Toward a complete understanding of the properties of GW190521
यह शोध पत्र विविध तरंग-रूप मॉडलों (waveform models) का उपयोग करते हुए गुरुत्वाकर्षण तरंग घटना GW190521 का एक व्यापक पुनर्मूल्यांकन प्रस्तुत करता है, जो यह प्रकट करता है कि स्रोत अत्यधिक उत्केंद्रित (eccentric) था और पूर्व में अनुमानित स्पिन प्र been (spin precession) मुख्य रूप से उत्केंद्रता-स्पिन विसंगतियों (eccentricity-spin degeneracies) का एक कृत्रिम परिणाम था, जबकि इस बात की उच्च संभावना की पुष्टि करता है कि प्राथमिक ब्लैक होल 'पेयर-इन्स्टेबिलिटी सुपरनोवा मास गैप' के भीतर स्थित है।
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अंतरिक्ष की शांत गहराइयों में, दो विशाल वस्तुएं एक-दूसरे की ओर सर्पिल आकार में बढ़ती हैं, और टकराने के लिए अपनी कक्षा को सिकोड़ लेती हैं। जब ये वस्तुएं ब्लैक होल (कृष्ण विवर) होती हैं, तो उनका टकराव अंतरिक्ष-समय के ताने-बाने में लहरें भेजता है, जिन्हें गुरुत्वाकर्षण तरंगें कहा जाता है। पृथ्वी पर स्थित डिटेक्टर, जो एक एकल परमाणु से भी छोटे बदलावों को मापने के लिए पर्याप्त संवेदनशील हैं, इन लहरों को सुनने का प्रयास करते हैं। मई 2019 में पता चला एक ऐसा ही उदाहरण, जो पहले देखे गए किसी भी अन्य उदाहरण से भिन्न था। यह दो ऐसे ब्लैक होल्स से आया था जो इतने भारी थे कि उनका संयुक्त द्रव्यमान हमारे सूर्य के द्रव्यमान से लगभग 150 गुना अधिक था, जिससे एक एकल, और भी अधिक विशाल ब्लैक होल का निर्माण हुआ। यह घटना इतनी विशाल थी कि इसके द्वारा पृथ्वी पर भेजा गया संकेत अविश्वसनीय रूप से संक्षिप्त था, जो केवल एक सेकंड के अंश तक ही सीमित रहा, और डिटेक्टरों ने संकेत के फीके पड़ने से पहले केवल कुछ ही तरंगों को पकड़ा। चूंकि संकेत बहुत छोटा था, इसलिए वैज्ञानिक एक कठिन पहेली का सामना कर रहे थे: इस संक्षिप्त डेटा में उन ब्लैक होल्स की गतिविधियों के लिए कई अलग-अलग संभावित स्पष्टीकरण मौजूद थे, और डेटा की व्याख्या करने के लिए उपयोग किए जाने वाले मानक उपकरण उनके बीच अंतर करने में संघर्ष कर रहे थे।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस रहस्यमय घटना को सुलझाने के लिए एक नए सेट के उपकरणों का उपयोग करते हुए, एक विशिष्ट, अक्सर अनदेखी की जाने वाली विशेषता: कक्षीय उत्केंद्रता (ऑर्बिटल एक्सेंट्रिसिटी) की तलाश करने के लिए इस पर वापस लौटा है। एक पूर्णतः सुचारू कक्षा में, दो वस्तुएं एक वृत्त में एक-दूसरे के चारों ओर घूमती हैं। हालांकि, यदि कक्षा एक अंडाकार आकार में खिंच जाती है, तो इसे उत्केंद्र (एसेंट्रिक) कहा जाता है। दशकों तक, वैज्ञानिकों ने माना कि अंतरिक्ष की शांत एकांतता में विलीन होने वाले ब्लैक होल गोलाकार कक्षाओं में होते हैं। लेकिन यदि ब्लैक होल घने तारा समूहों में बनते हैं जहाँ वे एक-दूसरे से टकराते हैं, तो उन्हें टकराने से पहले अंडाकार पथों में धकेला जा सकता है। शोधकर्ताओं ने अंडाकार कक्षाओं के अनुकूल होने वाले वेवफॉर्म मॉडल का उपयोग करके 2019 की घटना के डेटा का पुन: विश्लेषण किया, साथ ही ब्लैक होल्स के स्पिन (घूर्णन) के कारण होने वाली डगमगाती गति (वॉबलिंग) को भी शामिल किया। उन्होंने पाया कि डेटा दृढ़ता से इस विचार का समर्थन करता है कि ब्लैक होल वास्तव में एक अत्यधिक उत्केंद्र, अंडाकार कक्षा में चल रहे थे। विश्लेषण बताता है कि जिस क्षण संकेत शुरू हुआ, कक्षा 0.81 की डिग्री तक खिंची हुई थी, जो एक वृत्त के बजाय एक बहुत ही स्पष्ट अंडाकार आकार को दर्शाता है।
अध्ययन प्रकट करता है कि इस घटना के बारे में पिछली भ्रम की स्थिति इसलिए उत्पन्न हुई क्योंकि वैज्ञानिकों द्वारा उपयोग किए जाने वाले मानक मॉडल को इन अत्यधिक अंडाकार संभावनाओं को देखने की अनुमति नहीं थी। जब शोधकर्ताओं ने अपनी खोज को केवल निम्न स्तर की उत्केंद्रता तक सीमित कर दिया, तो मॉडल कक्षा के वास्तविक आकार को खोजने में विफल रहे, जिससे डेटा सपाट और सूचनाहीन दिखाई देने लगा। हालांकि, एक बार जब उन्होंने मॉडलों को संभावित अंडाकार आकारों की पूरी सीमा को खोजने की अनुमति दी, तो डेटा स्पष्ट रूप से एक अत्यधिक उत्केंद्र प्रणाली की ओर इशारा करने लगा। इस खोज ने एक दूसरे रहस्य को भी सुलझा दिया: पिछले अध्ययनों ने सुझाव दिया था कि ब्लैक होल अंदर की ओर आते समय बेतहाशा डगमगा (वॉबल) रहे थे। नया विश्लेषण बताता है कि यह आभासी डगमगाहट वास्तव में एक भ्रम था। मॉडल कक्षा के अंडाकार आकार को समझाने के लिए एक डगमगाहट (वॉबल) का आविष्कार करने की कोशिश कर रहे थे। जब गणना में अंडाकार आकार को शामिल किया गया, तो डगमगाहट की आवश्यकता समाप्त हो गई, और डेटा ने स्पिन-प्रेरित प्रीसेशन (घूर्णन-प्रेरित डगमगाहट) का कोई महत्वपूर्ण प्रमाण नहीं दिखाया।
शोधकर्ताओं ने दोनों ब्लैक होल्स के द्रव्यमानों का भी परीक्षण किया। उनका विश्लेषण पुष्टि करता है कि बड़ा ब्लैक होल लगभग निश्चित रूप से एक सैद्धांतिक "मास गैप" (द्रव्यमान अंतराल) के भीतर आता है, जो वजन की वह सीमा है जहाँ माना जाता है कि तारे स्वाभाविक रूप से ब्लैक होल बनाने में असमर्थ होते हैं। इस बात की संभावना कि प्राथमिक ब्लैक होल इस अंतराल में आता है, कम से कम 97 प्रतिशत है। दूसरे ब्लैक होल की स्थिति कम अनिश्चित है और यह इस बात पर निर्भर करती है कि किस विशिष्ट मॉडल का उपयोग किया गया है, लेकिन सबसे मजबूत मॉडल बताते हैं कि वह भी संभवतः इसी असामान्य द्रव्यमान सीमा में है। यह सुनिश्चित करने के लिए कि उनके निष्कर्ष केवल गणित का परिणाम नहीं हैं, टीम ने परीक्षणों की एक श्रृंखला आयोजित की। उन्होंने वास्तविक घटना की नकल करने वाले नकली संकेतों बनाए, जिन्हें उन्होंने विश्लेषण सॉफ्टवेयर में इंजेक्ट किया ताकि देख सकें कि क्या मॉडल सही ढंग से स्रोत की पहचान कर सकते हैं। जब उन्होंने सॉफ्टवेयर को अत्यधिक अंडाकार कक्षा वाले लेकिन बिना डगमगाहट (वॉबल) वाले नकली संकेत दिए, तो मानक मॉडलों ने, जिन्होंने अंडाकार आकार की अनदेखी की थी, डेटा को समझाने के लिए गलत तरीके से एक डगमगाहट का आविष्कार कर दिया। इसके विपरीत, जब उन्होंने सॉफ्टवेयर को वास्तविक डगमगाहट वाले लेकिन गोलाकार कक्षा वाले संकेत दिए, तो मॉडलों ने डगमगाहट को सही ढंग से पहचाना और अंडाकार आकार का आविष्कार नहीं किया। इसने पुष्टि की कि मॉडल सही ढंग से काम कर रहे थे और वास्तविक घटना वास्तव में अत्यधिक उत्केंद्र थी।
अंत में, टीम ने अपने सबसे उन्नत मॉडल का परीक्षण अत्यधिक उत्केंद्र ब्लैक होल्स के वास्तविक कंप्यूटर सिमुलेशन के विरुद्ध किया। उन्होंने पाया कि मॉडल सिमुलेशन से तरंगों के आकार को सफलतापूर्वक पुनरुत्पादित कर सकता है, भले ही सिमुलेशन उन चरम स्थितियों से अधिक थे जिनका मॉडल पहले कभी परीक्षण नहीं किया गया था। यह उन्हें विश्वास दिलाता है कि उनके वास्तविक घटना के व्याख्या का आधार ठोस है। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि 2019 की घटना अत्यधिक खिंची हुई, अंडाकार कक्षा में दो ब्लैक होल्स का टकराव थी, जो संभवतः एक घने तारकीय वातावरण में बनी थी। यह खोज इन विशाल वस्तुओं के व्यवहार के बारे में हमारी समझ को बदल देती है और यह स्पष्ट करती है कि इस घटना का वर्णन करने के पिछले प्रयास विरोधाभासी परिणामों की ओर क्यों ले गए। डेटा को एक गोलाकार आकार में मजबूर किए बिना उसे स्वयं बोलने की अनुमति देकर, शोधकर्ताओं ने गुरुत्वाकर्षण-तरंग खगोल विज्ञान के इतिहास में अब तक की सबसे विशाल और ऊर्जावान घटनाओं में से एक की एक स्पष्ट तस्वीर उजागर की है।
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