Correlated and coincident noise in Einstein Telescope's triangular configuration

गुरुत्वाकर्षण वह अदृश्य बल है जो हमारे पैरों को जमीन से चिपकाए रखता है, लेकिन जब विशाल वस्तुएं आपस में टकराती हैं, तो यह अंतरिक्ष और समय के ताने-बाने में लहरें भी पैदा करता है। ये लहरें, जिन्हें गुरुत्वाकर्षण तरंगें (gravitational waves) कहा जाता है, इतनी सूक्ष्म होती हैं कि उन्हें पकड़ने के लिए असाधारण सटीकता वाले उपकरणों की आवश्यकता होती है। वैज्ञानिक दशकों से लेजर इंटरफेरोमीटर बनाने में लगे हुए हैं, जो दर्पणों के बीच प्रकाश को परावर्तित करके दूरी में होने वाले सूक्ष्म परिवर्तनों को मापते हैं। इन डिटेक्टरों की वर्तमान पीढ़ी, जैसे कि संयुक्त राज्य अमेरिका और इटली में स्थित हैं, अक्षर 'L' के आकार की है, जिसमें दो लंबी भुजाएं एक समकोण पर मिलती हैं। यह डिज़ाइन अच्छा काम करता है, लेकिन जैसे-जैसे वैज्ञानिक अगली पीढ़ी की वेधशालाओं की योजना बना रहे हैं, वे सबसे शक्तिशाली मशीन बनाने के बारे में एक महत्वपूर्ण विकल्प का सामना कर रहे हैं। एक प्रस्ताव दो अलग-अलग स्थानों पर दो अलग-अलग L-आकार के डिटेक्टर बनाने का है। एक अधिक सघन विचार यूरोप में आइंस्टीन टेलीस्कोप के लिए एक एकल, विशाल त्रिकोण बनाना है, जिसमें तीन बिंदुओं को जोड़ने वाली तीन भुजाएं हैं। यह त्रिकोणीय डिज़ाइन एक अनूठा गणितीय चमत्कार प्रदान करता है: क्योंकि तीनों भुजाएं एक बंद लूप बनाती हैं, इसलिए उनके द्वारा पकड़ी गई गुरुत्वाकर्षण तरंगों के संकेत सभी स्वतंत्र नहीं होते हैं। यदि आप तीनों भुजाओं के संकेतों को एक साथ जोड़ते हैं, तो गुरुत्वाकर्षण तरंगों को सैद्धांतिक रूप से रद्द हो जाना चाहिए, जिससे पीछे केवल शोर (noise) वाला एक "नल स्ट्रीम" (null stream) बच जाता है।

वर्षों तक, इस 'नल स्ट्रीम' को एक संभावित महाशक्ति के रूप में देखा गया था। उम्मीद यह थी कि इस शोर-मात्र चैनल को देखकर, वैज्ञानिक अन्य चैनलों से अवांछित व्यवधानों को पहचान और घटा सकेंगे, जिससे डेटा को प्रभावी ढंग से साफ किया जा सके और ब्रह्मांड की मंद फुसफुसाहटों को अधिक स्पष्टता से सुना जा सके। हालाँकि, जान हार्म्स का एक नया अध्ययन इस आशावाद को चुनौती देता है। शोध बताता है कि त्रिकोणीय विन्यास एक छिपे हुए जाल का सामना करता है: वह वातावरण जो डिटेक्टर को घेरे हुए है, वह ऐसा शोर पैदा करता है जो यादृच्छिक (random) नहीं है, बल्कि साझा है। ठीक वैसे ही जैसे कमरे में होने वाले शोर को अंदर मौजूद हर कोई सुन सकता है, जमीन के कंपन और चुंबकीय क्षेत्रों के उतार-चढ़ाव एक ही समय में त्रिकोण की तीनों भुजाओं को प्रभावित कर सकते हैं। यह अध्ययन इस बात की जांच करता है कि क्या यह साझा शोर 'नल स्ट्रीम' की उपयोगिता को नष्ट कर देता है, जिससे एक संभावित स्पष्टता के उपकरण के बजाय भ्रम का स्रोत बन जाता है।

समस्या को समझने के लिए, पहले यह देखना होगा कि ये डिटेक्टर कैसे काम करते हैं। आइंस्टीन टेलीस्कोप को उपकरणों का एक "ज़ाइलोफोन" (xylophone) बनाने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जिसमें भुजाओं के विभिन्न जोड़े ब्रह्मांड की कम-आवृत्ति (low-frequency) और उच्च-आवृत्ति (high-frequency) ध्वनियों को सुनने के लिए ट्यून किए गए हैं। त्रिकोणीय सेटअप में कुल छह ऐसे इंटरफेरोमीटर हैं। शोधकर्ताओं ने कम-आवृत्ति वाले उपकरणों पर ध्यान केंद्रित किया, जो ब्रह्मांड की धीमी, भारी गड़गड़ाहटों के प्रति सबसे अधिक संवेदनशील हैं, लेकिन पृथ्वी के प्रति भी सबसे अधिक असुरक्षित हैं। ज़मीन कभी भी पूरी तरह स्थिर नहीं होती; यह भूकंपीय तरंगों के साथ कंपन करती है, और उपकरण उन चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति भी संवेदनशील होते हैं जो अंदर के धातु के घटकों को खींच सकते हैं। टीम ने टेलीस्कोप के लिए संभावित स्थलों के वास्तविक डेटा का उपयोग किया, जिसमें नीदरलैंड और सार्डिनिया के भूमिगत माप शामिल थे, ताकि यह सिम्युलेट किया जा सके कि ये पर्यावरणीय व्यवधान कैसे व्यवहार करेंगे। उन्होंने एक कंप्यूटर मॉडल बनाया जिसने वास्तविक शोर उत्पन्न किया, जिसमें "ग्लिच" (glitches) के रूप में जाने जाने वाले अचानक, तीव्र हस्तक्षेप शामिल थे, जो वर्तमान डिटेक्टरों में आम हैं और उन संकेतों की नकल कर सकते हैं जिन्हें वैज्ञानिक खोज रहे हैं।

सिमुलेशन ने खुलासा किया कि वातावरण भुजाओं के बीच एक जटिल संबंधों का जाल बनाता है। जब कोई भूकंपीय तरंग या चुंबकीय उतार-चढ़ाव साइट पर टकराता है, तो वह प्रत्येक भुजा को अलग-थलग प्रभावित नहीं करता है। इसके बजाय, शोर सह-संबंधित (correlated) होता है, जिसका अर्थ है कि एक भुजा में व्यवधान गणितीय रूप से अन्य भुजाओं के शोर से जुड़ा होता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह सहसंबंध विशेष रूप से कम-आवृत्ति वाले उपकरणों के लिए बहुत मजबूत है। अपने सिमुलेशन में, उन्होंने देखा कि ये पर्यावरणीय बल प्रत्येक उपकरण में प्रति वर्ष लाखों ग्लिच पैदा करेंगे। इनमें से कई ग्लिच कई भुजाओं में एक ही समय में दिखाई देंगे, इसलिए नहीं कि वे गुरुत्वाकर्षण तरंगें हैं, बल्कि इसलिए क्योंकि पृथ्वी और चुंबकीय क्षेत्र पूरे स्थल को एक साथ हिला रहे हैं। यह वास्तविक ब्रह्मांडीय घटनाओं का पता लगाने में एक बड़ी बाधा उत्पन्न करता है, क्योंकि शोर सिग्नल को दबा सकता है या गलत अलार्म पैदा कर सकता है।

सबसे आश्चर्यजनक निष्कर्ष 'नल स्ट्रीम' से संबंधित है, वह चैनल जहाँ गुरुत्वाकर्षण तरंगों के संकेत गायब होने चाहिए। मूल आशा यह थी कि यह चैनल शोर के लिए एक आदर्श संदर्भ के रूप में कार्य करेगा, जिससे वैज्ञानिक इसे अन्य चैनलों से घटा सकेंगे। हालाँकि, अध्ययन दिखाता है कि पर्यावरणीय ग्लिच के मामले में यह काम नहीं करता है। क्योंकि शोर ज़मीन और चुंबकीय क्षेत्रों के माध्यम से यात्रा करता है, यह अलग-अलग भुजाओं तक थोड़े विलंब और आकार परिवर्तन के साथ पहुँचता है। एक कंपन पहले एक भुजा से टकरा सकता है, फिर अगली भुजा तक जा सकता है, और इस प्रक्रिया में अपनी तरंग (waveform) को बदल सकता है। नतीजतन, नल स्ट्रीम में दिखने वाला ग्लिच व्यक्तिगत भुजाओं में दिखने वाले ग्लिच जैसा नहीं होता है। यह एक ध्वनि को रद्द करने के लिए उसकी रिकॉर्डिंग चलाने जैसा है, लेकिन रिकॉर्डिंग थोड़ी विकृत और तालमेल से बाहर है। शोधकर्ताओं ने पाया कि नल स्ट्रीम अन्य चैनलों के शोर का सटीक मॉडल प्रदान करने में विफल रहता है, जिससे यह डेटा को साफ करने के लिए अप्रभावी हो जाता है।

अध्ययन ने यह भी देखा कि यह सह-संबंधित शोर गुरुत्वाकर्षण तरंगों की एक पृष्ठभूमि गुनगुनाहट (background hum) का पता लगाने की क्षमता को कैसे प्रभावित करता है, जो पूरे ब्रह्मांड में अनगिनत ब्लैक होल और न्यूट्रॉन सितारों के संयुक्त शोर से आने वाला एक संकेत है। परिणाम संकेत देते हैं कि भुजाओं के बीच साझा शोर टेलीस्कोप की संवेदनशीलता पर एक मौलिक सीमा लगा देता है। सर्वोत्तम तकनीक के बावजूद, पृथ्वी और चुंबकीय क्षेत्रों से होने वाला शोर एक ऐसी सीमा निर्धारित करता है जिसके नीचे टेलीस्कोप कुछ भी देख नहीं सकता। शोधकर्ताओं ने गणना की कि बड़े पैमाने पर शील्डिंग (shielding) और शोर निवारण में सुधार किए बिना, इन सूक्ष्म संकेतों को सुनने की टेलीस्कोप की क्षमता काफी कम हो जाएगी। उन्होंने अनुमान लगाया कि पर्यावरणीय ग्लिच के कारण होने वाले गलत अलार्म की संख्या प्रति वर्ष लाखों में पहुँच सकती है, जो शोर का एक ऐसा "जंगल" बना देती है जिससे दुर्लभ, वास्तविक संकेतों को खोजना कठिन हो जाता है।

अंततः, पेपर इस निष्कर्ष पर पहुँचता है कि त्रिकोणीय विन्यास, हालांकि सिद्धांत में सुंदर है, इसमें पर्यावरणीय शोर का एक भारी बोझ है जिसे 'नल स्ट्रीम' द्वारा आसानी से हल नहीं किया जा सकता है। शोधकर्ता तर्क देते हैं कि त्रिकोण उन्हीं समस्याओं से मुक्त नहीं है जिन्होंने पिछले डिटेक्टरों को परेशान किया था, जहाँ पास के उपकरणों के बीच शोर सहसंबंध ने उनकी संवेदनशीलता को सीमित कर दिया था। अध्ययन का सुझाव है कि आइंस्टीन टेलीस्कोप को इच्छित रूप से कार्य करने के लिए, इंजीनियरों को उपकरण को पृथ्वी के कंपन और चुंबकीय क्षेत्रों से बचाने के नए तरीके विकसित करने होंगे, जो अब तक हासिल किए गए तरीकों से कहीं आगे के हों। 'नल स्ट्रीम', जिसे कभी स्वच्छ डेटा के लिए एक चतुर शॉर्टकट के रूप में देखा गया था, विशिष्ट प्रकार के शोर के विरुद्ध अप्रभावी साबित हुआ है जिसका त्रिकोण को सामना करना पड़ सकता है। आगे का रास्ता यह स्वीकार करने में है कि पृथ्वी स्वयं ब्रह्मांडीय शांति की खोज में एक शोर भरा साथी है, और एक बेहतर टेलीस्कोप बनाने का अर्थ है पहले उसके नीचे की ज़मीन को शांत करना सीखना।