Revising the Spin and Kick Connection in Isolated Binary Black Holes

ब्लैक होल ब्रह्मांड की सबसे चरम वस्तुएं हैं, जिनका जन्म विशाल सितारों के हिंसक पतन से होता है। दशकों से, खगोलशास्त्री उनके बारे में एक विशिष्ट, जिद्दी रहस्य को समझने की कोशिश कर रहे हैं: उनका स्पिन (घूर्णन) कहाँ से आता है? जब एक तारा ढहता है, तो वह अक्सर तेजी से घूमने लगता है, ठीक वैसे ही जैसे एक फिगर स्केटर अपने हाथों को अंदर खींच लेता है। प्रचलित सिद्धांत यह रहा है कि ब्लैक होल सीधे अपने मूल तारे से इस स्पिन को विरासत में प्राप्त करते हैं। चूंकि बाइनरी जोड़ों में स्थित तारे आमतौर पर उसी दिशा में घूमते हैं जिस दिशा में वे एक-दूसरे की परिक्रमा करते हैं, इसलिए इस सिद्धांत ने भविष्यवाणी की थी कि परिणामी ब्लैक होल भी अपनी कक्षा के साथ पूर्णतः संरेखित (aligned) होकर घूमेंगे। यदि यह सच होता, तो यह खगोलशास्त्रियों को यह बताने का एक विश्वसनीय तरीका देता कि ब्लैक होल कैसे बने। जो अकेले, तारों के शांत क्षेत्रों में पैदा हुए हैं, वे अपने साथी के साथ व्यवस्थित रूप से घूमेंगे, जबकि जो संयोग से भीड़भाड़ वाले तारा समूहों में एक साथ आए हैं, वे यादृच्छिक दिशाओं में घूमेंगे।

हालाँकि, गुरुत्वाकर्षण तरंग डिटेक्टरों के हालिया अवलोकनों ने इस सुव्यवस्थित तस्वीर को अस्त-व्यस्त कर दिया है। वैज्ञानिकों ने ब्लैक होल विलयों का पता लगाया है जहाँ स्पिन अजीब कोणों पर झुका हुआ है, या यहाँ तक कि कक्षा के सापेक्ष पीछे की ओर (बैकवर्ड) घूम रहा है। इन "विषम-संरेखित" (misaligned) स्पिनों को पारंपरिक रूप से इस प्रमाण के रूप में लिया गया है कि ब्लैक होल को भीड़भाड़ वाले वातावरण में गतिशील रूप से जोड़ा गया था, न कि वे साथ पैदा हुए थे। लेकिन एक नया अध्ययन इस धारणा को चुनौती देता है, यह सुझाव देते हुए कि ब्लैक होल के स्पिन की कहानी केवल साधारण विरासत से कहीं अधिक जटिल है। शोधकर्ता प्रस्ताव देते हैं कि ब्लैक होल का हिंसक जन्म ब्लैक होल के स्पिन की दिशा को अस्त-व्यस्त करने वाली प्रक्रियाओं में शामिल हो सकता है, जिससे अलगाव में पैदा हुए जोड़ों के लिए भी विषमता उत्पन्न हो सकती है।

विशाल बैभव और विक्की कालोगेरा के नेतृत्व वाली टीम ने इस विचार का परीक्षण करने के लिए चार अलग-अलग तरीकों की खोज की, जिनसे एक ब्लैक होल अपना स्पिन प्राप्त कर सकता है। पहला पारंपरिक दृष्टिकोण है: स्पिन सीधे मूल तारे से विरासत में मिलता है, जिससे यह कक्षा के साथ संरेखित रहता है। अन्य तीन अधिक अराजक संभावनाएं हैं। एक परिदृश्य में, स्पिन मरते हुए तारे के भीतर विक्षुब्ध (turbulent) प्रक्रियाओं द्वारा यादृच्छिक रूप से उत्पन्न होता है, जो किसी भी दिशा में समान संभावना के साथ संकेत करता है। दूसरे में, स्पिन उस "किक" (झटके) के साथ संरेखित होता है जो ब्लैक होल को जन्म के समय प्राप्त होता है—एक अचानक लगने वाला झटका जो एक असमान विस्फोट के कारण होता है। तीसरे में, स्पिन उस किक के लंबवत (perpendicular) होता है। शोधकर्ताओं ने कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग यह मॉडल करने के लिए किया कि ये विभिन्न स्पिन दिशाएं ब्लैक होल के बनने और एक-दूसरे की कक्षा में घूमने के बाद कैसी दिखेंगी, विशेष रूप से यह देखते हुए कि जन्म की हिंसक घटना, जिसे कोर कोलैप्स (core collapse) कहा जाता है, स्वयं कक्षा को कैसे झुका देती है।

उनके सिमुलेशन ने खुलासा किया कि पुराना अनुमान—कि अलग-थलग बाइनरी के स्पिन संरेखित होने चाहिए—अनिवार्य रूप से सत्य नहीं है। उन्होंने पाया कि यदि ब्लैक होल का स्पिन उसके जन्म के किक की दिशा से जुड़ा है, या यदि यह यादृच्छिक रूप से उत्पन्न होता है, तो परिणामी प्रणाली बड़े विषमता या यहाँ तक कि रेट्रोग्रेड (पश्चगामी) स्पिन प्रदर्शित कर सकती है, जहाँ ब्लैक होल अपनी कक्षा के सापेक्ष उल्टा घूमता है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि वह किक जो ब्लैक होल को दूर धकेलता है, बाइनरी जोड़ी की पूरी कक्षा को भी झुका देती है। किक की ताकत और स्पिन की दिशा के आधार पर, अंतिम परिणाम बिल्कुल वैसा ही दिख सकता है जैसा कि एक सिस्टम जो संयोग से किसी भीड़भाड़ वाले क्लस्टर में एक साथ आया था, भले ही वह शांति से अलगाव में बना हो।

इस खोज के टकराने वाले ब्लैक होलों के संकेतों की व्याख्या करने के तरीके पर गहरे निहितार्थ हैं। अध्ययन बताता है कि झुके हुए स्पिन या पीछे की ओर घूमने वाले स्पिन की उपस्थिति, अपने आप में यह प्रमाण नहीं है कि एक सिस्टम को गतिशील रूप से जोड़ा गया था। एक बाइनरी जोड़ी जो शांत क्षेत्र में बनी थी, भी अराजक स्पिन अभिविन्यास के साथ समाप्त हो सकती है यदि इसके जन्म की भौतिकी में ये वैकल्पिक तंत्र शामिल थे। शोधकर्ताओं ने अपने मॉडलों को लाइगो-विवरगो-कागरा (LIGO-Virgo-KAGRA) सहयोग द्वारा पता लगाए गए 257 ब्लैक होल विलयों के डेटा के विरुद्ध चलाया। उन्होंने पाया कि जबकि कुछ घटनाएं पारंपरिक संरेखित मॉडल का मजबूती से समर्थन करती हैं, अन्य वैकल्पिक स्पिन-जनरेशन सिद्धांतों द्वारा बेहतर ढंग से समझाई जा सकती हैं। विशेष रूप से, एक घटना जिसमें एक संभावित न्यूट्रॉन स्टार और एक ब्लैक होल शामिल था, ने एक पीछे की ओर घूमने वाला स्पिन दिखाया जो पुराने सिद्धांत के साथ समझाना बहुत कठिन है लेकिन नए मॉडलों के साथ स्वाभाविक रूप से फिट बैठता है।

यह शोध पत्र यह दावा नहीं करता है कि उसने ब्लैक होल स्पिन के रहस्य को सुलझा लिया है, न ही यह सिद्ध करता है कि सभी विषम-संरेखित सिस्टम अलग-थलग बाइनरी ही हैं। इसके बजाय, यह प्रदर्शित करता है कि अलग-थलग बाइनरी के व्यवहार के लिए संभावनाओं की सीमा पहले की तुलना में बहुत अधिक विस्तृत है। यह मान लेने के बजाय कि स्पिन विरासत में मिलना ही चाहिए, लेखक दिखाते हैं कि बाइनरी की उत्पत्ति का "फिंगरप्रिंट" धुंधला हो गया है। वे विशिष्ट संकेत जिन्हें खगोलशास्त्री फील्ड बाइनरी को क्लस्टर बाइनरी से अलग करने की आशा कर रहे थे, उतने स्पष्ट नहीं हैं जितने पहले माने जाते थे। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि इन ब्रह्मांडीय दिग्गजों के उद्गम को वास्तव में समझने के लिए, वैज्ञानिकों को प्रत्येक घटना को अलग-थकी देखने के बजाय पूरी आबादी को देखना होगा, और इस संभावना के लिए तैयार रहना होगा कि ब्लैक होल के जन्म की हिंसक भौतिकी उसके साथी के साथ उसके नृत्य के नियमों को फिर से लिख सकती है।