⚛️ general relativity

Exploring the presence of a fifth force at the Galactic Center

1992 से 2022 तक के S2 स्टार डेटा के मार्कोव चेन मोंटे कार्लो विश्लेषण का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन गैलेक्टिक सेंटर में एक युकावा-जैसे पांचवें बल (Yukawa-like fifth force) के लिए अब तक की सबसे कड़े ऊपरी सीमा को स्थापित करता है, जो लगभग 200 AU के स्केल लेंथ के लिए इसकी तीव्रता को $|\alpha| < 0.003$ तक सीमित करता है।

मूल लेखक: The GRAVITY Collaboration, K. Abd El Dayem, R. Abuter, N. Aimar, P. Amaro Seoane, A. Amorim, J. P. Berger, H. Bonnet, G. Bourdarot, W. Brandner, V. Cardoso, Y. Clénet, R. Davies, P. T. de Zeeuw, A. Dr

प्रकाशित 2026-02-25

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CC BY 4.0

मूल लेखक: The GRAVITY Collaboration, K. Abd El Dayem, R. Abuter, N. Aimar, P. Amaro Seoane, A. Amorim, J. P. Berger, H. Bonnet, G. Bourdarot, W. Brandner, V. Cardoso, Y. Clénet, R. Davies, P. T. de Zeeuw, A. Drescher, A. Eckart, F. Eisenhauer, H. Feuchtgruber, G. Finger, N. M. Förster Schreiber, A. Foschi, P. Garcia, E. Gendron, R. Genzel, S. Gillessen, M. Hartl, X. Haubois, F. Haussmann, T. Henning, S. Hippler, M. Horrobin, L. Jochum, L. Jocou, A. Kaufer, P. Kervella, S. Lacour, V. Lapeyrère, J. -B. Le Bouquin, P. Léna, D. Lutz, F. Mang, N. More, J. Osorno, T. Ott, T. Paumard, K. Perraut, G. Perrin, S. Rabien, D. C. Ribeiro, M. Sadun Bordoni, S. Scheithauer, J. Shangguan, T. Shimizu, J. Stadler, O. Straub, C. Straubmeier, E. Sturm, L. J. Tacconi, I. Urso, F. Vincent, S. D. von Fellenberg, E. Wieprecht, J. Woillez

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल, अदृश्य ट्रैम्पोलिन है। एक सदी से अधिक समय से, हम मानते आए हैं कि इस ट्रैम्पोलिन के कपड़े का वर्णन अल्बर्ट आइंस्टीन के सामान्य सापेक्षता (General Relativity) के सिद्धांत द्वारा पूरी तरह से किया गया है। भारी वस्तुएं, जैसे कि हमारी आकाशगंगा के केंद्र में स्थित सुपरमैसिव ब्लैक होल (Sagittarius A*), इस कपड़े में गहरे गड्ढे बनाती हैं, और छोटी वस्तुएं (जैसे तारे) उन गड्ढों के चारों ओर अनुमानित तरीकों से घूमती हैं।

लेकिन क्या होगा अगर कोई छिपा हुआ बल हो, एक "पांचवां बल," जिसे हमने अभी तक नहीं देखा है? शायद यह एक सूक्ष्म, अदृश्य हवा की तरह है जो ट्रैम्पोलिन पर बह रही है, जो तारों के घूमने के तरीके को थोड़ा बदल रही है।

यह पेपर एक उच्च-दांव वाली जासूसी कहानी है जहाँ GRAVITY सहयोग (Collaboration) एक फॉरेंसिक टीम के रूप में कार्य करता है, जो अब तक के सबसे सटीक उपकरणों का उपयोग करके इस "पांचवें बल" के प्रमाण खोजने की कोशिश कर रहा है।

जासूस का उपकरण: एक ब्रह्मांडीय पैमाना

इस अदृश्य हवा को पकड़ने के लिए, टीम को एक ऐसे तारे की आवश्यकता थी जो बहुत तेज़ चलता हो और ब्लैक होल के बहुत करीब आता हो। उन्होंने S2 तारे को चुना, जो एक खगोलीय स्पीडस्टर है जो हर 16 साल में ब्लैक होल के चारों ओर चक्कर लगाता है।

S2 को एक विशाल, घूमते हुए भंवर के चारों ओर दौड़ती एक रेस कार के रूप में समझें। यदि भंवर पूरी तरह से गोल (आइंस्टीन का सिद्धांत) है, तो कार एक विशिष्ट पथ का अनुसरण करती है। यदि वहां एक अतिरिक्त हवा (पांचवां बल) है, तो कार का पथ थोड़ा अलग तरह से डगमगाएगा या विचलित होगा।

टीम ने S2 को ट्रैक करने के लिए 30 वर्षों में तीन अलग-अलग "कैमरों" (उपकरणों) का उपयोग किया:

पुरानी आँखें: पुराने टेलीस्कोप जिन्होंने पथ का एक मोटा रेखाचित्र दिया।
नई आँखें: GRAVITY उपकरण, जो एक मानक कैमरे से माइक्रोस्कोप में अपग्रेड करने जैसा है। यह पहले की तुलना में 100 गुना छोटे विवरण देख सकता है। यह इतना सटीक है कि यह एक तारे की स्थिति को 1,000 किलोमीटर दूर से देखी जाने वाली एक मानव बाल की चौड़ाई के भीतर माप सकता है।

"यौकावा" (Yukawa) रहस्य

वैज्ञानिक एक विशिष्ट प्रकार के "पांचवें बल" की तलाश कर रहे थे जिसे यौकावा सुधार (Yukawa correction) कहा जाता है।

उपमा: कल्पना कीजिए कि गुरुत्वाकर्षण एक चुंबक है। आमतौर पर, खिंचाव तब कमजोर होता है जब आप दूर होते हैं। लेकिन एक यौकावा बल एक ऐसे चुंबक की तरह है जिसकी एक "दूरी सीमा" होती है। यह एक निश्चित दूरी तक सामान्य रूप से कार्य करता है, लेकिन फिर यह अचानक फीका पड़ जाता है या इसकी शक्ति बदल जाती है, जैसे कि रेडियो सिग्नल जो कुछ मील के बाद शोर (static) से भर जाता है।
वैज्ञानिकों ने जानना चाहा: क्या यह "शोर" मौजूद है?

जांच: आंकड़ों को चलाना

टीम ने केवल फोटो नहीं देखीं; उन्होंने मार्कोव चेन मोंटे कार्लो (MCMC) नामक एक विशाल कंप्यूटर सिमुलेशन चलाया।

रूपक: कल्पना कीजिए कि आप एक केक के लिए सही रेसिपी खोजने की कोशिश कर रहे हैं। आपके पास सामग्री की एक सूची है (गुरुत्वाकर्षण, गति, दूरी, द्रव्यमान)। आप मात्रा को थोड़ा सा बदलते हैं, एक आभासी केक बनाते हैं, और देखते हैं कि क्या उसका स्वाद वास्तविक तारे के पथ जैसा है। आप इसे लाखों बार करते हैं, "पांचवें बल" की सामग्री (जिसे अल्फा कहा जाता है) को समायोजित करते हैं ताकि यह देखा जा सके कि क्या यह केक के स्वाद को बेहतर बनाता है या बदतर।
यदि "पांचवें बल" की सामग्री ने केक के स्वाद को बदतर बना दिया (अर्थात तारे का पथ डेटा से मेल नहीं खाया), तो वे जानते थे कि उस मात्रा का बल मौजूद नहीं हो सकता।

बड़ा खुलासा

आंकड़ों को संसाधित करने के बाद, परिणाम स्पष्ट थे: "पांचवां बल" या तो अस्तित्वहीन है या अविश्वसनीय रूप से कमजोर है।

सीमा: उन्होंने पाया कि यदि यह अतिरिक्त बल मौजूद है, तो यह पिछले वैज्ञानिकों की सोच से कम से कम 10 गुना कमजोर है।
स्वीट स्पॉट (Sweet Spot): यह बल तब सबसे आसानी से पहचाना जा सकता था यदि यह लगभग 200 खगोलीय इकाई (Astronomical Units) (लगभग सूर्य से हमारे सौर मंडल के आंतरिक ग्रहों के किनारे तक की दूरी) की दूरी पर संचालित होता। इस "स्वीट स्पॉट" में भी, बल इतना छोटा है कि यह लगभग अदृश्य है।
निष्कर्ष: ब्रह्मांड आइंस्टीन के नियमों का बहुत कड़ाई से पालन करता प्रतीत होता है। इस प्रकार के "पांचवें बल" के लिए कोई मजबूत सबूत नहीं है जो हमारे ब्रह्मांडीय ट्रैम्पोलिन पर बह रही इस "अदृश्य हवा" की पुष्टि करे।

यह क्यों मायने रखता है?

आप पूछ सकते हैं, "तो क्या? हमने बस फिर से साबित कर दिया कि आइंस्टीन सही थे।"

यहाँ पेंच है:

डार्क एनर्जी और डार्क मैटर: हम जानते हैं कि ब्रह्मांड उम्मीद से अधिक तेजी से फैल रहा है, और आकाशगंगाएँ दृश्य पदार्थ द्वारा बंधे रहने के लिए बहुत तेज़ घूमती हैं। हम इन्हें "डार्क एनर्जी" और "डार्क मैटर" कहते हैं। कुछ वैज्ञानिकों का मानना है कि शायद आइंस्टीन का गुरुत्वाकर्षण थोड़ा गलत है, और एक "पांचवां बल" इन रहस्यों को समझा सकता है।
विकल्पों को खारिज करना: इस विशिष्ट प्रकार के पांचवें बल को यह साबित करके कि यह उन ब्रह्मांडीय रहस्यों को समझाने के लिए पर्याप्त मजबूत नहीं है, वैज्ञानिक हमारी खोज को सीमित करने में मदद कर रहे हैं। वे कह रहे हैं, "यह इस प्रकार की हवा नहीं है। हमें किसी अन्य स्पष्टीकरण की तलाश करने की आवश्यकता है।"

निष्कर्ष

GRAVITY सहयोग ने हमारे आकाशगंगा के केंद्र में एक तारे के नृत्य को देखने के लिए आकाशगंगा की सबसे तेज आँखों का उपयोग किया। वे लय से एक सूक्ष्म विचलन की तलाश कर रहे थे जो यह सिद्ध कर सके कि प्रकृति का एक नया बल मौजूद है।

उन्हें ऐसा कोई विचलन नहीं मिला। तारा ठीक वैसे ही नाचता है जैसा आइंस्टीन ने भविष्यवाणी की थी। हालांकि यह एक "शून्य परिणाम" (null result) लग सकता है, लेकिन यह विज्ञान के लिए एक बड़ी जीत है। यह हमें बताता है कि गुरुत्वाकर्षण की हमारी समझ अविश्वसनीय रूप से मजबूत है, और यदि बाहर कोई नया बल है, तो वह हमारी सोच से कहीं अधिक चतुराई से छिपा हुआ है।

संक्षेप में: ब्रह्मांड उन्हीं नियमों के अनुसार खेल रहा है जिन्हें हम जानते हैं, और हमने अभी-अभी हमारे आकाशगंगा के केंद्र में लिए गए सबसे सटीक माप के साथ इसे साबित कर दिया है।

यहाँ GRAVITY सहयोग द्वारा लिखित शोध पत्र "Exploring the presence of a fifth force at the Galactic Center" का विस्तृत तकनीकी सारांश दिया गया है।

1. समस्या विवरण (Problem Statement)

सामान्य सापेक्षता (General Relativity - GR) गुरुत्वाकर्षण का मानक सिद्धांत है, फिर भी यह ब्रह्मांडीय पैमानों (जैसे डार्क एनर्जी, डार्क मैटर) और उच्च-ऊर्जा पैमानों (जैसे क्वांटम ग्रेविटी) पर सैद्धांतिक चुनौतियों का सामना करता है। कई विस्तारित गुरुत्वाकर्षण सिद्धांत (Extended Theories of Gravity - ETGs), जैसे कि स्केलर-टेन्सर-वेक्टर सिद्धांत, मैसिव ग्रेविटी और $f(R)$ सिद्धांत, एक यौकावा-जैसे अंतःक्रिया (Yukawa-like interaction) के रूप में न्यूटोनियन गुरुत्वाकर्षण में संशोधन की भविष्यवाणी करते हैं। इस "पांचवें बल" (fifth force) को आमतौर पर इस प्रकार मॉडल किया जाता है:
$U(r) = -\frac{GM}{r} \left( 1 + |\alpha| e^{-r/\lambda} \right)$
जहाँ $\alpha$ अंतःक्रिया की शक्ति है और $\lambda$ विशिष्ट लंबाई का पैमाना (characteristic length scale) है।

जबकि सौर मंडल के परीक्षणों ने छोटे पैमानों पर $\alpha$ को सीमित किया है, कई ETGs में "स्क्रीनिंग तंत्र" (screening mechanisms) शामिल होते हैं जो सौर मंडल जैसे उच्च-घनत्व वाले वातावरण में इन बलों को दबा देते हैं, लेकिन उन्हें सुपरमैसिव ब्लैक होल (SMBH) के पास प्रकट होने की अनुमति देते हैं। गैलेक्टिक सेंटर (GC), विशेष रूप से SMBH Sgr A* के चारों ओर तारे S2 की कक्षा, इन विचलन का परीक्षण करने के लिए एक अद्वितीय उच्च-गुरुत्वाकर्षण, निम्न-घनत्व वाला वातावरण प्रदान करती है। GC पर $\alpha$ पर पिछले प्रतिबंध डेटा की सटीकता और हाल के उच्च-सटीक मापों के अपवर्जन द्वारा सीमित थे।

2. कार्यप्रणाली (Methodology)

लेखकों ने S2 तारे की कक्षा का उपयोग करके $\alpha$ और $\lambda$ मापदंडों को सीमित करने के लिए एक कठोर मार्कोव चेन मोंटे कार्लो (MCMC) विश्लेषण किया।

डेटा स्रोत: अध्ययन ने 1992 से 2022 तक फैले एक व्यापक डेटासेट का उपयोग किया, जिसमें शामिल हैं:
- एस्ट्रोमेट्री (Astrometry): SHARP/NTT (1992–2002) से 128 बिंदु और NACO/VLT (2002–2019) से 128 बिंदु, साथ ही GRAVITY/VLT से 76 उच्च-सटीक बिंदु (2016–2022) जिनकी सटीकता $\approx 50 \, \mu\text{as}$ है।
- स्पेक्ट्रोस्कोपी (Spectroscopy): SINFONI/VLT और NIRC2/Keck (2000–2022) से 102 रेडियल वेलोसिटी बिंदु।
भौतिक मॉडल (Physical Model):
- कुल त्वरण में न्यूटोनियन गुरुत्वाकर्षण, यौकावा सुधार, और 1st पोस्ट-न्यूटोनियन (1PN) सुधार (श्वार्ज़स्चिल्ड प्रीसेशन), जिसे GRAVITY द्वारा $10\sigma$ पर औपचारिक रूप से पता लगाया गया था, शामिल है।
- गति का समीकरण पैरामीट्राइज्ड पोस्ट-न्यूटोनियन (PPN) मापदंडों $\gamma = \beta = 1$ को मानता है, जो उन ETGs के लिए मान्य है जो 1PN क्रम पर GR से अविभेद्य हैं।
- मॉडल स्पष्ट रूप से एक विस्तारित द्रव्यमान वितरण (डार्क मैटर कस्प) को बाहर रखता है, जो Sgr A* के चारों ओर है, और यह तर्क देने के लिए कि ऐसा द्रव्यमान परिणामों को महत्वपूर्ण रूप से नहीं बदलेगा, पिछले GRAVITY प्रतिबंधों ( $M_{ext} \lesssim 1200 M_\odot$ ) पर भरोसा करता है।
विश्लेषण तकनीक:
- emcee पायथन पैकेज का उपयोग 64 वॉकर और $10^5$ पुनरावृत्तियों (iterations) के साथ किया गया।
- मापदंड (Parameters): कक्षीय तत्वों ( $e, a_{sm}, \Omega, i, \omega, t_p$ ), SMBH द्रव्यमान ( $M$ ), दूरी ( $R_0$ ), संदर्भ फ्रेम ऑफसेट्स, और यौकावा मापदंडों ( $\alpha, \lambda$ ) के लिए फिट किया गया।
- प्रायर्स (Priors): भौतिक मापदंडों के लिए समान (uniform) प्रायर्स और संदर्भ फ्रेम ऑफसेट्स के लिए गॉसियन प्रायर्स (Plewa et al. 2015 पर आधारित) का उपयोग किया गया।
- निश्चित चर (Fixed Variable): $\alpha$ के पोस्टीरियर वितरण को मैप करने के लिए $\lambda$ को $10^{12} \leq \lambda \leq 10^{15}$ m की एक सीमा में स्थिर किया गया।

3. मुख्य योगदान (Key Contributions)

GRAVITY डेटा का समावेश: यह S2 कक्षा का पहला विश्लेषण है जो पूर्ण रूप से उच्च-सटीक GRAVITY एस्ट्रोमेट्रिक डेटा को शामिल करता है, जो अपनी उप-मिलीआर्कसेकंड सटीकता के कारण $\chi^2$ पर हावी है।
समवर्ती 1PN और यौकावा मॉडलिंग: पिछले कार्यों (जैसे Hees et al. 2017) के विपरीत, जो अक्सर श्वार्ज़स्चिल्ड प्रीसेशन को अनदेखा करते थे या विस्तारित द्रव्यमान वितरणों को अलग तरह से मॉडल करते थे, यह अध्ययन पहचाने गए 1PN प्रीसेशन को कठोरता से शामिल करते हुए यौकावा विचलन का परीक्षण करता है।
सैद्धांतिक निरंतरता जांच: लेखकों ने सत्यापित किया कि उनका 1PN त्वरण सूत्र (Eq. 3) मैसिव ब्रैंड्स-डिक (Massive Brans-Dicke) सिद्धांत और $f(R)$ ग्रेविटी (Tan & Lu 2024) के परिणामों के साथ संरेखित है, जो यह दर्शाता है कि उच्च-क्रम के पदों में अंतर $\alpha$ के प्राप्त प्रतिबंधों के लिए नगण्य है।

4. परिणाम (Results)

विश्लेषण ने गैलेक्टिक सेंटर में यौकावा अंतःक्रिया की शक्ति $|\alpha|$ पर अब तक के सबसे कड़े ऊपरी सीमाएँ प्रदान कीं:

इष्टतम प्रतिबंध (Optimal Constraint): एक लंबाई पैमाने $\lambda = 3 \cdot 10^{13}$ m ( $\sim 200$ AU) के लिए, जो S2 कक्षीय सीमा ( $1.7 \cdot 10^{13} \text{ m} \lesssim r_{S2} \lesssim 1.5 \cdot 10^{14} \text{ m}$ ) के तुलनीय है, अध्ययन ने निकाला:
$|\alpha| < 0.003 \quad (95\% \text{ विश्वास स्तर})$
सुधार: यह Hees et al. (2017) के पिछले सर्वोत्तम अनुमान से लगभग एक क्रम परिमाण (one order of magnitude) का सुधार है, जिन्होंने समान पैमाने ( $\lambda \approx 150$ AU) के लिए $|\alpha| < 0.016$ पाया था।
रीजीम विश्लेषण (Regime Analysis):
- $\lambda \ll r_{S2}$ : त्वरण $\alpha$ से स्वतंत्र हो जाता है; कोई सार्थक प्रतिबंध प्राप्त नहीं किया जा सकता है।
- $\lambda \gg r_{S2}$ : यौकावा पद द्रव्यमान ( $M \to M(1+\alpha)$ ) के एक साधारण रीस्केलिंग के रूप में कार्य करता है, जिससे $M$ और $\alpha$ के बीच एक विसंगति (degeneracy) उत्पन्न होती है।
ग्रैविटन द्रव्यमान सीमा: एक मैसिव ग्रेविटी परिदृश्य को मानते हुए जहाँ $\alpha=1$ है, $\lambda \lesssim 8 \cdot 10^{14}$ m के लिए 95% विश्वास स्तर पर $\alpha=1$ का अपवर्जन ग्रैविटन द्रव्यमान पर निम्नलिखित ऊपरी सीमा में अनुवादित होता है:
$m_g \lesssim 2.5 \cdot 10^{-22} \text{ eV}$
प्रीसेशन अनुकूलता: अध्ययन ने पुष्टि की कि यौकावा क्षमता द्वारा प्रेरित प्रीसेशन कोण (सर्वश्रेष्ठ-फिट $\alpha \approx 0.0026$ के लिए) प्रेक्षित श्वार्ज़स्चिल्ड प्रीसेशन ( $\Delta \phi_{Sch} \approx 0.18^\circ$ ) के साथ $2\sigma$ अनिश्चितताओं के भीतर संगत है।

5. महत्व (Significance)

मौलिक भौतिकी का परीक्षण: यह कार्य गैलेक्टिक सेंटर के स्ट्रॉन्ग-फील्ड क्षेत्र में न्यूटोनियन गुरुत्वाकर्षण से विचलन पर अब तक के सबसे कड़े प्रतिबंध प्रदान करता है, जो प्रभावी रूप से उन "पांचवें बल" सिद्धांतों की एक विस्तृत श्रेणी को खारिज करता है जिनकी अंतःक्रिया शक्ति $|\alpha| > 0.003$ है।
GR का सत्यापन: परिणाम सामान्य सापेक्षता (GR) को सुदृढ़ करते हैं, यह दिखाते हुए कि Sgr A* के अत्यंत वातावरण में भी यौकावा-जैसे सुधार का कोई महत्वपूर्ण साक्ष्य नहीं है।
भविष्य की संभावनाएं: लेखक उल्लेख करते हैं कि जबकि वर्तमान प्रतिबंध मजबूत हैं, भविष्य के विश्लेषण जिनमें मल्टी-स्टार फिट (S29, S55 और बड़े एपोसेंटर वाले तारों सहित) शामिल होंगे, संभावित रूप से बड़े पैमानों ( $\lambda > 10^{15}$ m) पर द्रव्यमान और $\alpha$ के बीच की विसंगति को तोड़ सकते हैं, जिससे इन परीक्षणों की पहुंच और बढ़ जाएगी।

निष्कर्षतः, GRAVITY उपकरण की सटीकता ने सहयोग को पांचवें बल के परीक्षणों में सुधार करके और एक क्रम परिमाण बढ़ाकर, गुरुत्वाकर्षण परीक्षणों की सीमाओं को आगे बढ़ाने की अनुमति दी है, और उन सिद्धांतों के लिए एक महत्वपूर्ण बेंचमार्क प्रदान किया है जो गुरुत्वाकर्षण को क्वांटम यांत्रिकी के साथ एकीकृत करने या डार्क एनर्जी की व्याख्या करने का प्रयास करते हैं।