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Detection of relativistic orbital deformation from improved timing of PSR J1757$-$1854

मीरकैट (MeerKAT), ग्रीन बैंक और मुरियांग (Murriyang) दूरबीनों से प्राप्त उच्च-परिशुद्धता वाले समय डेटा को संयोजित करके, शोधकर्ताओं ने द्वि-न्यूट्रॉन तारा प्रणाली PSR J1757−1854 में सापेक्षिक कक्षीय विरूपण ( $\delta_\theta$ ) का तीव्र पता लगाने में सफलता प्राप्त की, जिससे इसके स्पिन-ऑर्बिट ज्यामिति पर नए प्रतिबंध लगाने और गुरुत्वाकर्षण-तरंग अवमंदन (gravitational-wave damping) के लिए सामान्य सापेक्षता के पूर्वानुमानों की पुष्टि करने में मदद मिली।

मूल लेखक: Jaikhomba Singha, Vivek Venkatraman Krishnan, Marisa Geyer, Victoria Blackmon, Paulo Freire, Norbert Wex, Maura McLaughlin, Michael Kramer, Amanda Weltman, David Champion, Matthew Bailes, Sarah Buchne

प्रकाशित 2026-06-24

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Jaikhomba Singha, Vivek Venkatraman Krishnan, Marisa Geyer, Victoria Blackmon, Paulo Freire, Norbert Wex, Maura McLaughlin, Michael Kramer, Amanda Weltman, David Champion, Matthew Bailes, Sarah Buchner, Fernando Camilo, Andrea Possenti, Maciej Serylak

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

ब्रह्मांडीय घड़ी की कार्यप्रणाली: दो न्यूट्रॉन सितारों की एक कहानी

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल, अराजक डांस फ्लोर है। अधिकांश तारे अनिश्चित रूप से डगमगाते और घूमते हैं, लेकिन कुछ मेट्रोनोम (ताल मापने वाला यंत्र) की तरह सटीक होते हैं। ये पल्सर (pulsars) हैं—मृत तारे जो एक परमाणु घड़ी की सटीकता के साथ पृथ्वी की ओर रेडियो तरंगें भेजते हुए प्रति सेकंड सैकड़ों बार घूमते हैं।

यह शोध पत्र इन घड़ियों के एक बहुत ही विशेष जोड़े पर केंद्रित है: PSR J1757−1854। यह एक "डबल न्यूट्रॉन स्टार" प्रणाली है, जिसका अर्थ है कि दो अविश्वसनीय रूप से घने, मृत तारे एक-दूसरे की परिक्रमा कर रहे हैं। वे इतने करीब और इतनी तेज़ गति से चल रहे हैं कि वे अनिवार्य रूप से गुरुत्वाकर्षण द्वारा एक साथ जुड़े हुए हैं, और मात्र 4.4 घंटों में एक-दूसरे के चारों ओर चक्कर लगा रहे हैं। क्योंकि वे इतने करीब और भारी हैं, वे एक "स्ट्रॉन्ग-फील्ड" (प्रबल क्षेत्र) वातावरण बनाते हैं जहाँ गुरुत्वाकर्षण के नियम अजीब हो जाते हैं, जो उन्हें आइंस्टीन के सामान्य सापेक्षता के सिद्धांत (General Relativity - GR) का परीक्षण करने के लिए एक आदर्श प्रयोगशाला बनाता है।

समस्या: घड़ी थोड़ी अस्थिर थी

वैज्ञानिक छह वर्षों से बड़े रेडियो टेलीस्कोपों (जैसे ऑस्ट्रेलिया में मुरियांग और अमेरिका में ग्रीन बैंक टेलीस्कोप) का उपयोग करके इस प्रणाली पर नज़र रख रहे हैं। उन्होंने पाया कि तारे काफी हद तक वैसा ही व्यवहार कर रहे थे जैसा आइंस्टीन ने भविष्यवाणी की थी, लेकिन उनमें कुछ छोटे "ग्लिच" (खराबी) थे।

इसे ऐसे समझें जैसे आप सुरंग से गुजरते समय रेडियो पर गाना सुनने की कोशिश कर रहे हों। सिग्नल विकृत हो जाता है। वैज्ञानिक जानते थे कि गाना (आइंस्टीन का सिद्धांत) सही था, लेकिन विरूपण (मापन त्रुटियां और लापता डेटा) ने बारीक विवरणों को सुनना कठिन बना दिया था। विशेष रूप से, वे पल्स की टाइमिंग में एक सूक्ष्म डगमगाहट (wobble) की व्याख्या नहीं कर पा रहे थे।

समाधान: एक सुपर-टेलीस्कोप और अधिक समय

इसे ठीक करने के लिए, टीम ने अपने संग्रह में तीन और वर्षों का डेटा जोड़ा, जिससे कुल अवलोकन समय नौ वर्ष हो गया। महत्वपूर्ण बात यह है कि उन्होंने दक्षिण अफ्रीका के मीरकैट (MeerKAT) टेलीस्कोप का उपयोग किया।

उपमा: यदि पुराने टेलीस्कोप दीवार के माध्यम से रेडियो सुनने जैसे थे, तो मीरकैट एक शांत कमरे में शोर-रद्द करने वाले (noise-canceling) हेडफ़ोन लगाने जैसा है। यह अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील है और पल्सर के सिग्नल के उन सूक्ष्म, उच्च-आवृत्ति वाले विवरणों को पकड़ सकता है जिन्हें अन्य टेलीस्कोपों ने छोड़ दिया था।

बड़ी खोज: "सापेक्षिक विरूपण" (Relativistic Deformation)

इस शोध पत्र की मुख्य सुर्ख़ियों में से एक है सापेक्षिक कोणीय विरूपण (relativistic angular deformation) (जिसे $\delta\theta$ द्वारा दर्शाया गया है) का पता लगाना।

उपमा: कल्पना कीजिए कि दो आइस स्केटर हाथ पकड़कर घूम रहे हैं। एक सामान्य दुनिया में, वे सटीक वृत्त बनाएंगे। लेकिन आइंस्टीन की दुनिया में, क्योंकि वे इतनी तेज़ी से घूम रहे हैं और इतने भारी हैं, उनके आसपास का स्थान एक ट्रैम्पोलिन की तरह है। जैसे-जैसे वे घूमते हैं, "ट्रैम्पोलिन" खिंचता और मुड़ता है। इसके कारण उनका पथ थोड़ा विकृत हो जाता है—केवल एक वृत्त नहीं, बल्कि एक थोड़ा दबे हुए, डगमगाते हुए लूप जैसा।
परिणाम: मानव इतिहास में यह तीसरी बार है जब वैज्ञानिकों ने इस विशिष्ट डगमगाहट को देखा है।
- पहले सिस्टम (हल्स-टेलर) को इसे देखने के लिए 40 वर्षों तक निगरानी करनी पड़ी।
- दूसरे सिस्टम (द डबल पल्सर) को 18 वर्ष लगे।
- यह सिस्टम (PSR J1757−1854) केवल 9 वर्षों में इसे प्रकट कर देता है। यह सिद्ध करता है कि यह प्रणाली अत्यंत तीव्र है और नया टेलीस्कोप अविश्वसनीय रूप से शक्तिशाली है।

यह क्यों मायने रखता है: एक रहस्य का समाधान

इस खोज से पहले, वैज्ञानिकों के पास एक पहेली थी। जब उन्होंने इन दो सितारों के द्रव्यमान (masses) की गणना करने की कोशिश की, तो संख्याएँ पूरी तरह मेल नहीं खा रही थीं। यह एक तराजू को संतुलित करने की कोशिश करने जैसा था जहाँ एक तरफ का हिस्सा उम्मीद से थोड़ा भारी था।

समाधान: एक बार जब उन्होंने "विरूपण" (डगमगाहट) को अपने गणित में शामिल किया, तो तराजू पूरी तरह संतुलित हो गया। टाइमिंग में आया वह "ग्लिच" वास्तव में सितारों द्वारा स्पेस-टाइम को मोड़ना था। इसका हिसाब लगाकर, वैज्ञानिकों ने पुष्टि की कि आइंस्टीन का सिद्धांत इस चरम वातावरण में भी पूरी तरह से कायम है।

स्पिन का मानचित्रण: ऊपर की दिशा कौन सी है?

इस शोध पत्र ने इस नए डेटा का उपयोग यह पता लगाने के लिए भी किया कि तारे अंतरिक्ष में कैसे उन्मुख (oriented) हैं। कल्पना कीजिए कि पल्सर एक घूमते हुए लट्टू की तरह है। क्या वह सीधा घूम रहा है, या वह झुक रहा है?

जासूसी कार्य: टीम के पास सितारों के झुकाव के बारे में चार संभावित अनुमान थे। "डगमगाहट" ( $\delta\theta$ ) को मापकर, वे चार में से दो अनुमानों को खारिज करने में सक्षम रहे। यह एक छाया को देखने जैसा है और यह महसूस करना कि, "आह, जो वस्तु यह छाया डाल रही है वह बाईं ओर झुकी हुई है, न कि दाईं ओर।" यह उन्हें यह समझने में मदद करता है कि यह प्रणाली कैसे पैदा हुई (संभवतः एक हिंसक सुपरनोवा विस्फोट से, जिसने सितारों को संरेखण से बाहर धकेल दिया था)।

निचोड़

यह शोध पत्र सटीकता की जीत है। अधिक समय (9 साल का डेटा) और बेहतर उपकरणों (मीरकैट टेलीस्कोप) को मिलाकर, वैज्ञानिकों ने:

सितारों के द्रव्यमान को अविश्वसनीय सटीकता के साथ मापा।
स्पेस-टाइम के सूक्ष्म विरूपण (deformation) का पता लगाया, जो पहले की तुलना में बहुत तेज़ी से हुआ।
सिद्ध किया कि आइंस्टीन का गुरुत्वाकर्षण सिद्धांत अभी भी चैंपियन है, यहाँ तक कि आकाशगंगा के सबसे हिंसक, उच्च-गति वाले नृत्य में भी।

उन्होंने केवल सिद्धांत की पुष्टि नहीं की; उन्होंने दिखाया कि सही उपकरणों के साथ, हम ब्रह्मांड के रहस्यों को पहले की तुलना में बहुत तेज़ी से और अधिक स्पष्ट रूप से देख सकते हैं।

तकनीकी सारांश: PSR J1757−1854 के बेहतर टाइमिंग से सापेक्षतावादी कक्षीय विरूपण (Relativistic Orbital Deformation) का पता लगाना

समस्या विवरण
PSR J1757−1854 एक अत्यधिक सापेक्षतावादी डबल न्यूट्रॉन स्टार (DNS) प्रणाली है, जिसकी विशेषता 21.5 ms स्पिन अवधि, एक तंग 4.4-घंटे की कक्षा और उच्च उत्केंद्रताता ( $e=0.61$ ) है। जबकि पिछले टाइमिंग अभियानों (कैमरन एट अल. 2023) ने सफलतापूर्वक पांच पोस्ट-केपलरियन (PK) मापदंडों को मापा था, इस प्रणाली की अत्यधिक सापेक्षतावादी प्रकृति ने उच्च-क्रम प्रभावों, विशेष रूप से सापेक्षतावादी कोणीय विरूपण पैरामीटर ( $\delta\theta$ ) का पता लगाने की क्षमता का सुझाव दिया था। हालांकि, पिछले डेटासेट में $\delta\theta$ को बाधित करने या आइंस्टीन डिले पैरामीटर ( $\gamma$ ) और कक्षीय अवधि व्युत्पन्न ( $\dot{P}_b$ ) में व्यवस्थित विसंगतियों को पूरी तरह से हल करने के लिए आवश्यक बेसलाइन लंबाई और संवेदनशीलता की कमी थी। इसके अलावा, पेरिअस्ट्रॉन अग्रिम ( $\dot{\omega}$ ) के वर्तमान स्तर की सटीकता के सटीक मापन के लिए द्वितीय-क्रम पोस्ट-न्यूटनियन (2PN) सुधारों और लेंस-थिरिंग (LT) स्पिन-ऑर्बिट कपलिंग को ध्यान में रखना आवश्यक है, जिन्हें पहले द्रव्यमान निर्धारण में उपेक्षित किया गया था।

कार्यप्रणाली
लेखकों ने 6 से 9 वर्षों के अवलोकन बेसलाइन को विस्तारित करते हुए एक उच्च-परिशुद्धता टाइमिंग अभियान संचालित किया। यह डेटासेट निम्नलिखित का संयोजन है:

पुरालेख डेटा (Archival Data): मुरियांग (पार्कस) टेलीस्कोप और ग्रीन बैंक टेलीस्कोप (GBT) से कैमरन एट अल. (2023) के मौजूदा अवलोकन।
नया उच्च-संवेदनशीलता डेटा: L-बैंड (1284 MHz) और S1-बैंड (2406 MHz) दोनों में MeerKAT रेडियो टेलीस्कोप से लगभग 5 वर्ष के नए अवलोकन, जिसमें PTUSE बैकएंड का उपयोग किया गया है।
नया GBT डेटा: 2024–2025 से अतिरिक्त L-बैंड अवलोकन।

डेटा रिडक्शन में कोहेरेंट डिस्पर्शन और psrchive सूट का उपयोग करके फ्रीक्वेंसी-रिजॉल्व्ड, शोर-मुक्त टेम्प्लेट का निर्माण शामिल था। टाइमिंग विश्लेषण tempo2 के DDH बाइनरी मॉडल का उपयोग करके किया गया था। शोर विशेषताओं को संबोधित करने के लिए, लेखकों ने व्हाइट नॉइज़ (WN) मॉडल बनाम रेड नॉइज़ (RN) और डिस्पर्शन मेजरमेंट (DM) विविधताओं वाले मॉडलों की तुलना करने के लिए temponest फ्रेमवर्क का उपयोग किया; WN-ओनली मॉडल को प्राथमिकता दी गई।

एक महत्वपूर्ण पद्धतिगत प्रगति tempo2 का अनुकूलन था ताकि सापेक्षतावादी कोणीय विरूपण पैरामीटर ( $\delta\theta$ ) और आइंस्टीन डिले ( $\gamma$ ) का एक साथ नमूना लिया जा सके, जो उनके बीच के मजबूत सहसंबंध को स्वीकार करता है। लेखकों ने पेरिअस्ट्रॉन अग्रिम ( $\dot{\omega}$ ) पर उच्च-क्रम पदों के प्रभाव का मूल्यांकन करने के लिए एक मोंटे कार्लो विश्लेषण भी किया, जिसमें 2PN सुधारों और पिछले कार्य में पहचाने गए व्यवहार्य स्पिन-ऑबिट ज्यामितीय समाधानों से प्राप्त LT पद को शामिल किया गया।

प्रमुख योगदान और परिणाम

सापेक्षतावादी कोणीय विरूपण ( $\delta\theta$ ) का पता लगाना: यह अध्ययन $\sim 2\sigma$ की सार्थकता के साथ (जब $\gamma$ को स्थिर किया जाता है तो $\sim 7\sigma$ तक बढ़ जाता है) PSR J1757−1854 में $\delta\theta$ की पहली पहचान की रिपोर्ट करता है। यह PSR J1757−1854 को केवल तीसरा DNS सिस्टम बनाता है जहाँ इस पैरामीटर को मापा गया है, जिसे हल्स-टेेलर बाइनरी और डबल पल्सर के लिए आवश्यक दशकों की तुलना में केवल 9 वर्षों में प्राप्त किया गया है।
व्यवस्थित विसंगतियों का समाधान: $\delta\theta$ को शामिल करने से आइंस्टीन डिले पैरामीटर ( $\gamma$ ) में देखे गए पिछले व्यवस्थित ऑफसेट का समाधान होता है। प्रारंभिक DDH फिट में, $\gamma$ का प्रतिबंध अन्य PK मापदंडों के प्रतिच्छेदन से विचलित हो गया था; $\delta\theta$ और $\gamma$ के समवर्ती नमूनाकरण ने द्रव्यमान-द्रव्यमान आरेख में आत्म-संगति को बहाल कर दिया।
स्पिन-ऑबिट ज्यामिति को बाधित करना: मापे गए $\delta\theta$ का उपयोग पल्सर के स्पिन अक्ष के त्रि-आयामी ओरिएंटेशन को बाधित करने के लिए किया गया था। प्रेक्षित $\delta\theta$ (जिसमें स्पिन ओरिएंटेशन पर निर्भर एबरेशन सुधार शामिल है) की तुलना इंट्रिन्सिक विरूपण के लिए जनरल रिलेटिविटी (GR) भविष्यवाणी के विरुद्ध करके, लेखकों ने इस प्रणाली के लिए पहले प्रस्तावित चार ज्यामितीय समाधानों में से दो (समाधान 1 और 3) को खारिज कर दिया, जिससे समाधान 2 और 4 व्यवहार्य रह गए।
पैरामीटर परिशुद्धता में सुधार: विस्तारित बेसलाइन और Meerकाट संवेदनशीलता ने सभी मापे गए PK मापदंडों की परिशुद्धता में सुधार किया। विशेष रूप से, पेरिअस्ट्रॉन अग्रिम ( $\dot{\omega}$ ) की परिशुद्धता में एक क्रम (order of magnitude) का सुधार हुआ, और कक्षीय अवधि व्युत्पन्न ( $\dot{P}_b$ ) तथा श्यापिरो डिले पैरामीटर ( $h_3, \zeta$ ) में $\sim 2$ गुना सुधार हुआ। राइट अस्केंशन में प्रॉपर मोशन ( $\mu_\alpha$ ) का $\sim 4.5\sigma$ के साथ पता लगाया गया, जिसमें परिशुद्धता में $\sim 3\times$ सुधार हुआ।
द्रव्यमान पर उच्च-क्रम प्रभाव: विश्लेषण प्रदर्शित करता है कि 2PN सुधार और $\dot{\omega}$ पर LT योगदान का कुल सिस्टम द्रव्यमान के अनुमानित मान पर एक मापने योग्य व्यवस्थित प्रभाव है। जबकि 1PN सन्निकटन $M_{tot} \approx 2.73288 M_\odot$ का कुल द्रव्यमान प्रदान करता है, 2PN और LT पदों को शामिल करने से यह मान बदल जाता है, जो भविष्य के उच्च-परिशुद्धता परीक्षणों के लिए इन सुधारों की आवश्यकता को रेखांकित करता है।
कक्षीय क्षय निरंतरता: प्रेक्षित कक्षीय अवधि व्युत्पन्न ( $\dot{P}_b$ ), किनेमैटिक प्रभावों (श्कोवस्की प्रभाव और गैलेक्टिक त्वरण) को ठीक करने के बाद, डिस्पर्शन मेजरमेंट मॉडल से प्राप्त सिस्टम की दूरी की अनिश्चितता के बावजूद, ग्रेविटेशनल वेव डैम्पिंग के लिए GR भविष्यवाणी के अनुरूप बनी हुई है।

महत्व
यह शोध दावा करता है कि अपने अत्यधिक कक्षीय मापदंडों के कारण PSR J1757−1854 स्ट्रॉन्ग-फील्ड ग्रेविटी परीक्षणों के लिए एक असाधारण प्रयोगशाला के रूप में कार्य करता है। अपेक्षाकृत कम समय (9 वर्ष) में $\delta\theta$ का पता चलना MeerKAT टेलीस्कोप की परिवर्तनकारी संवेदनशीलता और जनरल रिलेटिविटी के परीक्षण के लिए इस प्रणाली की उपयुक्तता को रेखांकित करता है। स्पिन-ऑबिट ज्यामिति में अनिश्चितताओं को तोड़ने के लिए $\delta\theta$ का उपयोग करने की क्षमता एक नवीन ज्यामितीय विभेदक प्रदान करती है जो पल्स प्रोफाइल विकास अध्ययनों का पूरक है। इसके अलावा, यह कार्य स्थापित करता है कि ऐसे उच्च टाइमिंग परिशुद्धता वाले सिस्टम के लिए, उच्च-क्रम सापेक्षतावादी सुधारों (2PN और LT) को अनदेखा करना द्रव्यमान निर्धारण में महत्वपूर्ण पूर्वाग्रह (bias) उत्पन्न करता है। परिणाम स्ट्रॉन्ग-फील्ड शासन में GR की वैधता की पुष्टि करते हैं और भविष्य में लेंस-थिरिंग प्रभाव और न्यूट्रॉन स्टार मोमेंट ऑफ इनर्शिया के मापन के लिए मार्ग प्रशस्त करते हैं, जो बेहतर दूरी माप और सिस्टम के जियोडेिक प्रीसेशन की निरंतर निगरानी पर निर्भर है।