Measuring the neutron star equation of state from EMRIs in dark matter environments with LISA
यह शोध पत्र यह प्रदर्शित करता है कि लिसा (LISA) द्वारा सघन डार्क मैटर परिवेशों में अत्यधिक द्रव्यमान-अनुपात इनस्पायरल्स (extreme mass-ratio inspirals) के अवलोकन, सापेक्षतावादी गतिशील-घर्षण बल (relativistic dynamical-friction force) का लाभ उठाकर, न्यूट्रॉन सितारों और ब्लैक होल्स के बीच अंतर कर सकते हैं और न्यूट्रॉन स्टार समीकरणों की अवस्थाओं (equations of state) को सीमित कर सकते हैं, बशर्ते कि सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात लगभग 120 से अधिक हो।
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ब्रह्मांड की गहराइयों में, जहाँ गुरुत्वाकर्षण इतना तीव्र है कि वह स्वयं अंतरिक्ष और समय को मोड़ देता है, एक नए प्रकार की ब्रह्मांडीय प्रयोगशाला उभर रही है। दशकों से, खगोलविदों ने प्रकाश का उपयोग करके ब्रह्मांड को सुना है, लेकिन उपकरणों की एक नई पीढ़ी अब स्वयं स्पेसटाइम (spacetime) की लहरों को सुनने के लिए ट्यून कर रही है, जिन्हें गुरुत्वाकर्षण तरंगें (gravitational waves) कहा जाता है। ये तरंगें तब उत्पन्न होती हैं जब ब्लैक होल जैसे विशाल पिंड आपस में टकराते हैं या एक-दूसरे की ओर सर्पिल (spiral) गति करते हैं। हालाँकि हम पहले ही भारी वस्तुओं के हिंसक टकरावों का पता लगा चुके हैं, लेकिन अब एक अधिक सूक्ष्म घटना ध्यान आकर्षित कर रही है: एक छोटे, सघन पिंड का एक बहुत बड़े ब्लैक होल में धीरे-धीरे, गरिमापूर्ण तरीके से समा जाने का नृत्य। यह प्रक्रिया, जो वर्षों तक चल सकती है, इन दिग्गजों के चारों ओर मौजूद अदृश्य पदार्थ का अध्ययन करने का एक अनूठा अवसर प्रदान करती है। विशेष रूप से, वैज्ञानिक इस बात में रुचि रखते हैं कि छोटा साथी एक ब्लैक होल है या एक न्यूट्रॉन स्टार—एक शहर के आकार का पदार्थ का गोला जो इतना सघन है कि उसका एक चम्मच भार अरबों टन होगा। अब तक, इन धीमी सर्पिल गतियों के संकेतों को इतना सरल माना जाता था कि वे छोटे साथी की वास्तविक प्रकृति को प्रकट न कर सकें, लेकिन एक नया अध्ययन बताता है कि ब्लैक होल के आसपास का वातावरण सब कुछ बदल देता है।
इस कार्य के पीछे के शोधकर्ता, जो एम्स्टर्डम विश्वविद्यालय के हैं, एक ऐसे परिदृश्य पर केंद्रित थे जहाँ एक सुपरमैसिव ब्लैक होल शून्य में अकेला नहीं है, बल्कि डार्क मैटर (dark matter) के एक घने बादल से घिरा हुआ है। डार्क मैटर एक अदृश्य पदार्थ है जो ब्रह्मांड के अधिकांश द्रव्यमान का निर्माण करता है, और ब्लैक होल के चारों ओर, यह एक तीक्ष्ण, सघन स्पाइक (spike) बना सकता है। जैसे ही एक छोटा पिंड, जैसे कि न्यूट्रॉन स्टार, डार्क मैटर के बादल के माध्यम से कक्षा में घूमता है, वह खाली स्थान से होकर नहीं गुजरता। इसके बजाय, वह अदृश्य कणों के समुद्र के बीच से रास्ता बनाता है। यह संपर्क एक ड्रैग फोर्स (drag force - खिंचाव बल) पैदा करता है, ठीक वैसे ही जैसे पानी के माध्यम से हाथ हिलाने पर प्रतिरोध महसूस होता है, जो वस्तु की गति को धीमा कर देता है और उसके अंदरूनी सर्पिल पथ को बदल देता है। टीम ने पहली बार गणना की कि इस तरह के बादल में चलते न्यूट्रॉन स्टार पर यह ड्रैग फोर्स ठीक कैसे काम करता है। उन्होंने पाया कि क्योंकि एक न्यूट्रॉन स्टार की एक भौतिक सतह और एक विशिष्ट आंतरिक संरचना होती है, इसलिए यह ब्लैक होल की तुलना में डार्क मैटर के साथ अलग तरह से अंतःक्रिया करता है, क्योंकि ब्लैक होल की कोई सतह नहीं होती और वह जो कुछ भी पास आता है उसे बस निगल लेता है।
इस बात को समझने के लिए कि भविष्य के अवलोकनों के लिए इसका क्या अर्थ है, टीम ने कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया ताकि यह मॉडल किया जा सके कि LISA नामक एक अंतरिक्ष-आधारित वेधशाला क्या देखेगी। LISA एक नियोजित मिशन है जिसे अंतरिक्ष से गुरुत्वाकर्षण तरंगों का पता लगाने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जो पृथ्वी के वायुमंडल के हस्तक्षेप से मुक्त है। शोधकर्ताओं ने हजारों सिम्युलेटेड संकेतों का निर्माण किया, जो एक वर्ष की अवधि में ब्लैक होल में सर्पिल गति करते हुए एक न्यूट्रॉन स्टार का प्रतिनिधित्व करते हैं। फिर उन्होंने एक कंप्यूटर को इन संकेतों का विश्लेषण करने के लिए अलग-अलग धारणाओं का उपयोग करने को कहा: क्या होगा यदि छोटा पिंड एक ब्लैक होल हो? क्या होगा यदि वह एक विशिष्ट प्रकार की आंतरिक संरचना वाला न्यूट्रॉन स्टार हो? परिणाम चौंकाने वाले थे। जब संकेत पर्याप्त मजबूत था, तो कंप्यूटर स्पष्ट रूप से एक ब्लैक होल साथी और एक न्यूट्रॉन स्टार साथी के बीच अंतर बता सका। डार्क मैटर के खिंचाव ने गुरुत्वाकर्षण तरंग के संकेत पर एक अनूठा निशान छोड़ दिया जिसने साथी की वास्तविक पहचान को उजागर कर दिया।
अध्ययन और आगे बढ़ा, यह परीक्षण करने के लिए कि क्या संकेत विभिन्न प्रकार के न्यूट्रॉन स्टार के बीच अंतर कर सकता है। न्यूट्रॉन स्टार एक "इक्वेशन ऑफ स्टेट" (equation of state) द्वारा संचालित होते हैं, जो नियमों का एक समूह है जो बताता है कि अत्यधिक दबाव के तहत पदार्थ कैसे व्यवहार करता है। अलग-अलग नियम सितारों को थोड़े अलग आकार और घनत्व प्रदान करते हैं। सिमुलेशन ने दिखाया कि यदि संकेत बहुत मजबूत है, तो गुरुत्वाकर्षण तरंगें यह भी प्रकट कर सकती हैं कि न्यूट्रॉन स्टार पर कौन से विशिष्ट नियम लागू होते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि उच्च स्तर की स्पष्टता वाले संकेतों के लिए, डेटा आत्मविश्वास से इस विचार को खारिज कर सकता है कि साथी एक ब्लैक होल था। इसके अलावा, डेटा न्यूट्रॉन स्टार के आंतरिक भाग के विभिन्न मॉडलों के बीच अंतर करना शुरू कर सकता है, जो कि इस प्रकार की ब्रह्मांडीय घटना के लिए पहले असंभव माना जाता था।
इस खोज की कुंजी संकेत की शक्ति है। शोधकर्ताओं ने निर्धारित किया कि सबसे आशाजनक घटनाओं के लिए, जहाँ संकेत बैकग्राउंड शोर से लगभग 120 गुना अधिक मजबूत है, ब्लैक होल और न्यूट्रॉन स्टार के बीच का अंतर स्पष्ट हो जाता है। बहुत शक्तिशाली संकेतों के लिए, न्यूट्रॉन स्टार की विशिष्ट आंतरिक संरचना को पहचानने की क्षमता और भी अधिक शक्तिशाली हो जाती है। इसका मतलब है कि जब LISA अपना संचालन शुरू करेगा, तो वह केवल ब्लैक होल की गिनती ही नहीं करेगा; वह पदार्थ के हृदय की जांच करने में सक्षम होगा, यह परीक्षण करने में कि परमाणु कैसे व्यवहार करते हैं जब उन्हें उनके टूटने के बिंदु से परे दबाया जाता है। अध्ययन पुष्टि करता है कि ब्लैक होल के चारों ओर डार्क मैटर की उपस्थिति एक साधारण कक्षीय क्षय (orbital decay) को एक विस्तृत नैदानिक उपकरण (diagnostic tool) में बदल देती है, जिससे हम अदृश्य ब्रह्मांड को उन तरीकों से मापने और तौलने में सक्षम होते हैं जिनकी हमने कभी कल्पना भी नहीं की थी।
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