The influence of standard relativistic effects on Gaia-like astrometric catalogs

कल्पना कीजिए कि आप एक ऐसे पैमाने से सितारों का मानचित्र बनाने की कोशिश कर रहे हैं जो किसी भारी वस्तु के पास देखते ही थोड़ा मुड़ जाता है। सदियों तक, खगोलविदों ने न्यूटन के नियमों पर भरोसा किया, जो अंतरिक्ष को एक कठोर, अपरिवर्तनीय मंच के रूप में मानते थे जहाँ गुरुत्वाकर्षण केवल चीजों को आपस में खींचने वाला एक बल था। लेकिन 20वीं सदी की शुरुआत में, एक नया सिद्धांत उभरा जिसने इस तस्वीर को पूरी तरह बदल दिया: गुरुत्वाकर्षण केवल एक बल नहीं है, बल्कि स्वयं स्थान (space) और समय (time) का एक झुकाव या विरूपण है। जब किसी दूर स्थित तारे से आने वाला प्रकाश सूर्य या बृहस्पति जैसी किसी विशाल वस्तु के पास से गुजरता है, तो वह बिल्कुल सीधी रेखा में नहीं चलता; वह इस मुड़े हुए स्थान के वक्र (curve) का अनुसरण करता है। प्रकाश के इस मुड़ने की घटना, जिसे 'गुरुत्वाकर्षण प्रकाश विचलन' (gravitational light deflection) कहा जाता है, एक सूक्ष्म प्रभाव है, लेकिन आधुनिक दूरबीनों के लिए जो अविश्वसनीय सटीकता के साथ स्थितियों को माप सकती हैं, यह एक महत्वपूर्ण विरूपण है। यूरोपीय अंतरिक्ष एजेंसी का 'गाइया' (Gaia) मिशन, जिसने कुछ मिलियनवें आर्कसेकंड की सटीकता के साथ लगभग दो अरब सितारों का मानचित्र बनाया है, उस स्तर पर कार्य करता है जहाँ ये सूक्ष्म मोड़ मायने रखते हैं। डेटा को समझने के लिए, वैज्ञानिकों को आइंस्टीन के सामान्य सापेक्षता (General Relativity) के सिद्धांत पर आधारित एक जटिल गणितीय ढांचे का उपयोग करना चाहिए ताकि प्रत्येक अवलोकन को सुधारा जा सके, जिससे यह सुनिश्चित हो सके कि ब्रह्मांड का अंतिम मानचित्र हमारे अपने सौर मंडल के गुरुत्वाकर्षण द्वारा विकृत न हो जाए।

शोधकर्ता गेब्रियल रोड्रिग्ज-मोरिस और सर्गेई ए. क्लियोनरर जिस प्रश्न का उत्तर खोजने के लिए निकले थे, वह यह था कि क्या यह अत्यधिक जटिलता हमेशा आवश्यक है। यह अच्छी तरह से ज्ञात है कि बृहस्पति के पास से गुजरने वाले किसी तारे के एकल अवलोकन में बृहस्पति के गुरुत्वाकर्षण के कारण कई हजारवें आर्कसेकंड का बदलाव हो सकता है, लेकिन गाइया केवल एक एकल स्नैपशॉट पर निर्भर नहीं है। इसके बजाय, यह प्रत्येक तारे का कई वर्षों में हजारों बार अवलोकन करता है। शोधकर्ता जानना चाहते थे कि क्या ये बड़े, क्षणिक बदलाव कैटलॉग में तारे की अंतिम, औसत स्थिति को खराब कर देंगे, या क्या अवलोकनों की विशाल संख्या उन्हें मिटा देगी। उन्होंने यह भी जांचा कि क्या पृथ्वी या शनि जैसे छोटे ग्रहों के सापेक्षतावादी प्रभाव गणनाओं में शामिल करने के लिए इतने महत्वपूर्ण थे, या वे इतने छोटे थे कि उनका कोई महत्व नहीं था। उत्तर खोजने के लिए, उन्होंने वास्तविक टेलीस्कोप डेटा नहीं देखा, जो हमेशा अन्य त्रुटियों के साथ मिश्रित होता है, बल्कि इसके बजाय एक आदर्श, सिम्युलेटेड (simulated) ब्रह्मांड बनाया।

गाइया मिशन की नकल करने के लिए डिज़ाइन किए गए एक परिष्कृत सॉफ़्टवेयर टूल का उपयोग करते हुए, टीम ने एक मिलियन तारों वाला एक आभासी कैटलॉग तैयार किया जिनकी स्थितियाँ ज्ञात और पूर्ण थीं। फिर उन्होंने इन तारों के अवलोकन की प्रक्रिया का पांच साल की अवधि के लिए अनुकरण (simulate) किया, एक ऐसा डेटासेट बनाया जिसमें सूर्य और विशाल ग्रहों द्वारा प्रकाश के मुड़ने जैसे सभी ज्ञात सापेक्षतावादी प्रभावों के साथ-साथ स्वयं अंतरिक्ष यान की गति के कारण होने वाले सूक्ष्म बदलाव भी शामिल थे। यह उनके लिए "सत्य" (truth) के रूप में कार्य करता था। इसके बाद, उन्होंने डेटा को फिर से विश्लेषण सॉफ़्टवेयर के माध्यम से चलाया, लेकिन इस बार उन्होंने जानबूझकर सापेक्षतावादी मॉडल के विशिष्ट हिस्सों को हटा दिया। परीक्षणों के एक सेट में, उन्होंने कंप्यूटर को बृहस्पति द्वारा प्रकाश के मुड़ने की उपेक्षा करने के लिए कहा। दूसरे में, उन्होंने शनि, यूरेनस या यहाँ तक कि पृथ्वी के प्रभावों को अनदेखा किया। उन्होंने यह भी परीक्षण किया कि यदि 'एबरेशन' (aberration) के सापेक्षतावादी भाग को अनदेखा किया जाए, तो क्या होता है, जो अंतरिक्ष में चलते हुए पर्यवेक्षक की गति के कारण तारे की स्थिति में दिखने वाला आभासी बदलाव है। इन "अपूर्ण" मॉडलों की तुलना ज्ञात सत्य से करके, वे सटीक रूप से माप सकते थे कि अंतिम स्टार पोजीशन में कितनी त्रुटि उत्पन्न हुई।

परिणामों ने एक दिलचस्प अंतर प्रकट किया कि एक क्षण में क्या होता है और एक लंबे अभियान में क्या होता है। जब शोधकर्ताओं ने सूर्य के प्रकाश-मुड़ने के प्रभाव को अनदेखा किया, तो त्रुटियां विशाल थीं और लगभग हर तारे को प्रभावित किया, जिससे पुष्टि हुई कि सूर्य के गुरुत्वाकर्षण को हमेशा ध्यान में रखना चाहिए। इसी तरह, एबरेशन के सापेक्षतावादी भाग को अनदेखा करने से व्यापक स्तर पर महत्वपूर्ण त्रुटियां पैदा हुईं। हालांकि, जब उन्होंने ग्रहों के प्रभावों को हटाया, तो स्थिति नाटकीय रूप से बदल गई। जब मॉडल ने बृहस्पति के गुरुत्वाकर्षण को अनदेखा किया, तो त्रुटियां वास्तव में उन कुछ तारों के लिए बड़ी थीं जो अवलोकन अवधि के दौरान आकाश में बृहस्पति के बहुत करीब से गुजरे थे। लेकिन अधिकांश तारों के लिए, त्रुटियां नगण्य थीं। क्योंकि अंतरिक्ष यान पांच वर्षों में कई अलग-अलग कोणों से प्रत्येक तारे का अवलोकन करता है, इसलिए वे क्षण जब तारा बृहस्पति के करीब होता है, उसे उन कई क्षणों के साथ औसत (average) कर दिया जाता है जब वह दूर होता है। तारे की अंतिम गणना की गई स्थिति सटीक बनी रही, भले ही कंप्यूटर को यह पता न हो कि बृहस्पति प्रकाश को मोड़ रहा है।

अध्ययन ने दिखाया कि गाइया के वर्तमान स्तर की सटीकता वाले मिशन के लिए, बृहस्पति के कारण प्रकाश विचलन को अनदेखा करने से केवल तारों के एक छोटे से हिस्से को ही नकारात्मक रूप से प्रभावित करेगा, विशेष रूप से वे जिनका पथ आकाश में ग्रह के बहुत करीब आता है। शनि के लिए, प्रभावित तारों की संख्या देखे गए दो अरब में से केवल कुछ मिलियन तक गिर जाती है, और यूरेनस, नेपच्यून और पृथ्वी के लिए, प्रभावित तारों की संख्या इतनी कम है कि उनके एक मिलियन तारों के सिमुलेशन में यह प्रभावी रूप से शून्य थी। शोधकर्ताओं ने डेटा को संसाधित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले जटिल गणित का एक दिलचस्प दुष्प्रभाव भी खोजा: जब मॉडल आकाश के एक हिस्से में किसी विशाल वस्तु का हिसाब नहीं रखता है, तो त्रुटियां गणना के माध्यम से फैल सकती हैं और आकाश के पूरी तरह से अलग हिस्सों में त्रुटियों के धुंधले, अप्रत्याशित पैटर्न बना सकती हैं। ये "अप्रत्यक्ष" त्रुटियां इस तरह से होती हैं क्योंकि सॉफ़्टवेयर टेलीस्कोप के ओरिएंटेशन (orientation) को समझने के लिए डेटा की कमी की भरपाई करने के प्रयास में इसे समायोजित करता है, लेकिन वे स्वयं ग्रह के पास होने वाली प्रत्यक्ष त्रुटियों की तुलना में बहुत छोटी हैं।

सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्ष यह है कि वर्तमान सापेक्षतावादी मॉडल की अत्यधिक जटिलता, जो प्रत्येक ज्ञात प्रमुख पिंड के गुरुत्वाकर्षण का हिसाब रखती है, शायद उससे अधिक है जितनी कि सख्ती से आवश्यक है। जबकि व्यक्तिगत अवलोकनों के लिए मॉडल को अविश्वसनीय रूप से सटीक रहना चाहिए ताकि त्रुटियां जमा न हों, मिशन के डिजाइन में निहित औसत प्रक्रिया (averaging process) आश्चर्यजनक रूप से मजबूत है। औसत निकालने की प्रक्रिया स्वाभाविक रूप से एक फिल्टर के रूप में कार्य करती है, जो ग्रहों के कारण होने वाले बड़े, क्षणिक विरूपणों को सुचारू (smooth out) कर देती है। यह सुझाव देता है कि भविष्य के मिशनों के लिए, जो उच्च सटीकता का लक्ष्य रखते हैं, वैज्ञानिक अपने गणनाओं को सरल बना सकते हैं। वे संभावित रूप से दूरस्थ या छोटे पिंडों के गुरुत्वाकर्षण प्रभाव को बिना अंतिम स्टार मैप की गुणवत्ता से समझौता किए अनदेखा कर सकते हैं, बशर्ते वे यह जानते हों कि वे कितने तारों को थोड़ा प्रभावित करने के लिए तैयार हैं। यह शोध पत्र यह दावा नहीं करता है कि हम गुरुत्वाकर्षण का मॉडलिंग करना पूरी तरह से बंद कर सकते हैं, लेकिन यह दिखाता है कि ब्रह्मांड उदार है: एक क्षणिक मोड़ का शोर अक्सर कई अवलोकनों के समूह द्वारा शांत कर दिया जाता है, जिससे खगोलविद ब्रह्मांड के वास्तविक आकार को अधिक स्पष्टता के साथ देख पाते हैं।