Investigating the Multiwavelength Emission of Binary SMBH Candidate SDSS J095036.75+512838.1

हमारे ब्रह्मांड के विशाल इतिहास के भीतर, आकाशगंगाएँ स्थिर द्वीप नहीं बल्कि गतिशील शहर हैं जो अक्सर आपस में टकराती और विलीन होती हैं। जब दो आकाशगंगाएँ एक साथ टकराती हैं, तो उनके केंद्रीय अतिविशाल ब्लैक होल (supermassive black holes), जो हमारे सूर्य से लाखों या अरबों गुना भारी होते हैं, गुरुत्वाकर्षण द्वारा एक-दूसरे की ओर खींचे जाते हैं। अंततः, ये दो दिग्गज एक सामान्य केंद्र के चारों ओर एक तंग कक्षा में बंधे हुए एक जोड़े बन जाते हैं। यह द्विआधारी नृत्य (binary dance) एक आकाशगंगा के जीवन का एक महत्वपूर्ण चरण है, फिर भी इसे रंगे हाथों पकड़ना सबसे कठिन घटनाओं में से एक बना हुआ है। क्योंकि ये ब्लैक होल एक-दूसरे के इतने करीब और इतनी दूर हैं, इसलिए हमारे सबसे शक्तिशाली टेलीस्कोप भी केवल दो अलग-अलग प्रकाश बिंदुओं को दिखाने वाली तस्वीर नहीं ले सकते। इसके बजाय, खगोलविदों को ब्लैक होल द्वारा उत्सर्जित प्रकाश में सूक्ष्म संकेतों की तलाश करनी होती है, उन हस्ताक्षरों की खोज करनी होती है जो दूसरे साथी की उपस्थिति को प्रकट करते हैं।

ऐसा एक संकेत वह तरीका है जिससे ब्लैक होल के चारों ओर घूम रही गैस से आने वाले प्रकाश का रंग बदलता है। जैसे-जैसे एक ब्लैक होल कक्षा में घूमता है, वह हमारी ओर आता है और फिर हमसे दूर जाता है, जिससे उसका प्रकाश एक अनुमानित लय में खिंचता और संकुचित होता है। दूसरा संकेत ऊर्जा स्पेक्ट्रम के आकार में निहित है, जो इस बात का मानचित्र है कि एक प्रणाली विभिन्न रंगों में कितना प्रकाश उत्सर्जित करती है। सैद्धांतिक मॉडल सुझाव देते हैं कि जब दो ब्लैक होल एक-दूसरे की कक्षा में घूमते हैं, तो वे गैस के चारों ओर के डिस्क में एक अंतराल (gap) बना देते हैं। यह अंतराल प्रकाश में एक विशिष्ट "खांच" (notch) या लापता हिस्सा छोड़ देगा, विशेष रूप से पराबैंगनी (ultraviolet) और दृश्य प्रकाश (optical) श्रेणियों में, जबकि ब्लैक होल से टकराने वाली गैस उच्च-ऊर्जा एक्स-रे का विस्फोट पैदा कर सकती है। इन पैटर्नों को खोजना यह पुष्टि करेगा कि एक एकल ब्लैक होल वास्तव में एक द्विआधारी जोड़ा है, एक ऐसी खोज जो हमें यह समझने में मदद करेगी कि ये ब्रह्मांडीय दिग्गज कैसे बढ़ते हैं और वे अंततः अंतरिक्ष-समय (spacetime) में लहरें पैदा करने के लिए कैसे विलीन होते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक विशिष्ट वस्तु की ओर अपना ध्यान केंद्रित किया जिसे SDSS J095036.75+512838.1 के रूप में जाना जाता है, जो लगभग 2.6 बिलियन प्रकाश वर्ष दूर स्थित एक दूरस्थ क्वासर (quasar) है। इस वस्तु को पहले एक द्विआधारी ब्लैक होल प्रणाली के लिए एक मजबूत उम्मीदवार के रूप में चिह्नित किया गया था क्योंकि इसके प्रकाश ने हाइड्रोजन गैस की विस्तृत रेखाओं (broad lines) में बड़े, बदलते आंदोलनों को दिखाया था, जो यह संकेत दे रहा था कि एक दूसरा ब्लैक होल इसे खींच रहा था। इस विचार का परीक्षण करने के लिए, वैज्ञानिकों ने इन्फ्रारेड प्रकाश की लंबी तरंग दैर्ध्य से लेकर उच्च-ऊर्जा एक्स-रे तक, संपूर्ण विद्युत चुंबकीय स्पेक्ट्रम से व्यापक डेटा संग्रह एकत्र किया। उन्होंने वस्तु की पूर्ण ऊर्जा आउटपुट की एक तस्वीर बनाने के लिए चंद्र एक्स-रे वेधशाला (Chandra X-ray Observatory) से नए अवलोकनों को दशकों पुराने इन्फ्रारेड, ऑप्टिकल और पराबैंगनी टेलीस्कोपों के पुरालेख डेटा के साथ संयोजित किया।

शोधकर्ताओं ने सबसे पहले एक्स-रे डेटा का परीक्षण किया, जो अक्सर ब्लैक होल के तत्काल वातावरण को देखने का सबसे सीधा तरीका होता है। उन्होंने कुछ महीनों के अंतर पर लिए गए दो अलग-अलग अवलोकनों से प्राप्त प्रकाश का विश्लेषण किया। डेटा ने दिखाया कि एक्स-रे उत्सर्जन एक एकल, सक्रिय ब्लैक होल के पदार्थ को निगलने के अनुरूप था, न कि दो परस्पर क्रिया करने वाले ब्लैक होल से अपेक्षित जटिल हस्ताक्षर के। ऊर्जा का स्तर उस विशिष्ट कठोरता (hardening) या अतिरिक्त ऊर्जा को नहीं दिखा सका जिसकी कुछ सिद्धांत दो ब्लैक होल के बीच गैस के टकराने से भविष्यवाणी करते हैं। इसके अलावा, उन्होंने आयरन (लोहा) उत्सर्जन रेखा के एक विशिष्ट प्रकार की तलाश की जो कभी-कभी दूसरे ब्लैक होल की उपस्थिति को प्रकट कर सकती है, लेकिन डेटा दूसरे ब्लैक होल की उपस्थिति या अनुपस्थिति की पुष्टि करने के लिए पर्याप्त मजबूत नहीं था, जिससे एक्स-रे का चित्र एक एकल, हालांकि बहुत चमकीले, ब्लैक होल के अनुरूप ही रहा।

इसके बाद, टीम ने वस्तु के प्रकाश के पूर्ण स्पेक्ट्रम को संकलित किया, और इसकी तुलना एकल, सक्रिय ब्लैक होल में देखे जाने वाले मानक पैटर्न से की। उन्होंने पाया कि वस्तु का प्रकाश अधिकांश तरंग दैर्ध्य में एक एकल ब्लैक होल के अपेक्षित पैटर्न से मेल खाता है, लेकिन दो उल्लेखनीय अपवादों के साथ। निकट-इन्फ्रारेड (near-infrared) भाग के स्पेक्ट्रम में, वस्तु उम्मीद से अधिक चमकीली थी, जबकि पराबैंगनी (ultraviolet) सीमा में, यह कम चमकीली थी। ये विचलन एक द्विआधारी प्रणाली के लिए "स्मोकिंग गन" (पुख्ता सबूत) हो सकते थे, क्योंकि गैस डिस्क में सैद्धांतिक अंतराल के कारण पराबैंगनी प्रकाश में गिरावट आनी चाहिए। हालांकि, शोधकर्ताओं ने जांच की कि क्या ये अंतर वस्तु की चमक में समय के साथ होने वाले परिवर्तन के कारण थे या धूल द्वारा प्रकाश को रोकने के कारण।

बीस वर्षों से अधिक की अवधि में विभिन्न टेलीस्कोपों से प्राप्त लाइट कर्व्स (light curves) की तुलना करके, टीम को इस बात का कोई प्रमाण नहीं मिला कि वस्तु महत्वपूर्ण रूप से फीकी पड़ रही है या मंद हो रही है। इसने इस विचार को खारिज कर दिया कि वस्तु केवल गतिविधि की एक अलग अवस्था में थी जिससे वह असामान्य दिख रही थी। उन्होंने फिर यह परीक्षण किया कि क्या हमारे और वस्तु के बीच मौजूद धूल अपराधी हो सकती है। धूल नीले और पराबैंगी प्रकाश को लाल प्रकाश की तुलना में अधिक रोकती है, जो पराबैंगनी में कमी की व्याख्या कर सकती है। उनके गणनाओं ने दिखाया कि धूल की एक छोटी मात्रा वास्तव में गायब पराबैंगनी प्रकाश के लिए जिम्मेदार हो सकती है, जिससे वस्तु एक एकल ब्लैक होल की तरह दिखती है जो थोड़ा अस्पष्ट (obscured) है।

हालांकि, निकट-इन्फ्रारेड में अतिरिक्त चमक का रहस्य अभी भी बना हुआ था। शोधकर्ताओं ने परिष्कृत कंप्यूटर मॉडल का उपयोग किया यह देखने के लिए कि क्या इस अतिरिक्त चमक को मेजबान आकाशगंगा के प्रकाश या धूल के विशिष्ट विन्यास द्वारा समझाया जा सकता है। जबकि मॉडल डेटा के साथ अच्छी तरह से फिट हो सकते थे यदि वे इन्फ्रारेड अतिरिक्त को अनदेखा कर देते, वे बिना किसी अतिरिक्त, अस्पष्ट घटकों को जोड़े, निकट-इन्फ्रारेड प्रकाश को इतना मजबूत क्यों है, इसे पूरी तरह से समझाने में विफल रहे। यह सुझाव देता है कि हालांकि वस्तु मुख्य रूप से एक एकल ब्लैक होल की तरह व्यवहार करती है, फिर भी इसके तत्काल परिवेश में कुछ असामान्य हो रहा है जिसे वर्तमान मॉडल पूरी तरह से नहीं पकड़ पा रहे हैं। यह धूल की एक जटिल ज्यामिति हो सकती है, या शायद गर्मी का एक अतिरिक्त स्रोत जिसे मानक मॉडल में शामिल नहीं किया गया है।

अंततः, अध्ययन इस निष्कर्ष पर पहुँचता है कि डेटा को एक एकल, रेडन्ड (reddened - लालिमा युक्त) सक्रिय गैलेक्टिक न्यूक्लियस (AGN) द्वारा सबसे अच्छी तरह से समझाया जा सकता है, लेकिन यह निष्कर्ष इस संभावना को खारिज नहीं करता है कि यह AGN एक बंधे हुए द्विआधारी सिस्टम का हिस्सा है। हालांकि शोधकर्ताओं द्वारा खोजे जा रहे विशिष्ट संकेत—प्रकाश में स्पष्ट अंतराल और विशिष्ट एक्स-रे पैटर्न—स्पष्ट रूप से मौजूद नहीं हैं, फिर भी समग्र ऊर्जा आउटपुट एक एकल, रेडन्ड AGN द्वारा अच्छी तरह से वर्णित है। यह वस्तु केवल अपने बदलते प्रकाश के कारण एक उम्मीदवार बनी हुई है, लेकिन इसकी वर्तमान उत्सर्जन प्रोफ़ाइल एक एकाकी दिग्गज की कहानी बताती है। ये निष्कर्ष इन द्विआधारी प्रणालों की पहचान करने की कठिनाई को उजागर करते हैं, क्योंकि दूसरे ब्लैक होल के सूक्ष्म संकेत आसानी से धूल या पर्यावरण की अन्य जटिलताओं द्वारा ढके जा सकते हैं। इस पहेली को सुलझाने के लिए, खगोलविदों को भविष्य में और भी तेज आँखों की आवश्यकता होगी, जो पहले ब्लैक होल की चमक से दूसरे ब्लैक होल की मंद चमक को अलग करने, या उस विशिष्ट गुरुत्वाकर्षण तरंगों का पता लगाने में सक्षम हों जिन्हें ऐसा जोड़ा अंततः उत्पन्न करेगा।