Stable mass transfer in massive binaries leading to merging black holes
यह अध्ययन आंतरिक विभेदक घूर्णन (internal differential rotation) और द्रव्यमान स्थानांतरण को सम्मिलित करने वाले विस्तृत द्विआधारी विकास मॉडल प्रस्तुत करता है ताकि यह प्रदर्शित किया जा सके कि स्थिर द्रव्यमान स्थानांतरण चैनल, प्रेक्षित गुरुत्वाकर्षण-तरंग स्रोतों के अनुरूप द्रव्यमान और स्पिन वाले विलीन होने वाले द्विआधारी ब्लैक होल उत्पन्न करने के लिए एक व्यवहार्य और महत्वपूर्ण मार्ग है।
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मृत सितारों का ब्रह्मांडीय नृत्य
कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल, अराजक डांस फ्लोर है जहाँ तारे नर्तक हैं। अधिकांश समय, ये तारे अकेले नाचते हैं, अपना जीवन जीते हैं और एकांत में मर जाते हैं। लेकिन कुछ तारे जोड़े में पैदा होते हैं, जो एक-दूसरे का हाथ कसकर थामे रहते हैं। जब ये विशाल जोड़े करीब आते हैं, तो वे एक नाटकीय प्रदर्शन कर सकते हैं जिसका अंत आपस में टकराने के साथ होता है, जिससे अंतरिक्ष और समय के ताने-बाने में एक लहर पैदा होती है जिसे गुरुत्वाकर्षण तरंग (gravitational wave) कहा जाता है। वैज्ञानिक पिछले एक दशक से इन लहरों को सुन रहे हैं, और लगभग दो सौ ऐसे ब्रह्मांडीय टकरावों को पकड़ चुके हैं। बड़ा रहस्य यह है कि: ये जोड़े ब्रह्मांड की आयु के भीतर टकराने के लिए इतने करीब कैसे पहुँच जाते हैं?
समाधान को समझने के लिए, हमें यह जानना आवश्यक है कि तारे कैसे व्यवहार करते हैं। विशाल तारे अति-उत्साही नर्तकों की तरह होते हैं; वे अपने ईंधन को तेजी से जलाते हैं और फूल जाते हैं, कभी-कभी अपने साथी को निगल भी लेते हैं। यदि वे बहुत करीब आ जाते हैं, तो ब्लैक होल बनने से पहले ही वे एक एकल, अव्यवപ്പെട്ട पिंड में विलीन हो सकते हैं। हालाँकि, उनके टकराने (merging) के बिना अपनी कक्षा को छोटा करने के कुछ "सुरक्षित" तरीके हैं। एक तरीका एक अराजक, अस्थिर नृत्य है जहाँ एक तारे को दूसरे के वायुमंडल द्वारा खा लिया जाता है। दूसरा एक बहुत ही विशिष्ट, तेज़ गति से घूमने वाला नृत्य है जहाँ वे हमेशा के लिए छोटे बने रहते हैं। लेकिन एक तीसरा, अधिक सूक्ष्म मार्ग है: द्रव्यमान का स्थिर आदान-प्रदान (stable exchange of mass)। इसे ऐसे समझें जैसे एक नर्तक दूसरे को धीरे से एक भारी बैकपैक पकड़ा रहा हो। यदि सही ढंग से किया जाए, तो यह आदान-प्रदान उनकी पकड़ को और मजबूत कर सकता है, जिससे वे एक-दूसरे के और करीब आ जाते हैं जब तक कि वे ब्लैक होल के रूप में टकराने के लिए तैयार न हो जाएं। प्रश्न यह है, क्या यह "बैकपैक पास" वास्तव में वास्तविक ब्रह्मांड में काम करता है, या यह कागज पर केवल एक अच्छा विचार है?
महान ब्रह्मांडीय बैकपैक पास
इस नए अध्ययन में, खगोलविदों की एक टीम ने केवल अनुमान लगाना बंद करने और इन विशाल तारा जोड़ों की पूरी जीवन कहानी को सिम्युलेट करने का निर्णय लिया, उनके पहले जन्म से लेकर उनके अंतिम टकराव तक। इस "स्थिर द्रव्यमान हस्तांतरण" (stable mass transfer) पथ को मॉडल करने के पिछले प्रयास एक की-होल (keyhole) के माध्यम से फिल्म देखने की तरह थे; उन्होंने सरलीकृत शॉर्टकट का उपयोग किया और अक्सर कहानी को बीच में से शुरू किया, जब पहला तारा पहले ही मर चुका था। हालाँकि, यह शोध पत्र शुरुआत से ही एक पूर्ण, हाई-डेफिनिशन मूवी बनाता है। एक शक्तिशाली कंप्यूटर कोड जिसे MESA कहा जाता है, का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने दो विशाल तारों (एक जो हमारे सूर्य के द्रव्यमान से 31.6 गुना अधिक था) के हर एक विवरण को ट्रैक किया जब वे एक-दूसरे की परिक्रमा कर रहे थे। उन्होंने देखा कि वे कैसे घूमे, कैसे उन्होंने अपने आंतरिक रसायनों को मिलाया, और लाखों वर्षों तक कैसे उन्होंने द्रव्यमान का व्यापार किया, जब तक कि दोनों ब्लैक होल में नहीं बदल गए।
शोधकर्ताओं ने पाया कि यह "बैकपैक पास" न केवल संभव है बल्कि जितना हम सोचते थे उससे कहीं अधिक बार होता है। उनके सिमुलेशन में, जब पहला तारा (दाता/donor) फूलता है और अपने साथी (प्राप्तकर्ता/gainer) को द्रव्यमान देना शुरू करता है, तो साथी केवल भारी ही नहीं होता; बल्कि उसे एक रासायनिक मेकओवर भी मिलता है। क्योंकि वह हीलियम से समृद्ध सामग्री को अवशोषित करता है, वह अधिक सघन (compact) हो जाता है और उसी आकार के सामान्य तारे की तरह ज्यादा फूलता नहीं है। यह एक महत्वपूर्ण मोड़ है! क्योंकि साथी छोटा और सघन बना रहता है, दोनों सितारों के बीच की कक्षा नाटकीय रूप से सिकुड़ जाती है बिना तुरंत टकराए। यह दो सितारों के बीच दूसरे, स्थिर द्रव्यमान हस्तांतरण के लिए मंच तैयार करता है, जो अंततः कक्षा को उस आकार तक सिकोड़ देता है जहाँ दो परिणामी ब्लैक होल ब्रह्मांड की आयु के भीतर एक साथ मिलकर विलीन होने के लिए तैयार हो जाते हैं।
टीम ने खोजा कि यह प्रक्रिया ब्लैक होल के बहुत विशिष्ट लक्षणों को जन्म देती है। परिणामी जोड़ों का द्रव्यमान अनुपात (दोनों ब्लैक होल के बीच आकार का अंतर) लगभग 0.7 होता है, जो हमारे द्वारा देखे गए गुरुत्वाकर्षण तरंग डेटा से मेल खाता है। वे अपेक्षाकृत धीरे घूमते भी हैं, जो कई पहचाने गए विलय (mergers) के अवलोकनों के अनुकूल है। यह सुझाव देता है कि "स्थिर द्रव्यमान हस्तांतरण" चैनल उन ब्रह्मांडीय टकरावों में एक प्रमुख योगदानकर्ता है जिन्हें हम सुन रहे हैं।
हालाँकि, यह कहानी हर एक जोड़े के लिए एकदम सटीक नहीं है। सिमुलेशन ने दिखाया कि यदि तारे शुरुआती स्थितियों में थोड़े अलग द्रव्यमान से शुरू होते हैं, तो दूसरा द्रव्यमान हस्तांतरण बहुत जल्दी हो सकता है, जबकि दाता अभी भी अपने कोर में हाइड्रोजन जला रहा होता है। इन विशिष्ट मामलों में, परिणामी ब्लैक होल बहुत तेज़ी से घूमते हैं और उनका द्रव्यमान अनुपात अब तक के हमारे अवलोकनों से मेल नहीं खाता। लेखक सुझाव देते हैं कि हालांकि यह "प्रारंभिक हस्तांतरण" पथ मौजूद है, लेकिन यह दुर्लभ हो सकता है या इसे काम करने के लिए विशिष्ट स्थितियों की आवश्यकता हो सकती है, और यह आज हम जो विलय देख रहे हैं उसका मुख्य चालक नहीं लगता है।
अंततः, यह शोध पत्र तर्क देता है कि हम ब्लैक होल के निर्माण को समझने के लिए केवल मोटे अनुमानों का उपयोग नहीं कर सकते। हमें पूरी फिल्म देखनी होगी, जिसमें तारों के घूमने और उनके आंतरिक भाग के मिश्रण के अव्यवस्थित विवरण भी शामिल हों। ऐसा करके, उन्होंने दिखाया है कि स्थिर द्रव्यमान हस्तांतरण चैनल उन विलीन होने वाले ब्लैक होल को बनाने का एक मजबूत, विश्वसनीय तरीका है जिन्हें LIGO और Virgo डिटेक्ट कर रहे हैं। यह एक ऐसा मार्ग है जो स्वाभाविक रूप से सही प्रकार के ब्लैक होल जोड़ों, सही आकार और स्पिन के साथ, की ओर ले जाता है, जो यह सिद्ध करता है कि ब्रह्मांड के पास दो सितारों के बीच की गांठ को उनके अंतिम, विस्फोटक नृत्य से पहले कसने का एक बहुत ही सुंदर तरीका है।
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