Multimessenger search strategy for composite dark matter with white dwarf data and gravitational wave detectors

ब्रह्मांड डार्क मैटर नामक एक रहस्यमय पदार्थ से भरा हुआ है। हम जानते हैं कि यह वहां मौजूद है क्योंकि इसका गुरुत्वाकर्षण आकाशगंगाओं को एक साथ थामे रखता है और दूर के तारों के प्रकाश को मोड़ देता है, फिर भी यह किसी भी प्रकार का प्रकाश उत्सर्जित, अवशोषित या परावर्तित नहीं करता है। दशकों से, वैज्ञानिक इसकी खोज उन नन्हे, अदृश्य कणों को ढूंढने की कोशिश कर रहे हैं जो शायद हर सेकंड हमारे शरीर से होकर गुजर रहे हों। हालांकि, दशकों के प्रयास के बावजूद, किसी को भी इनमें से एक भी कण नहीं मिला है। इस खोज की कमी ने कुछ शोधकर्ताओं को एक अलग संभावना पर विचार करने के लिए प्रेरित किया है: कि डार्क मैटर शायद छोटे कणों से नहीं बना है, बल्कि बड़े, भारी ढेलों (clumps) से बना है। ये ढेलें स्थूल वस्तुएं (macroscopic objects) होंगी, जो शायद रेत के एक कण जितनी छोटी या एक पर्वत जितनी बड़ी हो सकती हैं, जो उसी 'डार्क पदार्थ' से बनी हैं जिससे ब्रह्मांड के अदृश्य द्रव्यमान का निर्माण होता है। इन बड़े ढेलों को खोजने की समस्या यह है कि वे बहुत दुर्लभ हैं। चूंकि वे भारी होते हैं, इसलिए पृथ्वी पर मानक डिटेक्टरों के माध्यम से उन्हें पकड़ना अत्यंत कठिन है क्योंकि सूक्ष्म कणों की तुलना में उनकी संख्या बहुत कम है।

इस समस्या को हल करने के लिए, चीन की सन यत-सेन यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं के एक दल ने इन बड़े डार्क मैटर के ढेलों को खोजने का एक नया तरीका प्रस्तावित किया है। लैब में डिटेक्टर से टकराने की प्रतीक्षा करने के बजाय, वे सुझाव देते हैं कि अंतरिक्ष में उनके द्वारा उत्पन्न होने वाली लहरों को सुना जाए, और साथ ही मृत सितारों के इतिहास का पुनरीक्षण किया जाए। शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट प्रकार के डert मैटर पर ध्यान केंद्रित किया जो 'कंपोजिट ऑब्जेक्ट्स' (composite objects) से बना है, ठीक वैसे ही जैसे परमाणु छोटे कणों से बने होते हैं, लेकिन यह ब्रह्मांड के एक छिपे हुए क्षेत्र (hidden sector) में मौजूद है। ये वस्तुएं इतनी भारी हो सकती हैं कि उनका अपना गुरुत्वाकर्षण हो, और वे सामान्य पदार्थ के साथ एक ऐसे बल के माध्यम से अंतःक्रिया कर सकती हैं जो गुरुत्वाकर्षण से थोड़ा अधिक शक्तिशाली है। टीम ने एक एकीकृत रणनीति विकसित की है जो दो बहुत अलग प्रकार के प्रेक्षणों को जोड़ती है: सितारों की हिंसक मृत्यु और ब्लैक होल के टकराने से उत्पन्न होने वाले गुरुत्वाकर्षण तरंगों को सुनने के लिए डिज़ाइन किए गए संवेदनशील उपकरण।

उनकी रणनीति का पहला भाग व्हाइट ड्वार्फ (white dwarfs) को देखने से संबंधित है, जो हमारे सूर्य जैसे सितारों के घने, ठंडे होते कोर हैं जब वे अपना ईंधन जला चुके होते हैं। ये तारे अविश्वसनीय रूप से घने होते हैं और विशाल, 'लॉन्ग-एक्सपोज़र डिटेक्टरों' के रूप में कार्य करते हैं। यदि डार्क मैटर का एक बड़ा ढेला एक व्हाइट ड्वार्फ के माध्यम से गुजरता है, तो वह तारे के परमाणुओं से टकराएगा और गुजरते समय ऊर्जा स्थानांतरित करेगा। यदि ढेला पर्याप्त भारी और पर्याप्त तेज़ गति वाला है, तो यह ऊर्जा हस्तांतरण तारे के भीतर एक छोटे से हिस्से को लाखों डिग्री तक गर्म कर सकता है। यह अचानक गर्मी एक अनियंत्रित परमाणु विस्फोट को जन्म दे सकती है, जिससे व्हाइट ड्वार्फ एक सुपरनोवा में बदल सकता है। शोधकर्ताओं ने हजारों व्हाइट ड्वार्फ के डेटा का विश्लेषण किया ताकि यह देखा जा सके कि क्या उनमें से कोई विस्फोट इस प्रक्रिया द्वारा समझाया जा सकता है। सितारों की आंतरिक संरचना के अधिक सटीक मॉडल और ज्ञात व्हाइट ड्वार्फ के पहले से कहीं बड़े डेटाबेस का उपयोग करके, उन्होंने गणना की कि एक डार्क मैटर के ढेले को विस्फोट का कारण बनने के लिए कितनी ऊर्जा जमा करने की आवश्यकता होगी। उन्होंने पाया कि यदि ये ढेलों का अस्तित्व है और वे एक विशिष्ट तरीके से सामान्य पदार्थ के साथ अंतःक्रिया करते हैं, तो उन्होंने पहले से ही देखे गए कई व्हाइट ड्वार्फ में विस्फोटों को सक्रिय कर दिया होता। चूंकि हम इन विस्फोटों को उतनी बार होते नहीं देखते जितनी उनकी थ्योरी भविष्यवाणी करती है, इसलिए शोधकर्ता इन डार्क मैटर के ढेलों के क्या होने की विस्तृत संभावनाओं को खारिज करने में सक्षम रहे, विशेष रूप से सामान्य पदार्थ के साथ उनके संपर्क की शक्ति को सीमित करने में।

अध्ययन का दूसरा भाग भविष्य की ओर देखता है, जो गुरुकर्षण तरंगों का पता लगाने के लिए डिज़ाइन किए गए अंतरिक्ष-आधारित उपकरणों का उपयोग करता है। LISA, TianQin और Taiji जैसे नियोजित मिशनों के ये डिटेक्टर, अंतरिक्ष में तैरते उपग्रहों से बने होते हैं जो उनके बीच की दूरी में सूक्ष्म परिवर्तनों को अत्यधिक सटीकता के साथ मापते हैं। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि यदि डार्क मैटर का एक भारी ढेला इन उपग्रहों के पास से गुजरता है, तो उसका गुरुत्वाकर्षण खिंचाव उपकरण के भीतर के परीक्षण द्रव्यमानों (test masses) को खींच लेगा। यह खिंचाव उपग्रह की गति में एक सूक्ष्म, पता लगाने योग्य बदलाव पैदा करेगा, जिससे डेटा में एक अद्वितीय संकेत (signal) बनेगा। व्हाइट ड्वार्फ पद्धति के विपरीत, जो विस्फोटों की अनुपस्थिति को देखती है, यह विधि एक विशिष्ट गुरुत्वाकर्षण खिंचाव की उपस्थिति को देखती है। टीम ने इन भविष्य के डिटेक्टरों की संवेदनशीलता की गणना की और पाया कि वे एक ग्राम से लेकर दस ट्रिलियन ग्राम तक के द्रव्यमान वाले डार्क मैटर के ढेलों को पहचान सकते हैं, बशर्ते कि ये ढेलें सामान्य पदार्थ के साथ गुरुत्वाकर्षण से काफी अधिक शक्तिशाली बल के साथ अंतःक्रिया करें। यह दृष्टिकोण ब्रह्मांड के एक नए द्वार को खोलता है, जिससे वैज्ञानिक डार्क मैटर के उन क्षेत्रों की जांच कर सकते हैं जो पारंपरिक कण डिटेक्टरों और यहाँ तक कि व्हाइट ड्वार्फ पद्धति के लिए भी पूरी तरह से अदृश्य हैं।

शोधकर्ताओं ने इन दोनों दृष्टिकोणों को मिलाकर एक शक्तिशाली, 'मल्टी-मैसेंजर' खोज रणनीति बनाई है। उन्होंने पाया कि कम आंतरिक घनत्व वाले डार्क मैटर के ढेलों के लिए, व्हाइट ड्वार्फ विस्फोटों से प्राप्त प्रतिबंध इतने सख्त हैं कि इन वस्तुओं के अस्तित्व के लिए लगभग कोई जगह नहीं बचती है। हालांकि, बहुत उच्च आंतरिक घनत्व वाले ढेलों के लिए, व्हाइट ड्वार्फ पद्धति अपनी शक्ति खो देती है, लेकिन गुरुत्वाकर्षण तरंग डिटेक्टर एकदम सही उपकरण बन जाते हैं। इस उच्च-घनत्व वाले क्षेत्र में, अंतरिक्ष-आधारित डिटेक्टर संभावित रूप से इन वस्तुओं की पहचान कर सकते हैं और यहाँ तक कि उनके गुणों को भी बड़ी सटीकता के साथ माप सकते हैं। टीम ने सांख्यिकीय उपकरणों का उपयोग करके दिखाया कि यदि कोई संकेत मिलता है, तो ये उपकरण डार्क मैटर के ढेले के द्रव्यमान और सामान्य पदार्थ के साथ उसके संपर्क की शक्ति को कुछ प्रतिशत की सटीकता के साथ निर्धारित कर सकते हैं। इसका अर्थ यह है कि यदि ये भारी ढेल मौजूद हैं और हमारे भविष्य के अंतरिक्ष वेधशालाओं के पास से गुजरते हैं, तो हम न केवल यह जानेंगे कि वे वहां हैं, बल्कि हम यह भी समझ पाएंगे कि वे वास्तव में क्या हैं।

मरते हुए सितारों के अध्ययन और गुरुत्वाकर्षण तरंग खगोल विज्ञान के अत्याधुनिक क्षेत्र के बीच सेतु बनाकर, यह कार्य इन मायावी मैक्रोस्कोपिक डार्क मैटर वस्तुओं को खोजने या उन्हें पूरी तरह से खारिज करने के लिए एक व्यापक योजना प्रदान करता है। यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि ब्रह्मांड हमारे सिद्धांतों का परीक्षण करने के कई तरीके प्रदान करता है, और सितारों के हिंसक इतिहास के साथ अंतरिक्ष इंटरफेरोमीटर की शांत सटीकता का उपयोग करके, हम अंततः भौतिकी के सबसे निरंतर रहस्य को घेर सकते हैं। परिणाम बताते हैं कि अवलोकन का अगला दशक इस बात का निर्णायक उत्तर दे सकता है कि डार्क मैटर सूक्ष्म कणों से बना है या विशाल, अदृश्य ढेलों से, जो हमें ब्रह्मांड की वास्तविक प्रकृति को समझने के एक कदम और करीब लाता है।