On the orbital eccentricities of primordial black hole binaries inside and outside of dark matter halos
यह शोध पत्र आदिम ब्लैक होल बाइनरी (primordial black hole binaries) के कक्षीय विकास का अनुकरण करता है ताकि यह भविष्यवाणी की जा सके कि जहाँ पृथक प्रणालियाँ अधिकांश गुरुत्वाकर्षण तरंग बैंडों में प्रवेश करने से पहले ही गोलाकार हो जाती हैं, वहीं डार्क मैटर हेलो के भीतर स्थित प्रणालियाँ गतिशील अंतःक्रियाओं के कारण उच्च उत्केंद्रता (eccentricity) बनाए रखती हैं, जो भविष्य के अंतरिक्ष-आधारित वेधशालाओं जैसे कि LISA और DECIGO के लिए इन अवशिष्ट उत्केंद्रताओं का पता लगाकर आदिम ब्लैक होल की प्रचुरता को सीमित करने का एक मार्ग प्रदान करता है।
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ब्रह्मांड की कल्पना एक विशाल, ब्रह्मांडीय डांस फ्लोर के रूप में करें जहाँ अदृश्य साथी लगातार घूम रहे हैं, आपस में टकरा रहे हैं और कभी-कभी एक-दूसरे से भिड़ रहे हैं। इनमें से कुछ साथी "प्राइमोर्डियल ब्लैक होल्स" (PBHs) हैं, जो रहस्यमयी भारी वजन वाले पात्र हैं जो शायद समय की शुरुआत में ही बन गए थे, जैसे कि ब्रह्मांडीय धूल घने गुच्छों में जम रही हो। जब ये दो ब्लैक होल एक-दूसरे के पर्याप्त करीब आते हैं, तो वे एक-दूसरे के चारों ओर घूमने लगते हैं, जिससे एक गुरुत्वाकर्षण वाल्ट्ज़ (gravitational waltz) पैदा होता है जो अंतरिक्ष में लहरें पैदा करता है। इन लहरों को "गुरुत्वाकर्षण तरंगें" (gravitational waves) कहा जाता है, और ये डांस फ्लोर के हिलने की आवाज़ की तरह हैं। वैज्ञानिकों ने इन आवाजों को सुनने के लिए विशाल कान बनाए हैं, जिन्हें डिटेक्टर कहा जाता है। बड़ा सवाल यह है कि क्या ये ब्लैक होल एकदम सटीक वृत्तों (circles) में नाचते हैं, या वे जंगली, अंडाकार रास्तों में डगमगाते हैं? उनके कक्षीय आकार, जिसे "एक्सेन्ट्रिसिटी" (eccentricity) कहा जाता है, एक उंगलियों के निशान (fingerprint) की तरह काम करता है। यदि हम एक डगमगाहट सुन पाते हैं, तो यह हमें ठीक-ठीक बताता है कि वे ब्लैक होल कैसे मिले और वे कहाँ छिपे हुए थे। यह इसलिए महत्वपूर्ण है क्योंकि इन डगमगाहटों को खोजना यह साबित कर सकता है कि ब्लैक होल बिग बैंग के प्राचीन अवशेष हैं, न कि मृत सितारों की संतान।
इस शोध पत्र में, मुहसिन अलजाफ और इलियास चोलिस नामक दो शोधकर्ताओं ने एक विशाल ब्रह्मांडीय डांस पार्टी का अनुकरण (simulate) करने का निर्णय लिया ताकि वे देख सकें कि ये प्राइमोर्डियल ब्लैक होल्स किस तरह का संगीत बनाएंगे। उन्होंने केवल एक प्रकार के नृत्य को नहीं देखा; उन्होंने ब्लैक होल के अरबों संभावित जोड़ों को उनके जन्म के क्षण से लेकर उनके आपस में टकराने तक ट्रैक किया। उन्होंने दो मुख्य समूहों को देखा: वे "अकेले रहने वाले" (loners) जो आकाशगंगाओं के बीच खाली स्थान में अकेले नाचते हैं, और वे "पार्टी में जाने वाले" (party-goers) जो घने डार्क मैटर हेलो (जो आकाशगंगाओं के चारों ओर अतिरिक्त गुरुत्वाकर्षण के अदृश्य, धुंधले बादलों की तरह होते हैं) के भीतर फंस जाते हैं।
शोधकर्ताओं ने यह ट्रैक करने के लिए बड़े कंप्यूटर सिमुलेशन चलाए कि समय के साथ उनके कक्षीय पथ (orbits) कैसे बदलते हैं। उन्होंने पाया कि "अकेले रहने वाले" जोड़े बहुत ही उबाऊ नर्तक हैं। भले ही उन्होंने एक जंगली, अंडाकार कक्षा से शुरुआत की हो, उनके अपने गुरुत्वाकर्षण तरंगों के घर्षण ने उन्हें हमारे वर्तमान डिटेक्टरों के कानों तक पहुँचने से बहुत पहले ही एकदम सटीक वृत्तों में बदल दिया। जब तक ये जोड़े हमारे ग्राउंड-बेस्ड डिटेक्टर्स (जैसे LIGO) द्वारा सुने जाने के लिए तैयार होते हैं, तब तक वे एकदम सटीक वृत्तों में घूम रहे होते हैं, जिससे उन्हें नियमित ब्लैक होल से अलग पहचानना असंभव हो जाता है।
हालाँकि, "पार्टी में जाने वालों" के लिए कहानी बहुत अधिक रोमांचक हो जाती है। जब ब्लैक होल उन घने डार्क मैटर बादलों के भीतर फंस जाते हैं, तो वे केवल अपने साथी के साथ ही नहीं नाचते, बल्कि आसपास के अन्य ब्लैक होल्स द्वारा उन्हें धकेला और झकझोरा भी जाता है। ये "बाइनरी-सिंगल इंटरैक्शन" (binary-single interactions) एक भीड़भाड़ वाले मोश पिट (mosh pit) की तरह हैं जहाँ नर्तकों को बार-बार धक्का दिया जाता है। यह अराजकता कक्षाओं को सुचारू होने से रोकती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि ये जोड़े अपने विलय (merge) होने के ठीक पहले तक अपने जंगली, अंडाकार आकार (उच्च एक्सेन्ट्रिसिटी) को बनाए रख सकते हैं।
यह शोध पत्र भविष्य के सिमुलेशन का उपयोग यह अनुमान लगाने के लिए करता है कि हमारे भविष्य के सुनने वाले उपकरण क्या सुनेंगे। उन्होंने पाया कि ग्राउंड-बेस्ड डिटेक्टर (जैसे LIGO, ET, और CE) संभवतः केवल सुचारू, वृत्ताकार नृत्य ही सुन पाएंगे। लेकिन अंतरिक्ष-आधारित डिटेक्टर, जो कम पिच वाली आवाजों को सुनने वाले सुपर-सेंसिटिव कान हैं (विशेष रूप से LISA और DECIGO), जंगली, डगमगाते नर्तकों को पकड़ सकते हैं। लेखक अनुमान लगाते हैं कि यदि प्राइमोर्डियल ब्लैक होल्स उस संख्या में मौजूद हैं जैसा कि हम वर्तमान में संदेह करते हैं, तो LISA और DECIGO लगभग 100 ऐसे उत्केंद्रित (eccentric) जोड़ों का पता लगा सकते हैं। यदि ये अंतरिक्ष टेलीस्कोप देखते हैं और कोई भी डगमगाता हुआ नर्तक नहीं पाते हैं, तो यह एक बड़ा सुराग होगा कि प्राइमोर्डियल ब्लैक होल्स हमारी सोच से कहीं अधिक दुर्लभ हैं, जो इस बात पर नियम कड़े कर देगा कि वे ब्रह्मांड का कितना हिस्सा बना सकते हैं।
संक्षेप में, शोध पत्र सुझाव देता है कि यदि हम इन प्राचीन ब्लैक होल्स को खोजना चाहते हैं, तो हमें केवल टकराव के लिए नहीं सुनना चाहिए; हमें डगमगाहट (wobble) के लिए सुनना चाहिए। जबकि ग्राउंड-बेस्ड डिटेक्टरों से यह संकेत चूक सकता है क्योंकि नर्तक शांत हो चुके होते हैं, अंतरिक्ष-आधारित डिटेक्टर उन्हें डगमगाहट के बीच पकड़ सकते हैं, जो इन ब्रह्मांडीय भूतों के अस्तित्व को साबित करने का एक अनूठा तरीका प्रदान करता है। यदि हमें वह डगमगाहट सुनाई नहीं देती है, तो शोध पत्र का सुझाव है कि हमें यह समझने के लिए कि ब्रह्मांड का कितना हिस्सा इन प्राइमोर्डियल ब्लैक होल्स से बना है, अपनी समझ को फिर से लिखना पड़ सकता है।
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