Gravitational waves and galaxies cross-correlations: a forecast on GW biases for future detectors
यह शोध पत्र पूर्वानुमान लगाता है कि भविष्य के तृतीय-पीढ़ी के डिटेक्टरों से प्राप्त गुरुत्वाकर्षण तरंगों को गैलेक्सी सर्वेक्षणों के साथ सह-संबंधित करने से बाइनरी ब्लैक होल क्लस्टरिंग बायस और मैग्निफिकेशन लेंसिंग प्रभावों का सटीक मापन सक्षम होगा, बशर्ते कि अनुकूल रेडशिफ्ट चयन या बाहरी बाधाओं के माध्यम से बायस मापदंडों के बीच के डिजेनेरेसी (degeneracies) को हल कर लिया जाए।
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ब्रह्मांड की कल्पना एक विशाल, अदृश्य डार्क मैटर के महासागर के रूप में करें। हम इस महासागर को सीधे नहीं देख सकते, लेकिन हम जानते हैं कि यह वहां है क्योंकि यह एक ब्रह्मांडीय मचान (scaffold) की तरह कार्य करता है, जो बाकी सब चीजों को एक साथ थामे रखता है। दशकों से, खगोलशास्त्री आकाशगंगाओं को अपने "बॉयज़" (buoys) के रूप में उपयोग करके इस छिपी हुई संरचना का मानचित्रण कर रहे हैं। कुछ निश्चित क्षेत्रों में आकाशगंगाएँ कितनी अधिक आपस में जुड़ी हुई हैं, इसकी गिनती करके, वे उनके नीचे मौजूद डार्क मैटर के आकार का अनुमान लगा सकते हैं। लेकिन हाल ही में, एक प्रकार का नया ब्रह्मांडीय संदेशवाहक आया है: गुरुत्वाकर्षण तरंगें (gravitational waves)। ये अंतरिक्ष-समय के ताने-बाने में उठने वाली लहरें हैं, जो ब्लैक होल्स जैसे विशाल पिंडों के आपस में टकराने से उत्पन्न होती हैं। 2015 में अपनी पहली पहचान के बाद से, इन तरंगों ने ब्रह्मांड के लिए एक नई खिड़की खोल दी है। हालाँकि, आकाशगंगाओं के विपरीत, जो प्रकाश से चमकती हैं, गुरुत्वाकर्षण तरंगें शांत और हमारी आँखों के लिए अदृश्य होती हैं; हम उन्हें केवल "सुन" पाते हैं। वैज्ञानिक जो बड़ा सवाल पूछ रहे हैं वह यह है: क्या ये ब्लैक होल विलय (mergers) उन्हीं पड़ोसों में रहते हैं जहाँ हम आकाशगंगाओं को देखते हैं? यदि वे ऐसा करते हैं, तो वे डार्क मैटर के महासागर का मानचित्र और भी सटीक रूप से बनाने में मदद करने के लिए नए बॉयज़ के रूप में कार्य कर सकते हैं। यदि वे नहीं करते हैं, तो इसका अर्थ यह हो सकता है कि ब्लैक होल्स अंधेरे में अकेले भटक रहे हैं, या शायद वे हमारे सोचने के तरीके से बिल्कुल अलग तरह से बने हैं।
यह शोध पत्र एक पूर्वानुमान है, एक प्रकार का "क्रिस्टल बॉल" अध्ययन, जो गुरुत्वाकर्षण तरंग खगोल विज्ञान के भविष्य की ओर देख रहा है। लेखक, स्टेफ़ानो ज़ाज़ेरा और उनकी टीम, यह पूछ रहे हैं: "यदि हम अगली पीढ़ी के अति-संवेदनशील गुरुत्वाकर्षण तरंग डिटेक्टरों, जैसे कि आइंस्टीन टेलीस्कोप (ET) और कॉस्मिक एक्सप्लोरर (CE) का निर्माण करते हैं, तो हम ब्लैक होल्स के 'क्लस्टरिंग बायस' (clustering bias) को कितनी अच्छी तरह से माप पाएंगे?" सरल शब्दों में, "क्लस्टरिंग बायस" एक ऐसी संख्या है जो हमें बताती है कि ब्लैक होल्स के औसत डार्क मैटर की तुलना में भीड़भाड़ वाले क्षेत्रों में रहने की कितनी अधिक संभावना है। 1 का बायस बताता है कि वे भीड़ का पूरी तरह से अनुसरण करते हैं; एक उच्च संख्या का अर्थ है कि वे बहुत चयनात्मक हैं और केवल सबसे घने पार्टी ज़ोन में ही रहते हैं। टीम यह भी देखना चाहती है कि क्या हम उन सूक्ष्म प्रभावों को पकड़ सकते हैं जहाँ अन्य पिंडों का गुरुत्वाकर्षण गुरुत्वाकर्षण तरंगों को मोड़ देता है (जैसे लेंस प्रकाश को मोड़ता है) या समय के साथ उनकी गिनती को बदल देता है।
शोधकर्ताओं ने "फिशर फॉर्मलिज्म" नामक एक गणितीय उपकरण का उपयोग किया ताकि यह सिम्युलेट किया जा सके कि क्या होगा यदि हम इन भविष्य के गुरुत्वाकर्षण तरंग डिटेक्टरों को वेरा रुबिन वेधशाला (LSST) जैसे विशाल गैलेक्सी सर्वेक्षणों के साथ जोड़ते हैं। उन्होंने केवल एक परिदृश्य नहीं देखा; उन्होंने विभिन्न वर्तमान और भविष्य के डिटेक्टरों को विभिन्न गैलेक्सी सर्वेक्षणों के साथ विभिन्न संयोजनों में टेस्ट किया ताकि यह देखा जा सके कि कौन सी जोड़ी सबसे अच्छे परिणाम देगी।
यहाँ उन्हें क्या मिला। यदि हम अपने वर्तमान डिटेक्टरों (जैसे कि जो O4 और O5 अवलोकन रन चला रहे हैं) के साथ टिके रहते हैं, तो परिणाम थोड़े धुंधले हैं। टीम भविष्यवाणी करती है कि वर्तमान तकनीक के साथ, ब्लैक होल्स के क्लस्टर होने के तरीके को मापने में त्रुटि 50% तक उच्च हो सकती है। यह मोटे, धुंधले चश्मे पहनकर किसी व्यक्ति के वजन का अनुमान लगाने जैसा है। हालाँकि, तीसरी पीढ़ी के डिटेक्टरों के साथ तस्वीर नाटकीय रूप से बदल जाती है। जब उन्होंने आइंस्टीन टेलीस्कोप के डेटा को LSST गैलेक्सी सर्वेक्षण के साथ क्रॉस-कोरिलेट करने का सिम्युलेशन किया, तो सटीकता आसमान छू गई। उन्होंने भविष्यवाणी की कि ये भविष्य के उपकरण क्लस्टरिंग बायस को केवल 2.5% की त्रुटि के साथ माप सकते हैं। यह धुंधले चश्मे से हाई-डेफिनिशन माइक्रोस्कोप पर स्विच करने जैसा है।
अध्ययन ने अन्य जटिल प्रभावों को भी देखा। उन्होंने पाया कि आइंस्टीन टेलीस्कोप और LSST के साथ, हम गुरुत्वाकर्षण तरंगों पर "मैग्निफिकेशन लेंसिंग" (magnification lensing) प्रभाव को लगभग 3% सटीकता के साथ माप सकते हैं। यह रोमांचक है क्योंकि यह हमें ब्रह्मांडीय पैमाने पर गुरुत्वाकर्षण के नियमों का एक बिल्कुल नए तरीके से परीक्षण करने की अनुमति देगा। हालाँकि, इसमें एक पेंच है। टीम ने एक "डिजेनेरेसी" (degeneracy) की खोज की, जो एक भ्रमित करने वाला मिश्रण है। गणित दिखाता है कि मैग्निफिकेशन का प्रभाव और ब्लैक होल आबादी के समय के साथ विकसित होने का प्रभाव आपस में उलझे हुए हैं। यह यह पता लगाने जैसा है कि केक की मिठास में कितना हिस्सा चीनी का है और कितना शहद का, जब वे आपस में पूरी तरह से मिल गए हों; आप उन्हें आसानी से अलग नहीं कर सकते। इस कारण से, दोनों को एक साथ मापना बहुत कठिन है। लेखक सुझाव देते हैं कि यदि हम यह मान लें कि हम पहले से ही इनमें से एक मान जानते हैं, या यदि हम ब्रह्मांड के एक विशिष्ट "स्वीट स्पॉट" (रेडशिफ्ट 1 और 2.5 के बीच) पर ध्यान केंद्रित करते हैं, तो हम इस उलझन को सुलझा सकते हैं और सटीक माप प्राप्त कर सकते हैं।
संक्षेप में, यह शोध पत्र सुझाव देता है कि जबकि हमारे वर्तमान उपकरण ब्लैक होल्स के क्लस्टर होने की स्पष्ट तस्वीर देने के लिए थोड़े कच्चे हैं, भविष्य अविश्वसनीय रूप से उज्ज्वल है। जब तक 2035 के आसपास आइंस्टीन टेलीस्कोप ऑनलाइन नहीं आता, तब तक हम ब्लैक होल्स को अपने मार्गदर्शकों के रूप में उपयोग करके डार्क मैटर के वितरण का अविश्वसनीय सटीकता के साथ मानचित्रण करने में सक्षम होंगे, जो संभावित रूप से यह रहस्य उजागर करेगा कि ये ब्रह्मांडीय दिग्गज कैसे जन्म लेते हैं और वे कहाँ रहना चुनते हैं।
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