The Loud Tail of the Supermassive Black Hole Binary Population: Multimessenger Candidates and Prospects for SKAO
एक जनसंख्या मॉडल के साथ NANOGrav 15-वर्षीय डेटा का विश्लेषण करके, यह अध्ययन 3C 66B और Mrk 501 को आशाजनक व्यक्तिगत गुरुत्वाकर्षण तरंग स्रोतों के रूप में पहचानता है और पूर्वानुमान लगाता है कि स्क्वायर किलोमीटर ऐरे वेधशाला ऐसे दर्जनों बाइनरी को हल करेगी, जो संभावित रूप से विभिन्न ब्लैक होल हार्डनिंग तंत्रों के बीच अंतर कर सकेगी।
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लगभग हर आकाशगंगा के केंद्र में गुरुत्वाकर्षण का एक दानव छिपा है: एक अतिविशाल ब्लैक होल (supermassive black hole), जिसका वजन हमारे सूर्य से लाखों या अरबों गुना अधिक है। जब दो आकाशगंगाएं आपस में टकराती हैं, तो उनके केंद्रीय ब्लैक होल एक जोड़ी बन सकते हैं, जो एक धीमी, ब्रह्मांडीय वाल्ट्ज़ (cosmic waltz) की तरह एक-दूसरे की परिक्रमा करते हैं। जैसे-जैसे वे करीब आते हैं, वे अंतरिक्ष और समय के ताने-बाने में लहरें पैदा करते हैं, जिससे गुरुत्वाकर्षण तरंगें (gravitational waves) निकलती हैं। ये तरंगें अविश्वसनीय रूप से सूक्ष्म होती हैं, जो गुजरते समय ब्रह्मांड को खींचती और सिकोड़ती हैं, लेकिन वे इस बात का गुप्त इतिहास समेटे होती हैं कि इन विशाल वस्तुओं का निर्माण और विलय कैसे होता है। वर्षों से, खगोलशास्त्री पूरे ब्रह्मांड में इन अरबों जोड़ियों के विलय से उत्पन्न होने वाली सामूहिक गूँज को सुनने की कोशिश कर रहे हैं, जिसे स्टोकेस्टिक ग्रेविटेशनल वेव बैकग्राउंड (stochastic gravitational wave background) के रूप में जाना जाता है। हालाँकि, सबसे रोमांचक संभावना यह है कि कुछ निकटतम और सबसे भारी जोड़ियाँ इतनी तेज़ हो सकती हैं कि उन्हें उस ब्रह्मांडीय गूँज के ऊपर उठने वाली विशिष्ट आवाजों के रूप में सुना जा सके।
शोधकर्ता जुहान रायडल, जुआन उरुटिया, विले वास्कोनेन और हार्डी वेर्मे द्वारा किए गए एक नए अध्ययन में एक विशिष्ट प्रश्न पूछा गया है: क्या वे अतिविशाल ब्लैक होल जोड़ियाँ जिन्हें हमने पहले ही दूरबीनों से देखा है, वास्तव में इस ब्रह्मांडीय गायक मंडली की सबसे तेज़ आवाजें हैं? टीम ने ब्लैक होल की आबादी के एक मॉडल का उपयोग किया, जिसे नार्थ अमेरिकन नैनोहर्ट्ज़ ऑब्जर्वेटरी फॉर ग्रेविटेशनल वेव्स (NANOGrav) के डेटा के विरुद्ध कैलिब्रेट किया गया था, ताकि यह अनुमान लगाया जा सके कि इनमें से कितनी जोड़ियाँ इतनी तेज़ होनी चाहिए कि वे अलग से पहचानी जा सकें। उन्होंने पाया कि उत्तर इस बात पर बहुत अधिक निर्भर करता है कि ये जोड़ियाँ विलय के लिए पर्याप्त करीब कैसे पहुँचती हैं। यदि जोड़ियों को केवल गुरुत्वाकर्षण तरंगों के उत्सर्जन द्वारा करीब लाया जाता है, तो वे अपेक्षाकृत शांत होती हैं। लेकिन यदि उन्हें आसपास के सितारों और गैस के साथ अंतःक्रियाओं द्वारा धकेला जाता है, तो वे विस्तृत दूरियों पर कम समय बिताती हैं और निकट सीमा पर अधिक समय बिताती हैं, जिससे वे उन आवृत्तियों पर काफी अधिक तेज़ और अधिक संख्या में होती हैं जिन्हें हम पहचान सकते हैं।
शोधकर्ताओं ने इस मॉडल को सात ज्ञात उम्मीदवारों की सूची पर लागू किया—वे आकाशगंगाएँ जहाँ दूरबीनों ने घूमते हुए ब्लैक होल के संकेत देखे हैं, जैसे कि प्रकाश या रेडियो संकेतों में आवधिक परिवर्तन। इन विशिष्ट उम्मीदवारों की अपेक्षित तीव्रता की तुलना अनुमानित बैकग्राउंड शोर से करते हुए, उन्होंने पाया कि दो उम्मीदवार, 3C 66B और Mrk 501, संभावित रूप से दुर्लभ अपवाद (outliers) हैं। ये दो प्रणालियाँ वितरण के उच्च-आयाम वाले हिस्से (high-amplitude tail) में स्थित हैं, जिसका अर्थ है कि वे औसत ब्लैक होल जोड़ी की तुलना में बहुत अधिक तेज़ हैं। वास्तव में, डेटा बताता है कि 3C 66B इतनी तेज़ है कि इसकी पूरी संभावना है कि यह अपनी विशिष्ट आवृत्ति के ऊपर एकल सबसे तेज़ स्रोत होगा, जो बैकग्राउंड की गूँज से स्पष्ट रूप से अलग दिखाई देता है। अन्य उम्मीदवार, दिलचस्प होने के बावजूद, बैकग्राउंड आबादी के सामान्य सदस्य प्रतीत होते हैं, जो भीड़ के बीच घुलमिल जाते हैं न कि उसके ऊपर चिल्लाते हैं।
यह अंतर महत्वपूर्ण है क्योंकि यह ब्लैक होल के विलय के तरीकों का परीक्षण करने का एक तरीका प्रदान करता है। अध्ययन से पता चलता है कि यदि ब्रह्मांड ऐसी जोड़ियों से भरा है जिन्हें उनके परिवेश द्वारा 'हार्डन' (hardened) किया गया है, तो हमें व्यक्तिगत रूप से तेज़ स्रोतों के कई अधिक मिलने की उम्मीद करनी चाहिए, बजाय इसके कि वे केवल गुरुत्वाकर्षण तरंगों द्वारा संचालित हों। मॉडल का अनुमान है कि आगामी स्क्वायर किलोमीटर स्केल अरे ऑब्जर्वेटरी (SKAO), जो एक विशाल रेडियो टेलीस्कोप प्रोजेक्ट है, व्यक्तिगत बाइनरी (द्विआधारी प्रणालियों) को पहचानने के लिए पर्याप्त संवेदनशील होगी। जब टीम ने उन कई धुंधले, अनसुलझे जोड़ों द्वारा उत्पन्न 'कन्फ्यूजन नॉइज़' (confusion noise) को ध्यान में रखा जिन्हें अलग नहीं किया जा सकता, तब भी उन्होंने भविष्यवाणी की कि यदि पर्यावरणीय प्रभाव मजबूत हैं, तो SKAO लगभग तीस विशिष्ट स्रोतों का पता लगाएगा, जबकि यदि वे नहीं हैं, तो केवल बारह के बारे में।
वर्तमान उम्मीदवारों में से, 3C 66B सबसे आशाजनक लक्ष्य के रूप में उभरता है। शोधकर्ताओं का अनुमान है कि यह प्रणाली SKAO द्वारा मजबूती से खोजी जाएगी, जिसका सिग्नल इसके द्रव्यमान की अनिश्चितताओं के बावजूद पहचाना जाने योग्य होगा। प्रणाली Mrk 501 भी पहचान की दहलीज के करीब है, जबकि अन्य सीमा से नीचे हैं। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि इन तेज़ व्यक्तिगत स्रोतों को खोजना केवल उनके अस्तित्व की पुष्टि करना नहीं होगा; बल्कि यह उन तंत्रों का सीधा विश्लेषण प्रदान करेगा जो ब्लैक होल को एक साथ लाते हैं। यदि SKAO पुष्टि करता है कि 3C 66B और इसी तरह की प्रणालियाँ वास्तव में सबसे तेज़ अपवाद हैं, तो यह इस विचार का पुरजोर समर्थन करेगा कि पर्यावरणीय अंतःक्रियाएं ब्लैक होल विलय के अंतिम चरणों में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाती हैं, जो हमारे ब्रह्मांड के हिंसक इतिहास की एक स्पष्ट तस्वीर पेश करती हैं।
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