Identifying galactic binary systems of neutron stars and black holes with LISA

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल, ब्रह्मांडीय ऑर्केस्ट्रा है। दशकों से, हम प्रकाश, रेडियो तरंगों और एक्स-रे को पकड़ने वाली दूरबीनों का उपयोग करके इसके संगीत को सुन रहे हैं। लेकिन एक पूरी तरह से अलग परत वाला स्वर भी है जिसे हमने अभी-अभी सुनना शुरू किया है: गुरुत्वाकर्षण तरंगें (gravitational waves)। इन्हें हवा में यात्रा करने वाली ध्वनि तरंगों के रूप में नहीं, बल्कि स्वयं स्पेसटाइम (spacetime) के ताने-बाने में उठने वाली लहरों के रूप में सोचें, जो भारी वस्तुओं के आपस में नाचने या टकराने से पैदा होती हैं। यह किसी भारी ट्रक के गुजरने पर इंजन की आवाज सुनने के बजाय, फर्श में होने वाले कंपन को महसूस करने जैसा है।

इस ब्रह्मांडीय ऑर्केस्ट्रा में, दो मुख्य प्रकार के "वाद्य यंत्र" हैं जो सबसे तेज़ लहरें पैदा करते हैं: ब्लैक होल (कृष्ण विवर) और न्यूट्रॉन स्टार (तारा)। ब्लैक होल ब्रह्मांडीय वैक्यूम क्लीनर की तरह होते हैं, जो इतने घने होते हैं कि प्रकाश भी उनसे बचकर नहीं निकल सकता। न्यूट्रॉन स्टार फटे हुए सितारों के अत्यंत घने, शहर के आकार के अवशेष होते हैं, जो इतने कसकर भरे होते हैं कि उनके पदार्थ का एक चम्मच वजन एक अरब टन होगा। लंबे समय तक, हमने इन वस्तुओं को मुख्य रूप से उनके द्वारा उत्सर्जित प्रकाश को देखकर या उनके पड़ोसियों पर उनके खिंचाव को देखकर पाया है। लेकिन उनमें से कई शांत, अंधेरे या धूल के घने बादलों के पीछे छिपे हुए हैं, जिससे वे हमारी पारंपरिक दूरबीनों के लिए अदृश्य हो जाते हैं।

यहाँ LISA (लिसा) आता है, 'लेजर इंटरफेरोमीटर स्पेस एंटेना'। आप LISA को अंतरिक्ष में तैरते एक विशाल, उड़ते हुए कान के रूप में देख सकते हैं, जिसे बाइनरी सिस्टम (binary systems)—यानी इन भारी वस्तुओं के जोड़ों के विशिष्ट "गुनगुनाहट" (hum) को सुनने के लिए डिज़ाइन किया गया है जो एक-दूसरे की परिक्रमा कर रहे हैं। जहाँ ज़मीन पर स्थित डिटेक्टर दो ब्लैक होल के आपस में टकराने के "जोरदार धमाके" को सुनने में माहिर हैं, वहीं LISA उन जोड़ों की स्थिर, उच्च-पिच वाली "सीटी" (whine) को सुनने के लिए ट्यून किया गया है जो टकराने से बहुत पहले एक विस्तृत घेरे में नृत्य कर रहे होते हैं। बड़ा सवाल यह है कि यदि LISA को एक सीटी सुनाई देती है, तो क्या वह बता सकता है कि वह आवाज़ किसकी है? क्या यह ब्लैक होल की एक जोड़ी है, न्यूट्रॉन स्टार की एक जोड़ी है, या शायद व्हाइट ड्वार्फ (सफेद बौने सितारों) की एक जोड़ी है जो बहुत अधिक सामान्य हैं? यही वह पहेली है जिसे यह शोध पत्र सुलझाता है।

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महान ब्रह्मांडीय गड़बड़ी

कल्पना कीजिए कि आप एक भीड़भाड़ वाली पार्टी में हैं, और आप एक विशिष्ट कोने से आती एक गुनगुनाहट सुनते हैं। आप जानते हैं कि कमरे में लगभग 10,000 लोग हैं, और उनमें से 99% सफेद शर्ट (व्हाइट ड्वार्फ) पहने हुए हैं, जबकि केवल कुछ ही लोग काले सूट (ब्लैक होल) या नियॉन जैकेट (न्यूट्रॉन स्टार) पहने हुए हैं। यदि आपको एक गुनगुनाहट सुनाई देती है, तो आप कैसे जानते हैं कि वह एक काले सूट वाले व्यक्ति से आ रही है या सफेद शर्ट वाले से? आमतौर पर, आप उस व्यक्ति को देखने के लिए देखेंगे कि उसने क्या पहना है। लेकिन अंतरिक्ष में, ये वस्तुएं अक्सर हमारे पारंपरिक टेलिस्कोपों के लिए बहुत धुंधली या बहुत दूर होती हैं।

यह बिल्कुल वही चुनौती है जिसका सामना 'लेजर इंटरफेरोमीटर स्पेस एंटेना' (LISA) कर रहा है। इस मिशन से उम्मीद है कि यह हमारी आकाशगंगा में एक-दूसरे की परिक्रमा कर रहे ब्लैक होल और न्यूट्रॉन स्टार के लगभग 100 जोड़ों का पता लगाएगा। हालांकि, यह व्हाइट ड्वार्फ के लगभग 10,000 जोड़ों को भी डिटेक्ट करेगा। समस्या यह है कि इनमें से कई जोड़ों के लिए, उनकी "सीटी" लगभग एक जैसी सुनाई देती है। वे टकराने से इतने दूर हैं कि मिशन के दौरान उनकी कक्षा (orbit) में ज्यादा बदलाव नहीं होता, जिससे केवल सुनकर उन्हें अलग करना मुश्किल हो जाता है।

डेटा में जासूसी का काम

इस शोध के लेखकों ने कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके एक जासूस की भूमिका निभाने का निर्णय लिया। उन्होंने केवल अनुमान नहीं लगाया; उन्होंने अपने कंप्यूटरों के भीतर एक नकली ब्रह्मांड बनाया। उन्होंने सितारों के जन्म लेने, जीने और मरने के एक यथार्थवादी मॉडल का उपयोग करके 300 बाइनरी सिस्टम की एक "जनसंख्या" बनाई: ब्लैक होल के 100 जोड़े, एक ब्लैक होल और एक न्यूट्रॉन स्टार के 100 जोड़े, और न्यूट्रॉन स्टार के 100 जोड़े। फिर उन्होंने सिम्युलेट किया कि LISA इन प्रणालियों से क्या "सुनेगा"।

उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या LISA ध्वनि तरंग पर छोड़े गए विशिष्ट "फिंगरप्रिंट्स" को माप सकता है जो वस्तुओं के द्रव्यमान (mass) को प्रकट कर सकें। ऐसा करने के लिए, उन्होंने डेटा में छिपे तीन विशिष्ट सुरागों की तलाश की:

1. पिच कितनी तेजी से बदलती है: ध्वनि की आवृत्ति (frequency) में बदलाव की धीमी दर (चर्प) भी हमें जोड़े के संयुक्त द्रव्यमान के बारे में बताती है।
2. कक्षा का डगमगाना (Wobble): यदि कक्षा एक पूर्ण वृत्त नहीं है, तो निकटतम बिंदु (periapse) धीरे-धीरे घूमता है। इस घूर्णन की गति कुल द्रव्यमान बताती है।
3. कक्षा का आकार: कक्षा की "लचीलापन" या सनकीपन (eccentricity) ध्वनि के विकास को प्रभावित करता है।

इन तीनों चीजों को एक साथ मापकर, टीम गणितीय रूप से पीछे की ओर काम कर सकती थी ताकि दो नाचती हुई वस्तुओं के व्यक्तिगत द्रव्यमान का पता लगाया जा सके। यदि वे द्रव्यमान जान लेते, तो वे कह सकते थे, "आहा! यह वस्तु हमारे सूर्य के द्रव्यमान का 1.4 गुना है, इसलिए यह निश्चित रूप से एक न्यूट्रॉन स्टार है," या "यह सूर्य के द्रव्यमान का 10 गुना है, इसलिए यह निश्चित रूप से एक ब्लैक होल है।"

उन्हें क्या मिला

परिणाम अच्छे समाचार और "यह निर्भर करता है" का मिश्रण थे। सिमुलेशन ने दिखाया कि LISA न्यूट्रॉन स्टार के लगभग आधे जोड़ों के लिए एक शानदार जासूस होगा। न्यूट्रॉन स्टार के लगभग 50% बाइनरी सिस्टम के लिए, LISA उनके द्रव्यमान को मापने में इतना सटीक होगा कि वे पुष्टि कर सके कि वे वास्तव में न्यूट्रॉन स्टार हैं।

हालांकि, ब्लैक होल के लिए काम कठिन है। बाइनरी ब्लैक होल और मिश्रित जोड़ों (एक ब्लैक होल, एक न्यूट्रॉन स्टार) के लिए, LISA केवल लगभग 10% प्रणालियों के लिए द्रव्यमान की पहचान कर पाएगा। अंतर क्यों है? पता चला कि सिमुलेशन में न्यूट्रॉन स्टार के जोड़े या तो हमारे करीब हैं या इस तरह से घूम रहे हैं कि उनकी "सीटी" अधिक तेज और स्पष्ट है, जिससे LISA द्रव्यमान के बारे में उन सूक्ष्म सुरागों को पकड़ पाता है। ब्लैक होल के जोड़े अक्सर दूर होते हैं या उनकी कक्षा ऐसी होती है कि सुरागों को सुनना कठिन हो जाता है।

जिन प्रणालियों के लिए LISA द्रव्यमान माप सकता है, वहां सटीकता प्रभावशाली है। टीम ने पाया कि द्रव्यमान माप में त्रुटि (error) 1% जितनी कम हो सकती है, लेकिन कुछ कठिन प्रणालियों के लिए, त्रुटि 100% तक भी हो सकती है। 100% त्रुटि के साथ भी, माप अक्सर यह खारिज करने के लिए पर्याप्त होता है कि वे व्हाइट ड्वार्फ हैं, जो एक बड़ी प्रगति है।

बोनस: सितारों का एक मानचित्र

यहाँ एक दूसरी सुपरपावर है। जब LISA इन विशिष्ट सुरागों को मापता है, तो वह केवल द्रव्यमान ही नहीं सीखता; वह यह भी सीखता है कि हमारी आकाशगंगा में उस जोड़े का स्थान बिल्कुल कहाँ है। टीम ने पाया कि जिन प्रणालियों के लिए वे द्रव्यमान माप सकते थे, उनके लिए वे मिल्की वे (आकाशगंगा) में स्थान को इतनी सटीकता से निर्धारित कर सकते थे कि अन्य दूरबीनें उस विशिष्ट स्थान पर देख सकें।

यह केवल एक फोन की रिंग सुनकर उसे खोजने जैसा नहीं है, बल्कि उसकी स्थिति का सटीक पता लगाकर उसे खोजने जैसा है ताकि आप सीधे उसके पास जा सकें। एक बार जब हम इन बाइनरी सिस्टमों के स्थान को जान लेते हैं, तो खगोलशास्त्री किसी भी बचे हुए प्रकाश या उनके वातावरण के संकेतों को देखने के लिए ऑप्टिकल या रेडियो दूरबीनों को उनकी ओर मोड़ सकते हैं। इससे यह सुलझाने में मदद मिल सकती है कि ये जोड़े वास्तव में कैसे बने।

मुख्य निष्कर्ष

तो, इसका सब क्या अर्थ है? यह शोध पत्र सुझाव देता है कि भले ही LISA द्वारा सुनी गई हर ब्लैक होल या न्यूट्रॉन स्टार जोड़ी की पहचान नहीं की जा सकेगी, लेकिन यह निश्चित रूप से उनमें से कई के रहस्य को सुलझा सकेगा—विशेष रूप से ब्लैक होल के जोड़ों में से 10% और न्यूट्रॉन स्टार के जोड़ों में से 50%।

बाकी के लिए, वस्तुओं की प्रकृति थोड़ी रहस्यमय बनी रह सकती है, जो डेटा की सीमाओं के पीछे छिपी है। लेकिन उनके लिए भी, LISA उनके स्थान का नक्शा प्रदान करेगा, जिससे अन्य वैज्ञानिकों को करीब से देखने के लिए आमंत्रित किया जा सके। यह बर्फ में कुछ स्पष्ट पदचिह्नों को खोजने जैसा है जो बताते हैं कि किस जानवर ने वहां से गुजरने का निशान छोड़ा है, जबकि बाकी निशान केवल एक धुंधले निशान की तरह हैं। लेकिन वे स्पष्ट पदचिह्न यह समझने के लिए पर्याप्त हैं कि कैसे ये भारी ब्रह्मांडीय पिंड जन्म लेते हैं और विकसित होते हैं। लेखक सावधानीपूर्वक नोट करते हैं कि ये संख्याएँ सितारों के व्यवहार के बारे में हमारे वर्तमान सर्वोत्तम अनुमानों पर आधारित सिमुलेशन से आती हैं, इसलिए वास्तविक संख्याएँ भिन्न हो सकती हैं, लेकिन खोज की क्षमता निश्चित रूप से मौजूद है।