Probing Variations of Newton's Constant in Strong Gravitational Fields

ब्रह्मांड के प्रति हमारी समझ के केंद्र में एक सरल, शांत धारणा निहित है: कि प्रकृति के नियम बदलते नहीं हैं। एक सदी से अधिक समय से, भौतिक विज्ञानी इस विश्वास पर काम कर रहे हैं कि गुरुत्वाकर्षण की शक्ति—वह बल जो ग्रहों को कक्षा में बनाए रखता है और हमारे पैरों को जमीन पर टिकाए रखता है—एक स्थिर संख्या है। यह स्थिरांक, जिसे न्यूटन का गुरुत्वाकर्षण स्थिरांक (Newton's gravitational constant) कहा जाता है, सामान्य सापेक्षता (general relativity) के ताने-बाने में बुना हुआ है, जो वह सिद्धांत है जो बताता है कि कैसे विशाल वस्तुओं के चारों ओर स्थान और समय मुड़ते हैं। यदि यह संख्या समय के साथ थोड़ी भी बदलती, तो यह तारों के जलने, आकाशगंगाओं के बनने और ब्रह्मांड के विस्तार की हर गणना में लहरें पैदा कर देती। हालांकि कुछ आधुनिक सिद्धांत यह सुझाव देते हैं कि ये मौलिक संख्याएँ वास्तव में गतिशील हो सकती हैं, जो ब्रह्मांड के उम्र बढ़ने के साथ धीरे-धीरे बदल रही हैं, लेकिन इस तरह के परिवर्तन को सिद्ध करना अविश्वसनीय रूप से कठिन है। पृथ्वी पर, गुरुत्वाकर्षण का खिंचाव सूक्ष्म बदलावों को प्रकट करने के लिए बहुत कमजोर है, और अंतरिक्ष के विशाल खालीपन में, संकेत अक्सर शोर (noise) के कारण दब जाता है। इस नींव में दरार खोजने के लिए, वैज्ञानिकों को वहां देखना होगा जहां गुरुत्वाकर्षण न केवल मौजूद है, बल्कि अत्यधिक शक्तिशाली भी है।

हाल ही में एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने अपना ध्यान G191-B2B नामक एक श्वेत बौने तारे (white dwarf star) की ओर लगाया, जो एक सघन, मृत तारकीय अवशेष है और इन विचारों के परीक्षण के लिए एक अद्वितीय प्रयोगशाला प्रदान करता है। यह तारा अविश्वसनीय रूप से सघन है, जो हमारे सूर्य के समान द्रव्यमान को पृथ्वी के आकार के गोले में समाहित करता है, जो इसकी सतह पर लगभग दस हजार गुना अधिक मजबूत गुरुत्वाकर्षण खिंचाव पैदा करता है। टी. डी. ले के नेतृत्व वाली टीम ने हबल स्पेस टेलीस्कोप की शक्तिशाली आंखों का उपयोग करके पराबैंगनी स्पेक्ट्रम (ultraviolet spectrum) में तारे के प्रकाश की उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाली छवियां कैप्चर कीं। जैसे ही प्रकाश श्वेत बौने के तीव्र गुरुत्वाकर्षण से बाहर निकलता है, यह ऊर्जा खो देता है और खिंच जाता है, जिसे 'गुरुत्वाकर्षण रेडशिफ्ट' (gravitational redshift) नामक घटना कहा जाता है। तारे के वायुमंडल के भीतर निकल (nickel) परमाणुओं के विशिष्ट निशानों (fingerprints) का परीक्षण करके, वैज्ञानिक सटीक रूप से माप सके कि यह प्रकाश कितना खिंचा है। उन्होंने अपने इन मापों की तुलना पृथ्वी पर प्रयोगशालाओं में मापे गए निकल के प्रकाश की सटीक तरंग दैर्ध्य (wavelengths) से की, ताकि यह देखा जा सके कि क्या कोई भी सूक्ष्म विसंगति यह संकेत देती है कि गुरुत्वाकर्षण के नियम या परमाणुओं की प्रकृति समय के साथ बदली है।

शोधकर्ताओं ने एक सौ बीस अलग-अलग अवशोषण रेखाओं (absorption lines) पर ध्यान केंद्रित किया, जो तारे के स्पेक्ट्रम में गहरे बैंड के रूप में दिखाई देती हैं, जो तब बनती हैं जब निकल परमाणु प्रकाश के विशिष्ट रंगों को अवशोषित करते हैं। श्वेत बौने के इस चरम वातावरण में, ये रेखाएं आसपास की गैस के दबाव के कारण चौड़ी हो जाती हैं, एक ऐसा विवरण जिसे टीम ने सावधानीपूर्वक ध्यान में रखा ताकि उनके माप सटीक बने रहें। उन्होंने गुरुत्वाकर्षण रेडशिफ्ट को अन्य गतियों, जैसे कि अंतरिक्ष में तारे की गति, से अलग किया, ताकि यह देखा जा सके कि क्या शेष बदलाव एक स्थिर ब्रह्मांड की भविष्यवाणियों से मेल खाता है। परिणाम एक उल्लेखनीय रूप से सटीक माप था जिसने परिवर्तन का कोई प्रमाण नहीं दिखाया। टीम ने गणना की कि न्यूटन के स्थिरांक के परिवर्तन की दर प्रभावी रूप से शून्य है, जिसका मान नकारात्मक शून्य दशमलव शून्य एक चार गुना दस की घात ऋणात्मक पंद्रह प्रति वर्ष है, साथ ही इसमें त्रुटि का एक बहुत छोटा मार्जिन भी है। यह निष्कर्ष पुष्टि करता है कि पृथ्वी से दस हजार गुना अधिक शक्तिशाली गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में भी, गुरुत्वाकर्षण को नियंत्रित करने वाला मौलिक स्थिरांक स्थिर रहता है।

यह निष्कर्ष उन सिद्धांतों पर एक सख्त सीमा लगाता है जो यह प्रस्तावित करते हैं कि गुरुत्वाकर्षण ब्रह्मांडीय समय के साथ विकसित होता है। हालांकि चंद्र लेजर रेंजिंग (lunar laser ranging) या स्पंदित तारों (pulsating stars) की टाइमिंग का उपयोग करने वाले पिछले अध्ययनों ने इस बात की सीमा तय की है कि गुरुत्वाकर्षण कितना बदल सकता है, लेकिन वे विधियाँ कमजोर गुरुत्वाकर्षण क्षेत्रों में काम करती हैं या विभिन्न भौतिक तंत्रों पर निर्भर करती हैं। G191-B2B का नया विश्लेषण उस क्षेत्र की जांच करता है जहां गुरुत्वाकर्षण कहीं अधिक तीव्र है, जो यह परीक्षण करने के लिए एक अधिक कठोर परीक्षण प्रदान करता है कि क्या भौतिकी के नियम वास्तव में सार्वभौमिक हैं। डेटा बताता है कि यदि गुरुत्वाकर्षण का स्थिरांक बदल भी रहा है, तो यह इतनी धीमी दर से हो रहा है कि वर्तमान अवलोकन की सीमाओं के भीतर इसे पूरी तरह से स्थिर माना जा सकता है। अपने निष्कर्षों को व्यापक सिद्धांतों से जोड़ते हुए, जो गुरुत्वाकर्षण को अन्य मौलिक बलों के साथ जोड़ते हैं, शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि गुरुत्वाकर्षण की स्थिरता सबसे चरम स्थितियों में भी बनी रहती है। यह अध्ययन इस विचार को पुख्ता करता है कि ब्रह्मांड नियमों के एक स्थिर सेट पर कार्य करता है, जो ब्रह्मांड के प्रति हमारी समझ के लिए एक ठोस आधार प्रदान करता है और उन कई काल्पनिक मॉडलों के द्वार बंद करता है जो एक बदलते गुरुत्वाकर्षण स्थिरांक की भविष्यवाणी करते हैं।