Approximating neutron-star radii using gravitational-wave only measurements with symbolic regression
यह शोध पत्र टोल्मन-ओपेनहाइमर-वोल्फ़कोफ़ समाधानों पर प्रशिक्षित सिम्बोलिक रिग्रेशन (pySR) का उपयोग करके एक सिम्बोलिक अभिव्यक्ति व्युत्पन्न करता है जो केवल गुरुत्वाकर्षण-तरंग मापों का उपयोग करके न्यूट्रॉन-तारा त्रिज्या का सटीक रूप से अनुमान लगाता है, जो विभिन्न समीकरण अवस्थाओं (equations of state) में कुछ सौ मीटर के भीतर सहमति प्राप्त करता है और GW170817 डेटा पर मॉडल को सफलतापूर्वक लागू करता है।
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ब्रह्मांड की गहराइयों में, दो मृत तारे, जिनमें से प्रत्येक को एक शहर से भी छोटे गोले में कुचल दिया गया है, एक-दूसरे की ओर घूम रहे हैं। जैसे-जैसे वे करीब आते हैं, उनका विशाल गुरुत्वाकर्षण स्पेस-टाइम (स्थान-समय) में लहरें पैदा करता है, जिससे गुरुत्वाकर्षण तरंगें निकलती हैं जो ब्रह्त्व के आर-पार यात्रा करती हैं ताकि पृथ्वी पर स्थित डिटेक्टरों द्वारा पकड़ी जा सकें। ये लहरें एक गुप्त कोड ले जाती हैं: वे हमें बताती हैं कि तारे कितने भारी हैं और उनके साथी के खिंचाव के तहत उनके आकार कैसे खिंचते और पिचकते हैं। इस खिंचाव को 'टाइडल डिफॉर्मेबिलिटी' (ज्वारीय विरूपता) कहा जाता है। हालाँकि, तरंगें सीधे तौर पर तारों के आकार का खुलासा नहीं करती हैं। न्यूट्रॉन तारे की त्रिज्या (रेडियस) जानने के लिए, खगोलविदों को आमतौर पर इसकी सतह से आने वाले प्रकाश को देखना पड़ता है, जिसके लिए शक्तिशाली दूरबीनों और स्पष्ट दृश्यों की आवश्यकता होती है। लेकिन क्या होगा यदि प्रकाश छिपा हुआ हो, या दूरबीन देख न सके? वैज्ञानिक लंबे समय से केवल गुरुत्वाकर्षण तरंगों का उपयोग करके इन तारों के आकार का अनुमान लगाने का तरीका चाहते थे, जिससे अदृश्य गुरुत्वाकर्षण की लहरों और दृश्य प्रकाश की चमक के बीच के अंतर को पाटा जा सके।
एम. बेजगर नामक एक शोधकर्ता ने इस पहेली को सुलझाने के लिए एक नई विधि विकसित की है। जटिल कंप्यूटर मॉडल पर निर्भर रहने के बजाय जो एक "ब्लैक बॉक्स" की तरह कार्य करते हैं—जहाँ आप डेटा डालते हैं और बिना यह समझे उत्तर प्राप्त करते हैं कि वह कैसे आया—टीम ने 'सिम्बोलिक रिग्रेशन' (प्रतीकात्मक प्रतिगमन) नामक एक तकनीक का उपयोग किया। इसे एक सरल, लिखित नियम की खोज के रूप में समझें जो यह वर्णन करता है कि ब्रह्मांड कैसे काम करता है। कंप्यूटर को न्यूट्रॉन तारों के हजारों उदाहरण दिए गए, जिन्हें उन भौतिकी के मौलिक समीकरणों को हल करके बनाया गया था जो बताते हैं कि अत्यधिक दबाव के तहत पदार्थ कैसे व्यवहार करता है। इन उदाहरणों में अलग-अलग द्रव्यमान, अलग-अलग आकार और अलग-अलग आंतरिक संरचनाओं वाले तारे शामिल थे। कंप्यूटर का काम एक एकल, सीधा गणितीय वाक्य खोजना था जो केवल द्रव्यमान और एक तारे के खिंचाव को देखकर उसके त्रिज्या का सटीक अनुमान लगा सके।
परिणाम एक आश्चर्यजनक रूप से सरल सूत्र है जो गुरुत्वाकर्षण तरंग डेटा को तारे के आकार से जोड़ता है। जब शोधकर्ताओं ने इस नए नियम का परीक्षण उसी डेटा पर किया जिसका उपयोग कंप्यूटर को सिखाने के लिए किया गया था, तो यह उच्च सटीकता के साथ काम कर रहा था। लेकिन असली परीक्षा तब हुई जब उन्होंने इसे उन तारों पर लागू किया जो उन तारों से पूरी तरह से अलग थे जिन्हें कंप्यूटर ने अपने प्रशिक्षण के दौरान देखा था। उन्होंने सघन पदार्थ के वास्तविक सिद्धांतों पर आधारित मॉडलों का उपयोग किया, जिनमें से कुछ ऐसे तरीकों से व्यवहार करते हैं जो प्रशिक्षण डेटा में शामिल नहीं थे। इन अपरिचित तारों के लिए भी, सूत्र कायम रहा। अनुमानित आकार आमतौर पर वास्तविक आकार के कुछ सौ मीटर के भीतर थे, जो इन वस्तुओं के भीतर की चरम स्थितियों को देखते हुए एक उल्लेखनीय त्रुटि मार्जिन है। कुछ मामलों में, यह अंतर केवल पचास मीटर जितना कम था।
यह विधि कठिन परिदृश्यों का सामना करने में भी मजबूत साबित हुई, जैसे कि दो अलग-अलग प्रकार के तारे जिनका वजन और खिंचाव समान है, लेकिन वे अलग-अलग सामग्रियों से बने हैं। हालांकि यह सूत्र अतिरिक्त जानकारी के बिना इन विशिष्ट जुड़वाओं के बीच पूर्ण अंतर नहीं कर सका, फिर भी इसने उनके आकार का बहुत करीबी अनुमान प्रदान किया। शोधकर्ताओं ने फिर अपने नए नियम को दो न्यूट्रॉन तारों के टकराने के प्रसिद्ध गुरुत्वाकर्षण तरंग संकेत, जिसे GW170817 के रूप में जाना जाता है, पर लागू किया। उनके द्वारा गणना किए गए आकार अन्य टीमों द्वारा अधिक जटिल विधियों का उपयोग करके किए गए पिछले अनुमानों के साथ अच्छी तरह मेल खाते थे। यह सुझाव देता है कि नया दृष्टिकोण न्यूट्रॉन तारों के आकार को निर्धारित करने के लिए एक तेज़, स्पष्ट और विश्वसनीय तरीका प्रदान करता है, जो केवल गुरुत्वाकर्षण तरंगों का उपयोग करता है, जिससे खगोलविदों के लिए हर बार जटिल समीकरणों को हल किए बिना दृश्य प्रकाश चैनल के डेटा की तुलना अदृश्य गुरुत्वाकर्षण चैनल के डेटा से करना आसान हो जाता है।
यह कार्य यह दावा नहीं करता है कि इसने हर संभावित न्यूट्रॉन तारे के लिए परम, पूर्ण विवरण खोज लिया है, न कि यह सभी मामलों में विस्तृत भौतिक मॉडलिंग की आवश्यकता को प्रतिस्थापित करता है। इसके बजाय, यह एक शक्तिशाली, उपयोग में आसान उपकरण प्रदान करता है जो परिदृश्यों की एक विस्तृत श्रृंखला में काम करता है। यह दिखाता है कि न्यूट्रॉन तारे के भीतर के पदार्थ की सटीक संरचना जाने बिना भी, केवल यह जानकर कि वह कितना भारी है और कितना विकृत होता है, उसके आकार का बहुत अच्छा अनुमान लगाया जा सकता है। यह क्षमता मल्टी-मैसेंजर एस्ट्रोनॉमी (बहु-संदेशवाहक खगोल विज्ञान) के लिए एक नया द्वार खोलती है, जहाँ ब्रह्मांड के विभिन्न हिस्सों से प्राप्त जानकारी को अस्तित्व के सबसे चरम पिंडों की स्पष्ट तस्वीर बनाने के लिए जोड़ा जाता है। जटिल भौतिकी को एक सरल, समझने योग्य अभिव्यक्ति में बदलकर, यह शोध वैज्ञानिकों के लिए न्यूट्रॉन तारों के रहस्यों को खोजने में आसानी पैदा करता है, भले ही उन तारों से आने वाला प्रकाश पहुंच से बाहर हो।
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