Null test of general relativity based on gravitational waves
यह शोध पत्र एक शून्य परीक्षण योजना (null test scheme) प्रस्तावित करता है जो सामान्य सापेक्षता (General Relativity) के सही होने की संभावना की गणना करने के लिए गुरुत्वाकर्षण तरंग विचलन मापदंडों को द्रव्यमान-द्रव्यमान संबंधों में परिवर्तित करता है, जिसमें यह पाया गया कि हालांकि पांच प्रारंभिक बाइनरी ब्लैक होल घटनाओं में सिग्नल की शक्ति से प्रेरित नहीं होने वाले अनिर्णायक विचलन दिखाई देते हैं, फिर भी यह विधि भविष्य के डेटा के लिए व्यापक रूप से लागू करने योग्य है।
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एक सदी से अधिक समय से, अल्बर्ट आइंस्टीन का सामान्य सापेक्षता (जनरल रिलेटिविटी) का सिद्धांत इस बात का निर्णायक विवरण रहा है कि गुरुत्वाकर्षण कैसे कार्य करता है। यह बताता है कि कैसे तारे और ग्रह जैसे विशाल पिंड अंतरिक्ष और समय के ताने-बाने को मोड़ते हैं, जिससे गिरते हुए सेबों से लेकर परिक्रमा करते ग्रहों तक, हर चीज़ की गति निर्धारित होती है। हालाँकि इस सिद्धांत ने प्रकाश के तारों के मुड़ने से लेकर परमाणु घड़ियों के सटीक समय तक, हर परीक्षण को सफलतापूर्वक पास किया है, फिर भी कई भौतिकविदों को संदेह है कि यह अंतिम शब्द नहीं है। उनका मानना है कि सबसे चरम पैमानों या उच्चतम ऊर्जाओं पर, नियम बदल सकते हैं। इन सीमाओं को खोजने के लिए, वैज्ञानिकों ने एक नए संदेशवाहक की ओर रुख किया है: गुरुत्वाकर्षण तरंगें। ये स्वयं स्पेस-टाइम (अंतरिक्ष-समय) में उठने वाली लहरें हैं, जो तब उत्पन्न होती हैं जब ब्लैक होल जैसी विशाल वस्तुएं आपस में टकराती हैं और विलीन हो जाती हैं। चूंकि ये घटनाएं ब्रह्मांड के सबसे हिंसक वातावरण में होती हैं, इसलिए वे एक अनूठा प्रयोगशाला प्रदान करती हैं जिससे यह देखा जा सके कि क्या आइंस्टीन के समीकरण कायम रहते हैं या दबाव में टूटने लगते हैं।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इन ब्रह्मांडीय टकरावों को देखने के लिए एक नए दृष्टिकोण का प्रयोग किया है ताकि यह देखा जा सके कि क्या डेटा वास्तव में आइंस्टीन का समर्थन करता है। उन्होंने ब्लैक होल के विलय की पांच विशिष्ट घटनाओं पर ध्यान केंद्रित किया, जिन्हें लाइगो (LIGO), विर्गो (Virgo) और काग्रा (KAGRA) के रूप में ज्ञात गुरुत्वाकर्षण तरंग वेधशालाओं के नेटवर्क द्वारा पता लगाया गया था। केवल यह जांचने के बजाय कि क्या तरंगें आइंस्टीन की भविष्यवाणियों से मेल खाती हैं, टीम ने एक ऐसी विधि विकसित की जिससे यह देखा जा सके कि क्या संकेत के विभिन्न भाग टकराने वाले ब्लैक होल के द्रव्यमान (masses) के बारे में एक सुसंगत कहानी बताते हैं। सामान्य सापेक्षता में, ब्लैक होल के आपस में कुंडलित (spiral) होते समय तरंगें किस तरह बदलती हैं, यह गणितीय रूप से उनके द्रव्यमान से बंधा होता है। यदि सिद्धांत सही है, तो संकेत का प्रत्येक हिस्सा बिल्कुल उसी द्रव्यमान के जोड़े की ओर संकेत करना चाहिए। यदि सिद्धांत गलत है, या यदि डेटा में छिपी हुई त्रुटियां हैं, तो संकेत के विभिन्न भाग अलग-अलग द्रव्यमानों की ओर इशारा कर सकते हैं, जिससे एक विरोधाभास पैदा हो सकता है।
शोधकर्ताओं ने इन पांच ब्लैक होल विलयों के डेटा को लिया और संकेत को इसके विभिन्न घटकों में विभाजित किया। उन्होंने प्रत्येक घटक को ब्लैक होल के द्रव्यमान के लिए एक अलग सुराग के रूप में माना। यदि आइंस्टीन का सिद्धांत पूरी तरह से सही है, तो ये सभी सुराग एक ही स्पष्ट उत्तर पर आकर मिल जाने चाहिए। हालाँकि, जब उन्होंने परिणामों का मानचित्रण किया, तो उन्होंने पाया कि कुछ घटनाओं के लिए, सुराग पूरी तरह से मेल नहीं खा रहे थे। दो घटनाओं के लिए, डेटा ने आइंस्टीन की भविष्यवाणियों के साथ महत्वपूर्ण तनाव (tension) दिखाया, जिससे पता चला कि संकेत के विभिन्न भाग थोड़े अलग द्रव्यमान मानों की ओर इशारा कर रहे थे। अन्य तीन घटनाओं के लिए, डेटा सिद्धांत के साथ बहुत अधिक सुसंगत था। शोधकर्ताओं ने इन बेमेलताओं की संभावना की गणना की, जिसमें पाया गया कि उन दो विवादास्पद घटनाओं के लिए, 90 प्रतिशत से अधिक विश्वसनीय स्तर (credible level) था कि डेटा में सामान्य सापेक्षता के साथ तनाव था (तुलना के लिए, 10 प्रतिशत से कम की निरंतरता स्तर)।
इन दिलचस्प विसंगतियों के बावजूद, लेखक यह घोषित करने में सावधानी बरतते हैं कि आइंस्टीन का सिद्धांत टूट गया है। वे इस बात पर जोर देते हैं कि ये तनाव अभी भी नए भौतिक विज्ञान (new physics) का निर्णायक प्रमाण नहीं हैं। बेमेलताएं ब्लैक होल टकरावों का वर्णन करने के लिए उपयोग किए जाने वाले गणितीय मॉडलों की सूक्ष्म खामियों, या स्वयं डिटेक्टरों में शोर और अंशांकन (calibration) संबंधी समस्याओं के कारण हो सकती हैं। अध्ययन से यह भी पता चला कि संकेत की शक्ति ने बेमेलता के आकार को निर्धारित नहीं किया; यहाँ तक कि सबसे तेज, स्पष्ट संकेतों ने भी कुछ तनाव दिखाया, जबकि कुछ शांत संकेतों ने सिद्धांत को अच्छी तरह से फिट किया। यह सुझाव देता है कि मुद्दा केवल सिग्नल की गुणवत्ता का मामला नहीं है, बल्कि यह विलय की जटिल भौतिकी या व्याख्या के लिए उपयोग किए जाने वाले मॉडलों से उत्पन्न हो सकता है।
यह कार्य हमारे गुरुत्वाकर्षण की समझ की जांच का एक नया प्रकार है। जटिल डेटा को द्रव्यमान अनुमानों की तुलना में बदलकर, टीम ने एक "नुल टेस्ट" (null test) बनाया जो एक सरल प्रश्न पूछता है: क्या संकेत के सभी भाग स्रोत की प्रकृति पर सहमत हैं? जबकि परिणाम कुछ विचलन के संकेत दिखाते हैं, लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि वर्तमान अवलोकन में नए भौतिक विज्ञान के संकेत हो सकते हैं, लेकिन इसकी उतनी ही संभावना है कि ये हमारे मॉडलों या उपकरणों में व्यवस्थित त्रुटियों (systematic errors) का परिणाम हों। यह अध्ययन एक शक्तिशाली नैदानिक उपकरण (diagnostic tool) के रूप में कार्य करता है, जो वैज्ञानिकों को यह दावा करने से पहले कि गुरुत्वाकर्षण के नियमों को आखिरकार फिर से लिखा गया है, अपने मॉडलों को परिष्कृत करने और अधिक घटनाओं का अधिक सटीकता के साथ विश्लेषण करने का आग्रह करता है।
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