Enabling gravitational-wave astronomy with spin-precessing black holes on generic orbits
यह शोध पत्र SEOBNRv6EPHM को प्रस्तुत करता है, जो कि सामान्य कक्षाओं पर स्पिन-प्रीसेसिंग बाइनरी ब्लैक होल्स से निकलने वाली गुरुत्वाकर्षण तरंगों का सटीक और कुशल वर्णन करने में सक्षम पहला प्रभावी-एक-शरीर (effective-one-body) मॉडल है, जिससे गुरुत्वाकर्षण तरंगों के डेटा में उत्केंद्रता (eccentricity) और स्पिन प्रीसेसन का संयुक्त विश्लेषण संभव हो पाता है।
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ब्रह्मांड की गहराइयों में, ब्लैक होल के जोड़े एक-दूसरे की ओर घूमते हुए करीब आते हैं, और तेजी से तेज होते जाते हैं जब तक कि वे एक हिंसक टक्कर में आपस में टकरा नहीं जाते। जब ऐसा होता है, तो वे अंतरिक्ष और समय के ताने-बाने में लहरें भेजते हैं, जिन्हें गुरुत्वाकर्षण तरंगें (gravitational waves) कहा जाता है। वर्षों से, वैज्ञानिक इन लहरों को सुनते रहे हैं, लेकिन उन्होंने मुख्य रूप से यह मान लिया था कि ब्लैक होल बिल्कुल सटीक वृत्तों (circles) में घूम रहे थे, जैसे कोई ग्रह किसी तारे की परिक्रमा करता है। वास्तव में, घने स्टार क्लस्टर्स में पैदा हुए या जटिल गुरुत्वाकर्षण खिंचाव में फंसे ब्लैक होल शायद वृत्तों में नहीं घूम रहे होंगे। वे जंगली, खींचे हुए रास्तों पर हो सकते हैं, जो करीब आकर फिर पीछे हटते हैं, और साथ ही अराजक तरीके से लुढ़क और घूम भी सकते हैं। यदि वैज्ञानिक इन जंगली रास्तों और स्पिन (घूर्णन) को अनदेखा करते हैं, तो वे सिग्नल को पूरी तरह से मिस कर सकते हैं या उन वस्तुओं की प्रकृति को गलत समझ सकते हैं जिनका वे अध्ययन कर रहे हैं।
शोधकर्ताओं ने अब इन जटिल, अराजक टक्करों को सुनने के लिए एक नया उपकरण बनाया है। उन्होंने SEOBNRv6EPHM नामक एक परिष्कृत कंप्यूटर मॉडल बनाया है, जो इस तरह का पहला मॉडल है जो अत्यधिक स्पिन करने वाले और खींचे हुए, गैर-वृत्ताकार रास्तों पर चलने वाले ब्लैक होल का सटीक वर्णन कर सकता है। इससे पहले, बेहतरीन उपकरण स्पिनिंग या खींचे हुए रास्तों को तो संभाल सकते थे, लेकिन दोनों को एक साथ उच्च सटीकता के साथ नहीं। यह नया मॉडल वैज्ञानिकों को इन अव्यवस्थित टक्करों से उत्पन्न होने वाली गुरुत्वाकर्षण तरंगों का विश्लेषण सरल, वृत्ताकार तरंगों की समान गति और सटीकता के साथ करने की अनुमति देता है। यह एक महत्वपूर्ण प्रगति है क्योंकि यह उन ब्लैक होल्स को खोजने का द्वार खोलता है जो पहले छिपे हुए थे या गलत पहचाने गए थे, जिससे हमें यह समझने में मदद मिलती है कि ब्रह्मांड के घने वातावरण में ये चरम वस्तुएं कैसे बनती हैं और परस्पर क्रिया करती हैं।
शोधकर्ताओं ने अपने नए मॉडल का परीक्षण उपलब्ध सबसे सटीक सिमुलेशन के विरुद्ध किया, जो गुरुत्वाकर्षण के जटिल समीकरणों को हल करने वाले सुपरकंप्यूटरों द्वारा उत्पन्न किए जाते हैं। उन्होंने अपने मॉडल के अनुमानों की एक हजार से अधिक विभिन्न परिदृश्यों के साथ तुलना की, जिनमें वृत्ताकार पथों पर ब्लैक होल और अत्यधिक खींचे हुए, विलक्षण (eccentric) पथों पर दर्जनों ब्लैक होल शामिल थे। परिणाम आश्चर्यजनक थे: नया मॉडल अधिकांश मामलों में एक प्रतिशत से कम की त्रुटि दर के साथ सुपरकंप्यूटर सिमुलेशन से मेल खाता है। सटीकता का यह स्तर सरल वृत्ताकार कक्षाओं के लिए उपयोग किए जाने वाले सर्वोत्तम मॉडलों के तुल्य है, और यह जटिल, स्पिन करने वाले, खींचे हुए टकरावों के लिए पिछले सर्वश्रेष्ठ उपकरण की तुलना में काफी अधिक सटीक है। इसके अलावा, नया मॉडल चलाने में बहुत तेज़ है, जिससे गणनाओं को पूरा होने के लिए दिनों तक प्रतीक्षा किए बिना बड़ी संख्या में गुरुत्वाकर्षण तरंग घटनाओं का विश्लेषण करना संभव हो जाता है।
यह सिद्ध करने के लिए कि मॉडल वास्तविक दुनिया में काम करता है, टीम ने जनवरी 2020 में पता चले एक विशिष्ट गुरुत्वाकर्षण तरंग सिग्नल, जिसे GW200129 के रूप में जाना जाता है, पर इसे लागू किया। यह सिग्नल वैज्ञानिकों के लिए पहेली बना हुआ था क्योंकि इसमें एक ग्लिच (glitch), या शोर का एक झोंका था, जिससे यह बताना कठिन हो गया था कि ब्लैक होल स्पिन कर रहे थे या खींचे हुए पथ पर चल रहे थे। अपने नए मॉडल का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने दोनों प्रभावों को एक साथ ध्यान में रखते हुए सिग्नल का विश्लेषण किया। उन्होंने मजबूत प्रमाण पाया कि ब्लैक होल वास्तव में एक विलक्षण, खींचे हुए पथ (ecc-centric orbit) पर चल रहे थे, एक ऐसा निष्कर्ष जो तब भी कायम रहा जब उन्होंने डेटा से शोर को हटाने के विभिन्न तरीकों को आज़माया। यह खोज इस विचार का समर्थन करती है कि कुछ ब्लैक होल घने स्टार क्लस्टर्स में गतिशील अंतःक्रियाओं के माध्यम से बनते हैं, न कि केवल अकेले तैरते हुए।
अध्ययन ने दस अन्य गुरुत्वाकर्षण तरंग घटनाओं पर भी नज़र डाली कि क्या उनमें इन जटिल गतियों के कोई संकेत मिले। जबकि अधिकांश सिग्नल लगभग वृत्ताकार पथों पर ब्लैक होल से आते प्रतीत हुए, कुछ में विलक्षणता (eccentricity) या जंगली स्पिन के संकेत मिले। नए मॉडल ने इन संकेतों को स्पष्ट करने में मदद की, यह दिखाते हुए कि जब वैज्ञानिक पथ के खिंचाव और स्पिन के लुढ़कने (tumbling) दोनों को ध्यान में रखते हैं, तो उन्हें एक स्पष्ट तस्वीर मिलती है। कुछ मामलों में, मॉडल ने खुलासा किया कि ब्लैक होल उन तरीकों से स्पिन कर रहे थे जिन्हें पिछले उपकरणों ने मिस कर दिया था। एक साथ कई विशेषताओं को देखने की यह क्षमता इन ब्रह्मांडीय टक्करों की वास्तविक प्रकृति को समझने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है।
स्पिन करने वाले, लुढ़कते ब्लैक होल्स को ट्रैक करने की क्षमता को खींचे हुए पथों पर ट्रैक करने की क्षमता के साथ जोड़कर, यह नया मॉडल गुरुत्वाकर्षण-तरंग खगोल विज्ञान (gravitational-wave astronomy) में स्पष्टता का एक नया स्तर लाता है। यह वैज्ञानिकों को उन सिग्नलों की खोज करने की अनुमति देता जो पहले बहुत जटिल थे या जिनका सही विश्लेषण नहीं किया जा सकता था। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया है कि उनका उपकरण न केवल सटीक है बल्कि इतना कुशल भी है कि इसका उपयोग वर्तमान और भविष्य के डिटेक्टरों द्वारा उत्पादित डेटा के विशाल कैटलॉग पर किया जा सके। इसका अर्थ यह है कि आने वाले वर्षों में, हम संभवतः ब्लैक होल्स के अराजक, गतिशील जीवन के बारे में अधिक जानेंगे, जिससे ब्रह्मांड का एक ऐसा पक्ष प्रकट होगा जो अब तक छिपा हुआ था।
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