⚛️ general relativity

First measurement of the Hubble constant from gravitational wave-galaxy cross-correlations

यह शोध पत्र "पीक साइरेन्स" (Peak Sirens) विधि का उपयोग करके गुरुत्वाकर्षण तरंग घटनाओं और गैलेक्सी वितरण के बीच एक क्रॉस-कोरिलेशन पीक का पता लगाकर हबल स्थिरांक ( $H_0 = 67^{+18}_{-15}$ किमी प्रति सेकंड प्रति मेगापार्सेक) का पहला मापन और गुरुत्वाकर्षण तरंग बायस (gravitational wave bias) पर एक प्रतिबंध प्रस्तुत करता है।

मूल लेखक: Isabela Santiago de Matos, Charles Dalang, Tessa Baker, Raul Abramo, João Ferri, Miguel Quartin

प्रकाशित 2026-08-18

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Isabela Santiago de Matos, Charles Dalang, Tessa Baker, Raul Abramo, João Ferri, Miguel Quartin

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

द दशकों से, खगोलशास्त्री इस गति को मापने का प्रयास कर रहे हैं जिस गति से हमारा ब्रह्मांड फैल रहा है, जिसे हबल स्थिरांक (हबल कॉन्स्टेंट) के रूप में जाना जाता है। यह संख्या ब्रह्मांड की आयु, आकार और उसके अंतिम भाग्य को समझने के लिए मौलिक है। इसे खोजने के लिए, वैज्ञानिक पारंपरिक रूप से दो मुख्य प्रकार के ब्रह्मांडीय मापों पर निर्भर करते हैं: विस्फोटित होते तारों का प्रकाश और बिग बैंग की मंद चमक। हालाँकि, ये दोनों विधियाँ हाल ही में एक-दूसरे से असहमत होने लगी हैं, जो एक ऐसा तनाव पैदा करती है जो यह सुझाव देता है कि भौतिकी की हमारी वर्तमान समझ अधूरी हो सकती है। पिछले दशक में, इस पहेली को सुलझाने में मदद करने के लिए एक नया उपकरण उभरा है: गुरुत्वाकर्षण तरंगें। ये अंतरिक्ष-समय के ताने-बाने में उत्पन्न होने वाली लहरें हैं जो ब्लैक होल या न्यूट्रॉन सितारों जैसे हिंसक ब्रह्मांडीय आयोजनों के कारण होती हैं। प्रकाश के विपरीत, जो धूल द्वारा धुंधला या बिखरा हुआ हो सकता है, गुरुत्वाकर्षण तरंगें ब्रह्मांड के माध्यम से लगभग निर्बाध रूप से यात्रा करती हैं, जो अपने स्रोत की दूरी का एक सीधा और सटीक रिकॉर्ड लेकर चलती हैं। चुनौती हमेशा यह रही है कि जबकि ये तरंगें हमें बताती हैं कि कोई घटना कितनी दूर हुई, वे यह नहीं बतातीं कि वह घटना हमसे कितनी तेजी से दूर जा रही है, जो कि आमतौर पर मेजबान आकाशगंगा के प्रकाश के रंग को देखकर प्राप्त की जाने वाली जानकारी होती है।

शोधकर्ताओं के एक दल ने अब गुरुत्वाकर्षण तरंगों को सीधे उन आकाशगंगाओं से जोड़ने की एक नई तकनीक का उपयोग करके इस अंतर को पाटने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। किसी एकल घटना के लिए विशिष्ट आकाशगंगा को खोजने का प्रयास करने के बजाय, जो अक्सर तब कठिन होता है जब तरंग का स्थान अस्पष्ट होता है, टीम ने कई गुरुत्वाकर्षण तरंग घटनाओं और आकाश में लाखों आकाशगंगाओं के वितरण के बीच सांख्यिकीय संबंध को देखा। उन्होंने हाल के अवलोकनों के एक कैटलॉग से दो विशिष्ट गुरुत्वाकर्षण तरंग डिटेक्शन पर ध्यान केंद्रित किया: एक ब्लैक होल और एक छोटे पिंड के बीच टकराव से संबंधित, और दूसरा न्यूट्रॉन सितारों के दो सितारों के प्रसिद्ध टकराव से संबंधित जिसे दूरबीनों से भी देखा गया था। इन तरंगों के आने के स्थान के तीन-आयामी मानचित्र और आकाशगंगाएँ कहाँ स्थित हैं इसके मानचित्र की तुलना करके, शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट पैटर्न की खोज की। उनका तर्क था कि यदि तरंगें और आकाशगंगाएँ वास्तव में जुड़ी हुई हैं, तो उनके सहसंबंध (कोरिलेशन) में ठीक उसी दूरी पर एक विशिष्ट शिखर (पीक) होना चाहिए जहाँ आकाशगंगाओं के रेडशिफ्ट उनकी तरंगों की दूरियों से मेल खाते हैं। यह विधि, जिसे वे "पीक साइरेन्स" कहते हैं, उन्हें बिना यह जाने कि प्रत्येक एकल घटना के लिए मेजबान आकाशगंगा का सटीक रेडशिफ्ट क्या है, ब्रह्मांड की विस्तार दर को मापने की अनुमति देती है।

टीम ने उच्च सांख्यिकीय विश्वास के साथ इस सहसंबंध संकेत का सफलतापूर्वक पता लगा लिया, जिसने पहली बार इस विशिष्ट विधि को वास्तविक डेटा में देखा है। यह संकेत मुख्य रूप से उनके डेटासेट में सबसे अच्छी तरह से स्थानीयकृत घटना द्वारा संचालित था, जो लगभग 255 मिलियन प्रकाश वर्ष दूर हुआ एक टकराव था, जिसमें एक नजदीकी न्यूट्रॉन स्टार टकराव का छोटा योगदान था। इस सहसंबंध शिखर की स्थिति का विश्लेषण करके, शोधकर्ताओं ने हबल स्थिरांक के लिए 67 किलोमीटर प्रति सेकंड प्रति मेगापारसेक का मान निकाला, जिसकी अनिश्चितता सीमा 52 से 85 तक फैली हुई है। हालांकि यह माप अन्य विधियों द्वारा प्राप्त विभिन्न विस्तार दरों के बीच के विवाद को सुलझाने के लिए अभी पर्याप्त सटीक नहीं है, लेकिन यह कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड और अन्य डार्क साइरन अध्ययनों से प्राप्त मूल्यों के अनुरूप है। अधिक महत्वपूर्ण बात यह है कि इस अध्ययन ने प्रदर्शित किया कि यह तकनीक बहुत कम संख्या में गुरुत्वाकर्षण तरंग घटनाओं के साथ भी काम करती है, जिससे यह सिद्ध होता है कि अधिक डिटेक्टर ऑनलाइन आने के साथ भविष्य के अधिक सटीक मापों के लिए यह विधि व्यवहार्य है।

विस्तार दर को मापने के अलावा, इस कार्य ने 'गुरुत्वाकर्षण तरंग बायस' नामक गुण पर पहला अवलोकन संबंधी प्रतिबंध भी प्रदान किया। यह संख्या बताती है कि गुरुत्वाकर्षण तरंगों के स्रोत ब्रह्मांड में पदार्थ के अंतर्निहित वितरण को कितनी मजबूती से ट्रैक करते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह बायस 4.3 से कम है, एक ऐसा परिणाम जो हमारी इस समझ को परिष्कृत करने में मदद करता है कि ये हिंसक ब्रह्मांडीय टकराव जिन्हें हम देखते हैं, उनसे सापेक्ष कहाँ होने की संभावना है। अध्ययन ने एक विशाल आकाशगंगा कैटलॉग और अपेक्षित पैटर्न को मॉडल करने के लिए परिष्कृत कंप्यूटर सिमुलेशन पर भरोसा किया, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि पता लगाया गया संकेत केवल यादृच्छिक शोर नहीं है। लेखकों ने उल्लेख किया कि हालांकि वर्तमान में उपलब्ध अच्छी तरह से स्थानीयकृत गुरुत्वाकर्षण तरंग घटनाओं की कम संख्या के कारण उनका डेटा सीमित है, फिर भी यह तकनीक मजबूत है और टकराने वाली वस्तुओं के द्रव्यमान के बारे में जटिल धारणाओं पर निर्भर नहीं करती है। जैसे-जैसे आने वाले वर्षों में अधिक गुरुत्वाकर्षण तरंग घटनाएँ दर्ज की जाएँगी, इस विधि के ब्रह्मांड को मैप करने और गुरुत्वाकर्षण के नियमों का परीक्षण करने का एक शक्तिशाली नया तरीका बनने की उम्मीद है, जो आधुनिक ब्रह्मांड विज्ञान के सबसे स्थायी रहस्यों में से एक पर एक नया दृष्टिकोण प्रदान करेगा।

तकनीकी सारांश: गुरुत्वाकर्षण तरंग-गैलेक्सी क्रॉस-कोरिलेशन से हबल स्थिरांक का प्रथम मापन

समस्या और प्रेरणा
कॉम्पैक्ट बाइनरी कोलेसेंस (CBC) से प्राप्त गुरुत्वाकर्षण तरंग (GW) अवलोकन ल्यूमिनोसिटी डिस्टेंस ( $D_L$ ) का सीधा मापन प्रदान करते हैं लेकिन इनमें अंतर्निहित रेडशिफ्ट ( $z$ ) की जानकारी का अभाव होता है। कॉस्मोलॉजिकल पैरामीटर्स, विशेष रूप से हबल स्थिरांक ( $H_0$ ) को सीमित करने के लिए रेडशिफ्ट को पुनः प्राप्त करना आवश्यक है। जबकि "ब्राइट साइरन" विधियाँ (विद्युत चुम्बकीय काउंटरपार्ट्स का उपयोग करके) और "डार्क साइरन" विधियाँ (द्रव्यमान वितरण और विलय दर के आधार पर गैलेक्सी कैटलॉग के साथ GW घटनाओं को सांख्यिकीय रूप से जोड़ने वाली) स्थापित हैं, वे एस्ट्रोफिजिकल मॉडलिंग डिपेंडेंसी और पुष्ट काउंटरपार्ट्स की कमी के कारण सीमाओं का सामना करती हैं। यह शोध पत्र एक ऐसी तकनीक की आवश्यकता को संबोधित करता है जो बाहरी दूरी अंशांकन (कैलिब्रेशन) से बचती है और CBC द्रव्यमान वितरण और विलय दर के बारे में धारणाओं पर निर्भरता को कम करती है।

कार्यप्रणाली: पीक साइरन्स विधि
लेखक "पीक साइरन्स" विधि को लागू करते हैं, जो GW स्रोतों और गैलेक्सी के बीच 3D कोणीय क्रॉस-कोरिलेशन का उपयोग करती है। मुख्य भौतिक आधार यह है कि GW स्रोत गैलेक्सी के भीतर स्थित होते हैं; इसलिए, GW घटनाओं और गैलेक्सी वितरण के बीच स्थानिक सहसंबंध (spatial correlation) तब चरम (peak) पर होता है जब गैलेक्सी कैटलॉग के रेडशिफ्ट बिन, GW स्रोतों के ल्यूमिनोसिटी डिस्टेंस बिन के साथ संरेखित होते हैं।

तकनीकी कार्यान्वयन में शामिल है:

डेटा निर्माण:
- गैलेक्सी मैप: GLADE+ कैटलॉग (K-बैंड) का उपयोग करके, लेखक HEALPix ($nside=32 $) का उपयोग करके एक पिक्सेलेटेड नंबर काउंट मैप ($ N_g $) का निर्माण करते हैं। रेडियल दिशा को रेडशिफ्ट बिन ($ z_i $) में विभाजित किया गया है, जिसमें पास की घटनाओं को कैप्चर करने के लिए$ z < 0.02 $के लिए सूक्ष्म बिनिंग ($ \Delta z \approx 0.0033$) का उपयोग किया गया है।
- GW मैप: GWTC-3.0 कैटलॉग का उपयोग करके, एक 3D प्रोबेबिलिटी मैप ( $N_{gw}$ ) बनाया गया है, जो ल्यूमिनोसिटी डिस्टेंस बिन ( $D_{Lj}$ ) पर GW घटनाओं के पोस्टीरियर डिस्ट्रीब्यूशन को एकीकृत करके बनाया गया है।
क्रॉस-स्पेक्ट्रम विश्लेषण: लेखक गैलेक्सी और GW मैप के बीच कोणीय क्रॉस-स्पेक्ट्रम $C_\ell(z_i, D_{Lj})$ की गणना करते हैं। मानक डार्क साइरन दृष्टिकोणों के विपरीत, यह विधि ऑटो-कोरिलेशन या CBC मास फंक्शन के बारे में धारणाओं पर निर्भर नहीं करती है।
सैद्धांतिक मॉडलिंग: सैद्धांतिक क्रॉस-स्पेक्ट्रा को सिमुलेशन का उपयोग करके मॉडल किया गया है जहाँ GW स्रोतों को एक फिडुशियल कॉस्मोलॉजी (Planck 2018) के भीतर गैलेक्सी में बेतरतीब ढंग से इंजेक्ट किया गया है। विधि एक लीनियर GW बायस ( $b_{gw}$ ) मानती है और $(z, D_L)$ प्लेन में पीक की स्थिति को मॉडल करती है। पीक की स्थिति $H_0$ के प्रति संवेदनशील है, जबकि आयाम (amplitude) $b_{gw}$ के प्रति संवेदनशील है।
सांख्यिकीय अनुमान (Inference): सैद्धांतिक भविष्यवाणियों के विरुद्ध प्रेक्षित क्रॉस-स्पेक्ट्रा की तुलना करने के लिए एक गॉसियन लाइकलीहुड का उपयोग किया जाता है। विश्लेषण प्रमुख मापदंडों पर केंद्रित है: $H_0$ और $b_{gw}$ ।

प्रमुख योगदान और परिणाम
यह शोध पत्र GW-गैलेक्सी क्रॉस-कोरिलेशन सिग्नल के पहले डिटेक्शन और इस विशिष्ट तकनीक का उपयोग करके $H_0$ के पहले मापन की रिपोर्ट करता है।

डेटा चयन: विश्लेषण दो GW घटनाओं का उपयोग करता है:
- GW190814: एक ब्लैक-होल/लो-मास कॉम्पैक्ट ऑब्जेक्ट मर्जर, जिसे कैटलॉग में सबसे बेहतर स्थानीयकृत (localized) घटना माना गया है ( $\Omega_{90} = 18.5$ deg $^2$ )।
- GW170817: ज्ञात ब्राइट साइरन (BNS मर्जर)। महत्वपूर्ण रूप से, लेखक इस विश्लेषण में इसे एक डार्क साइरन के रूप में मानते हैं, इसकी ज्ञात होस्ट गैलेक्सी रेडशिफ्ट का उपयोग नहीं करते हैं, ताकि बाहरी EM रेडशिफ्ट डेटा के बिना इस विधि की व्यवहार्यता को प्रदर्शित किया जा सके।
डिटेक्शन सिग्निफिकेंस:
- केवल GW190814 का उपयोग करते हुए, क्रॉस-कोरिलेशन पीक 3.4 $\sigma$ सिग्निफिकेंस पर पता लगाया गया है।
- GW170817 को शामिल करने पर (इसके रेडशिफ्ट के बिना) सिग्निफिकेंस बढ़कर 5.9 $\sigma$ हो जाता है।
कॉस्मोलॉजिकल कंस्ट्रेंट्स:
- हबल स्थिरांक ( $H_0$ ): संयुक्त विश्लेषण $H_0 = 67^{+18}_{-15}$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ (68% CI) देता है। यह परिणाम अन्य डार्क साइरन मापों और Planck CMB डेटा के अनुरूप है, हालांकि छोटे सैंपल साइज के कारण अनिश्चितताएं अधिक हैं।
- GW बायस ( $b_{gw}$ ): अध्ययन पहला प्रयोगात्मक बाधा (constraint) प्रदान करता है, जिसमें 95% कॉन्फिडेंस इंटरवल (CI) पर $b_{gw} < 4.3$ पाया गया है। यह पैरामीटर मात्रात्मक रूप से बताता है कि GW स्रोत गैलेक्सी सैंपल के सापेक्ष अंडरलाइंग डार्क मैटर फील्ड को कितनी मजबूती से ट्रैक करते हैं।
मेथोडोलॉजिकल वैलिडेशन: लेखक सत्यापित करते हैं कि सिग्नल शॉट नॉइज़ के प्रति मजबूत है और पीक की स्थिति एक मॉडल-इंडिपेंडेंट कॉस्मिक स्टैंडर्ड रूलर है, जो मैटर पावर स्पेक्ट्रम के सटीक आकार के प्रति असंवेदनशील है।

महत्व और दावे
यह शोध पत्र इस कार्य को नए वर्ग के कॉस्मोलॉजिकल प्रोब्स के लिए एक आधारभूत कदम ("पहला पत्थर") के रूप में प्रस्तुत करता है। महत्व के संबंध में प्रमुख दावे निम्नलिखित हैं:

एस्ट्रोफिजिकल मॉडलिंग से स्वतंत्रता: मानक डार्क साइरन विश्लेषणों के विपरीत, पीक साइरन्स को CBC मास डिस्ट्रीब्यूशन या मर्जर रेट के बारे में धारणाओं की आवश्यकता नहीं होती है, जिससे एस्ट्रोफिजिकल एंटैंगलमेंट कम हो जाता है।
बायस का प्रत्यक्ष प्रोब: यह विधि GW बायस ( $b_{gw}$ ) को बाधित करने का एक अनूठा मार्ग प्रदान करती है, जो वर्तमान डार्क साइरन तकनीकों के लिए अप्राप्य है, और यह कॉम्पैक्ट ऑब्जेक्ट फॉर्मेशन मैकेनिज्म को समझने के लिए महत्वपूर्ण है।
सीमित डेटा के साथ व्यवहार्यता: केवल दो GW घटनाओं का उपयोग करके 5.9 $\sigma$ सिग्नल का पता लगाना यह दर्शाता है कि यह तकनीक कम डेटा के साथ भी व्यवहार्य है, बशर्ते कि घटनाएं अच्छी तरह से स्थानीयकृत हों और गैलेक्सी कैटलॉग पर्याप्त गहरा हो।
भविष्य की क्षमता: लेखक नोट करते हैं कि हालांकि वर्तमान सटीकता घटनाओं की कम संख्या और GLADE+ कैटलॉग की गहराई द्वारा सीमित है, लेकिन यह विधि GW घटनाओं की संख्या के वर्गमूल (square root) के साथ स्केल करती है। वे अनुमान लगाते हैं कि ~100 अच्छी तरह से स्थानीयकृत घटनाओं के साथ, $H_0$ को ~4% सटीकता के साथ मापा जा सकता है। इस तकनीक को मॉडिफाइड ग्रेविटी थ्योरीज के परीक्षण के लिए एक आशाजनक उपकरण के रूप में भी रेखांकित किया गया है जहाँ GW ल्यूमिनोसिटी डिस्टेंस मानक इलेक्ट्रोमैग्नेटिक दूरियों से विचलित होते हैं।

लेखक वर्तमान सटीकता के संबंध में विनम्र रहते हैं, यह स्वीकार करते हुए कि परिणाम अभी तक स्टेट-ऑफ-द-आर्ट CMB या स्टैंडर्ड कैंडल मापों के साथ प्रतिस्पर्धी नहीं है, लेकिन मौजूदा बाधाओं के साथ इसकी अनुकूलता और 3rd-जेनरेशन GW डिटेक्टर्स और गहरे गैलेक्सी सर्वे (जैसे DESI, GAIA) के साथ इसके भविष्य के सुधार की क्षमता पर जोर देते हैं।

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