Probing an Intermediate-Mass Black Hole Companion of Sagittarius A* with Pulsar Timing
यह शोध पत्र यह प्रदर्शित करता है कि अगली पीढ़ी के रेडियो टेलीस्कोपों, जैसे कि SKA के साथ पल्सर टाइमिंग अवलोकन, गैलेक्टिक सेंटर के जटिल खगोलीय वातावरण के बीच भी, पल्सर पर इसके गुरुत्वाकर्षण विक्षोभ को मापकर सैजिटेरियस ए* (Sagittarius A*) के एक मध्यवर्ती द्रव्यमान वाले ब्लैक होल साथी के अस्तित्व का प्रभावी ढंग से पता लगा सकते हैं या उसे सीमित कर सकते हैं।
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हमारी आकाशगंगा के केंद्र, मिल्की वे (Milky Way), को एक ब्रह्मांडीय नृत्य मंच (cosmic dance floor) के रूप में कल्पना करें। इस मंच के बिल्कुल केंद्र में एक विशाल, अदृश्य साथी घूम रहा है: सैजिटेरियस ए* (Sagittarius A*) नामक एक सुपरमैसिव ब्लैक होल। यह इतना भारी है कि यह अपने चारों ओर अंतरिक्ष और समय को मोड़ देता है, जो एक बाथटब में घूमते विशाल भंवर की तरह काम करता है। इस भंवर के चारों ओर सितारों को सूरज के इर्द-गिर्द ग्रहों की तरह, व्यवस्थित और अनुमानित कक्षाओं में नाचना चाहिए। लेकिन खगोलविदों ने देखा है कि कुछ तारे, जिन्हें "एस-स्टार्स" (S-stars) कहा जाता है, वहां होने के लिए बहुत युवा हैं और वे एक अव्यवस्थित और अस्त-व्यस्त तरीके से घूम रहे हैं जो मानक नृत्य कदमों में फिट नहीं बैठता। यह ऐसा है जैसे संगीत तो बज रहा है, लेकिन नर्तक लड़खड़ा रहे हैं।
इस ब्रह्मांडीय अनाड़ीपन का एक संभावित स्पष्टीकरण यह है कि नृत्य मंच पर एक गुप्त, अदृश्य साथी मौजूद है। वैज्ञानिक संदेह करते हैं कि एक "मध्यम-वजन" वाला ब्लैक होल, जिसे इंटरमीडिएट-मास ब्लैक होल (IMBH) कहा जाता है, सीधे सैजिटेरियस ए* के बगल में छिपा हो सकता है। यह IMBH एक शरारती भूत की तरह होगा, जो सितारों को खींचता है और उनकी कक्षाओं को बिगाड़ देता है, बिना हमें सीधे दिखाई दिए। इस भूत को खोजने के लिए, हमें एक नए प्रकार के जासूस की आवश्यकता है। पल्सर (pulsar) से मिलिए: एक मृत तारा जो अविश्वसनीय रूप से तेजी से घूमता है और लाइटहाउस की तरह रेडियो तरंगें उत्सर्जित करता है। क्योंकि ये लाइटहाउस अत्यंत सटीक होते हैं, वे आदर्श ब्रह्मांडीय घड़ियों के रूप में कार्य करते हैं। यदि कोई भूतिया IMBH किसी पल्सर को खींच रहा है, तो घड़ी का समय थोड़ा बिगड़ जाएगा, जिससे सिग्नल में एक सूक्ष्म "ग्लिच" (glitch) या त्रुटि दिखाई देगी। यह शोध पत्र बताता है कि हम इस भूत को पकड़ने के लिए इन ग्लिच का उपयोग कैसे कर सकते हैं।
इस शोध पत्र के लेखक, ज़ेक्सिन हू (Zexin Hu) और लिंगिंग शाओ (Lijing Shao) ने यह देखने के लिए अध्ययन किया है कि क्या हम सैजिटेरियस ए* के चारों ओर एक पल्सर की निगरानी करके भविष्य के रेडियो टेलीस्कोपों का उपयोग करके इस छिपे हुए मध्यम-वजन वाले ब्लैक होल को देख सकते हैं। उन्होंने एक जटिल कंप्यूटर सिमुलेशन बनाया—एक "टाइमिंग मॉडल"—जो एक आभासी प्रयोगशाला की तरह कार्य करता है। इस प्रयोगशाला में, उन्होंने एक त्रि-पिंड प्रणाली (three-body system) बनाई: विशाल सुपरमैसिव ब्लैक होल, एक पल्सर, और एक संभावित IMBH साथी। उन्होंने केवल अनुमान नहीं लगाया; उन्होंने आइंस्टीन के सामान्य सापेक्षता (General Relativity) के नियमों का उपयोग किया (कि गुरुत्वाकर्षण कैसे काम करता है) ताकि वे सटीक गणना कर सकें कि ये तीन वस्तुएं कैसे चलेंगी और उनके सिग्नल समय के साथ कैसे बदलेंगे।
टीम ने पाया कि पल्सर-सैजिटेरियस ए* प्रणाली एक IMBH की उपस्थिति के प्रति अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील है। भले ही IMBH दूर हो, उसका गुरुत्वाकर्षण पल्सर के समय (timing) पर एक विशिष्ट छाप छोड़ता है। उन्होंने तीन मुख्य तरीके पहचाने जिनसे यह भूत प्रकट होता है। पहला, शैपिरो डिले (Shapiro delay) है: जैसे ही पल्सर का सिग्नल भारी IMBH के पास से गुजरता है, गुरुत्वाकर्षण सिग्नल को खींच देता है, जिससे डेटा में एक तीव्र उछाल (spike) जैसा विलंब होता है। दूसरा, आइंस्टीन डिले (Einstein delay) है: गुरुत्वाकर्षण स्वयं समय के प्रवाह को बदल देता है, जिससे पल्सर की घड़ी अपनी कक्षा में स्थान के आधार पर थोड़ी तेज या धीमी हो जाती है। अंत में, एक सूक्ष्म त्रि-पिंड संपर्क (three-body interaction) है: क्योंकि गुरुत्वाकर्षण गैर-रेखीय (non-linear) है (जब तीन भारी चीजें आपस में क्रिया करती हैं तो यह जटिल हो जाता है), पल्सर का पथ एक अनूठे तरीके से डगमगाता है जो एक साधारण द्वि-पिंड प्रणाली में नहीं दिखता।
अपने सिमुलेशन में, लेखकों ने दिखाया कि यदि एक IMBH मौजूद है, तो वह "टाइमिंग रेसिडुअल्स" (timing residuals)—अर्थात पल्स के आगमन के अनुमानित समय में त्रुटियां—रचना करेगा, जो हमारे भविष्य के टेलीस्कोपों की सटीकता की तुलना में बहुत बड़ी हैं। उदाहरण के लिए, यदि 1,000 सूर्यों के द्रव्यमान वाला एक IMBH सैजिटेरियस ए* के चारों ओर घूम रहा है, तो यह पांच वर्षों में 150 मिलीसेकंड तक की टाइमिंग त्रुटियां पैदा कर सकता है। हालांकि यह छोटा लग सकता है, लेकिन स्क्वायर किलोमीटर एरे (SKA) जैसे भविष्य के टेलीस्कोप मिलीसेकंड के एक अंश तक समय को माप सकेंगे। इसका मतलब है कि "ग्लिच" स्पष्ट और तेज होगा।
हालांकि, यह पत्र वास्तविकता का एक आवश्यक खुराक भी जोड़ता है। आकाशगंगा का केंद्र एक अव्यवस्थित जगह है, जो सितारों, अन्य ब्लैक होल और गैस बादलों से भरी हुई है। लेखकों ने इस अराजकता का सिमुलेशन किया और पाया कि ये अन्य वस्तुएं अपना स्वयं का "शोर" (noise) पैदा करती हैं, जो IMBH के सिग्नल को छिपा सकती है। उन्होंने गणना की कि यदि IMBH बहुत हल्का है (लगभग 100 सूर्यों से कम) या यदि वातावरण बहुत अधिक भीड़भाड़ वाला है, तो सिग्नल शोर में खो सकता है। लेकिन, उन्होंने सुझाव दिया कि यदि IMBH पर्याप्त विशाल है और सही स्थान पर है, तो उसका सिग्नल शोर के ऊपर भी स्पष्ट रूप से खड़ा हो जाएगा।
अंततः, यह शोध पत्र सुझाव देता है कि पल्सर टाइमिंग छिपे हुए ब्लैक होलों की खोज के लिए एक शक्तिशाली नया उपकरण है। हालांकि हमने अभी तक IMBH को नहीं खोजा है, और वातावरण चुनौतीपूर्ण है, लेखक दिखाते हैं कि यदि हम सैजिटेरियस ए* के करीब एक पल्सर खोज सकें, तो हम या तो इस छिपे हुए साथी की खोज कर सकते हैं या यह सिद्ध कर सकते हैं कि कुछ सीमाओं के भीतर इसका अस्तित्व नहीं है। यह एक भीड़ भरे कमरे में किसी विशेष फुसफुसाहट को सुनने जैसा है; यह कठिन है, लेकिन यदि फुसफुसाहट पर्याप्त तेज है, तो हम अंततः उसे सुन सकते हैं।
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