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Revisiting GW170817 at milliarcsecond scale: high-precision constraints on jet geometry and $H_0$

यह शोध पत्र नए हाइड्रोडायनामिकल मॉडलों का उपयोग करके GW170817 के लिए सभी उपलब्ध VLBI डेटा का एक सुदृढ़ बेयज़ियन विश्लेषण प्रस्तुत करता है, जिससे जेट के देखने के कोण (viewing angle) को सटीक रूप से सीमित किया गया है और $65.5\pm4.4$ किमी s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ का हबल स्थिरांक प्राप्त किया गया है, जो कि देर से हुए ब्रह्मांडीय SH0ES परिणामों की तुलना में प्रारंभिक-ब्रह्मांड के प्लैंक मापन के अधिक निकट है।

मूल लेखक: Kelly Gourdji, Adam T. Deller, Chris Flynn, Taya Govreen-Segal, Cullan Howlett, Kunal P. Mooley, Ehud Nakar

प्रकाशित 2026-05-13

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Kelly Gourdji, Adam T. Deller, Chris Flynn, Taya Govreen-Segal, Cullan Howlett, Kunal P. Mooley, Ehud Nakar

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

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल, फैलते हुए गुब्बारे की तरह है। दशकों से, वैज्ञानिक इस बात पर बहस कर रहे हैं कि वह गुब्बारा वास्तव में कितनी तेजी से फूल रहा है। इस दर को हबल स्थिरांक ( $H_0$ ) कहा जाता है। समस्या यह है कि जब आप इसे "प्रारंभिक ब्रह्मांड" (जैसे बिग बैंग की गूँज या आफ्टरग्लो) का उपयोग करके मापते हैं, तो आपको एक संख्या मिलती है। जब आप इसे "परवर्ती ब्रह्मांड" (जैसे पास के फटने वाले तारे) का उपयोग करके मापते हैं, तो आपको एक अलग, थोड़ी तेज़ संख्या मिलती है। यह असहमति "हबल टेंशन" (Hubble Tension) के रूप में जानी जाती है।

2017 में, खगोलविदों को एक बड़ी सफलता मिली। उन्होंने एक ब्रह्मांडीय टक्कर का पता लगाया: दो न्यूट्रॉन सितारों का आपस में टकराना। GW170817 नामक यह घटना विशेष थी क्योंकि इसने गुरुत्वाकर्षण तरंगें (स्पेस-टाइम में लहरें) और प्रकाश (एक चमकदार चमक) दोनों भेजे। इसने इसे एक "स्टैंडर्ड साइरन" (Standard Siren) बना दिया—एक ब्रह्मांडीय लाइटहाउस जो ब्रह्मांड के विस्तार की दर को मापने में मदद कर सकता है।

हालाँकि, इसमें एक पेच था। लाइटहाउस कितनी दूर है, यह जानने के लिए, आपको यह जानना होगा कि वह हमारे सापेक्ष कितना झुका हुआ है। यदि आप एक घूमते हुए लट्टू को बगल से देखते हैं, तो वह ऊपर से देखने की तुलना में अलग दिखता है। यदि आप उसके झुकाव का गलत अनुमान लगाते हैं, तो आप दूरी का भी गलत अनुमान लगाएंगे, और ब्रह्मांड के विस्तार की दर की आपकी गणना गलत हो जाएगी।

"ब्लाइंड स्पॉट" (अंध बिंदु) की समस्या
GW170817 के लिए, गुरुत्वाकर्षण तरंग डिटेक्टर हमें झुकाव को बहुत अच्छी तरह से नहीं बता सके क्योंकि इस घटना को लगभग सीधे सामने से देखा गया था (जैसे बंदूक की नली के बिल्कुल सामने से देखना)। यह अंतर करना कठिन था कि "बाएं-दाएं" का घुमाव और "ऊपर-नीचे" का घुमाव क्या है।

इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिकों को "आफ्टरग्लो" (टक्कर के बाद बची हुई मंद रोशनी) को देखने की आवश्यकता थी। जैसे ही टक्कर से निकला मलबा अंतरिक्ष में तेजी से आगे बढ़ता है, वह कणों की एक जेट (धारा) बनाता है। यदि हम इस जेट को आकाश में समय के साथ चलते हुए देख सकें, तो हम कोण का पता लगा सकते हैं।

पेपर का नया दृष्टिकोण: एक उच्च-सटीक मानचित्र
केली गौर्डी (Kelly Gourdji) और उनके सहयोगियों द्वारा लिखा गया यह शोध पत्र, एक धुंधले स्ट्रीट मैप से अपग्रेड होकर एक हाई-डेफिनिशन सैटेलाइट इमेज बन जाने जैसा है।

पुराना तरीका: पिछले अध्ययनों ने प्रकाश की चमक के समय (लाइट कर्व) को देखकर जेट के आकार का अनुमान लगाने की कोशिश की। लेकिन यह एक कार के इंजन की आवाज़ सुनकर उसके आकार का अनुमान लगाने जैसा है। यह पेचीदा है क्योंकि इंजन की आवाज़ कार के आकार और उसकी गति दोनों पर निर्भर करती है।
नया तरीका: लेखकों ने VLBI (वेरी लॉन्ग बेसलाइन इंटरफेरोमेट्री) नामक तकनीक का उपयोग किया। कल्पना कीजिए कि पूरी पृथ्वी पर फैले रेडियो टेलिस्कोपों को जोड़कर एक विशाल टेलीस्कोप बनाया गया है जो पृथ्वी के आकार का है। यह उन्हें इतना स्पष्ट दृश्य देता है कि वे मिलीआर्कसेकंड (जो पृथ्वी से चंद्रमा पर रखे एक सिक्के को देखने जैसा है) के आकार के विवरण भी देख सकते हैं।

उन्होंने केवल प्रकाश के गोले के "केंद्र" को नहीं देखा; उन्होंने रेडियो तरंगों के पूरे आकार और गति का विश्लेषण किया, जिसमें एक परिष्कृत कंप्यूटर मॉडल का उपयोग किया गया जो यह सिम्युलेट करता है कि गैस की एक जेट धारा अंतरिक्ष से टकराने पर कैसा व्यवहार करती है। उन्होंने चार अलग-अलग समय बिंदुओं के डेटा को मिलाया:

दिन 0: टक्कर का सटीक क्षण (हबल स्पेस टेलीस्कोप द्वारा पाया गया)।
दिन 75 और 230: टेलीस्कोपों के नेटवर्क से रेडियो अवलोकन।
दिन 207: एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाला रेडियो अवलोकन जिसने एक महत्वपूर्ण "चेकपॉइंट" के रूप में कार्य किया।

परिणाम: एक सटीक कोण
अपने जटिल 3D मॉडलों को इस अत्यंत स्पष्ट डेटा के साथ फिट करके, उन्होंने पहले की तुलना में बहुत अधिक सटीकता के साथ देखने के कोण (viewing angle) को निर्धारित किया।

कोण: उन्होंने पाया कि जेट हमारी दृष्टि रेखा से लगभग 18 से 20 डिग्री झुका हुआ है। (पिछले अनुमान थोड़े अस्पष्ट थे, जो 14 से 28 डिग्री के बीच थे)।
दूरी: क्योंकि वे कोण को बेहतर तरीके से जानते थे, इसलिए वे दूरी की अधिक सटीक गणना कर सके। उन्होंने पाया कि टक्कर लगभग 44 मिलियन प्रकाश वर्ष दूर हुई थी।
विस्तार दर ( $H_0$ ): इस नई, सटीक दूरी का उपयोग करते हुए, उन्होंने हबल स्थिरांक की गणना 65.5 किमी/सेकंड/मेगापार्सेक की गई।

यह क्यों महत्वपूर्ण है
यह परिणाम ब्रह्मांडीय बहस में एक "टाई-ब्रेकर" (निर्णायक) है।

"प्रारंभिक ब्रह्मांड" (प्लैंक सैटेलाइट) कहता है कि दर 67.4 है।
"परवर्ती ब्रह्मांड" (SH0ES टीम) कहता है कि दर 73.0 है।
यह नया माप 65.5 कहता है।

लेखक नोट करते हैं कि उनका परिणाम "प्रारंभिक ब्रह्मांड" की संख्या (एक बहुत ही मामूली त्रुटि सीमा के भीतर) के बहुत करीब है, लेकिन "परवर्ती ब्रह्मांड" की संख्या से काफी कम है। यह सुझाव देता है कि शायद "परवर्ती ब्रह्मांड" के माप थोड़े गलत हो सकते हैं, या हमारे ब्रह्मांड के विस्तार की समझ को फिर से सोचने की आवश्यकता है।

सावधानियां (Caveats)
लेखक सावधानीपूर्वक नोट करते हैं कि उनका परिणाम कुछ चीजों पर निर्भर करता है:

जेट मॉडल: वे मान लेते हैं कि जेट बिल्कुल उनके कंप्यूटर सिमुलेशन की तरह व्यवहार करता है। यदि वास्तविक जेट अजीब है या उसमें कोई छिपा हुआ ऊर्जा स्रोत है (जैसे कि टक्कर का बचा हुआ अवशेष जो उम्मीद से अधिक समय तक चमकता रहता है), तो कोण की गणना बदल सकती है।
स्थानीय गति (Local Motion): आकाशगंगाएँ केवल ब्रह्मांड के विस्तार के साथ ही नहीं चलतीं; बल्कि उनकी अपनी "विशेष वेग" (peculiar velocities) भी होती है (स्थानीय गुरुत्वाकर्षण के कारण विचलन)। लेखकों को इन स्थानीय ड्रिफ्ट्स का अनुमान लगाना पड़ा और उन्हें औसत निकालना पड़ा, जिससे कुछ अनिश्चितता जुड़ जाती है।

सारांश में
यह शोध पत्र एक घूमते हुए लट्टू की धुंधली फोटो लेने और एक सुपर-लेंस का उपयोग करके यह देखने जैसा है कि वह वास्तव में कितना झुका हुआ है। ऐसा करके, उन्होंने टक्कर की दूरी को अधिक सटीकता से मापा और पाया कि ब्रह्मांड के विस्तार की दर "बिग बैंग" के मापों के अधिक अनुरूप है, न कि "पास के तारों" के मापों के। यह हबल टेंशन के रहस्य को पूरी तरह से हल नहीं करता है, लेकिन यह एक बहुत ही मजबूत, स्वतंत्र प्रमाण प्रदान करता है जो "धीमी" विस्तार दर की ओर झुकता है।

तकनीकी सारांश: मिलीआर्कसेकंड स्केल पर GW170817 का पुनरावलोकन

समस्या विवरण
बाइनरी न्यूट्रॉन स्टार विलय (binary neutron star merger) GW170817 का पता लगाने से हबल स्थिरांक ( $H_0$ ) के "स्टैंडर्ड सायरन" (standard siren) माप का पहला अवसर प्राप्त हुआ। हालाँकि, इस माप की सटीकता मौलिक रूप से ल्यूमिनोसिटी डिस्टेंस ( $D_L$ ) और बाइनरी सिस्टम के झुकाव कोण ( $\iota$ ) के बीच मजबूत सह-प्रसरण (covariance) द्वारा सीमित है। जबकि केवल गुरुत्वाकर्षण तरंग (GW) डेटा GW170817 जैसी 'फेस-ऑन' घटनाओं के लिए झुकाव को सटीक रूप से सीमित नहीं कर सकता है, विलय से उत्पन्न सापेक्षतावादी जेट (relativistic jet) इस ज्यामिति पर एक विद्युत चुम्बकीय हैंडल प्रदान करता है। आफ्टरग्लो लाइट-कर्र्व (afterglow light-curve) का उपयोग करके व्यूइंग एंगल ( $\theta_v$ ) को सीमित करने के पिछले प्रयास जेट ओपनिंग एंगल ( $\theta_{cp}$ ) के साथ ज्यामितीय विसंगतियों (geometric degeneracies) के कारण सीमित रहे हैं। इसके विपरीत, जेट के सुपरलुमिनल प्रॉपर मोशन (superluminal proper motion) के VLBI अवलोकन ऑर्थोगोनल बाधाएं प्रदान करते हैं, लेकिन ऐतिहासिक रूप से ये विशिष्ट, अर्ध-विश्लेषणात्मक जेट मॉडल या पैरामीटर स्पेस के सीमित उपसमुच्चयों पर फिट करने पर निर्भर रहे हैं, जो अक्सर पूर्ण स्थानिक जानकारी (जैसे स्रोत का आकार) या व्यवस्थित अनिश्चितताओं को कठोरता से अनदेखा करते हैं।

कार्यप्रणाली
यह अध्ययन एक व्यापक बेयसियन विज़िबिलिटी-प्लेन मॉडल-फिटिंग फ्रेमवर्क प्रस्तुत करता है जिसे GW170817 की व्यूइंग ज्योमेट्री और उसके बाद $H_0$ को सशक्त रूप से सीमित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यह कार्यप्रणाली निम्नलिखित घटकों को एकीकृत करती है:

डेटा एकीकरण: विश्लेषण में उपलब्ध सभी चार मिलीआर्कसेकंड-स्केल एस्ट्रोमेट्रिक डेटासेट शामिल हैं:
- Mooley et al. (2018) से दो हाई सेंसिटिविटी एरे (HSA) VLBI इपोक (विलय के 75 और 230 दिन बाद)।
- Ghirlanda et al. (2019) से एक ग्लोबल-VLBI इपोक (दिन 207), जिसे लेखकों ने HSA कैलिब्रेशन के साथ निरंतरता सुनिश्चित करने के लिए स्वतंत्र रूप से रिड्यूस किया है।
- किलोनोवा स्थिति (विलय एंकर - दिन 0) के लिए हबल स्पेस टेलीस्कोप (HST) का एक माप (दिन 8)।
हाइड्रोडायनामिकल मॉडलिंग: असतत, पूर्व-निर्धारित मॉडलों पर निर्भर रहने के बजाय, लेखक 2-D सापेक्षतावादी सिमुलेशन (Govreen-Segal & Nakar 2023) पर आधारित नए हाइड्रोडायनामिकल जेट आफ्टरग्लो मॉडल्स के एक निरंतरता (continuum) पर लागू एक स्केलिंग फॉर्मलिज्म का उपयोग करते हैं। ये मॉडल चार जेट ऊर्जा वितरणों (टॉप-हैट और पावर-लॉज इंडेक्स $b=3, 4, 6$ के साथ) को कवर करते हैं। स्केलिंग इन मॉडलों को मनमाने व्यूइंग एंगल्स ( $\theta_v$ ), ओपनिंग एंगल्स ( $\theta_{cp}$ ), और ऑब्जर्वर समय के लिए समायोजित करने की अनुमति देती है, जो विशिष्ट पैरामीटर अनुपातों के तहत मॉडलों की अपरिवर्तनीयता (invariance) का उपयोग करती है।
बेयसियन इन्फरेंस: फ्रेमवर्क सीधे देखे गए रेडियो इंटरफेरोमीटर विज़िबिलिटीज पर संचालित होता है जिसका उपयोग GALARIO नामक GPU-एक्सेलेरेटेड सॉफ्टवेयर और Dynesty (वाया Bilby) के नेस्टेड सैंपलर द्वारा किया जाता है। यह दृष्टिकोण इमेज-प्ले डीकनवोल्यूशन से जुड़ी सूचना की हानि से बचता है। मॉडल में प्रत्येक इपोक के लिए एस्ट्रोमेट्रिक ऑफसेट्स ( $\delta_{ra}, \delta_{dec}$ ) और फ्लक्स स्केल अनिश्चितताओं ( $\delta_F$ ) सहित व्यवस्थित अनिश्चितताओं को कठोरता से संभालने के लिए न्युसेंस पैरामीटर्स (nuisance parameters) शामिल हैं।
कॉस्मोलॉजिकल कंस्ट्रेंट्स: $H_0$ को मापने के लिए, फ्रेमवर्क झुकाव और दूरी के कर्नल डेंसिटी एस्टीमेटर (KDE) के माध्यम से GW लाइकलीहुड्स और पक्यूलार वेलोसिटी (peculiar velocity) सुधारों को शामिल करता है। लेखक 28 गैलेक्सी ग्रुप कैटलॉग और पक्यूलार वेलोसिटी रिकंस्ट्रक्शन मैप्स के संयोजन पर विचार करते हैं, जिसमें इन व्यवस्थित अनिश्चितताओं को मार्जिनलाइज करने के लिए बेयसियन मॉडल एवरेजिंग (BMA) का उपयोग किया जाता है।

प्रमुख योगदान

कंटीन्यूम पैरामीटर स्पेस: यह अध्ययन विशिष्ट जेट संरचनाओं को चुनने से होने वाले पूर्वाग्रहों से बचने के लिए असतत मॉडलों को फिट करने के बजाय जेट ज्योमेट्री ( $\theta_v$ और $\theta_{cp}$ ) की एक निरंतर सीमा का अन्वेषण करता है।
विज़िबिलिटी-प्लेन फिटिंग: इमेज-प्ले सेंट्रोइड्स के बजाय सीधे विज़िबिलिटीज पर फिट करके, यह विधि डेटा की पूर्ण स्थानिक जानकारी का उपयोग करती है, जिसमें स्रोत के आकार के प्रतिबंध भी शामिल हैं, जो डिजनरेसी को तोड़ने के लिए महत्वपूर्ण है।
व्यवस्थित अनिश्चितता हैंडलिंग: एस्ट्रोमेट्रिक और फ्लक्स कैलिब्रेशन अनिश्चितताओं के लिए न्युसेंस पैरामीटर्स के समावेश के साथ-साथ पक्यूलार वेलोसिटी सुधारों के लिए BMA दृष्टिकोण, एक अधिक मजबूत एरर बजट प्रदान करता है जो उन पिछले अध्ययनों की तुलना में बेहतर है जिन्होंने निश्चित सुधारों को माना था।
स्वतंत्र ग्लोबल-VLBI रिडक्शन: लेखकों ने HSA डेटा के साथ फ्रेम निरंतरता सुनिश्चित करने के लिए ग्लोबल-VLBI डेटा का स्वतंत्र रिडक्शन किया, जिससे पिछले रिडक्शन के सापेक्ष एस्ट्रोमेट्रिक ऑफसेट्स की पहचान और सुधार किया गया।

परिणाम

व्यूइंग एंगल कंस्ट्रेंट्स:
- जब एक निश्चित ल्यूमिनोसिटी डिस्टेंस $D_L = 40.7$ Mpc (सरफेस ब्राइटनेस फ्लक्चुएशन मेजरमेंट्स के आधार पर) मान लिया जाता है, तो लाइट-कर्र्व से सूचित जेट ज्योमेट्री प्रायर को शामिल करने पर विश्लेषण $\theta_v = 18.3^\circ - 20.3^\circ$ (68% क्रेडिबल इंटरवल) का व्यूइंग एंगल देता है।
- जब $D_L$ और पक्यूलार वेलोसिटी सुधारों को मार्जिनलाइज किया जाता है, तो पसंदीदा व्यूइंग एंगल थोड़ा बदलकर $\theta_v = 16.8^\circ - 19.2^\circ$ हो जाता है।
ल्यूमिनोसिटी डिस्टेंस: सीधे डिस्टेंस फिट से $D_L = 44.0 \pm 1.6$ Mpc प्राप्त होता है। यह सरफेस ब्राइटनेस फ्लक्चुएशन विधि से प्राप्त $40.7 \pm 2.4$ Mpc के मान से लगभग $1\sigma$ अधिक है, जो व्यूइंग एंगल कंस्ट्रेंट्स की अनुमानित दूरी के प्रति संवेदनशीलता को उजागर करता है।
हबल स्थिरांक ( $H_0$ ): 28 पक्यूलार वेलोसिटी सुधार परिदृश्यों के माध्यम से बेयसियन मॉडल एवरेजड मेजरमेंट $H_0 = 65.5 \pm 4.4$ $H_{0} = 65.5 \pm 4.4$ km s $^{-1}$ $^{- 1}$ Mpc $^{-1}$ $^{- 1}$ है।
- यह मान अर्ली-यूनिवर्सरसे प्लैंक कोलैबोरेशन वैल्यू ( $67.4 \pm 0.5$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ ) के $0.5\sigma$ के भीतर है।
- यह लेट-यूनिवर्सरसे SH0ES मेजरमेंट ( $73.04 \pm 1.04$ km s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ ) से $1.7\sigma$ कम है।

महत्व और दावे
पेपर यह दावा करता है कि $H_0$ का यह स्वतंत्र लेट-यूनिवर्स मेजरमेंट SH0ES परिणाम की तुलना में अर्ली-यूनिवर्सरसे प्लैंक परिणाम के अधिक सुसंगत है। लेखक सुझाव देते हैं कि, यदि इसे यथावत लिया जाए, तो यह निष्कर्ष हबल टेंशन को हल करने के लिए गैर-मानक कॉस्मोलॉजी मॉडल्स की आवश्यकता को चुनौती देने की क्षमता रखता है। हालाँकि, लेखक अपने दावे के संबंध में विनम्र रहते हैं, और स्पष्ट रूप से कई चेतावनियाँ देते हैं:

मॉडल मिसस्पेसिफिकेशन: आफ्टरग्लो लाइट-कर्र्व का देर से होने वाला विकास ( $\gtrsim 350$ दिन), मानक सिंक्रोट्रॉन मॉडल्स द्वारा अच्छी तरह से फिट नहीं किया जाता है, और अतिरिक्त उत्सर्जन का स्रोत अज्ञात है। हालांकि लेखक तर्क देते हैं कि उनका विश्लेषण (जो शुरुआती इपोक पर केंद्रित है) मॉडल की अशुद्धियों के बजाय ज्यामिति द्वारा डोमिनेटेड है, वे स्वीकार करते हैं कि अनमॉडल की गई भौतिकी परिणामों को पक्षपाती बना सकती है।
जेट अलाइनमेंट: विश्लेषण यह मानता है कि जेट ऑर्बिटल एंगुलर मोमेंटम एक्सिस के साथ लॉन्च किया गया है। यदि कोई महत्वपूर्ण मिसअलाइनमेंट मौजूद है, तो यह $H_0$ अनुमान को नॉन-लीनियर रूप से बायस कर सकता है।
पक्यूलार वेलोसिटी डोमिनेंस: लेखक पहचानते हैं कि पक्यूलार वेलोसिटी सुधार, व्यूइंग एंगल कंस्ट्रेंट की तुलना में $H_0$ माप में डोमिनेंट अनिश्चितता (लगは約 5% फ्रैक्शनल अनिश्चितता योगदान) का स्रोत है।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि उच्च-परिशुद्धता वाले VLBI अवलोकन जेट आफ्टरग्लो के लिए झुकाव कोणों को सीमित करने के लिए एक अद्वितीय शक्तिशाली उपकरण बने हुए हैं, लेकिन हबल टेंशन को निर्णायक रूप से हल करने के लिए ब्राइट सायरन्स के बड़े नमूने और जेट फिजिक्स एवं पक्यूलार वेलोसिटी के बेहतर मॉडलिंग की आवश्यकता होगी।

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