Gravitational Waves from Ringing Dyonic Black Holes and Estimation of Parameters in Einstein-Bumblebee-Maxwell Gravity
यह शोध पत्र WKB और टाइम-डोमेन विधियों का उपयोग करके आइंस्टीन-बम्बी (Einstein-bumblebee)-मैक्सवेल गुरुत्वाकर्षण के भीतर डायोनिक रेissner-nordström-जैसे ब्लैक होल्स के क्वासिनॉर्मल मोड्स (quasinormal modes) की जांच करता है, जो यह प्रदर्शित करता है कि लेजर इंटरफेरोमीटर स्पेस एंटेना (LISA) इन संकेतों का प्रभावी ढंग से पता लगा सकता है और कम रेडशिफ्ट पर सुपरमैसिव ब्लैक होल्स के लिए ब्लैक होल द्रव्यमान और लोरेन्ज़-उल्लंघनकारी मापदंडों को सीमित कर सकता है।
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गुरुत्वाकर्षण वह बल है जो हमारे पैरों को जमीन से जोड़े रखता है और ग्रहों को उनकी कक्षाओं में बनाए रखता है, लेकिन एक सदी से अधिक समय से, यह कैसे काम करता है, इसके हमारे सबसे अच्छे विवरण को एक शांत संकट का सामना करना पड़ा है। हालांकि अल्बर्ट आइंस्टीन के सामान्य सापेक्षता (जनरल रिलेटिविटी) के सिद्धांत ने प्रकाश के मुड़ने से लेकर ब्लैक होल के टकराव तक, हमने जो भी परीक्षण उस पर किए हैं, वे सभी पास कर लिए हैं, फिर भी यह अधूरा है। यह इस बात की व्याख्या नहीं कर सकता कि ब्रह्मांड अपेक्षा से अधिक तेजी से क्यों फैल रहा है, न ही इसे क्वांटम मैकेनिक्स के नियमों के साथ सामंजस्य बिठा सकता है जो सबसे छोटे कणों को नियंत्रित करते हैं। इस अंतर को पाटने के लिए, भौतिकविदों ने कई वैकल्पिक सिद्धांत प्रस्तावित किए हैं, जिनमें से कुछ सुझाव देते हैं कि अंतरिक्ष और समय की समरूपता (सिमेट्री) सूक्ष्म तरीकों से टूट सकती है। यदि यह समरूपता टूटती है, तो गुरुत्वाकर्षण आइंस्टीन द्वारा अनुमानित तरीके से थोड़ा अलग व्यवहार कर सकता है, विशेष रूप से ब्रह्मांड के सबसे चरम वातावरण में।
ऐसा ही एक वातावरण ब्लैक होल है, जो अंतरिक्ष का एक ऐसा क्षेत्र है जहाँ गुरुत्वाकर्षण इतना मजबूत होता है कि कुछ भी, यहाँ तक कि प्रकाश भी, उससे बचकर नहीं निकल सकता। जब दो ब्लैक होल टकराते हैं, तो वे एक एकल, विकृत वस्तु में विलीन हो जाते हैं जो एक प्रहार की गई घंटी की तरह कंपन करके स्थिर हो जाती है। ये कंपन, जिन्हें 'क्वासीनॉर्मल मोड्स' कहा जाता है, ब्लैक होल का शांत होने से पहले अपनी अंतिम आकृति को गूँजने का तरीका है। पिच (स्वर) और वह गति जिससे ध्वनि फीकी पड़ती है, पूरी तरह से ब्लैक होल के गुणों और उसे नियंत्रित करने वाले गुरुत्वाकर्षण के नियमों पर निर्भर करती है। इन ब्रह्मांडीय रिंगों को सुनकर, वैज्ञानिक यह जानना चाहते हैं कि क्या संगीत आइंस्टीन के स्कोर से मेल खाता है या क्या सन्नाटे में कोई नया नोट छिपा हुआ है, जो ब्रह्मांड के गहरे सिद्धांत की ओर संकेत करता है।
हाल ही के एक अध्ययन में, भारत के डिब्रুগढ़ विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं, सिखा गोगोई और उमानंद देव गोस्वामी ने यह पता लगाया कि यदि गुरुत्वाकर्षण के नियम थोड़े अलग होते तो ये रिंग्स कैसी सुनाई देतीं। उन्होंने 'आइंस्टीन-बंबलबी-मैक्सवेल ग्रेविटी' नामक एक विशिष्ट सैद्धांतिक मॉडल पर ध्यान केंद्रित किया। इस मॉडल में, एक क्षेत्र जिसे 'बंबलबी फील्ड' कहा जाता है, स्पेसटाइम के साथ परस्पर क्रिया करता है, जो संभावित रूप से ब्रह्मांड की समरूपता को तोड़ता है। यह परस्पर क्रिया ऐसे ब्लैक होल को जन्म देती है जिनमें विद्युत और चुंबकीय दोनों आवेश (चार्ज) होते हैं, एक ऐसा संयोजन जो उन्हें मानक आइंस्टीनियन भौतिकी द्वारा वर्णित सरल ब्लैक होल से अलग बनाता है। टीम यह जानना चाहती थी कि बंबलबी फील्ड की उपस्थिति और ब्लैक होल के आवेशों से ब्लैक होल के विलय के बाद उत्सर्जित होने वाले गुरुत्वाकर्षण तरंगों की आवृत्ति (फ्रीक्वेंसी) और अवधि में क्या परिवर्तन आता है।
उत्तर खोजने के लिए, शोधकर्ताओं ने पहले इन विशेष ब्लैक होल्स के सैद्धांतिक कंपनों की गणना की। उन्होंने एक परिष्कृत गणितीय तकनीक का उपयोग किया ताकि उन समीकरणों को हल किया जा सके जो यह वर्णन करते हैं कि विक्षोभ (डिस्टर्बेंस) होने पर ब्लैक होल कैसे लहरें पैदा करेगा। उन्होंने दो प्रकार के विक्षोभों को देखा: एक जिसमें 'स्केलर फील्ड' शामिल है, जो एक सरल प्रकार का ऊर्जा क्षेत्र है, और दूसरा जो स्वयं गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र से संबंधित है। उनकी गणनाओं से पता चला कि बंबलबी फील्ड की उपस्थिति—जिसे एक पैरामीटर द्वारा दर्शाया जाता है जो समरूपता टूटने की शक्ति को मापता है—वास्तव में ब्लैक होल के गीत को बदल देती है। जैसे-जैसे समरूपता टूटने की शक्ति बढ़ती है, कंपनों की आवृत्ति थोड़ी कम हो जाती है, और ब्लैक होल को शांत होने में अधिक समय लगता है। इसके विपरीत, ब्लैक होल के विद्युत या चुंबकीय आवेश को बढ़ाने से कंपन थोड़ा तेज हो जाता है और जल्दी फीका पड़ जाता है। ये परिवर्तन सूक्ष्म लेकिन स्पष्ट हैं, जो एक संभावित 'फिंगरप्रिंट' प्रदान करते हैं जो इस सिद्धांत को आइंस्टीन के सामान्य सापेक्षता से अलग कर सकता है।
अपने गणितीय अनुमानों की सटीकता सुनिश्चित करने के लिए, टीम केवल सूत्रों पर निर्भर नहीं रही। उन्होंने ब्लैक होल के आसपास विक्षोभों के वास्तविक 'टाइम इवोल्यूशन' का अनुकरण (सिमुलेशन) किया, और यह देखा कि लहरें समय के साथ कैसे बढ़ती और घटती हैं। फिर उन्होंने अपने सिमुलेशन से प्रमुख कंपन आवृत्तियों को निकाला और उनकी तुलना अपनी पिछली गणनाओं से की। परिणाम उल्लेखनीय सटीकता के साथ मेल खा गए, जिससे पुष्टि हुई कि उनके सैद्धांतिक अनुमान सुदृढ़ हैं। गणना और सिमुलेशन का यह दोहरा दृष्टिकोण शोधकर्ताओं को उच्च विश्वास देता है कि संशोधित गुरुत्वाकर्षण सिद्धांत के कारण ब्लैक होल की रिंग में होने वाले बदलाव वास्तविक हैं।
अगला कदम यह था कि क्या हम वर्तमान या भविष्य की तकनीक के साथ इन अंतरों को वास्तव में सुन सकते हैं। शोधकर्ताओं ने अपना ध्यान 'लेजर इंटरफेरोमीटर स्पेस एंटीना' (LISA) की ओर लगाया, जो कम आवृत्ति वाली गुरुत्वाकर्षण तरंगों का पता लगाने के लिए डिज़ाइन किया गया एक नियोजित अंतरिक्ष-आधारित वेधशाला है। उन्होंने एक सुपरमैसिव ब्लैक होल से प्राप्त होने वाले सिग्नल का मॉडल तैयार किया, जिसमें हमारे सूर्य से लाखों या अरबों गुना अधिक द्रव्यमान हो सकता है, जो ब्रह्मांड में विभिन्न दूरियों पर स्थित है। उन्होंने पाया कि एक मिलियन से एक सौ मिलियन सौर द्रव्यमान वाले ब्लैक होल्स के लिए, और अपेक्षाकृत निकट ब्रह्मांडीय दूरियों पर स्थित होने पर, सिग्नल इतना मजबूत होगा कि LISA इसे स्पष्ट रूप से पहचान सके। 'सिग्नल-टू-नॉइज़ रेशियो'—जो ब्रह्मांड के बैकग्राउंड शोर की तुलना में सिग्नल की तीव्रता का एक माप है—इन विशाल पिंडों के लिए कम रेडशिफ्ट (निकटतम ब्रह्मांडीय समय) पर सबसे अधिक था।
अंत में, टीम ने जांच की कि क्या LISA इन पहचाने गए सिग्नलों का उपयोग ब्लैक होल के गुणों और गुरुत्वाकर्षण के अंतर्निहित सिद्धांत को मापने के लिए कर सकता है। डेटा का विश्लेषण करने के लिए एक सांख्यिकीय पद्धति का उपयोग करते हुए, उन्होंने निर्धारित किया कि वेधशाला कितनी सटीकता से ब्लैक होल के द्रव्यमान और समरूपता-तोड़ने वाले पैरामीटर की माप कर सकती है। उनके विश्लेषण से पता चला कि कम से कम एक मिलियन सूर्यों के द्रव्यमान वाले और तीन बिलियन पारसेक की दूरी पर स्थित एक सुपरमैसिव ब्लैक होल के लिए, LISA ब्लैक होल के द्रव्यमान को बहुत उच्च सटीकता के साथ माप सकता है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि यह समरूपता-तोड़ने वाले पैरामीटर पर भी कड़े प्रतिबंध लगा सकता है। इसका अर्थ यह है कि यदि ऐसे ब्लैक होल का अवलोकन किया जाता है, तो LISA हमें यह बताने में सक्षम होगा कि क्या गुरुत्वाकर्षण के नियम बिल्कुल वैसे ही हैं जैसा आइंस्टीन ने वर्णित किया था, या वे इस अध्ययन में प्रस्तावित संशोधित नियमों का पालन करते हैं।
गोगोई और गोस्वामी का कार्य यह प्रदर्शित करता है कि गुरुत्वाकर्षण तरंग खगोल विज्ञान का भविष्य केवल इन ब्रह्मांडीय घटनाओं का पता लगाने में नहीं, बल्कि उनकी ध्वनि के सूक्ष्म विवरणों को सुनने में निहित है। यह भविष्यवाणी करके कि संशोधित गुरुत्वाकर्षण सिद्धांत ब्लैक होल के 'रिंगडाउन' को कैसे बदल देंगे, उन्होंने भविष्य के अवलोकनों के लिए एक स्पष्ट लक्ष्य प्रदान किया है। यदि LISA ऑनलाइन आता है और एक सुपरमैसिव ब्लैक होल विलय का पता लगाता है, तो उसके द्वारा एकत्र किया गया डेटा या तो आइंस्टीन के सदी पुराने सिद्धांत की और भी अधिक सटीकता के साथ पुष्टि कर सकता है या इसके आधार में पहली दरारें प्रकट कर सकता है, जो हमें ब्रह्मांड की एक नई समझ की ओर ले जाएगा। ब्रह्मांड अभी भी गा रहा है, और हम अंततः उन नोट्स को सुनने के तरीके सीख रहे हैं जो सब कुछ बदलने वाले हो सकते हैं।
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