Black hole binaries in shift-symmetric Einstein-scalar-Gauss-Bonnet gravity experience a slower merger phase
पूर्णतः गैर-रैखिक संख्यात्मक सिमुलेशन (fully non-linear numerical simulations) यह प्रकट करते हैं कि जहाँ शिफ्ट-सिमेट्रिक आइंस्टीन-स्केलर-गॉस-बोनट गुरुत्वाकर्षण, स्केलर डिपोल रेडिएशन के कारण ब्लैक होल बाइनरी के विलय को सामान्य सापेक्षता की तुलना में त्वरित करता है, वहीं प्रबल-क्षेत्र संरक्षण संबंधी गतिकी (strong-field conservative dynamics) इस त्वरण को महत्वपूर्ण रूप से दबा देती है, जिसके परिणामस्वरूप पोस्ट-न्यूटनियन सन्निकटन (post-Newtonian approximations) द्वारा अनुमानित विलय चरण की तुलना में एक धीमा विलय चरण प्राप्त होता है।
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गुरुत्वाकर्षण वह बल है जो ब्रह्मांड को आकार देता है, ग्रहों को कक्षा में बनाए रखता है और प्रकाश के मार्ग को मोड़ता है। एक सदी से अधिक समय से, इस बल का हमारा सबसे अच्छा विवरण अल्बर्ट आइंस्टीन का सामान्य सापेक्षता (जनरल रिलेटिविटी) का सिद्धांत रहा है, जो गुरुत्वाकर्षण को केवल एक खिंचाव के रूप में नहीं, बल्कि द्रव्यमान के कारण अंतरिक्ष और समय की वक्रता के रूप में चित्रित करता है। हालांकि इस सिद्धांत ने अब तक सामने आई हर परीक्षा को सफलतापूर्वक पास किया है, वैज्ञानिकों को संदेह है कि यह एक अधूरा चित्र हो सकता है, विशेष रूप से उन अत्यंत चरम वातावरणों में जहां गुरुत्वाकर्षण अविश्वसनीय रूप से मजबूत होता है। इसका अन्वेषण करने के लिए, शोधकर्ता ब्लैक होल के व्यवहार में सूक्ष्म विचलन की तलाश करते हैं, जो अस्तित्व में सबसे विशाल और सघन वस्तुएं हैं। जब दो ब्लैक होल एक-दूसरे की ओर सर्पिल गति करते हैं और टकराते हैं, तो वे स्पेसटाइम में लहरें पैदा करते हैं जिन्हें गुरुत्वाकर्षण तरंगें (ग्रैविटेशनल वेव्स) कहा जाता है। ये तरंगें घटना का एक विस्तृत रिकॉर्ड ले जाती हैं, जिससे खगोलविदों को टक्कर के अंतिम क्षणों को सुनने और यह जांचने की अनुमति मिलती है कि क्या खेल के नियम आइंस्टीन के अनुमानों से मेल खाते हैं या क्या कुछ नया घटित हो रहा है।
एक विशिष्ट रुचि का क्षेत्र उन सिद्धांतों से संबंधित है जो आइंस्टीन के समीकरणों में एक नए, अदृश्य क्षेत्र को जोड़ते हैं, ठीक वैसे ही जैसे किसी रेसिपी में एक नया घटक जोड़ा जाता है। ऐसा ही एक सिद्धांत, जिसे 'शिफ्ट-सिमेट्रिक आइंस्टीन-स्केलर-गॉस-बोनर ग्रेविटी' कहा जाता है, यह सुझाव देता है कि ब्लैक होल केवल अनंत घनत्व वाले खाली बिंदु नहीं हैं, बल्कि वे इस नए क्षेत्र के एक धुंधले, अदृश्य बादल से घिरे हुए हैं। यह बादल, या "स्केलर चार्ज," ब्लैक होल की एक-दूसरे के साथ होने वाली अंतःक्रिया को बदल देता है। दशकों से उपयोग किए जा रहे गणितीय अनुमानों के अनुसार, यह अतिरिक्त क्षेत्र ब्लैक होल को ऊर्जा तेजी से खोने और आइंस्टीन के सिद्धांत की तुलना में अधिक तेज़ी से आपस में टकराने के लिए प्रेरित करेगा। अपेक्षा यह थी कि यह त्वरण डेटा में एक स्पष्ट, निर्विवाद संकेत होगा, जिसे LIGO और Virgo जैसे डिटेक्टरों द्वारा आसानी से पहचाना जा सकेगा। हालांकि, इन पुराने गणनाओं ने सरलीकृत धारणाओं पर भरोसा किया था जो तब तो अच्छी तरह काम करती हैं जब ब्लैक होल दूर होते हैं, लेकिन जब वे टकराने के लिए पर्याप्त करीब आते हैं तो विफल हो जाती हैं।
यह देखने के लिए कि जब ये ब्लैक होल करीब आते हैं तो वास्तव में क्या होता है, शोधकर्ताओं की एक टीम ने शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन चलाए जिन्होंने उन सरलीकृत शॉर्टकट पर निर्भर रहने के बजाय टक्कर की पूरी, जटिल वास्तविकता को मॉडल किया। उन्होंने GW150914, जिसे पहली बार पता लगाए गए ब्लैक होल विलय के समान एक 'डिजिटल ट्विन' बनाया, और देखा कि यह नई थ्योरी के तहत आइंस्टीन की मानक ग्रेविटी की तुलना में कैसे विकसित होता है। उन्होंने यह सुनिश्चित करने के लिए दो अलग-अलग, स्वतंत्र कंप्यूटर कोड का उपयोग किया कि उनके परिणाम किसी एक विशिष्ट प्रोग्राम की त्रुटि मात्र न हों। सिमुलेशन ने दिखाया कि नई थ्योरी में ब्लैक होल वास्तव में आइंस्टीन के संस्करण की तुलना में तेजी से विलीन हुए, जिससे पुष्टि हुई कि अदृश्य बादल प्रक्रिया को तेज करता है। हालांकि, यह गति, पुराने गणितीय सूत्रों द्वारा की गई भविष्यवाणी की तुलना में बहुत कम नाटकीय थी। अंतर वह विशाल, स्पष्ट अंतर नहीं था जैसा कि अनुमानों ने सुझाया था, बल्कि एक बहुत ही सूक्ष्म बदलाव था।
शोधकर्ताओं ने पाया कि इस कम-से-अपेक्षा-अधिक गति के पीछे का कारण यह है कि ब्लैक होल अपनी ऊर्जा को कैसे थामे रखते हैं। नई थ्योरी में, अदृश्य बादल की उपस्थिति ब्लैक होल के बीच के बंधन को बदल देती है। कक्षा को एक निश्चित मात्रा में छोटा करने के लिए, सिस्टम को वास्तव में आइंस्टीन के सिद्धांत की तुलना में अधिक कुल ऊर्जा खोने की आवश्यकता होती है। यह ऐसा है जैसे ब्लैक होल बादल के खिंचाव के खिलाफ कड़ी लड़ाई लड़ रहे हों, जिसके लिए करीब आने के लिए ऊर्जा के अधिक व्यय की आवश्यकता होती है। जबकि बादल से निकलने वाला अतिरिक्त विकिरण उन्हें तेजी से एक साथ धकेलता है, स्पेसटाइम की बदलती संरचना से मिलने वाला यह बढ़ा हुआ प्रतिरोध प्रक्रिया को काफी धीमा कर देता है। ये दोनों प्रभाव आंशिक रूप से एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं, जिसके परिणामस्वरूप एक ऐसा विलय होता है जो आइंस्टीन की भविष्यवाणी से तेज़ है, लेकिन सरल सूत्रों द्वारा सुझाए गए मुकाबले बहुत कम तेज़ है।
यह निष्कर्ष महत्वपूर्ण है क्योंकि यह वैज्ञानिकों के ब्रह्मांड से प्राप्त संकेतों की व्याख्या करने के तरीके को बदल देता है। यदि शोधकर्ता मान लेते हैं कि पुराने, सरल सूत्र टकराने के क्षण तक सही हैं, तो वे डेटा की गलत व्याख्या कर सकते हैं, यह सोचकर कि ब्लैक होल वास्तव में जितने भारी या घूम रहे हैं, उससे कहीं अधिक भारी या अलग स्पिन वाले हैं। अध्ययन सुझाव देता है कि कक्षा के धीमे, अनुमानित चरण से अराजक अंतिम टकराव तक का संक्रमण पहले की तुलना में अधिक जटिल है। अदृश्य बादल केवल एक साधारण ब्रेक या एक्सीलरेटर के रूप में कार्य नहीं करता है; यह मौलिक रूप से सिस्टम के ऊर्जा संतुलन को बदल देता है, जो केवल तभी प्रकट होता है जब गुरुत्वाकर्षण अपने सबसे मजबूत स्तर पर होता है। इसका अर्थ यह है कि इन नई थ्योरीज का परीक्षण करने के लिए, वैज्ञानिक केवल मोटे अनुमानों पर भरोसा नहीं कर सकते। उन्हें टक्कर के पूरे गीत को, पहले नोट से लेकर अंतिम सन्नाटे तक, सुनने की आवश्यकता है, ताकि वे उन सूक्ष्म अंतरों को डिकोड कर सकें जिन्हें प्रकृति 'स्ट्रॉन्ग-फील्ड रिजीम' में छिपाकर रखती है।
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