धि डिस्क (Accretion disk) और घटना क्षितिज की छाया का चित्र लिया।
- गुरुत्वीय तरंगें (Gravitational Waves — UPSC Prelims 2019 Q97): जब दो विशाल ब्लैक होल या न्यूट्रॉन तारे एक-दूसरे की परिक्रमा करते हुए विलीन होते हैं, तो स्पेस-टाइम में सूक्ष्म तरंगें उत्पन्न होती हैं। 14 सितंबर 2015 को अमेरिका की LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory — हैनफोर्ड और लिविंगस्टन) वेधशालाओं ने 1.3 अरब प्रकाश-वर्ष दूर दो ब्लैक होल के विलय से उत्पन्न गुरुत्वीय तरंगों (GW150914) को लेजर इंटरफेरोमेट्री से मापा (2017 भौतिकी नोबेल पुरस्कार)। इसके बाद जून 2023 में पल्सर टाइमिंग ऐरे (NANOGrav तथा भारत के uGMRT डेटा सहित InPTA) ने ब्रह्मांड की कम-आवृत्ति वाली 'गुरुत्वीय तरंग पृष्ठभूमि' (Gravitational Wave Background) का भी पता लगाया।
2. सौर भौतिकी, सौर तूफान (Solar Storms / CMEs — UPSC Prelims 2022) एवं लैग्रेंज बिंदु (L1–L5)
सूर्य एक विशाल प्लाज्मा गोला है जिसके केंद्र (Core, तापमान ~1.5 करोड़ °C) में हाइड्रोजन से हीलियम का संलयन होता है। सूर्य के वायुमंडल की तीन मुख्य परतें हैं: (1) प्रकाशमंडल (Photosphere — दृश्य सतह, तापमान ~5,500°C) जहाँ चुंबकीय क्षेत्र की सघनता के कारण अपेक्षाकृत ठंडे (~3,500°C) काले धब्बे यानी सौर कलंक (Sunspots) बनते हैं; (2) वर्णमंडल (Chromosphere); और (3) किरीट (Corona — बाहरी वायुमंडल) जिसका तापमान रहस्यमय रूप से 10 लाख से 20 लाख °C (1–2 Million K — 'Coronal Heating Problem') तक पहुँच जाता है और जहाँ से आवेशित कणों की निरंतर धारा यानी सौर पवन (Solar Wind) निकलती है।
UPSC Prelims 2022 (Q70) का विश्लेषण — यदि कोई बड़ा सौर तूफान (Solar Flare / CME) पृथ्वी पर पहुँचता है तो क्या प्रभाव होते हैं?
सौर चक्र के अधिकतम सक्रियता काल (Solar Maximum — जैसे 2024–2026 में सौर चक्र 25 का शिखर) के दौरान सूर्य से तीव्र विद्युत-चुंबकीय विकिरण का विस्फोट (Solar Flare — जो 8 मिनट में पृथ्वी पहुँचता है) और अरबों टन चुंबकीय प्लाज्मा बादल का उत्सर्जन (Coronal Mass Ejection / CME — जो 15 से 72 घंटों में पृथ्वी पहुँचता है) होता है। जब यह पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र (Magnetosphere) से टकराता है, तो भू-चुंबकीय तूफान (Geomagnetic Storm) आता है जिसके 5 सत्यापित प्रभाव (UPSC 2022 सही कथन: 1, 3, 4, 6 और 7) होते हैं:
1. GPS और नेविगेशन प्रणालियाँ विफल हो सकती हैं (आयनमंडल में विक्षोभ या Scintillation के कारण)। ✓
3. पावर ग्रिड और बड़े ट्रांसफार्मर क्षतिग्रस्त हो सकते हैं (भू-चुंबकीय प्रेरित धाराओं — Geomagnetically Induced Currents / GICs के कारण, जैसे 1989 का क्यूबेक ब्लैकआउट)। ✓
4. पृथ्वी के बड़े हिस्से (मध्य व निम्न अक्षांशों तक, जैसे मई 2024 और 2025 में लद्दाख के हानले में देखा गया लाल अरोरा) पर तीव्र ध्रुवीय ज्योति (Auroras — Aurora Borealis व Aurora Australis) दिख सकती है। ✓
6. उपग्रहों की कक्षाएँ (Orbits of satellites) विक्षुब्ध हो सकती हैं — क्योंकि सौर तूफान से ऊपरी वायुमंडल (Thermosphere) गर्म होकर फूल जाता है, जिससे LEO उपग्रहों पर वायुमंडलीय घर्षण (Atmospheric drag) बढ़ जाता है और वे नीचे गिर सकते हैं (जैसे 2022 में 40 स्टारलिंक उपग्रह नष्ट हुए)। ✓
7. ध्रुवीय क्षेत्रों के ऊपर उड़ने वाले विमानों का शॉर्टवेव रेडियो संचार बाधित हो सकता है। ✓
✘ गलत कथन (UPSC के ट्रैप): सौर तूफानों से विषुवतीय क्षेत्रों में सुनामी (Tsunamis — कथन 2) नहीं आती (सुनामी समुद्र के नीचे भूकंप/विवर्तनिक हलचल से आती है) और न ही इससे पृथ्वी भर में दावानल (Forest fires — कथन 5) लगते हैं!
सौर चक्र के अधिकतम सक्रियता काल (Solar Maximum — जैसे 2024–2026 में सौर चक्र 25 का शिखर) के दौरान सूर्य से तीव्र विद्युत-चुंबकीय विकिरण का विस्फोट (Solar Flare — जो 8 मिनट में पृथ्वी पहुँचता है) और अरबों टन चुंबकीय प्लाज्मा बादल का उत्सर्जन (Coronal Mass Ejection / CME — जो 15 से 72 घंटों में पृथ्वी पहुँचता है) होता है। जब यह पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र (Magnetosphere) से टकराता है, तो भू-चुंबकीय तूफान (Geomagnetic Storm) आता है जिसके 5 सत्यापित प्रभाव (UPSC 2022 सही कथन: 1, 3, 4, 6 और 7) होते हैं:
1. GPS और नेविगेशन प्रणालियाँ विफल हो सकती हैं (आयनमंडल में विक्षोभ या Scintillation के कारण)। ✓
3. पावर ग्रिड और बड़े ट्रांसफार्मर क्षतिग्रस्त हो सकते हैं (भू-चुंबकीय प्रेरित धाराओं — Geomagnetically Induced Currents / GICs के कारण, जैसे 1989 का क्यूबेक ब्लैकआउट)। ✓
4. पृथ्वी के बड़े हिस्से (मध्य व निम्न अक्षांशों तक, जैसे मई 2024 और 2025 में लद्दाख के हानले में देखा गया लाल अरोरा) पर तीव्र ध्रुवीय ज्योति (Auroras — Aurora Borealis व Aurora Australis) दिख सकती है। ✓
6. उपग्रहों की कक्षाएँ (Orbits of satellites) विक्षुब्ध हो सकती हैं — क्योंकि सौर तूफान से ऊपरी वायुमंडल (Thermosphere) गर्म होकर फूल जाता है, जिससे LEO उपग्रहों पर वायुमंडलीय घर्षण (Atmospheric drag) बढ़ जाता है और वे नीचे गिर सकते हैं (जैसे 2022 में 40 स्टारलिंक उपग्रह नष्ट हुए)। ✓
7. ध्रुवीय क्षेत्रों के ऊपर उड़ने वाले विमानों का शॉर्टवेव रेडियो संचार बाधित हो सकता है। ✓
✘ गलत कथन (UPSC के ट्रैप): सौर तूफानों से विषुवतीय क्षेत्रों में सुनामी (Tsunamis — कथन 2) नहीं आती (सुनामी समुद्र के नीचे भूकंप/विवर्तनिक हलचल से आती है) और न ही इससे पृथ्वी भर में दावानल (Forest fires — कथन 5) लगते हैं!
आरेख 18.2: सूर्य–पृथ्वी प्रणाली के पाँच लैग्रेंज बिंदु (L1 पर ISRO का आदित्य-L1, L2 पर जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप, L4–L5 स्थिर बिंदु) और सौर तूफानों के प्रभाव (UPSC 2022)।
3. कक्षीय यांत्रिकी (Orbital Mechanics) एवं पृथ्वी की उपग्रह कक्षाओं का वर्गीकरण
अंतरिक्ष में किसी उपग्रह को स्थापित करने के लिए दो वेगों का अंतर समझना अनिवार्य है (जिनका भौतिक आधार हमने अध्याय 02 में पढ़ा था):
- कक्षीय वेग (Orbital Velocity, vo = √[GM / (R + h)]): किसी उपग्रह को पृथ्वी के चारों ओर वृत्ताकार कक्षा में बनाए रखने के लिए आवश्यक न्यूनतम क्षैतिज वेग। पृथ्वी की सतह के निकट (निम्न भू-कक्षा / LEO में) इसका मान लगभग 7.9 km/s (~28,400 km/h) होता है। महत्त्वपूर्ण नियम: जैसे-जैसे उपग्रह की पृथ्वी से ऊँचाई (h) बढ़ती है, आवश्यक कक्षीय वेग घटता जाता है और परिक्रमण काल (T, केप्लर के तृतीय नियम T2 ∝ r3 के अनुसार) बढ़ता जाता है (उदाहरणार्थ, LEO में vo ≈ 7.8 km/s और T ≈ 90 मिनट, जबकि 35,786 km की GEO कक्षा में vo ≈ 3.07 km/s और T = 23 घंटे 56 मिनट 4 सेकंड)।
- पलायन वेग (Escape Velocity, ve = √2 vo = √(2GM / R)): पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र से हमेशा के लिए बाहर निकलने के लिए आवश्यक न्यूनतम वेग, जिसका मान पृथ्वी की सतह से 11.2 km/s (~40,270 km/h) है। पलायन वेग प्रक्षेपित वस्तु के द्रव्यमान (m) पर निर्भर नहीं करता, किंतु जिस ग्रह/उपग्रह से प्रक्षेपण हो रहा है उसके द्रव्यमान (M) और त्रिज्या (R) पर निर्भर करता है (चंद्रमा पर ve ≈ 2.38 km/s, इसीलिए चंद्रमा पर वायुमंडल नहीं टिक पाता)।
| कक्षा का प्रकार (Orbit Type) | ऊँचाई (Altitude) एवं झुकाव (Inclination) | परिक्रमण काल (Orbital Period) | प्रमुख वैज्ञानिक विशेषता एवं उपयोग (ISRO / वैश्विक उदाहरण) |
|---|---|---|---|
| 1. निम्न भू-कक्षा (Low Earth Orbit — LEO) | 160 km – 2,000 km (विभिन्न झुकाव) |
~88 से 127 मिनट (दिन में ~15–16 चक्कर) |
पृथ्वी के सबसे निकट होने से उच्च-रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग और कम सिग्नल विलंबता (Low latency ~25 ms)। उदाहरण: अंतरराष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन (ISS ~400 km), भारतीय अंतरिक्ष स्टेशन (BAS), गगनयान (~400 km), Astrosat (650 km, 6° झुकाव), Starlink व OneWeb। |
| 2. सूर्य-तुल्यकालिक ध्रुवीय कक्षा (Sun-Synchronous Orbit — SSO / SSPO) | 600 km – 900 km (LEO का विशेष उप-प्रकार; झुकाव ≈ 97°–99°, हल्का Retrograde) |
~96 से 102 मिनट | उपग्रह भूमध्य रेखा को प्रतिदिन एक ही स्थानीय सौर समय (Local Solar Time — जैसे सुबह 10:30 बजे) पर पार करता है, जिससे सूर्य के प्रकाश का कोण (Illumination angle) सदैव समान रहता है। उदाहरण: ISRO के सुदूर संवेदन (Remote Sensing) उपग्रह — Cartosat, Resourcesat, Oceansat, EOS-04/06 एवं NISAR (747 km)। |
| 3. मध्य भू-कक्षा (Medium Earth Orbit — MEO) | 2,000 km – 35,786 km से नीचे (मुख्यतः ~20,200 km) |
~12 घंटे (अर्ध-तुल्यकालिक) | वैश्विक नेविगेशन उपग्रह प्रणालियों (GNSS) के लिए आदर्श क्षेत्र। उदाहरण: GPS (USA — 20,200 km), GLONASS (रूस — 19,130 km), Galileo (EU — 23,222 km) और BeiDou। |
| 4. भू-तुल्यकालिक कक्षा (Geosynchronous Orbit — GSO) | 35,786 km (अशून्य झुकाव i > 0°) |
23 घंटे 56 मिनट 4 सेकंड (1 नक्षत्र दिवस / Sidereal Day) |
पृथ्वी से देखने पर उपग्रह आकाश में प्रतिदिन एक '8' के आकार का पथ (Analemma) बनाता दिखाई देता है। उदाहरण: भारत के NavIC / IRNSS के 4 उपग्रह (29° झुकाव वाली GSO में)। |
| 5. भू-स्थिर कक्षा (Geostationary Orbit — GEO) | 35,786 km (केवल भूमध्य रेखा के ठीक ऊपर: झुकाव i = 0° एवं वृत्ताकार e = 0) |
23 घंटे 56 मिनट 4 सेकंड (पृथ्वी की घूर्णन दिशा — पश्चिम से पूर्व) |
पृथ्वी की सतह से देखने पर आकाश में एक ही बिंदु पर स्थिर दिखाई देता है। नियम: प्रत्येक GEO एक GSO होती है, किंतु प्रत्येक GSO एक GEO नहीं होती! उदाहरण: संचार व मौसम उपग्रह — GSAT/CMS शृंखला, INSAT-3DS (2024), तथा NavIC के 3 GEO उपग्रह। |
| 6. भू-तुल्यकालिक स्थानांतरण कक्षा (GTO) एवं मोलनिया कक्षा (Molniya / HEO) | दीर्घवृत्ताकार (Highly Elliptical): GTO: उपभू ~200 km, अपभू ~36,000 km Molniya: झुकाव 63.4° |
GTO: ~10.5 घंटे Molniya: ~12 घंटे |
GTO: LVM3/GSLV रॉकेट भारी उपग्रहों को पहले GTO में छोड़ते हैं, जहाँ से उपग्रह अपने ऑन-बोर्ड लिक्विड अपोजी मोटर (LAM) से GEO में पहुँचता है। Molniya: रूस जैसे उच्च-अक्षांश (ध्रुवीय) देशों में संचार हेतु (जहाँ GEO उपग्रह क्षितिज से नीचे रहते हैं)। |
आरेख 18.3: (A) पृथ्वी की उपग्रह कक्षाओं (LEO, SSO, MEO, GSO, GEO) की तुलना; (B) औंढा नागनाथ (हिंगोली, महाराष्ट्र) में निर्माणाधीन LIGO-India गुरुत्वीय तरंग वेधशाला।
खंड 03
भारतीय परिप्रेक्ष्य: खगोल विज्ञान संस्थान, LIGO-India, SKAO, MACE हानले एवं Astrosat
वैदिक काल के वेदांग ज्योतिष, आर्यभट्ट (476 CE — पृथ्वी के स्व-अक्ष घूर्णन व ग्रहणों की वैज्ञानिक व्याख्या), वराहमिहिर और सवाई जयसिंह की जंतर-मंतर वेधशालाओं से लेकर आधुनिक युग में डॉ. मेघनाद साहा (साहा आयनीकरण समीकरण), डॉ. सुब्रह्मण्यम चंद्रशेखर (चंद्रशेखर सीमा), प्रो. जयंत विष्णु नार्लीकर और प्रो. गोविंद स्वरूप (भारत में रेडियो खगोलिकी के जनक — Ooty व GMRT) तक भारत की खगोल भौतिकी परंपरा विश्व-अग्रणी रही है। आज भारत निम्नलिखित प्रमुख संस्थानों और मेगा-विज्ञान परियोजनाओं का संचालन कर रहा है:
| प्रमुख भारतीय वेधशाला / मिशन | अवस्थिति (Location) एवं नोडल संस्थान | तरंगदैर्ध्य / प्रेक्षण क्षेत्र | प्रमुख वैज्ञानिक विशेषता एवं UPSC महत्त्व |
|---|---|---|---|
| 1. LIGO-India (लेजर इंटरफेरोमीटर ग्रेविटेशनल-वेव ऑब्जर्वेटरी) | औंढा नागनाथ, जिला हिंगोली (महाराष्ट्र) नोडल: DAE एवं DST (IUCAA पुणे, IPR गांधीनगर, RRCAT इंदौर) |
गुरुत्वीय तरंगें (Gravitational Waves) | ₹2,600 करोड़ की लागत से 4 किमी लंबी दो लंबवत निर्वात भुजाओं वाला विश्व का 5वाँ (USA के हैनफोर्ड व लिविंगस्टन, इटली के Virgo और जापान के KAGRA के बाद) एडवांस्ड ग्रेविटेशनल-वेव डिटेक्टर; आकाश में स्रोत के सटीक त्रिकोणीयकरण (Sky localization) में निर्णायक (PIB PRID=2087501 एवं DAE)। |
| 2. SKAO (Square Kilometre Array Observatory — भारत पूर्ण सदस्य) | दक्षिण अफ्रीका (SKA-Mid: 197 डिश) एवं पश्चिमी ऑस्ट्रेलिया (SKA-Low: 1,31,072 एंटीना) भारतीय नोडल: NCRA–TIFR, पुणे |
रेडियो तरंगें (50 MHz – 15.3 GHz) |
केंद्रीय मंत्रिमंडल द्वारा ₹1,250 करोड़ मंजूर; विश्व का सबसे बड़ा रेडियो टेलीस्कोप नेटवर्क। भारत ने इसके केंद्रीय तंत्रिका तंत्र — 'Telescope Manager' (Observatory Monitor and Control System) — के सॉफ्टवेयर का नेतृत्व किया है। |
| 3. MACE (Major Atmospheric Cherenkov Experiment) एवं हानले डार्क स्काई रिज़र्व | हानले (Hanle), लद्दाख (ऊँचाई: ~4,270–4,500 मीटर) निर्माता: BARC (DAE), ECIL एवं IIA बेंगलुरु |
अति-उच्च ऊर्जा गामा किरणें (Very High Energy Gamma Rays — Cherenkov light) | अक्टूबर 2024 में राष्ट्र को समर्पित (2025–26 में पूर्ण वैज्ञानिक परिचालन); 21-मीटर व्यास के परावर्तक वाला एशिया का सबसे बड़ा और विश्व का सर्वाधिक ऊँचाई पर स्थित इमेजिंग एटमॉस्फेरिक चेरेनकोव गामा-रे टेलीस्कोप (IIA Bengaluru)। हानले में ही भारतीय खगोलीय वेधशाला (IAO — हिमालयन चंद्रा टेलीस्कोप), GROWTH-India और भारत का प्रथम डार्क स्काई रिज़र्व (Dark Sky Reserve) स्थित है। |
| 4. uGMRT (Upgraded Giant Metrewave Radio Telescope) | खोदद (Khodad), नारायणगांव, पुणे (महाराष्ट्र) संस्थान: NCRA–TIFR |
मीटर-तरंगदैर्ध्य रेडियो तरंगें (120–1450 MHz) | 45-मीटर व्यास के 30 पूर्णतः संचालन योग्य पैराबोलिक डिश एंटीना (25 km क्षेत्र में Y-आकार में फैले); पल्सर, तटस्थ हाइड्रोजन की 21-सेमी रेखा (21-cm line) और नैनोहर्ट्ज़ गुरुत्वीय तरंगों (InPTA) की खोज में प्रमुख योगदान (IEEE माइलस्टोन मान्यता प्राप्त)। |
| 5. ARIES देवस्थल वेधशाला (DOT एवं ILMT) | देवस्थल, नैनीताल (उत्तराखंड) संस्थान: ARIES (DST) |
प्रकाशीय एवं निकट-अवरक्त (Optical & NIR) | यहाँ (i) भारत का सबसे बड़ा 3.6-मीटर देवस्थल ऑप्टिकल टेलीस्कोप (DOT) और (ii) 4-मीटर इंटरनेशनल लिक्विड मिरर टेलीस्कोप (ILMT) — जो घूर्णनशील पारे (Rotating Mercury) की पतली परत को पैराबोलिक दर्पण के रूप में उपयोग कर जेनिथ आकाश का सर्वेक्षण करता है — स्थित हैं। |
| 6. AstroSat एवं XPoSat (ISRO अंतरिक्ष वेधशालाएँ) | निम्न भू-कक्षा (LEO — 650 km) संस्थान: ISRO + IUCAA, TIFR, IIA, RRI |
बहु-तरंगदैर्ध्य (UV से X-Ray) एवं एक्स-रे ध्रुवण | AstroSat (2015): भारत की प्रथम समर्पित बहु-तरंगदैर्ध्य अंतरिक्ष वेधशाला (UVIT, SXT, LAXPC, CZTI, SSM)। XPoSat (1 जनवरी 2024): पल्सर, ब्लैक होल और न्यूट्रॉन तारों के एक्स-रे ध्रुवण (X-Ray Polarimetry — POLIX एवं XSPECT पेलोड) को मापने वाला भारत का प्रथम और विश्व का दूसरा (NASA के IXPE के बाद) मिशन। |
खंड 04
समसामयिक घटनाक्रम (2025–2026) एवं UPSC CSE 2027 हेतु प्रासंगिकता
- 1. LIGO-India (हिंगोली, महाराष्ट्र) एवं SKAO में भारत की निर्णायक भूमिका (PIB `PRID=2087501` एवं DAE 2026 प्रगति रिपोर्ट):
- परमाणु ऊर्जा विभाग (DAE) और विज्ञान एवं प्रौद्योगिकी विभाग (DST) द्वारा महाराष्ट्र के हिंगोली जिले के औंढा नागनाथ में ₹2,600 करोड़ की लागत से निर्माणाधीन LIGO-India वेधशाला के सिविल कार्य और RRCAT इंदौर तथा IPR गांधीनगर द्वारा 4-किमी अल्ट्रा-हाई वैक्यूम बीम ट्यूबों के निर्माण में 2025–2026 में तेज़ प्रगति हुई है।
- हिंगोली का चयन इसलिए किया गया क्योंकि यह क्षेत्र दक्कन ट्रैप के स्थिर बेसाल्टिक पठार (भूकंपीय जोन-II — अत्यंत कम भूकंपीय कंपन) पर स्थित है और अमेरिका की दोनों LIGO वेधशालाओं के लगभग प्रतिध्रुवीय (Antipodal / Long baseline) होने के कारण गुरुत्वीय तरंग स्रोतों की आकाश में कोणीय स्थिति (Angular resolution) को 10 गुना अधिक सटीक बनाएगा।
- 2. लद्दाख के हानले में MACE गामा-किरण टेलीस्कोप एवं सौर चक्र 25 के दुर्लभ लाल अरोरा (2025–2026):
- भाभा परमाणु अनुसंधान केंद्र (BARC) द्वारा स्वदेशी रूप से निर्मित MACE (Major Atmospheric Cherenkov Experiment) टेलीस्कोप लद्दाख के हानले में 4,270 मीटर की ऊँचाई पर कार्यरत है। जब अंतरिक्ष से ब्लैक होल (Blazars), सुपरनोवा अवशेषों या पल्सर से आने वाली उच्च-ऊर्जा गामा किरणें पृथ्वी के ऊपरी वायुमंडल में प्रवेश करती हैं, तो वे द्वितीयक कणों की बौछार पैदा करती हैं जो वायुमंडल में प्रकाश की स्थानीय गति से तेज चलकर नीली चमक — 'चेरेनकोव विकिरण' (Cherenkov Radiation) — उत्पन्न करती हैं; MACE का 21-मीटर दर्पण और 1,088 फोटो-मल्टीप्लायर कैमरा इसी क्षणिक चमक को पकड़ता है।
- सौर चक्र 25 (Solar Cycle 25) के चरम भू-चुंबकीय तूफान: 2024–2026 के दौरान सूर्य के चुंबकीय ध्रुवों के उत्क्रमण (Magnetic pole reversal) और सौर अधिकतम के कारण कई G4/G5 श्रेणी के भू-चुंबकीय तूफान आए, जिनसे लद्दाख के हानले डार्क स्काई रिज़र्व में भी उच्च-ऊँचाई वाले ऑक्सीजन परमाणुओं (~300 km) के उत्तेजन से दुर्लभ गहरे लाल रंग के अरोरा (Stable Auroral Red Arcs / Low-latitude Auroras) रिकॉर्ड किए गए तथा ISRO के आदित्य-L1 (VELC एवं SUIT पेलोड) ने L1 बिंदु से इन कोरोनल मास इजेक्शन (CMEs) की पूर्व-चेतावनी दी।
- 3. 19वें अंतरराष्ट्रीय खगोल विज्ञान और खगोल भौतिकी ओलंपियाड (IOAA 2026 — PIB `PRID=2319153`, 5 अक्टूबर 2026) में भारत का ऐतिहासिक प्रदर्शन: होमी भाभा विज्ञान शिक्षा केंद्र (HBCSE–TIFR) द्वारा प्रशिक्षित भारतीय दल ने अक्टूबर 2026 में आयोजित 19वें IOAA में 4 स्वर्ण पदक और 1 रजत पदक जीतकर वैश्विक स्तर पर भारत की खगोलीय प्रतिभा का परचम लहराया (PIB Release PRID=2319153)।
- 4. डार्क एनर्जी की प्रकृति पर DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument — 2025–2026) एवं Euclid के नए संकेत: बैरियन अकूस्टिक ऑसिलेशन (BAO) के 3D मानचित्रण से वैज्ञानिकों को प्रारंभिक संकेत मिले हैं कि डार्क एनर्जी शायद आइंस्टीन के स्थिर 'ब्रह्मांडीय स्थिरांक' (Λ) के बजाय समय के साथ धीरे-धीरे परिवर्तित होने वाली गतिशील ऊर्जा (Dynamic Dark Energy / Quintessence) हो सकती है।
खंड 05
प्रारंभिक परीक्षा विशेष: उच्च-उपज तथ्य एवं UPSC एलिमिनेशन ट्रैप्स
UPSC Prelims के 8 सबसे खतरनाक भ्रम जाल (Common Traps to Avoid):
- ट्रैप 1 (UPSC 2024 Q32): "विशालकाय तारे (Giant stars) में अधिक ईंधन होता है, इसलिए वे बौने तारों (Dwarf stars) से अधिक समय तक जीते हैं।" — गलत! विशाल तारों में ईंधन भले ही अधिक हो, किंतु उनके केंद्र में नाभिकीय संलयन की दर हजारों गुना तेज होती है, इसलिए वे बौने तारों की तुलना में बहुत कम समय (कुछ लाख–करोड़ वर्ष बनाम अरबों वर्ष) जीते हैं।
- ट्रैप 2 (UPSC 2023 Q56): "सेफिड्स (Cepheids) धूल और गैस के विशाल बादल हैं और नीहारिका (Nebulae) आवधिक रूप से चमकने वाले तारे हैं।" — गलत! UPSC ने दोनों की परिभाषाएँ आपस में बदल दी थीं: नीहारिका (Nebula) धूल व गैस का विशाल बादल है, जबकि सेफिड (Cepheid) आवधिक रूप से चमकने और मंद पड़ने वाला चर तारा ('Standard Candle') है।
- ट्रैप 3 (UPSC 2022 Q70): "तीव्र सौर ज्वाला (Solar Flare) से विषुवतीय क्षेत्रों में सुनामी आ सकती है और वनों में आग लग सकती है।" — गलत! सौर तूफान पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र और आयनमंडल को प्रभावित कर GPS, पावर ग्रिड, ध्रुवीय रेडियो संचार और उपग्रह कक्षाओं को बाधित करते हैं तथा अरोरा बनाते हैं, किंतु वे सुनामी या दावानल पैदा नहीं करते।
- ट्रैप 4: "डार्क मैटर और डार्क एनर्जी एक ही चीज़ के दो रूप हैं।" — गलत! डार्क मैटर (~27%) आकर्षी गुरुत्वाकर्षण लगाकर आकाशगंगाओं को बाँधकर रखता है, जबकि डार्क एनर्जी (~68%) प्रतिकर्षी प्रभाव डालकर ब्रह्मांड के विस्तार को त्वरित (Accelerate) करती है।
- ट्रैप 5: "सभी भू-तुल्यकालिक (Geosynchronous — GSO) उपग्रह आकाश में एक ही बिंदु पर स्थिर रहते हैं।" — गलत! केवल भू-स्थिर (Geostationary — GEO) उपग्रह (जिनका झुकाव 0° यानी ठीक भूमध्य रेखा के ऊपर होता है) ही स्थिर दिखते हैं; झुकाव वाले GSO उपग्रह आकाश में '8' के आकार का पथ (Analemma) बनाते हैं।
- ट्रैप 6: "हमारा सूर्य अंततः सुपरनोवा विस्फोट के साथ ब्लैक होल बन जाएगा।" — गलत! सूर्य का द्रव्यमान चंद्रशेखर सीमा (1.44 M☉) से कम है, इसलिए सूर्य कभी सुपरनोवा या ब्लैक होल नहीं बनेगा; वह लाल दानव → ग्रहीय नीहारिका → श्वेत वामन (White Dwarf) बनेगा।
- ट्रैप 7: "आदित्य-L1 सूर्य से 15 लाख किमी की दूरी पर स्थित है।" — गलत! L1 बिंदु पृथ्वी से 15 लाख किमी (1.5 Million km) दूर है (जो पृथ्वी–सूर्य की कुल दूरी 15 करोड़ किमी का मात्र 1% है; सूर्य से L1 की दूरी ~14.85 करोड़ किमी है)।
- ट्रैप 8: "गुरुत्वीय तरंगें विद्युत-चुंबकीय स्पेक्ट्रम का ही एक भाग हैं।" — गलत! गुरुत्वीय तरंगें विद्युत-चुंबकीय तरंगें (Electromagnetic waves) बिल्कुल नहीं हैं; वे स्वयं स्पेस-टाइम (दिक्-काल) के ज्यामितीय ताने-बाने में कंपन हैं और धूल/गैस के बादलों द्वारा अवशोषित हुए बिना पूरे ब्रह्मांड को पार कर सकती हैं (हालांकि इनकी गति भी प्रकाश की गति c के बराबर होती है)।
खंड 06
मुख्य परीक्षा विशेष (GS-III एवं GS-I): बहु-आयामी विश्लेषणात्मक ढाँचा
UPSC मुख्य परीक्षा (GS Paper-III) में खगोल भौतिकी और अंतरिक्ष विज्ञान पर उत्तर लिखते समय 4-आयामी ढाँचा (वैज्ञानिक सिद्धांत + भारत का संस्थागत योगदान + सामरिक/आर्थिक स्पिन-ऑफ लाभ + चुनौतियाँ व भविष्य की राह) अपनाएँ:
- 1. भारत को LIGO-India (₹2,600 करोड़) और SKAO (₹1,250 करोड़) जैसी 'मेगा-साइंस' परियोजनाओं में निवेश क्यों करना चाहिए?
- फ्रंटियर विज्ञान में नेतृत्व: बहु-संदेशवाहक खगोलिकी (Multi-messenger Astronomy — गुरुत्वीय तरंगें + रेडियो + ऑप्टिकल + गामा किरणें) में भारत को डेटा-उपभोक्ता के बजाय वैश्विक डेटा-निर्माता बनाना।
- उच्च-प्रौद्योगिकी औद्योगिक स्पिन-ऑफ (Spin-off Benefits): अल्ट्रा-हाई वैक्यूम तकनीक, क्वांटम सेंसिंग और स्क्वीज्ड लाइट लेजर, क्रायोजेनिक्स, पेटाबाइट-स्केल सुपरकंप्यूटिंग और AI एल्गोरिदम में भारतीय उद्योग (L&T, गोदरेज, ECIL, TCS) और MSMEs की क्षमता निर्माण।
- प्रतिभा पलायन रोकना (Reversing Brain Drain): भारतीय विश्वविद्यालयों के छात्रों को स्वदेश में ही नोबेल-स्तरीय प्रयोगशालाएँ उपलब्ध कराना।
- 2. अंतरिक्ष मौसम (Space Weather) और राष्ट्रीय सुरक्षा: आज जब भारत की बैंकिंग (UPI समय-सिंक्रनाइज़ेशन), रक्षा संचार, कृषि पूर्वानुमान और विमानन 50+ उपग्रहों और पावर ग्रिड पर निर्भर हैं, तब आदित्य-L1 और प्रस्तातिव राष्ट्रीय अंतरिक्ष मौसम पूर्वानुमान केंद्र द्वारा CME की 24–48 घंटे पूर्व चेतावनी प्राप्त करना आपदा प्रबंधन (NDMA) का एक अनिवार्य अंग बन गया है।
खंड 07
सत्यापित UPSC प्रारंभिक परीक्षा विगत वर्ष प्रश्न एवं मुख्य परीक्षा अभ्यास
नीचे अंतरिक्ष विज्ञान, तारकीय विकास, सौर तूफान और ब्रह्मांड की आधारभूत अवधारणाओं से सीधे पूछे गए 5 वास्तविक UPSC CSE Prelims प्रश्न (2024, 2023, 2022, 2019 एवं 2017) उनके मूल अंग्रेजी पाठ, विश्वसनीय हिंदी अनुवाद और आधिकारिक UPSC उत्तर कुंजी के साथ इंटरैक्टिव रूप में दिए गए हैं:
Q1. निम्नलिखित कथनों पर विचार कीजिए:
कथन-I: विशालकाय तारे (Giant stars), बौने तारों (Dwarf stars) की तुलना में बहुत अधिक लंबे समय तक जीवित रहते हैं।
कथन-II: बौने तारों की तुलना में, विशालकाय तारों में नाभिकीय अभिक्रियाओं (Nuclear reactions) की दर अधिक होती है।
उपर्युक्त कथनों के संबंध में निम्नलिखित में से कौन-सा एक सही है?
(Original English: Consider the following statements:
Statement-I: Giant stars live much longer than dwarf stars.
Statement-II: Compared to dwarf stars, giant stars have a greater rate of nuclear reactions.
Which one of the following is correct in respect of the above statements?)
सही उत्तर: (d) कथन-I गलत है, किंतु कथन-II सही है (Statement-I is incorrect, but Statement-II is correct)
विस्तृत व्याख्या: विशालकाय तारों (Giant / Massive stars) का द्रव्यमान अधिक होने के कारण उनके क्रोड पर अत्यधिक गुरुत्वीय दबाव पड़ता है, जिससे क्रोड का तापमान और घनत्व बहुत बढ़ जाता है। परिणामस्वरूप उनमें नाभिकीय संलयन अभिक्रियाओं की दर बौने तारों से हजारों गुना अधिक होती है (कथन-II सही)। इतनी तीव्र गति से हाइड्रोजन ईंधन जलाने के कारण विशालकाय तारे अपना ईंधन बहुत जल्दी (मात्र कुछ लाख से कुछ करोड़ वर्षों में) समाप्त कर देते हैं, जबकि बौने तारे (Dwarf stars — जैसे लाल बौने या हमारा सूर्य) धीमी संलयन दर के कारण दसियों से सैकड़ों अरब वर्षों तक जीवित रहते हैं (अतः कथन-I गलत है)।
विस्तृत व्याख्या: विशालकाय तारों (Giant / Massive stars) का द्रव्यमान अधिक होने के कारण उनके क्रोड पर अत्यधिक गुरुत्वीय दबाव पड़ता है, जिससे क्रोड का तापमान और घनत्व बहुत बढ़ जाता है। परिणामस्वरूप उनमें नाभिकीय संलयन अभिक्रियाओं की दर बौने तारों से हजारों गुना अधिक होती है (कथन-II सही)। इतनी तीव्र गति से हाइड्रोजन ईंधन जलाने के कारण विशालकाय तारे अपना ईंधन बहुत जल्दी (मात्र कुछ लाख से कुछ करोड़ वर्षों में) समाप्त कर देते हैं, जबकि बौने तारे (Dwarf stars — जैसे लाल बौने या हमारा सूर्य) धीमी संलयन दर के कारण दसियों से सैकड़ों अरब वर्षों तक जीवित रहते हैं (अतः कथन-I गलत है)।
उत्तर एवं व्याख्या देखें (No-JS Fallback)
सही उत्तर: (d)। विशालकाय तारों में नाभिकीय अभिक्रिया की दर अधिक होने के कारण उनका जीवनकाल बौने तारों से बहुत छोटा होता है।
Q2. निम्नलिखित युग्मों पर विचार कीजिए:
(अंतरिक्ष में पिंड : विवरण)
1. सेफिड्स (Cepheids) : अंतरिक्ष में धूल और गैस के विशाल बादल
2. नीहारिका (Nebulae) : तारे जो आवधिक रूप से चमकते और मंद पड़ते हैं
3. पल्सर (Pulsars) : न्यूट्रॉन तारे जो तब बनते हैं जब विशाल तारों का ईंधन समाप्त हो जाता है और उनका पतन होता है
उपर्युक्त में से कितने युग्म सही सुमेलित हैं?
(Original English: Consider the following pairs:
Objects in space : Description
1. Cepheids : Giant clouds of dust and gas in space
2. Nebulae : Stars which brighten and dim periodically
3. Pulsars : Neutron stars that are formed when massive stars run out of fuel and collapse
How many of the above pairs are correctly matched?)
सही उत्तर: (a) केवल एक (Only one — केवल युग्म 3 सही है)
विस्तृत व्याख्या:
• युग्म 1 और 2 गलत हैं (आपस में बदले गए हैं): सेफिड्स (Cepheids) आवधिक रूप से चमकने और मंद पड़ने वाले स्पंदनशील चर तारे हैं जिनका उपयोग खगोलीय दूरियाँ मापने में 'मानक मोमबत्ती' (Standard Candle) के रूप में होता है, जबकि नीहारिका (Nebulae) अंतरिक्ष में धूल और गैस (हाइड्रोजन/हीलियम) के विशाल बादल हैं जहाँ नए तारों का जन्म होता है।
• युग्म 3 सही है: पल्सर (Pulsars) अत्यधिक चुंबकीय, तेजी से घूमने वाले न्यूट्रॉन तारे हैं जो विशाल तारों के ईंधन समाप्त होने और सुपरनोवा गुरुत्वीय पतन से बनते हैं।
विस्तृत व्याख्या:
• युग्म 1 और 2 गलत हैं (आपस में बदले गए हैं): सेफिड्स (Cepheids) आवधिक रूप से चमकने और मंद पड़ने वाले स्पंदनशील चर तारे हैं जिनका उपयोग खगोलीय दूरियाँ मापने में 'मानक मोमबत्ती' (Standard Candle) के रूप में होता है, जबकि नीहारिका (Nebulae) अंतरिक्ष में धूल और गैस (हाइड्रोजन/हीलियम) के विशाल बादल हैं जहाँ नए तारों का जन्म होता है।
• युग्म 3 सही है: पल्सर (Pulsars) अत्यधिक चुंबकीय, तेजी से घूमने वाले न्यूट्रॉन तारे हैं जो विशाल तारों के ईंधन समाप्त होने और सुपरनोवा गुरुत्वीय पतन से बनते हैं।
उत्तर एवं व्याख्या देखें (No-JS Fallback)
सही उत्तर: (a) केवल एक (केवल युग्म 3 सही सुमेलित है; युग्म 1 और 2 के विवरण आपस में बदल दिए गए हैं)।
Q3. यदि कोई मुख्य सौर तूफान (सौर प्रज्वाल / Solar flare) पृथ्वी पर पहुँचता है, तो पृथ्वी पर निम्नलिखित में से कौन-से संभव प्रभाव होंगे?
1. GPS और दिक्-संचालन (Navigation) प्रणालियाँ विफल हो सकती हैं।
2. विषुवतीय क्षेत्रों में सुनामी आ सकती है।
3. बिजली ग्रिड क्षतिग्रस्त हो सकते हैं।
4. पृथ्वी के अधिकांश भाग पर तीव्र ध्रुवीय ज्योतियाँ (Auroras) घटित हो सकती हैं।
5. ग्रह के अधिकांश भाग पर दावाग्नि (Forest fires) घटित हो सकती है।
6. उपग्रहों की कक्षाएँ विक्षुब्ध हो सकती हैं।
7. ध्रुवीय क्षेत्रों के ऊपर से उड़ने वाले वायुयानों का लघुतरंग (Shortwave) रेडियो संचार बाधित हो सकता है।
नीचे दिए गए कूट का प्रयोग कर सही उत्तर चुनिए:
(Original English: If a major solar storm (solar flare) reaches the Earth, which of the following are the possible effects on the Earth? 1. GPS and navigation systems could fail. 2. Tsunamis could occur at equatorial regions. 3. Power grids could be damaged. 4. Intense auroras could occur over much of the Earth. 5. Forest fires could take place over much of the planet. 6. Orbits of the satellites could be disturbed. 7. Shortwave radio communication of the aircraft flying over polar regions could be interrupted.)
सही उत्तर: (c) केवल 1, 3, 4, 6 और 7 (1, 3, 4, 6 and 7 only)
विस्तृत व्याख्या: सौर तूफान (Solar flares एवं CMEs) पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र और आयनमंडल में विक्षोभ उत्पन्न करते हैं, जिससे GPS विफल हो सकता है (1), भू-चुंबकीय प्रेरित धाराओं (GICs) से पावर ग्रिड जल सकते हैं (3), तीव्र अरोरा दिखते हैं (4), ऊपरी वायुमंडल के तापीय प्रसार से उपग्रहों की कक्षाएँ विक्षुब्ध होती हैं (6), और ध्रुवीय शॉर्टवेव रेडियो संचार रुक जाता है (7)। किंतु सौर तूफानों से सुनामी (कथन 2) या जंगल की आग (कथन 5) नहीं लगती — कथन 2 और 5 को हटाते ही सीधे विकल्प (c) प्राप्त हो जाता है!
विस्तृत व्याख्या: सौर तूफान (Solar flares एवं CMEs) पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र और आयनमंडल में विक्षोभ उत्पन्न करते हैं, जिससे GPS विफल हो सकता है (1), भू-चुंबकीय प्रेरित धाराओं (GICs) से पावर ग्रिड जल सकते हैं (3), तीव्र अरोरा दिखते हैं (4), ऊपरी वायुमंडल के तापीय प्रसार से उपग्रहों की कक्षाएँ विक्षुब्ध होती हैं (6), और ध्रुवीय शॉर्टवेव रेडियो संचार रुक जाता है (7)। किंतु सौर तूफानों से सुनामी (कथन 2) या जंगल की आग (कथन 5) नहीं लगती — कथन 2 और 5 को हटाते ही सीधे विकल्प (c) प्राप्त हो जाता है!
उत्तर एवं व्याख्या देखें (No-JS Fallback)
सही उत्तर: (c) केवल 1, 3, 4, 6 और 7। कथन 2 (सुनामी) और 5 (दावाग्नि) गलत हैं।
Q4. हाल ही में वैज्ञानिकों ने पृथ्वी से अरबों प्रकाश-वर्ष दूर विशाल 'ब्लैक होलों' ( कृष्ण विवरों) के विलय का प्रेक्षण किया। इस प्रेक्षण का क्या महत्त्व है?
(Original English: Recently, scientists observed the merger of giant 'blackholes' billions of light-years away from the Earth. What is the significance of this observation?)
सही उत्तर: (b) 'गुरुत्वीय तरंगों' का पता चला ('Gravitational waves' were detected)
विस्तृत व्याख्या: LIGO और Virgo लेजर इंटरफेरोमीटर वेधशालाओं द्वारा पृथ्वी से अरबों प्रकाश-वर्ष दूर विशाल ब्लैक होलों के विलय (Black hole mergers) के प्रेक्षण से आइंस्टीन द्वारा 1916 में सामान्य सापेक्षता सिद्धांत में प्रस्तावित 'गुरुत्वीय तरंगों' (Gravitational Waves — स्पेस-टाइम में लहरों) का प्रत्यक्ष पता चला। (हिग्स बोसॉन की खोज 2012 में CERN के लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर में हुई थी।)
विस्तृत व्याख्या: LIGO और Virgo लेजर इंटरफेरोमीटर वेधशालाओं द्वारा पृथ्वी से अरबों प्रकाश-वर्ष दूर विशाल ब्लैक होलों के विलय (Black hole mergers) के प्रेक्षण से आइंस्टीन द्वारा 1916 में सामान्य सापेक्षता सिद्धांत में प्रस्तावित 'गुरुत्वीय तरंगों' (Gravitational Waves — स्पेस-टाइम में लहरों) का प्रत्यक्ष पता चला। (हिग्स बोसॉन की खोज 2012 में CERN के लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर में हुई थी।)
उत्तर एवं व्याख्या देखें (No-JS Fallback)
सही उत्तर: (b) 'गुरुत्वीय तरंगों' का पता चला।
Q5. कभी-कभी समाचारों में दिखने वाले शब्द 'इवेंट होराइजन' (Event Horizon), 'सिंगुलैरिटी' (Singularity), 'स्ट्रिंग थ्योरी' (String Theory) और 'स्टैंडर्ड मॉडल' (Standard Model) किस संदर्भ में देखे जाते हैं?
(Original English: The terms 'Event Horizon', 'Singularity', 'String Theory' and 'Standard Model' are sometimes seen in the news in the context of:)
सही उत्तर: (a) ब्रह्मांड का प्रेक्षण और समझ (Observation and understanding of the Universe)
विस्तृत व्याख्या: 'Event Horizon' (ब्लैक होल की बाहरी सीमा जहाँ से प्रकाश भी नहीं लौट सकता) और 'Singularity' (ब्लैक होल के केंद्र या बिग बैंग का अनंत घनत्व बिंदु) सापेक्षतावादी खगोल भौतिकी से जुड़े हैं, जबकि 'Standard Model' मूलभूत कण भौतिकी और 'String Theory' क्वांटम गुरुत्वाकर्षण से संबंधित है — ये चारों शब्द ब्रह्मांड के प्रेक्षण और समझ से जुड़े हैं।
विस्तृत व्याख्या: 'Event Horizon' (ब्लैक होल की बाहरी सीमा जहाँ से प्रकाश भी नहीं लौट सकता) और 'Singularity' (ब्लैक होल के केंद्र या बिग बैंग का अनंत घनत्व बिंदु) सापेक्षतावादी खगोल भौतिकी से जुड़े हैं, जबकि 'Standard Model' मूलभूत कण भौतिकी और 'String Theory' क्वांटम गुरुत्वाकर्षण से संबंधित है — ये चारों शब्द ब्रह्मांड के प्रेक्षण और समझ से जुड़े हैं।
उत्तर एवं व्याख्या देखें (No-JS Fallback)
सही उत्तर: (a) ब्रह्मांड का प्रेक्षण और समझ।
मुख्य परीक्षा (GS-III) सत्यापित एवं उच्च-संभाव्यता प्रश्न व पूर्ण आदर्श उत्तर
मुख्य परीक्षा प्रश्न 1 (GS-III — अंतरिक्ष विज्ञान एवं भारतीय मेगा-परियोजनाएँ | 15 अंक, 250 शब्द): "गुरुत्वीय तरंगें (Gravitational Waves) क्या हैं और ये विद्युत-चुंबकीय तरंगों से किस प्रकार भिन्न हैं? महाराष्ट्र के हिंगोली में स्थापित की जा रही 'LIGO-India' परियोजना के वैज्ञानिक और रणनीतिक महत्त्व का परीक्षण कीजिए।" (What are Gravitational Waves and how do they differ from electromagnetic waves? Examine the scientific and strategic significance of the 'LIGO-India' project being set up at Hingoli in Maharashtra.)
उत्तर संरचना (Model Answer):
- भूमिका (Introduction): 1916 में अल्बर्ट आइंस्टीन के सामान्य सापेक्षता सिद्धांत (General Theory of Relativity) द्वारा भविष्यवाणी की गई और 2015 में LIGO द्वारा प्रत्यक्ष रूप से खोजी गई गुरुत्वीय तरंगें विशाल द्रव्यमानों (जैसे ब्लैक होल या न्यूट्रॉन तारों के विलय — UPSC 2019) के त्वरित होने से स्वयं दिक्-काल (Space-Time) के ताने-बाने में प्रकाश की गति से फैलने वाली लहरें हैं।
- गुरुत्वीय तरंगें बनाम विद्युत-चुंबकीय तरंगें:
- प्रकृति: विद्युत-चुंबकीय तरंगें (प्रकाश, रेडियो, एक्स-रे) स्पेस-टाइम के भीतर दोलन करने वाले विद्युत और चुंबकीय क्षेत्र हैं, जबकि गुरुत्वीय तरंगें स्वयं स्पेस-टाइम की ज्यामिति का संकुचन और विस्तार हैं।
- अबाध संचरण: विद्युत-चुंबकीय तरंगें धूल, गैस और प्लाज्मा द्वारा अवशोषित या प्रकीर्णित हो जाती हैं (जिससे बिग बैंग के प्रथम 3,80,000 वर्ष पहले का ब्रह्मांड प्रकाश के लिए अपारदर्शी है), जबकि गुरुत्वीय तरंगें पदार्थ के साथ अत्यंत दुर्बल अंतःक्रिया करती हैं और बिना रुके ब्रह्मांड के अंधकारमय कोनों (ब्लैक होल के विलय, प्रारंभिक ब्रह्मांड) का सीधा संदेश लाती हैं।
- LIGO-India (औंढा नागनाथ, हिंगोली, महाराष्ट्र — ₹2,600 करोड़) का महत्त्व:
- आकाश में सटीक त्रिकोणीयकरण (Pinpoint Sky Localization): अमेरिका के दो LIGO डिटेक्टर (हैनफोर्ड व लिविंगस्टन) एक-दूसरे के निकट होने से गुरुत्वीय तरंग के स्रोत की आकाश में केवल एक चौड़ी पट्टी बता पाते हैं। पृथ्वी के दूसरी ओर भारत में 4-किमी भुजाओं वाले LIGO-India के जुड़ने से विशाल आधार-रेखा (Baseline) बनेगी, जिससे स्रोत की कोणीय स्थिति 10 गुना अधिक सटीक हो जाएगी और uGMRT, MACE व AstroSat जैसे टेलीस्कोप तुरंत उस दिशा में देख सकेंगे (Multi-messenger Astronomy)।
- हिंगोली की भू-वैज्ञानिक उपयुक्तता: दक्कन के स्थिर बेसाल्टिक पठार (भूकंपीय जोन-II) पर स्थित होने से यहाँ प्राकृतिक भूकंपीय शोर न्यूनतम है।
- स्वदेशी उच्च-प्रौद्योगिकी स्पिन-ऑफ: DAE और DST के तीन संस्थान (IUCAA पुणे, IPR गांधीनगर, RRCAT इंदौर) अल्ट्रा-हाई वैक्यूम, क्वांटम लेजर मेट्रोलॉजी और AI डेटा प्रोसेसिंग में भारतीय उद्योग की क्षमता विकसित कर रहे हैं।
- निष्कर्ष (Conclusion): डॉ. चंद्रशेखर और प्रो. नार्लीकर की विरासत को आगे बढ़ाते हुए LIGO-India और SKAO भारत को 21वीं सदी की खगोल भौतिकी का वैश्विक केंद्र बनाएंगे।
मुख्य परीक्षा प्रश्न 2 (GS-I एवं GS-III — सौर तूफान, लैग्रेंज बिंदु एवं अंतरिक्ष मौसम | 10 अंक, 150 शब्द): "सौर ज्वालाओं (Solar Flares) और कोरोनल मास इजेक्शन (CMEs) का पृथ्वी की आधुनिक प्रौद्योगिकीय अवसंरचना पर क्या प्रभाव पड़ता है? सूर्य–पृथ्वी प्रणाली के 'L1 लैग्रेंज बिंदु' पर स्थापित आदित्य-L1 मिशन अंतरिक्ष मौसम की निगरानी में किस प्रकार सहायक है?"
उत्तर संरचना (Model Answer):
- भूमिका: 11-वर्षीय सौर चक्र के शिखर (जैसे 2024–2026 में सौर चक्र 25) के दौरान सूर्य के कोरोना से तीव्र विकिरण (Solar Flares) और अरबों टन चुंबकीय प्लाज्मा बादल (CMEs) निकलते हैं, जो पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र से टकराकर भू-चुंबकीय तूफान उत्पन्न करते हैं।
- आधुनिक अवसंरचना पर प्रभाव (UPSC 2022 संदर्भ): (i) आयनमंडलीय विक्षोभ से GPS, NavIC और ध्रुवीय विमानन शॉर्टवेव रेडियो संचार का बाधित होना; (ii) थर्मोस्फीयर के तापीय प्रसार से निम्न भू-कक्षा (LEO) उपग्रहों पर वायुमंडलीय घर्षण (Drag) बढ़ना और कक्षीय क्षय; (iii) लंबी ट्रांसमिशन लाइनों में भू-चुंबकीय प्रेरित धाराओं (GICs) से पावर ग्रिड ट्रांसफार्मरों का जलना।
- L1 बिंदु पर आदित्य-L1 की भूमिका: पृथ्वी से 15 लाख किमी दूर सूर्य–पृथ्वी रेखा पर स्थित लैग्रेंज बिंदु L1 की हेलो कक्षा (Halo Orbit) से ISRO का आदित्य-L1 बिना किसी ग्रहण या आवरण (No occultation/eclipse) के 24×7 सूर्य के कोरोना (VELC पेलोड), फोटोस्फीयर/क्रोमोस्फीयर (SUIT) और सौर पवन कणों (ASPEX, PAPA) का इन-सीटू मापन करता है, जिससे पृथ्वी पर CME पहुँचने से 15–48 घंटे पहले उपग्रहों को 'सेफ मोड' में डालने की पूर्व-चेतावनी मिलती है।
खंड 08
अभ्यास प्रश्न: 15 नए UPSC-स्तरीय प्रारंभिक MCQs एवं 3 अतिरिक्त मुख्य परीक्षा मॉडल उत्तर
नीचे UPSC CSE 2027 के नवीनतम पैटर्न (कथन-कारण, कितने युग्म/कथन सही हैं, तथा एलिमिनेशन-प्रूफ अवधारणात्मक प्रश्न) पर आधारित 15 पूर्णतः मौलिक अभ्यास MCQs (प्रश्न 6 से 20) दिए गए हैं:
Q6. ब्रह्मांड के संघटन में 'डार्क मैटर' (Dark Matter) और 'डार्क एनर्जी' (Dark Energy) के संदर्भ में निम्नलिखित कथनों पर विचार कीजिए:
1. ब्रह्मांड के कुल द्रव्यमान-ऊर्जा बजट में डार्क एनर्जी का हिस्सा (~68%), डार्क मैटर (~27%) और साधारण बैरियोनिक पदार्थ (~5%) दोनों से अधिक है।
2. जहाँ डार्क मैटर आकर्षी गुरुत्वाकर्षण बल लगाकर आकाशगंगाओं को एक साथ बाँधकर रखने का कार्य करता है, वहीं डार्क एनर्जी ब्रह्मांड के विस्तार को त्वरित (Accelerate) करने के लिए उत्तरदायी है।
3. गुरुत्वीय लेंसिंग (Gravitational Lensing) और आकाशगंगाओं के घूर्णन वक्र (Galaxy rotation curves) डार्क मैटर के अस्तित्व के प्रमुख अप्रत्यक्ष प्रमाण हैं।
उपर्युक्त में से कितने कथन सही हैं?
सही उत्तर: (c) सभी तीन
व्याख्या: तीनों कथन पूर्णतः सही हैं। प्लैंक (Planck) अंतरिक्ष वेधशाला के अनुसार ब्रह्मांड में ~68.3% डार्क एनर्जी, ~26.8% डार्क मैटर और ~4.9% साधारण बैरियोनिक पदार्थ है (कथन 1 सही)। डार्क मैटर आकाशगंगाओं के लिए गुरुत्वीय ढाँचा (Scaffolding) बनाता है और गुरुत्वीय लेंसिंग व घूर्णन वक्रों से पहचाना जाता है, जबकि डार्क एनर्जी अंतरिक्ष के विस्तार को त्वरित करती है (कथन 2 और 3 सही)।
व्याख्या: तीनों कथन पूर्णतः सही हैं। प्लैंक (Planck) अंतरिक्ष वेधशाला के अनुसार ब्रह्मांड में ~68.3% डार्क एनर्जी, ~26.8% डार्क मैटर और ~4.9% साधारण बैरियोनिक पदार्थ है (कथन 1 सही)। डार्क मैटर आकाशगंगाओं के लिए गुरुत्वीय ढाँचा (Scaffolding) बनाता है और गुरुत्वीय लेंसिंग व घूर्णन वक्रों से पहचाना जाता है, जबकि डार्क एनर्जी अंतरिक्ष के विस्तार को त्वरित करती है (कथन 2 और 3 सही)।
Q7. खगोल भौतिकी में 'चंद्रशेखर सीमा' (Chandrasekhar Limit) के संदर्भ में निम्नलिखित में से कौन-सा कथन सबसे सटीक है?
सही उत्तर: (b)
व्याख्या: डॉ. एस. चंद्रशेखर द्वारा 1930 में प्रतिपादित चंद्रशेखर सीमा (1.44 M☉) किसी अघूर्णी श्वेत वामन (White Dwarf) तारे के क्रोड का अधिकतम संभव द्रव्यमान है जिसे इलेक्ट्रॉन अपभ्रष्टता दाब (Electron degeneracy pressure) सहारा दे सकता है। इससे अधिक द्रव्यमान होने पर तारा सुपरनोवा विस्फोट के साथ न्यूट्रॉन तारे या ब्लैक होल में बदल जाता है। (विकल्प c कार्मन रेखा है और विकल्प d भूरे वामन / Brown Dwarf की सीमा है।)
व्याख्या: डॉ. एस. चंद्रशेखर द्वारा 1930 में प्रतिपादित चंद्रशेखर सीमा (1.44 M☉) किसी अघूर्णी श्वेत वामन (White Dwarf) तारे के क्रोड का अधिकतम संभव द्रव्यमान है जिसे इलेक्ट्रॉन अपभ्रष्टता दाब (Electron degeneracy pressure) सहारा दे सकता है। इससे अधिक द्रव्यमान होने पर तारा सुपरनोवा विस्फोट के साथ न्यूट्रॉन तारे या ब्लैक होल में बदल जाता है। (विकल्प c कार्मन रेखा है और विकल्प d भूरे वामन / Brown Dwarf की सीमा है।)
Q8. 'कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड' (Cosmic Microwave Background — CMB) विकिरण के संदर्भ में निम्नलिखित कथनों पर विचार कीजिए:
1. यह महाविस्फोट (Big Bang) के लगभग 3,80,000 वर्ष बाद मुक्त हुए ब्रह्मांड के सबसे प्राचीन प्रकाश का अवशेष तापीय विकिरण है।
2. ब्रह्मांड के निरंतर विस्तार के कारण इसकी तरंगदैर्ध्य खिंचकर आज लगभग 2.725 केल्विन तापमान वाले सूक्ष्मतरंग (Microwave) क्षेत्र में आ गई है।
3. यह केवल हमारी आकाशगंगा (Milky Way) के केंद्र से ही आता है और अन्य दिशाओं में अनुपस्थित रहता है।
उपर्युक्त में से कौन-से कथन सही हैं?
सही उत्तर: (a) केवल 1 और 2
व्याख्या: कथन 1 और 2 सही हैं। कथन 3 गलत है क्योंकि CMB केवल मिल्की वे के केंद्र से नहीं आता, बल्कि यह पूरे आकाश की सभी दिशाओं से अत्यधिक समदैशिक (Isotropic — लगभग एकसमान) रूप से प्राप्त होता है, जो बिग बैंग सिद्धांत का सबसे प्रबल प्रमाण है।
व्याख्या: कथन 1 और 2 सही हैं। कथन 3 गलत है क्योंकि CMB केवल मिल्की वे के केंद्र से नहीं आता, बल्कि यह पूरे आकाश की सभी दिशाओं से अत्यधिक समदैशिक (Isotropic — लगभग एकसमान) रूप से प्राप्त होता है, जो बिग बैंग सिद्धांत का सबसे प्रबल प्रमाण है।
Q9. सूर्य–पृथ्वी प्रणाली के 'लैग्रेंज बिंदुओं' (Lagrange Points — L1 से L5) के संदर्भ में निम्नलिखित कथनों पर विचार कीजिए:
1. लैग्रेंज बिंदु L1 पृथ्वी और सूर्य को मिलाने वाली सीधी रेखा पर पृथ्वी से लगभग 15 लाख किमी (1.5 Million km) की दूरी पर स्थित है, जहाँ ISRO का 'आदित्य-L1' अंतरिक्ष यान बिना किसी ग्रहण के निरंतर सूर्य को देख सकता है।
2. जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप (JWST) को L2 बिंदु पर स्थापित किया गया है क्योंकि वहाँ पृथ्वी, सूर्य और चंद्रमा तीनों अंतरिक्ष यान की ऊष्मा-ढाल (Sunshield) के एक ही तरफ रहते हैं, जिससे इन्फ्रारेड उपकरण अत्यधिक ठंडे बने रहते हैं।
3. पाँचों लैग्रेंज बिंदुओं में से L4 और L5 गुरुत्वीय रूप से स्थिर (Stable equilibrium) बिंदु हैं जो सूर्य और पृथ्वी के साथ समबाहु त्रिभुज बनाते हैं।
उपर्युक्त में से कितने कथन सही हैं?
सही उत्तर: (c) सभी तीन
व्याख्या: तीनों कथन पूर्णतः सही हैं। L1, L2 और L3 संरेखीय व मेटा-स्थिर बिंदु हैं (जहाँ हेलो कक्षा में बने रहने के लिए थोड़ी मात्रा में स्टेशन-कीपिंग ईंधन लगता है), जबकि L4 (पृथ्वी से 60° आगे) और L5 (पृथ्वी से 60° पीछे) कोरिओलिस बल के कारण स्थिर संतुलन बिंदु हैं जहाँ ट्रोजन क्षुद्रग्रह एकत्र होते हैं।
व्याख्या: तीनों कथन पूर्णतः सही हैं। L1, L2 और L3 संरेखीय व मेटा-स्थिर बिंदु हैं (जहाँ हेलो कक्षा में बने रहने के लिए थोड़ी मात्रा में स्टेशन-कीपिंग ईंधन लगता है), जबकि L4 (पृथ्वी से 60° आगे) और L5 (पृथ्वी से 60° पीछे) कोरिओलिस बल के कारण स्थिर संतुलन बिंदु हैं जहाँ ट्रोजन क्षुद्रग्रह एकत्र होते हैं।
Q10. पृथ्वी की उपग्रह कक्षाओं के संदर्भ में निम्नलिखित कथनों पर विचार कीजिए:
1. प्रत्येक भू-तुल्यकालिक (Geosynchronous — GSO) कक्षा एक भू-स्थिर (Geostationary — GEO) कक्षा होती है, किंतु प्रत्येक भू-स्थिर कक्षा भू-तुल्यकालिक नहीं होती।
2. सूर्य-तुल्यकालिक ध्रुवीय कक्षा (Sun-Synchronous Orbit — SSO) में स्थापित उपग्रह पृथ्वी के किसी दिए गए अक्षांश को प्रतिदिन एक ही स्थानीय सौर समय (Local Solar Time) पर पार करता है, जो इसे ऑप्टिकल रिमोट सेंसिंग और कार्टोग्राफी के लिए आदर्श बनाता है।
3. जैसे-जैसे किसी वृत्ताकार कक्षा में उपग्रह की पृथ्वी की सतह से ऊँचाई बढ़ती जाती है, उसका कक्षीय वेग (Orbital velocity) घटता जाता है और परिक्रमण काल बढ़ता जाता है।
उपर्युक्त में से कौन-से कथन सही हैं?
सही उत्तर: (b) केवल 2 और 3
व्याख्या:
• कथन 1 गलत (उल्टा) है: प्रत्येक भू-स्थिर (GEO) कक्षा एक भू-तुल्यकालिक (GSO) कक्षा होती है, किंतु प्रत्येक GSO कक्षा GEO नहीं होती! GEO होने के लिए कक्षा का झुकाव शून्य (i = 0°, ठीक भूमध्य रेखा के ऊपर) और उत्केंद्रता शून्य (e = 0, पूर्ण वृत्ताकार) होना अनिवार्य है।
• कथन 2 और 3 सही हैं: SSO उपग्रह समान प्रकाश कोण के लिए एक ही स्थानीय सौर समय पर गुजरते हैं, और vo = √(GM/r) के अनुसार ऊँचाई बढ़ने पर कक्षीय वेग घटता है।
व्याख्या:
• कथन 1 गलत (उल्टा) है: प्रत्येक भू-स्थिर (GEO) कक्षा एक भू-तुल्यकालिक (GSO) कक्षा होती है, किंतु प्रत्येक GSO कक्षा GEO नहीं होती! GEO होने के लिए कक्षा का झुकाव शून्य (i = 0°, ठीक भूमध्य रेखा के ऊपर) और उत्केंद्रता शून्य (e = 0, पूर्ण वृत्ताकार) होना अनिवार्य है।
• कथन 2 और 3 सही हैं: SSO उपग्रह समान प्रकाश कोण के लिए एक ही स्थानीय सौर समय पर गुजरते हैं, और vo = √(GM/r) के अनुसार ऊँचाई बढ़ने पर कक्षीय वेग घटता है।
Q11. भारत की प्रमुख वैज्ञानिक वेधशालाओं और उनकी अवस्थितियों के संदर्भ में निम्नलिखित युग्मों पर विचार कीजिए:
(वेधशाला / परियोजना : अवस्थिति)
1. LIGO-India गुरुत्वीय तरंग वेधशाला : हिंगोली (महाराष्ट्र)
2. MACE चेरेनकोव गामा-किरण टेलीस्कोप : हानले (लद्दाख)
3. अपग्रेडेड जायंट मीटरवेव रेडियो टेलीस्कोप (uGMRT) : खोदद, पुणे (महाराष्ट्र)
4. 4-मीटर इंटरनेशनल लिक्विड मिरर टेलीस्कोप (ILMT) : देवस्थल, नैनीताल (उत्तराखंड)
उपर्युक्त में से कितने युग्म सही सुमेलित हैं?
सही उत्तर: (c) सभी चार
व्याख्या: चारों युग्म पूर्णतः सही सुमेलित हैं: (1) LIGO-India — औंढा नागनाथ, हिंगोली (महाराष्ट्र); (2) MACE टेलीस्कोप व डार्क स्काई रिज़र्व — हानले (लद्दाख); (3) uGMRT (NCRA-TIFR) — खोदद, पुणे (महाराष्ट्र); (4) 3.6m DOT एवं 4m ILMT (ARIES) — देवस्थल, नैनीताल (उत्तराखंड)। (कोडाइकनाल सौर वेधशाला और वेणु बाप्पू वेधशाला कावलूर तमिलनाडु में हैं, तथा उदयपुर सौर वेधशाला फतेहसागर झील, राजस्थान में है।)
व्याख्या: चारों युग्म पूर्णतः सही सुमेलित हैं: (1) LIGO-India — औंढा नागनाथ, हिंगोली (महाराष्ट्र); (2) MACE टेलीस्कोप व डार्क स्काई रिज़र्व — हानले (लद्दाख); (3) uGMRT (NCRA-TIFR) — खोदद, पुणे (महाराष्ट्र); (4) 3.6m DOT एवं 4m ILMT (ARIES) — देवस्थल, नैनीताल (उत्तराखंड)। (कोडाइकनाल सौर वेधशाला और वेणु बाप्पू वेधशाला कावलूर तमिलनाडु में हैं, तथा उदयपुर सौर वेधशाला फतेहसागर झील, राजस्थान में है।)
Q12. 'स्क्वायर किलोमीटर ऐरे ऑब्जर्वेटरी' (SKAO) परियोजना, जिसमें भारत एक पूर्ण सदस्य के रूप में शामिल हुआ है, के संदर्भ में निम्नलिखित कथनों पर विचार कीजिए:
1. यह विश्व का सबसे बड़ा ऑप्टिकल और गामा-किरण टेलीस्कोप नेटवर्क है जिसे लद्दाख और अटाकामा मरुस्थल में बनाया जा रहा है।
2. इसकी रेडियो एंटीना शृंखलाएँ दो देशों — दक्षिण अफ्रीका (SKA-Mid) और ऑस्ट्रेलिया (SKA-Low) — में स्थापित की जा रही हैं।
3. पुणे स्थित राष्ट्रीय रेडियो खगोल भौतिकी केंद्र (NCRA–TIFR) इस परियोजना में भारत की नोडल एजेंसी है और भारत ने इसके 'Telescope Manager' सॉफ्टवेयर के विकास का नेतृत्व किया है।
उपर्युक्त में से कौन-से कथन सही हैं?
सही उत्तर: (b) केवल 2 और 3
व्याख्या: कथन 1 गलत है क्योंकि SKAO कोई ऑप्टिकल या गामा-किरण टेलीस्कोप नहीं है, बल्कि यह विश्व का सबसे बड़ा रेडियो टेलीस्कोप (Radio Telescope Array) है जिसे दक्षिण अफ्रीका के कारू (SKA-Mid) और पश्चिमी ऑस्ट्रेलिया के मर्चिसन (SKA-Low) में स्थापित किया जा रहा है (इसका मुख्यालय जोर्डेल बैंक, यूके में है)। कथन 2 और 3 पूर्णतः सही हैं।
व्याख्या: कथन 1 गलत है क्योंकि SKAO कोई ऑप्टिकल या गामा-किरण टेलीस्कोप नहीं है, बल्कि यह विश्व का सबसे बड़ा रेडियो टेलीस्कोप (Radio Telescope Array) है जिसे दक्षिण अफ्रीका के कारू (SKA-Mid) और पश्चिमी ऑस्ट्रेलिया के मर्चिसन (SKA-Low) में स्थापित किया जा रहा है (इसका मुख्यालय जोर्डेल बैंक, यूके में है)। कथन 2 और 3 पूर्णतः सही हैं।
Q13. खगोल विज्ञान में 'गुरुत्वीय लेंसिंग' (Gravitational Lensing — जैसे 'आइंस्टीन वलय' / Einstein Ring) की परिघटना किस भौतिक सिद्धांत का प्रत्यक्ष परिणाम है?
सही उत्तर: (d)
व्याख्या: आइंस्टीन के सामान्य सापेक्षता सिद्धांत के अनुसार, विशाल द्रव्यमान (जैसे गैलेक्सी क्लस्टर या ब्लैक होल) अपने चारों ओर के स्पेस-टाइम को वक्र (Curve) कर देता है। जब किसी सुदूर क्वेसार या आकाशगंगा से आने वाला प्रकाश इसके पास से गुजरता है, तो वह मुड़ जाता है और एक 'प्राकृतिक ब्रह्मांडीय आवर्धक लेंस' की तरह कई छवियाँ या 'आइंस्टीन रिंग' बनाता है। जेम्स वेब टेलीस्कोप (JWST) और Euclid इसी तकनीक से प्रारंभिक ब्रह्मांड की सबसे दूरस्थ आकाशगंगाओं और डार्क मैटर का मानचित्रण करते हैं।
व्याख्या: आइंस्टीन के सामान्य सापेक्षता सिद्धांत के अनुसार, विशाल द्रव्यमान (जैसे गैलेक्सी क्लस्टर या ब्लैक होल) अपने चारों ओर के स्पेस-टाइम को वक्र (Curve) कर देता है। जब किसी सुदूर क्वेसार या आकाशगंगा से आने वाला प्रकाश इसके पास से गुजरता है, तो वह मुड़ जाता है और एक 'प्राकृतिक ब्रह्मांडीय आवर्धक लेंस' की तरह कई छवियाँ या 'आइंस्टीन रिंग' बनाता है। जेम्स वेब टेलीस्कोप (JWST) और Euclid इसी तकनीक से प्रारंभिक ब्रह्मांड की सबसे दूरस्थ आकाशगंगाओं और डार्क मैटर का मानचित्रण करते हैं।
Q14. निम्नलिखित कथनों पर विचार कीजिए:
1. पृथ्वी की सतह से किसी पिंड का पलायन वेग (11.2 km/s), प्रक्षेपित किए जाने वाले पिंड के द्रव्यमान (Mass of the projected body) से स्वतंत्र होता है।
2. चंद्रमा पर पलायन वेग कम (~2.38 km/s) होने के कारण गैस अणुओं का तापीय वर्ग-माध्य-मूल (RMS) वेग पलायन वेग से अधिक हो जाता है, इसीलिए चंद्रमा पर सघन वायुमंडल नहीं टिक पाता।
3. किसी ग्रह की सतह के निकट वृत्ताकार कक्षीय वेग (vo) और पलायन वेग (ve) के बीच संबंध ve = 2vo होता है।
उपर्युक्त में से कौन-से कथन सही हैं?
सही उत्तर: (a) केवल 1 और 2
व्याख्या: कथन 1 और 2 सही हैं (ve = √(2GM/R), जिसमें प्रक्षेपित पिंड का द्रव्यमान m नहीं आता)। कथन 3 गलत है क्योंकि पलायन वेग और कक्षीय वेग का सही संबंध ve = √2 vo (अर्थात् ≈ 1.414 vo, जैसे 11.2 ≈ 1.414 × 7.9) होता है, न कि 2vo!
व्याख्या: कथन 1 और 2 सही हैं (ve = √(2GM/R), जिसमें प्रक्षेपित पिंड का द्रव्यमान m नहीं आता)। कथन 3 गलत है क्योंकि पलायन वेग और कक्षीय वेग का सही संबंध ve = √2 vo (अर्थात् ≈ 1.414 vo, जैसे 11.2 ≈ 1.414 × 7.9) होता है, न कि 2vo!
Q15. सूर्य की आंतरिक एवं बाह्य परतों के संदर्भ में निम्नलिखित कथनों पर विचार कीजिए:
1. सूर्य की दृश्य सतह 'प्रकाशमंडल' (Photosphere) का तापमान लगभग 5,500°C होता है, जबकि इसके सबसे बाहरी वायुमंडल 'कोरोना' (Corona) का तापमान 10 लाख से 20 लाख °C तक होता है।
2. सौर कलंक (Sunspots) प्रकाशमंडल पर बनने वाले ऐसे क्षेत्र हैं जहाँ प्रबल चुंबकीय क्षेत्र संवहन (Convection) को रोक देता है, जिससे वे आसपास की सतह की तुलना में अपेक्षाकृत ठंडे और गहरे दिखाई देते हैं।
उपर्युक्त में से कौन-सा/से कथन सही है/हैं?
सही उत्तर: (c) 1 और 2 दोनों
व्याख्या: दोनों कथन पूर्णतः सही हैं। कोरोना का तापमान प्रकाशमंडल से सैकड़ों गुना अधिक क्यों है (Coronal Heating Problem — चुंबकीय पुनर्संयोजन व अल्फवेन तरंगें), यही गुत्थी सुलझाना ISRO के आदित्य-L1 और NASA के पार्कर सोलर प्रोब का मुख्य वैज्ञानिक लक्ष्य है।
व्याख्या: दोनों कथन पूर्णतः सही हैं। कोरोना का तापमान प्रकाशमंडल से सैकड़ों गुना अधिक क्यों है (Coronal Heating Problem — चुंबकीय पुनर्संयोजन व अल्फवेन तरंगें), यही गुत्थी सुलझाना ISRO के आदित्य-L1 और NASA के पार्कर सोलर प्रोब का मुख्य वैज्ञानिक लक्ष्य है।
Q16. लद्दाख के हानले में स्थापित 'MACE' (Major Atmospheric Cherenkov Experiment) टेलीस्कोप के संदर्भ में निम्नलिखित कथनों पर विचार कीजिए:
1. इसे भाभा परमाणु अनुसंधान केंद्र (BARC) द्वारा स्वदेशी रूप से विकसित किया गया है और यह विश्व का सर्वाधिक ऊँचाई (~4,270 मीटर) पर स्थित इमेजिंग एटमॉस्फेरिक चेरेनकोव गामा-किरण टेलीस्कोप है।
2. यह ब्रह्मांडीय गामा किरणों को सीधे दर्पण पर परावर्तित करने के बजाय, गामा किरणों के पृथ्वी के वायुमंडल में प्रवेश करने से उत्पन्न द्वितीयक कणों की नीली 'चेरेनकोव चमक' (Cherenkov flashes) का प्रेक्षण करता है।
उपर्युक्त में से कौन-सा/से कथन सही है/हैं?
सही उत्तर: (b) 1 और 2 दोनों
व्याख्या: उच्च-ऊर्जा गामा किरणें पृथ्वी की सतह तक सीधे नहीं पहुँच पातीं क्योंकि वायुमंडल उन्हें अवशोषित कर लेता है। किंतु जब वे ऊपरी वायुमंडल के परमाणुओं से टकराती हैं, तो सापेक्षकीय इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन की बौछार पैदा करती हैं जो वायु में प्रकाश की गति से तेज चलकर नीला चेरेनकोव प्रकाश उत्सर्जित करती हैं — MACE का 21-मीटर परावर्तक इसी को रिकॉर्ड करता है।
व्याख्या: उच्च-ऊर्जा गामा किरणें पृथ्वी की सतह तक सीधे नहीं पहुँच पातीं क्योंकि वायुमंडल उन्हें अवशोषित कर लेता है। किंतु जब वे ऊपरी वायुमंडल के परमाणुओं से टकराती हैं, तो सापेक्षकीय इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन की बौछार पैदा करती हैं जो वायु में प्रकाश की गति से तेज चलकर नीला चेरेनकोव प्रकाश उत्सर्जित करती हैं — MACE का 21-मीटर परावर्तक इसी को रिकॉर्ड करता है।
Q17. खगोलविद सुदूर आकाशगंगाओं की दूरी मापने और ब्रह्मांड के त्वरित विस्तार का अध्ययन करने के लिए 'Type Ia Supernova' को एक उत्कृष्ट 'मानक मोमबत्ती' (Standard Candle) क्यों मानते हैं?
सही उत्तर: (a)
व्याख्या: जब किसी द्वितारा प्रणाली (Binary system) में एक श्वेत वामन तारा अपने साथी तारे से पदार्थ खींचते हुए ठीक 1.44 सौर द्रव्यमान (चंद्रशेखर सीमा) पर पहुँचता है, तो उसमें अनियंत्रित ताप-नाभिकीय विस्फोट (Type Ia Supernova) होता है। चूँकि यह विस्फोट हमेशा एक ही निश्चित द्रव्यमान पर होता है, इसलिए इसकी वास्तविक चमक (Absolute Magnitude) समान रहती है — जिससे पृथ्वी पर दिखने वाली आभासी चमक से उसकी सटीक दूरी मापी जाती है।
व्याख्या: जब किसी द्वितारा प्रणाली (Binary system) में एक श्वेत वामन तारा अपने साथी तारे से पदार्थ खींचते हुए ठीक 1.44 सौर द्रव्यमान (चंद्रशेखर सीमा) पर पहुँचता है, तो उसमें अनियंत्रित ताप-नाभिकीय विस्फोट (Type Ia Supernova) होता है। चूँकि यह विस्फोट हमेशा एक ही निश्चित द्रव्यमान पर होता है, इसलिए इसकी वास्तविक चमक (Absolute Magnitude) समान रहती है — जिससे पृथ्वी पर दिखने वाली आभासी चमक से उसकी सटीक दूरी मापी जाती है।
Q18. पृथ्वी के चारों ओर स्थित 'वैन एलेन विकिरण पट्टियों' (Van Allen Radiation Belts) के संदर्भ में निम्नलिखित कथनों पर विचार कीजिए:
1. ये पृथ्वी के द्विध्रुवीय चुंबकीय क्षेत्र (Magnetosphere) द्वारा फँसाए गए उच्च-ऊर्जा आवेशित कणों (मुख्यतः सौर पवन और ब्रह्मांडीय किरणों से आए प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉन) के दो संकेंद्रित डोनट-आकार के क्षेत्र हैं।
2. ये पट्टियाँ पृथ्वी की सतह पर रहने वाले जीवों को घातक सौर और ब्रह्मांडीय कण विकिरण से बचाने में सुरक्षा कवच का कार्य करती हैं, किंतु इनसे होकर गुजरने वाले अंतरिक्ष यात्रियों और उपग्रह इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए उच्च विकिरण जोखिम पैदा करती हैं।
उपर्युक्त में से कौन-सा/से कथन सही है/हैं?
सही उत्तर: (d) 1 और 2 दोनों
व्याख्या: 1958 में अमेरिका के पहले उपग्रह Explorer-1 द्वारा जेम्स वैन एलेन के नेतृत्व में खोजी गई वैन एलेन विकिरण पट्टियाँ (आंतरिक पट्टी ~1,000–6,000 km प्रोटॉन-बहुल; बाहरी पट्टी ~13,000–60,000 km इलेक्ट्रॉन-बहुल) पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र में फँसे आवेशित कणों के क्षेत्र हैं। ISS (~400 km) इन पट्टियों के नीचे सुरक्षित रूप से परिक्रमा करता है, जबकि GTO या चंद्र मिशनों को इनसे तेजी से गुजरना पड़ता है।
व्याख्या: 1958 में अमेरिका के पहले उपग्रह Explorer-1 द्वारा जेम्स वैन एलेन के नेतृत्व में खोजी गई वैन एलेन विकिरण पट्टियाँ (आंतरिक पट्टी ~1,000–6,000 km प्रोटॉन-बहुल; बाहरी पट्टी ~13,000–60,000 km इलेक्ट्रॉन-बहुल) पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र में फँसे आवेशित कणों के क्षेत्र हैं। ISS (~400 km) इन पट्टियों के नीचे सुरक्षित रूप से परिक्रमा करता है, जबकि GTO या चंद्र मिशनों को इनसे तेजी से गुजरना पड़ता है।
Q19. अंतरिक्ष विज्ञान में अक्सर चर्चा में रहने वाला 'केसलर सिंड्रोम' (Kessler Syndrome) निम्नलिखित में से किस स्थिति को संदर्भित करता है?
सही उत्तर: (b)
व्याख्या: NASA वैज्ञानिक डोनाल्ड जे. केसलर ने 1978 में चेतावनी दी थी कि LEO में निष्क्रिय उपग्रहों और रॉकेट चरणों का घनत्व क्रांतिक सीमा पार करने पर टकरावों की आत्म-संपोषित शृंखला (Domino effect) शुरू हो जाएगी। भारत इससे निपटने के लिए ISRO का प्रोजेक्ट NETRA (Network for Space Objects Tracking and Analysis) और देहरादून/बेंगलुरु में SSA नियंत्रण केंद्र संचालित कर रहा है।
व्याख्या: NASA वैज्ञानिक डोनाल्ड जे. केसलर ने 1978 में चेतावनी दी थी कि LEO में निष्क्रिय उपग्रहों और रॉकेट चरणों का घनत्व क्रांतिक सीमा पार करने पर टकरावों की आत्म-संपोषित शृंखला (Domino effect) शुरू हो जाएगी। भारत इससे निपटने के लिए ISRO का प्रोजेक्ट NETRA (Network for Space Objects Tracking and Analysis) और देहरादून/बेंगलुरु में SSA नियंत्रण केंद्र संचालित कर रहा है।
Q20. खगोलीय दूरियों को मापने वाले निम्नलिखित मात्रकों को उनके बढ़ते हुए परिमाण (Increasing order of distance) के सही क्रम में व्यवस्थित कीजिए:
1. प्रकाश-वर्ष (Light-year)
2. खगोलीय इकाई (Astronomical Unit — AU)
3. पारसेक (Parsec)
नीचे दिए गए कूट का प्रयोग कर सही उत्तर चुनिए:
सही उत्तर: (c) 2 < 1 < 3 (AU < Light-year < Parsec)
व्याख्या:
• खगोलीय इकाई (1 AU): पृथ्वी और सूर्य के बीच की औसत दूरी ≈ 1.496 × 1011 m (~15 करोड़ किमी)।
• प्रकाश-वर्ष (1 Light-year): निर्वात में प्रकाश द्वारा 1 वर्ष में तय दूरी ≈ 9.46 × 1015 m (≈ 63,241 AU)।
• पारसेक (1 Parsec — Parallax of one arcsecond): ≈ 3.26 प्रकाश-वर्ष (≈ 3.086 × 1016 m)। अतः बढ़ता क्रम AU < Light-year < Parsec (2 < 1 < 3) है।
व्याख्या:
• खगोलीय इकाई (1 AU): पृथ्वी और सूर्य के बीच की औसत दूरी ≈ 1.496 × 1011 m (~15 करोड़ किमी)।
• प्रकाश-वर्ष (1 Light-year): निर्वात में प्रकाश द्वारा 1 वर्ष में तय दूरी ≈ 9.46 × 1015 m (≈ 63,241 AU)।
• पारसेक (1 Parsec — Parallax of one arcsecond): ≈ 3.26 प्रकाश-वर्ष (≈ 3.086 × 1016 m)। अतः बढ़ता क्रम AU < Light-year < Parsec (2 < 1 < 3) है।
अतिरिक्त मुख्य परीक्षा अभ्यास प्रश्न एवं मॉडल उत्तर (GS-III)
अभ्यास मुख्य परीक्षा प्रश्न 3 (GS-III — भारतीय खगोलिकी विरासत एवं आधुनिक वेधशालाएँ | 15 अंक, 250 शब्द): "डॉ. सुब्रह्मण्यम चंद्रशेखर और प्रो. गोविंद स्वरूप के अग्रणी योगदानों से लेकर आज के 'SKAO', 'MACE (हानले)' और 'XPoSat' तक, खगोल भौतिकी और अंतरिक्ष-आधारित प्रेक्षण में भारत की वैज्ञानिक यात्रा का मूल्यांकन कीजिए।"
उत्तर संरचना:
- ऐतिहासिक वैज्ञानिक नींव: (i) डॉ. मेघनाद साहा (1920): तारकीय वर्णक्रम को तापमान और दाब से जोड़ने वाला 'साहा आयनीकरण समीकरण'; (ii) डॉ. एस. चंद्रशेखर (1930, नोबेल 1983): 1.44 M☉ की चंद्रशेखर सीमा जिसने श्वेत वामन, सुपरनोवा और ब्लैक होल भौतिकी की नींव रखी; (iii) प्रो. गोविंद स्वरूप: ऊटी रेडियो टेलीस्कोप (1970) और पुणे के खोदद में 30-डिश वाले GMRT/uGMRT की स्थापना कर भारत को मीटर-तरंग रेडियो खगोलिकी में विश्वगुरु बनाया।
- आधुनिक बहु-तरंगदैर्ध्य क्षमता (Multi-Wavelength Capability):
- अंतरिक्ष-आधारित वेधशालाएँ: AstroSat (2015), आदित्य-L1 (2023–26) और विश्व का दूसरा एक्स-रे ध्रुवण मिशन XPoSat (2024)।
- उच्च-तुंगता धरातलीय वेधशालाएँ: लद्दाख के हानले (4,270 m) में भारत का प्रथम डार्क स्काई रिज़र्व और BARC का 21-मीटर MACE गामा-किरण टेलीस्कोप तथा देवस्थल (उत्तराखंड) में 3.6m DOT व 4m लिक्विड मिरर टेलीस्कोप (ILMT)।
- वैश्विक मेगा-साइंस भागीदारी: ₹1,250 करोड़ के साथ SKAO में पूर्ण सदस्यता (Telescope Manager का नेतृत्व), ₹2,600 करोड़ का LIGO-India (हिंगोली) और थर्टी मीटर टेलीस्कोप (TMT)।
- निष्कर्ष: भारत ने रेडियो से लेकर गामा-किरण और गुरुत्वीय तरंगों तक संपूर्ण स्पेक्ट्रम में आत्मनिर्भर अनुसंधान पारिस्थितिकी तंत्र विकसित कर लिया है।
अभ्यास मुख्य परीक्षा प्रश्न 4 (GS-III — डार्क मैटर एवं डार्क एनर्जी | 10 अंक, 150 शब्द): "'जिस ब्रह्मांड को हम अपनी आँखों और पारंपरिक दूरबीनों से देखते हैं, वह वास्तविक ब्रह्मांड का मात्र 5 प्रतिशत है।' इस कथन के आलोक में डार्क मैटर और डार्क एनर्जी के बीच अंतर स्पष्ट कीजिए तथा इनके अध्ययन हेतु चलाए जा रहे प्रमुख वैश्विक मिशनों का उल्लेख कीजिए।"
उत्तर संरचना:
- 5% दृश्य ब्रह्मांड: कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड (WMAP एवं Planck मिशन) के प्रेक्षण दर्शाते हैं कि सभी तारे, ग्रह और अंतरतारकीय गैस (बैरियोनिक पदार्थ) कुल द्रव्यमान-ऊर्जा का मात्र ~4.9% हैं; शेष ~95.1% अदृश्य ('Dark Sector') है।
- डार्क मैटर (~26.8%) बनाम डार्क एनर्जी (~68.3%): डार्क मैटर प्रकाश से अंतःक्रिया नहीं करता किंतु आकर्षी गुरुत्वाकर्षण द्वारा आकाशगंगाओं को उच्च घूर्णन गति पर भी बिखरने से रोकता है (प्रमाण: वेरा रुबिन के घूर्णन वक्र, गुरुत्वीय लेंसिंग, बुलेट क्लस्टर)। इसके विपरीत, डार्क एनर्जी निर्वात से संबद्ध एक प्रतिकर्षी दबाव है जो लगभग 5 अरब वर्ष पूर्व से ब्रह्मांड के विस्तार को त्वरित कर रही है (प्रमाण: Type Ia Supernovae)।
- प्रमुख वैश्विक व भारतीय प्रयास: यूरोपीय अंतरिक्ष एजेंसी (ESA) का Euclid टेलीस्कोप (L2 बिंदु पर), DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument), वेरा रुबिन वेधशाला (LSST), NASA का आगामी Nancy Grace Roman टेलीस्कोप और झारखंड की जादूगोड़ा खदान (555 मीटर भूमिगत) में भारत की DINO (Dark Matter at Jaduguda Underground Science Laboratory) प्रयोगशाला।
अभ्यास मुख्य परीक्षा प्रश्न 5 (GS-III — उपग्रह कक्षाओं का चयन | 10 अंक, 150 शब्द): "सुदूर संवेदन (Remote Sensing) उपग्रहों को सूर्य-तुल्यकालिक ध्रुवीय कक्षा (SSO) में, जबकि दूरसंचार और मौसम उपग्रहों को भू-स्थिर कक्षा (GEO) में क्यों स्थापित किया जाता है? वैज्ञानिक कारण स्पष्ट कीजिए।"
उत्तर संरचना:
- सुदूर संवेदन हेतु SSO (600–900 km, झुकाव ~98°): (i) पृथ्वी के निकट होने के कारण उच्च स्थानिक विभेदन (Sub-meter spatial resolution — जैसे Cartosat-3 का 25 cm); (ii) ध्रुव से ध्रुव परिक्रमा करने और पृथ्वी के इसके नीचे घूमने से संपूर्ण ग्लोब का कवरेज; (iii) प्रतिदिन एक ही स्थानीय सौर समय पर गुजरने से अलग-अलग महीनों में लिए गए चित्रों में छाया और सूर्य के प्रकाश का कोण समान रहता है, जिससे फसल, वन और हिमनद परिवर्तन की सटीक तुलना संभव होती है।
- संचार व मौसम हेतु GEO (35,786 km, झुकाव 0°): (i) परिक्रमण काल पृथ्वी के घूर्णन काल (23 घंटे 56 मिनट 4 सेकंड) के बराबर होने से उपग्रह आकाश में एक ही स्थान पर स्थिर रहता है, इसलिए घरों की DTH छतरियों और VSAT एंटीना को बार-बार घुमाना नहीं पड़ता; (ii) अधिक ऊँचाई से पृथ्वी के लगभग एक-तिहाई गोलार्द्ध पर चक्रवातों और मानसून बादलों (INSAT-3DS) की निरंतर रीयल-टाइम निगरानी संभव होती है।
खंड 09
त्वरित पुनरावृत्ति तालिका (Quick Revision Matrix)
| खगोलीय पिंड / अवधारणा | द्रव्यमान / दूरी मानदंड | संतुलनकारी भौतिक बल / सिद्धांत | UPSC Prelims मुख्य बिंदु |
|---|---|---|---|
| बौना तारा बनाम विशालकाय तारा | बौना: ≤ 2 M☉ विशालकाय: > 8 M☉ |
गुरुत्वाकर्षण बनाम संलयन तापीय दाब | विशालकाय तारों में नाभिकीय अभिक्रिया दर अधिक होती है, इसलिए उनका जीवनकाल बौने तारों से बहुत छोटा होता है (UPSC 2024)। |
| श्वेत वामन (White Dwarf) | अवशेष क्रोड < 1.44 M☉ (चंद्रशेखर सीमा) | इलेक्ट्रॉन अपभ्रष्टता दाब (Electron Degeneracy Pressure) | हमारा सूर्य अंततः श्वेत वामन बनेगा; द्वितारा प्रणाली में 1.44 M☉ पार करने पर Type Ia Supernova होता है। |
| न्यूट्रॉन तारा / पल्सर (Pulsar) | अवशेष क्रोड 1.44 M☉ से ~3 M☉ | न्यूट्रॉन अपभ्रष्टता दाब (Neutron Degeneracy Pressure) | विशाल तारों के ईंधन समाप्त होने व सुपरनोवा पतन से बने तेजी से घूमते न्यूट्रॉन तारे (UPSC 2023)। |
| ब्लैक होल (Black Hole) | अवशेष क्रोड > 3 M☉ (TOV सीमा से अधिक) | पूर्ण गुरुत्वीय पतन (केंद्र में Singularity, सीमा Event Horizon) | ब्लैक होल विलय से गुरुत्वीय तरंगें निकलती हैं (UPSC 2019, 2017); EHT ने M87* व Sgr A* की छाया खींची। |
| लैग्रेंज बिंदु L1 एवं L2 | पृथ्वी से 15 लाख km (1.5 Million km) | सूर्य व पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण + अपकेंद्रीय बल का संतुलन | L1 (सूर्य की ओर): आदित्य-L1, SOHO। L2 (पृथ्वी के पीछे): जेम्स वेब टेलीस्कोप (JWST), Euclid, Gaia। |
खंड 10
अध्याय का सार (Chapter Summary in 6 Core Points)
- ब्रह्मांड का बजट: 13.8 अरब वर्ष पूर्व बिग बैंग से उत्पन्न ब्रह्मांड में ~68.3% डार्क एनर्जी (त्वरित विस्तार की चालक), ~26.8% डार्क मैटर (आकर्षी गुरुत्वीय ढाँचा) और मात्र ~4.9% साधारण बैरियोनिक पदार्थ है; CMB (2.725 K) और डॉप्लर रेडशिफ्ट इसके विस्तार के प्रत्यक्ष प्रमाण हैं।
- तारकीय जीवन-चक्र (UPSC 2024 एवं 2023): तारे नीहारिका (Nebula) में जन्म लेते हैं; विशालकाय तारे (Giant stars) तीव्र नाभिकीय संलयन दर के कारण बौने तारों (Dwarf stars) की तुलना में बहुत कम समय तक जीते हैं। सेफिड चर तारे (Cepheids) दूरी मापने की 'मानक मोमबत्तियाँ' हैं।
- चंद्रशेखर सीमा (1.44 M☉): अवशेष क्रोड < 1.44 M☉ होने पर श्वेत वामन, 1.44–3 M☉ होने पर सुपरनोवा के बाद न्यूट्रॉन तारा / पल्सर, और > 3 M☉ होने पर ब्लैक होल (Event Horizon व Singularity — UPSC 2017) बनता है।
- गुरुत्वीय तरंगें एवं भारतीय वेधशालाएँ (UPSC 2019): ब्लैक होल/न्यूट्रॉन तारा विलय से स्पेस-टाइम में उत्पन्न गुरुत्वीय तरंगों के अध्ययन हेतु महाराष्ट्र के हिंगोली में LIGO-India (₹2,600 करोड़) बन रहा है; साथ ही भारत SKAO (₹1,250 करोड़, NCRA-TIFR पुणे) का पूर्ण सदस्य है और लद्दाख के हानले (4,270 m) में MACE गामा-किरण टेलीस्कोप संचालित कर रहा है।
- अंतरिक्ष मौसम एवं लैग्रेंज बिंदु (UPSC 2022): सौर ज्वालाओं और CMEs से GPS, पावर ग्रिड, ध्रुवीय रेडियो संचार और LEO उपग्रह कक्षाएँ प्रभावित होती हैं तथा तीव्र अरोरा बनते हैं (किंतु सुनामी या जंगल की आग नहीं लगती)। L1 बिंदु (15 लाख किमी) पर आदित्य-L1 और L2 बिंदु पर JWST कार्यरत हैं।
- कक्षीय यांत्रिकी: पृथ्वी से पलायन वेग 11.2 km/s (ve = √2 vo) है; रिमोट सेंसिंग उपग्रह SSO (600–900 km) में, नेविगेशन उपग्रह MEO (~20,200 km) / GSO में और संचार व मौसम उपग्रह GEO (35,786 km, भूमध्य रेखा पर i = 0°) में स्थापित किए जाते हैं।
खंड 11
आधिकारिक स्रोत एवं संदर्भ लिंक (Official Sources & Links)
- पत्र सूचना कार्यालय (PIB — परमाणु ऊर्जा विभाग एवं विज्ञान व प्रौद्योगिकी मंत्रालय): LIGO-India Project at Hingoli (Maharashtra) & India's Astronomy Megaprojects (SKAO & MACE Hanle) — https://www.pib.gov.in/PressReleasePage.aspx?PRID=2087501
- PIB (5 अक्टूबर 2026): India wins 4 Gold and 1 Silver at 19th International Olympiad on Astronomy and Astrophysics (IOAA 2026) — https://www.pib.gov.in/PressReleasePage.aspx?PRID=2319153
- परमाणु ऊर्जा विभाग (Department of Atomic Energy — DAE, भारत सरकार): LIGO-India & BARC MACE Gamma-Ray Telescope Updates — https://dae.gov.in/
- भारतीय ताराभौतिकी संस्थान (Indian Institute of Astrophysics — IIA, बेंगलुरु): Indian Astronomical Observatory (IAO) & Hanle Dark Sky Reserve — https://www.iiap.res.in/
- संघ लोक सेवा आयोग (UPSC Official Archive): Previous Year Question Papers (CSE Prelims 2017, 2019, 2022, 2023, 2024) — https://www.upsc.gov.in/examinations/previous-question-papers