ECO signatures from the Weyl-induced gravitational waveform injection

गुरुत्वाकर्षण, जैसा कि हम इसे समझते हैं, वह अदृश्य बल है जो ब्रह्मांड को आकार देता है, ग्रहों को कक्षा में बनाए रखता है और प्रकाश के पथ को मोड़ता है। एक शताब्दी से अधिक समय से, अल्बर्ट आइंस्टीन का सामान्य सापेक्षता का सिद्धांत इस बल के लिए हमारा सबसे अच्छा मानचित्र रहा है, जो गुरुत्वाकर्षण को एक खिंचाव के रूप में नहीं, बल्कि अंतरिक्ष और समय के ताने-बाने में एक वक्रता के रूप में वर्णित करता है। 2015 में, वैज्ञानिकों ने अंततः इस वक्रता की एक झलक देखी जब उन्होंने स्पेसटाइम (देश-काल) में उठने वाली लहरों का पता लगाया जिन्हें गुरुत्वाकर्षण तरंगें कहा जाता है, जो दो ब्लैक होल के हिंसक टकराव से उत्पन्न हुई थीं। इस खोज ने ब्रह्मांड में एक नई खिड़की खोल दी, जिससे हमें उन घटनाओं को "सुनने" की अनुमति मिली जो दूरबीनों के लिए अदृश्य हैं। हालाँकि, जबकि हमने ब्लैक होल के अस्तित्व की पुष्टि कर ली है, हम अभी भी निश्चित रूप से नहीं जानते कि ब्रह्मांड की सबसे चरम वस्तुओं के बिल्कुल केंद्र में क्या स्थित है। कुछ सिद्धांत सुझाव देते हैं कि एक क्षितिज (horizon) के पीछे छिपे अनंत घनत्व वाले बिंदु वाले ब्लैक होल के बजाय, वहां बोसोन सितारों (boson stars) या क्वार्क सितारों (quark stars) जैसे विलक्षण पदार्थ (exotic matter) से बनी अन्य, अधिक विचित्र वस्तुएं हो सकती हैं। ये काल्पनिक वस्तुएं, जिन्हें विलक्षण सघन वस्तुएं (exotic compact objects) कहा जाता है, अपने स्वयं के गुरुत्वाकर्षण के तीव्र दबाव के तहत अलग तरह से व्यवहार करेंगी, जो संभावित रूप से उनके द्वारा उत्सर्जित गुरुत्वाकर्षण तरंगों पर एक अद्वितीय छाप छोड़ेंगी।

ब्राजील के शोधकर्ताओं के एक दल ने इस बात पर एक नया दृष्टिकोण अपनाया है कि ये विलक्षण वस्तुएं कैसे व्यवहार कर सकती हैं, इसके लिए उन्होंने अंतरिक्ष के एक विशिष्ट गणितीय विवरण का उपयोग किया जिसे वेल मेट्रिक (Weyl metric) के रूप में जाना जाता है। यह ढांचा भौतिकविदों को मानक ब्लैक होल मॉडल से भिन्न तरीके से स्थिर, गैर-घूर्णन गुरुत्वाकर्षण क्षेत्रों को मॉडल करने की अनुमति देता है। शोधकर्ताओं ने नए, स्थिर गुरुत्वीय क्षेत्रों को खोजने के लिए जटिल समीकरणों के एक सेट को हल करके शुरुआत की। उन्होंने पाया कि अपने समीकरणों में कुछ स्थिरांकों (constants) को समायोजित करके, वे एक ऐसा मॉडल बना सकते हैं जहाँ एक विलक्षणता (singularity)—एक ऐसा बिंदु जहाँ गुरुत्वाकर्षण अनंत रूप से शक्तिशाली हो जाता है—एक क्षितिज के पीछे छिपी होती है, ठीक एक ब्लैक होल की तरह, या उजागर छोड़ी जाती है। उन्होंने पाया कि इन स्थिरांकों के एक विशिष्ट विन्यास ने एक ऐसा स्पेसटाइम तैयार किया जो भौतिक रूप से प्रशंसनीय था, जो एक स्थिर, सघन वस्तु के विचार का समर्थन करता है जो बिना खुद को नष्ट किए हमारे ब्रह्मांड में अस्तित्व में रह सकती है।

इस स्पेसटाइम मॉडल के साथ, टीम ने सिम्युलेट किया कि क्या होगा यदि एक पूर्ण तरल (perfect fluid) से बना तारा इस वक्रीय वातावरण के भीतर दोलन करता, या स्पंदित होता। एक ब्लैक होल विलय के विपरीत, जो तरंगों का एक त्वरित, तीव्र विस्फोट उत्पन्न करता है, एक दोलन करता तारा एक ऐसा संकेत उत्पन्न करेगा जो आसपास के अद्वितीय ज्यामिति द्वारा मॉड्युलेट या डगमगाया (wobbled) जाएगा। शोधकर्ताओं ने इन तरंगों को नियंत्रित करने वाले समीकरणों को हल करने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर कोड का उपयोग किया, जिसमें तारे को ऊर्जा के एक स्रोत के रूप में माना गया जो विकृत स्पेसटाइम के माध्यम से लहरें भेजता है। उन्होंने पाया कि स्थान की वक्रता ने एक लेंस की तरह कार्य किया, जिसने कुछ तरंगों को कैद कर लिया और एक संकेत बनाया जिसमें विशिष्ट प्राथमिक घटक थे। यह प्रक्रिया प्रभावी रूप से स्पेसटाइम के आकार को गुरुत्वाकर्षण तरंग पर "अंकित" करती है, जिससे एक ऐसी सिग्नेचर (signature) बनती है जो मानक ब्लैक होल विलय से भिन्न होती है।

यह देखने के लिए कि क्या यह सैद्धांतिक संकेत वास्तव में वास्तविक दुनिया में पाया जा सकता है, टीम ने अपने सिम्युलेटेड वेवफॉर्म को लेजर इंटरफेरोमीटर ग्रेविटेशनल-वेव ऑब्जर्वेटरी (LIGO) द्वारा रिकॉर्ड किए गए वास्तविक डेटा में इंजेक्ट किया, विशेष रूप से ऐतिहासिक घटना GW150914 के डेटा पर ध्यान केंद्रित करते हुए। उन्होंने डेटा को हैनफोर्ड, वाशिंगटन और लिविंगस्टन, लुइसियाना में डिटेक्टरों के बीच तुलना करके अपने मॉडल की पता लगाने की क्षमता का परीक्षण करने के लिए ऐसा किया। परिणामों ने दिखाया कि उनके विलक्षण मॉडल ने एक ऐसा संकेत उत्पन्न किया जो मुश्किल से पता लगाने योग्य था, जो वेधशाला की संवेदनशीलता के बिल्कुल किनारे पर था। संकेत विशिष्ट लय के साथ चोटियों (peaks) की एक श्रृंखला के रूप में दिखाई दिया, जो एक विशिष्ट ब्लैक होल विलय की तुलना में लंबी अवधि का सुझाव देता है, लेकिन एक विलक्षण सघन वस्तु के व्यवहार के अनुरूप है।

शोधकर्ताओं ने फिर सांख्यिकीय उपकरणों का उपयोग यह देखने के लिए किया कि उनका वेल-आधारित मॉडल अन्य सिद्धांतों, जैसे कि बोसोन सितारों या क्वार्क सितारों से जुड़ी थ्योरी की तुलना में डेटा में कितनी अच्छी तरह फिट बैठता है। विश्लेषण ने सुझाव दिया कि डेटा ने किसी एक विशिष्ट प्रकार की विलक्षण वस्तु के पक्ष में मजबूती से पक्षपात नहीं किया, लेकिन इसने यह भी दिखाया कि वेल मॉडल एक व्यवहार्य उम्मीदवार था। उन्हें मिला संकेत लगभग 9.2 के सिग्नल-टू-नॉइज़ रेशियो (SNR) के साथ काफी मजबूत था, जो एक वास्तविक पहचान के लिए पर्याप्त उच्च है लेकिन इतना कम भी है कि आसानी से अनदेखा या शोर (noise) मानकर खारिज किया जा सके। यह बताता है कि यदि ऐसी वस्तु मौजूद है और उसने उस संकेत को उत्पन्न किया है जैसा कि हमने मॉडल किया है, तो यह एक तेज चिल्लाहट के बजाय एक सूक्ष्म, लंबे समय तक चलने वाली फुसफुसाहट होगी। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि साक्ष्य अभी निर्णायक नहीं है, वेल मेट्रिक की अद्वितीय ज्यामिति इन रहस्यमय, क्षितिजहीन वस्तुओं का वर्णन करने के लिए एक लचीला और आशाजनक ढांचा प्रदान करती है, और भविष्य के अधिक संवेदनशील डिटेक्टर शायद एक दिन ऐसी घटना की स्पष्ट गूँज को पकड़ सकेंगे।