Compact Dark Matter with Globular Cluster Pulsars

डार्क मैटर वह अदृश्य पदार्थ है जो ब्रह्मांड के अधिकांश द्रव्यमान का निर्माण करता है, फिर भी हमने कभी इसके एक भी कण को नहीं देखा है। हालांकि हम जानते हैं कि यह अस्तित्व में है क्योंकि इसका गुरुत्वाकर्षण आकाशगंगाओं को एक साथ थामे रखता है, लेकिन इसकी वास्तविक प्रकृति भौतिकी के सबसे बड़े रहस्यों में से एक बनी हुई है। एक प्रमुख विचार यह सुझाव देता है कि इस डार्क मैटर का कुछ हिस्सा छोटे, भूतिया कणों से नहीं बना हो सकता है, बल्कि भारी, सघन वस्तुओं जैसे कि प्राइमोर्डियल ब्लैक होल्स या बिग बैंग के तुरंत बाद बने पदार्थ के घने गुच्छों से बना हो सकता है। यदि ये वस्तुएं मौजूद हैं, तो वे अंतरिक्ष में तैरती रहेंगी, जो दूरबीनों के लिए अदृश्य होंगी, लेकिन उनका गुरुत्वाकर्षण उनके पास से गुजरने वाली किसी भी चीज़ को प्रभावित करेगा। उन्हें खोजने के लिए, वैज्ञानिकों को उन्हें सीधे देखे बिना उनके गुरुत्वाकर्षण खिंचाव का पता लगाने के तरीके की आवश्यकता है, जिससे अंतरिक्ष और समय के ताने-बाने में उनके द्वारा उत्पन्न सूक्ष्म लहरों को खोजा जा सके।

शोधकर्ताओं के एक दल ने ब्रह्मांड की सबसे सटीक घड़ियों: पल्सरों का उपयोग करके इन मायावी वस्तुओं की खोज करने के लिए एक नई विधि प्रस्तावित की है। ये मृत सितारों के ढह चुके कोर हैं जो प्रकाश स्तंभ (लाइटहाउस) की नियमितता के साथ रेडियो तरंगों को पृथ्वी की ओर प्रसारित करते हुए तेजी से घूमते हैं। चूंकि वे इतने स्थिर हैं, इसलिए उनके संकेत में होने वाली मामूली सी भी गड़बड़ी एक गुजरने वाली वस्तु की उपस्थिति को प्रकट कर सकती है। जब एक सघन डार्क मैटर वस्तु पृथ्वी और एक पल्सर के बीच दृष्टि रेखा (लाइन ऑफ साइट) के करीब आती है, तो उसका गुरुत्वाकर्षण रेडियो तरंगों को थोड़ा धीमा कर देता है, जिससे पल्स उम्मीद से थोड़ा देरी से पहुँचते हैं। यह विलंब, जिसे शैपिरो प्रभाव (Shapiro effect) कहा जाता है, एक हस्ताक्षर के रूप में कार्य करता है कि एक विशाल वस्तु ने मार्ग पार किया है। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि हमारी आकाशगंगा के भीतर एक घने तारा समूह में स्थित पल्सरों के एक विशिष्ट समूह की निगरानी करके, वे ऐसी घटना को पकड़ने की अपनी संभावनाओं में नाटकीय रूप से सुधार कर सकते हैं।

यह अध्ययन टेरज़ान 5 (Terzan 5) नामक एक ग्लोबुलर क्लस्टर पर केंद्रित है, जो हमारे गैलेक्टिक केंद्र की दिशा में लगभग 6,600 प्रकाश वर्ष दूर स्थित तारों का एक सघन गोला है। यह क्लस्टर अद्वितीय है क्योंकि इसमें अंतरिक्ष के एक बहुत ही छोटे क्षेत्र में असामान्य रूप से बड़ी संख्या में पल्सर समाए हुए हैं—अब तक 49 की पहचान की जा चुकी है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि आंतरिक आकाशगंगा की ओर देखना, उन पल्सरों की तुलना में जो अन्य अध्ययनों के लिए उपयोग किए जाते हैं और पृथ्वी के करीब हैं, डार्क मैटर के बहुत अधिक घने स्तंभ के माध्यम से देखने के समान है। एक ही टेलीस्कोप बीम के साथ टेरज़ान 5 के सभी 49 पल्सरों को एक साथ देखते हुए, खगोलशास्त्री प्रभावी रूप से एक साथ डार्क मैटर के घने बादल के दर्जनों अलग-अलग मार्गों की निगरानी कर सकते हैं। यह दृष्टिकोण इस क्लस्टर को एक अत्यधिक कुशल डिटेक्टर में बदल देता है, जहाँ दृष्टि रेखाओं (साइटलाइन्स) की विशाल संख्या एक अंधेरे पिंड के गुजरने की संभावना को बढ़ा देती है।

हालाँकि, यह खोज दो महत्वपूर्ण बाधाओं का सामना करती है। पहला, टेरज़ान 5 के पल्सर धुंधले हैं, और वर्तमान टेलीस्कोप ऐसे शोर वाले डेटा का उत्पादन करते हैं जिससे डार्क मैटर सिग्नल को यादृच्छिक त्रुटियों से अलग करना कठिन हो जाता है। दूसरा, पूरी आकाशगंगा वर्तमान में गुरुत्वाकर्षण तरंगों की एक हल्की, कम-आवृत्ति वाली गूँज से हिल रही है, जो क्लस्टर के लगभग सभी पल्सरों को समान रूप से प्रभावित करने वाला एक बैकग्राउंड शोर है। यह बैकग्राउंड आसानी से एक गुजरते हुए डार्क ऑब्जेक्ट के सिग्नल को छिपा सकता है। शोधकर्ताओं ने दूसरी समस्या के लिए एक चतुर समाधान खोजा है: चूंकि गुरुत्वाकर्षण तरंग का बैकग्राउंड क्लस्टर के हर पल्सर को एक ही तरह से प्रभावित करता है, जबकि एक गुजरता हुआ डार्क ऑब्जेक्ट केवल एक एकल दृष्टि रेखा के पल्स को विलंबित करेगा, इसलिए वैज्ञानिक सामान्य बैकग्राउंड शोर को गणितीय रूप से घटा सकते हैं। यह उन्हें एक गुजरते हुए पिंड के अद्वितीय सिग्नल को अलग करने की अनुमति देता है, जिससे वह संवेदनशीलता वापस मिल जाती है जो अन्यथा खो जाती।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि उनके परिणाम साधारण पदार्थ के कारण भ्रमित न हों, टीम ने क्लस्टर के भीतर और पृथ्वी तक के मार्ग में मौजूद तारों और तारकीय अवशेषों (जैसे सफेद बौने और न्यूट्रॉन तारे) द्वारा उत्पन्न "शोर" की भी गणना की। ये सामान्य तारे डार्क ऑब्जेक्ट के समान ही गुरुत्वाकर्षण विलंब पैदा करते हैं। शोधकर्ताओं ने निर्धारित किया कि हालांकि डार्क मैटर उम्मीदवारों की तुलना में तारों की संख्या बहुत अधिक है, लेकिन तारे पल्सर के सापेक्ष डार्क मैटर की तुलना में बहुत धीमी गति से चलते हैं। इस धीमी गति का अर्थ है कि वे दृष्टि रेखा को डार्क मैटर की तुलना में बहुत कम बार पार करते हैं, जिससे वे एक भारी बाधा के बजाय एक प्रबंधनीय बैकग्राउंड बन जाते हैं। उनकी गणना दर्शाती है कि अध्ययन द्वारा लक्षित द्रव्यमान सीमा के लिए, डार्क मैटर से प्राप्त सिग्नल अभी भी तारकीय अग्रभूमि (स्टेलर फोरग्राउंड) के ऊपर स्पष्ट रूप से दिखाई देगा।

भविष्य की ओर देखते हुए, अध्ययन अनुमान लगाता है कि अगली पीढ़ी के रेडियो टेलीस्कोप, विशेष रूप से स्क्वायर किलोमीटरर एरे (Square Kilometre Array) से क्या हासिल किया जा सकता है। यदि खगोलशास्त्री टेरज़ान 5 का चालीस वर्षों तक अवलोकन करते हैं, जिसमें सप्ताह में एक बार चार घंटे के लिए जाया जाता है, तो वे उन सघन डार्क मैटर पिंडों का पता लगा सकते हैं जो ब्रह्मांड के कुल डार्क मैटर का केवल 6% हिस्सा बनाते हैं, बशर्ते उन पिंडों का द्रव्यमान हमारे सूर्य के द्रव्यमान का लगभग 0.02 गुना हो। वर्तमान तकनीक के साथ, यह खोज इन पिंडों को खारिज करने के लिए पर्याप्त संवेदनशील नहीं है, लेकिन टेलीस्कोप संवेदनशीलता के नियोजित अपग्रेड शोर को इतना कम कर देंगे कि यह पहचान संभव हो सके। यह कार्य बताता है कि हमारी आकाशगंगा के भीड़भाड़ वाले, अंधेरे हृदय पर ध्यान केंद्रित करके और कई पल्सरों की सामूहिक शक्ति का उपयोग करके, हम अंततः अपने ब्रह्मांड के अदृश्य घटकों का वजन करने में सक्षम हो सकते हैं।