Search for gravitational waves associated with high-energy neutrinos detected by IceCube during the third observing run of LIGO-Virgo
यह शोध पत्र लाइगो-विर्गो-कागरा के तीसरे अवलोकन रन के दौरान आइसक्यूब द्वारा पता लगाए गए उच्च-ऊर्जा न्यूट्रिनो के साथ सहवर्ती सामान्य गुरुत्वाकर्षण तरंग क्षणिकों (transients) के लिए एक अनमॉडल, लक्षित खोज की रिपोर्ट करता है, जिसमें कोई सांख्यिकीय रूप से महत्वपूर्ण संकेत नहीं मिले और संभावित स्रोतों की दूरियों पर निचली सीमाएं स्थापित की गई हैं।
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ब्रह्मांडीय जासूसी कहानी: भूतों और लहरों का पीछा
कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल, अराजक कॉन्सर्ट हॉल है। लंबे समय तक, हम केवल अपने कानों से संगीत सुन सकते थे—प्रकाश, रेडियो तरंगों और एक्स-रे का पता लगाकर। लेकिन 2015 में, हमने अंततः एक ऐसा नया उपकरण बनाया जो उस हॉल के कंपन को "महसूस" कर सकता था। ये गुरुत्वाकर्षण तरंगें (gravitational waves) हैं: अंतरिक्ष और समय के ताने-बाने में उठने वाली लहरें, जो ब्लैक होल या न्यूट्रॉन सितारों जैसे विशाल पिंडों के आपस में टकराने से उत्पन्न होती हैं। यह बिल्कुल वैसा ही है जैसे किसी विशाल ड्रम को पीटने पर फर्श का हिलना महसूस करना, भले ही आप ड्रमर को देख न सकें।
साथ ही, अन्य ब्रह्मांडीय संदेशवाहक भी हैं जिन्हें न्यूट्रिनो (neutrinos) कहा जाता है। ये सूक्ष्म, भूत जैसे कण हैं जो लगभग बिना किसी से टकराए ब्रह्मांड के माध्यम से तेजी से गुजर जाते हैं। ये ब्रह्मांड के सबसे हिंसक विस्फोटों में पैदा होते हैं, जैसे कि विशाल तारों की मृत्यु के दौरान। क्योंकि इन्हें पकड़ना बहुत कठिन है, इसलिए एक को ढूंढना रेगिस्तान के तूफान में रेत के एक विशिष्ट कण को खोजने जैसा है।
वैज्ञानिकों के पास एक बड़ा सवाल है: क्या ये दोनों चीजें एक साथ होती हैं? जब एक विशाल तारा फटता है या दो मृत तारे आपस में टकराते हैं, तो क्या वे एक ही समय में एक गुरुत्वाकर्षण "धमक" और एक उच्च-ऊर्जा न्यूट्रिनो "भूत" भेजते हैं? यदि हम एक ही घटना से दोनों को पकड़ सकें, तो यह सुनने और देखने जैसा होगा कि ड्रम की थाप और ड्रमर की रोशनी एक साथ हुई है। यह इस बात की पुष्टि करेगा कि किस प्रकार की ब्रह्मांडीय हिंसा ने उस संकेत को उत्पन्न किया। यह शोध पत्र उन खगोलविदों की टीम के बारे में है जो दुनिया के सबसे संवेदनशील डिटेक्टरों का उपयोग करके इन दोनों संदेशवाहकों को रंगे हाथों पकड़ने की कोशिश कर रहे हैं।
महान ब्रह्मांडीय खोज
इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक विशिष्ट प्रकार के अपराध स्थल की तलाश करने के लिए एक ब्रह्मांडीय जासूस की तरह काम किया: अंटार्कटिका में आइसक्यूब (IceCube) ऑब्जर्वेटरी द्वारा पता लगाया गया एक उच्च-ऊर्जा न्यूट्रिनो। आइसक्यूब बर्फ की गहराई में दबा हुआ एक विशाल डिटेक्टर है, जो उन भूतिया न्यूट्रिनों के इंतजार में रहता है जो किसी परमाणु से टकराकर नीली रोशनी की चमक पैदा करते हैं। जब आइसक्यूब एक आशाजनक न्यूट्रिनो को पहचानता है, तो वह एक अलर्ट भेजता है, कहता है, "हे, वहाँ कुछ बड़ा हुआ है!"
टीम का काम उस सटीक क्षण और सटीक दिशा में लाइगो (LIGO) और विर्गो (Virgo) गुरुत्वाकर्षण तरंग डिटेक्टरों के डेटा की जांच करना था, जो उस न्यूट्रिनो अलर्ट से संबंधित था। वे देखना चाहते थे कि क्या डिटेक्टरों ने उसी समय अंतरिक्ष-समय (space-time) में एक लहर महसूस की। इसे इस तरह सोचें: यदि आइसक्यूब किसी विशेष घर से चीख सुनता है, तो गुरुत्वाकर्षण तरंग डिटेक्टर वे पड़ोसी हैं जो यह जांच रहे हैं कि क्या उन्होंने ठीक उसी क्षण फर्श को हिलते हुए महसूस किया।
शोधकर्ताओं ने केवल एक विशिष्ट प्रकार की टक्कर की तलाश नहीं की, जैसे कि दो ब्लैक होल का आपस में मिलना। उन्होंने एक "जेनेरिक" (generic) खोज का उपयोग किया, जो किसी भी अजीब शोर को सुनने जैसा है—चाहे वह कोई टक्कर हो, धमाका हो, या कोई अजीब गूंज। उन्होंने डिटेक्टरों के तीसरे प्रमुख अवलोकन रन (जिसे O3 कहा जाता है) के दौरान आइसक्यूब द्वारा भेजे गए 23 न्यूट्रिनो अलर्ट की जांच की। उन्होंने डेटा को न्यूट्रिनो के आने से 500 सेकंड पहले से लेकर उसके आने के 500 सेकंड बाद तक के समय अंतराल में जांचा, इस संभावना के लिए कि संकेत बिल्कुल एक ही सेकंड में न पहुंचे।
निर्णय: ब्रह्मांडीय हॉल में सन्नाटा
अपने परिष्कृत विश्लेषण को चलाने के बाद, टीम को... कुछ नहीं मिला। या यूँ कहें कि उन्हें रैंडम बैकग्राउंड शोर से अधिक मजबूत कोई गुरुत्वाकर्षण तरंग संकेत का प्रमाण नहीं मिला। यह ऐसा ही है जैसे उन्होंने किसी घर से चीख सुनी हो, लेकिन जब उन्होंने फर्श की जांच की, तो वह पूरी तरह स्थिर था।
यह शोध पत्र स्पष्ट रूप से इस विचार को खारिज करता है कि ये विशिष्ट न्यूट्रिनो घटनाएँ उन हिंसक विलयों या विस्फोटों के कारण थीं जो उन दूरियों के भीतर मजबूत गुरुत्वाकर्षण तरंगें पैदा करते हैं जिन्हें वे पकड़ सकते थे। उन्हें कोई "स्मोकिंग गन" (ठोस सबूत) नहीं मिला। हालांकि, इसका मतलब यह नहीं है कि न्यूट्रिनो असली नहीं थे; इसका मतलब केवल यह है कि यदि वे किसी ब्रह्मांडीय विस्फोट के कारण थे, तो उस विस्फोट ने इतना मजबूत गुरुत्वाकर्षण तरंग नहीं भेजा जिसे हमारे वर्तमान डिटेक्टर सुन सकें, या वह बहुत दूर हुआ था।
अपने परिणामों के बारे में आश्वस्त होने के लिए, टीम ने सिमुलेशन चलाए। उन्होंने डेटा में नकली गुरुत्वाकर्षण तरंग संकेतों को डालकर यह देखने का नाटक किया कि कोई स्रोत कितनी दूर तक हो सकता है और फिर भी सुना जा सकता है। उन्होंने पाया कि एक बाइनरी न्यूट्रॉन स्टार मर्जर (दो मृत तारों की टक्कर) के लिए, यदि यह लगभग 30 से 60 मिलियन प्रकाश वर्ष (30–60 Mpc) के भीतर होता, तो वे इसे देख लेते। एक ब्लैक होल द्वारा न्यूट्रॉन स्टार को निगलने के मामले में, वे इसे लगभग 70 से 140 मिलियन प्रकाश वर्ष (70–140 Mpc) तक देख सकते थे। अन्य, अधिक विलक्षण प्रकार के संकेतों के लिए, उनकी पहुंच दर्जनों से लेकर कुछ सौ मिलियन प्रकाश वर्ष तक भिन्न थी।
चूंकि उन्हें इन दूरियों के भीतर कोई संकेत नहीं मिला, इसलिए उन्होंने "एक्सक्लूजन लिमिट्स" (exclusion limits) निर्धारित कीं। यह कहने का एक शानदार तरीका है, "हम 90% सुनिश्चित हैं कि यदि इस तरह का स्रोत इस दूरी के भीतर मौजूद होता, तो हम उसे देख लेते। चूंकि हमें कुछ नहीं मिला, इसलिए शायद वह वहां नहीं था।"
टीम ने यह भी नोट किया कि उनकी खोज "अनमॉडलड" (unmodeled) थी, जिसका अर्थ है कि वे किसी भी आकार की तरंग की तलाश कर रहे थे, न कि केवल दो सितारों के आपस में घूमने के विशिष्ट पैटर्न की। यह खोज को ज्ञात घटनाओं के लिए लक्षित खोज की तुलना में कम संवेदनशील बनाता है, लेकिन यह उन्हें अजीब, अप्रत्याशित संकेतों को पकड़ने की अनुमति देता है। तथ्य यह है कि उन्हें कुछ नहीं मिला, यह सुझाव देता है कि या तो न्यूट्रिनो उन स्रोतों से आए थे जो गुरुत्वाकर्षण तरंगें नहीं बनाते हैं, या स्रोत वर्तमान तकनीक के लिए बहुत दूर थे।
आगे क्या?
शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि यह विशिष्ट खोज खाली रही, लेकिन यह पद्धति काम करती है और डिटेक्टर बेहतर हो रहे हैं। टीम बताती है कि भविष्य के अवलोकन रन में, वे अलग प्रकार के न्यूट्रिनो आयोजनों (जिन्हें "कैस्केड" अलर्ट कहा जाता है) को देख पाएंगे जो गहरे अंतरिक्ष से होने की अधिक संभावना रखते हैं। वे यह भी उल्लेख करते हैं कि बेहतर दिशा-खोज वाला एक नया अलर्ट कैटलॉग जल्द ही उपलब्ध होगा, जो उन्हें अपनी खोज को अधिक सटीकता से केंद्रित करने में मदद करेगा।
फिलहाल, ब्रह्मांडीय हॉल इन विशिष्ट न्यूट्रिनों के संबंध में शांत है। लेकिन खोज जारी है, और डिटेक्टरों के हर नए रन के साथ, टीम थोड़ा और करीब से सुन रही है, इस उम्मीद में कि एक दिन वे ब्रह्मांड के छोर से एक साथ आने वाली उस आदर्श चीख और कंपन को पकड़ सकें।
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