All Dark Matter as Primordial Black Holes: a Gravitational-Wave Test
यह शोध पत्र इस परिकल्पना के लिए एक नवीन परीक्षण प्रस्तावित करता है कि डार्क मैटर पूरी तरह से क्षुद्रग्रह-द्रव्यमान वाले आद्य ब्लैक होल्स (primordial black holes) से बना है, जो उनके तेजी से घूमते हुए सुपरमैसिव ब्लैक होल्स पर विलीनीकरण से उत्पन्न होने वाले एक पता लगाने योग्य स्टोकेस्टिक गुरुत्वाकर्षण-तरंग पृष्ठभूमि (stochastic gravitational-wave background) की भविष्यवाणी करता है, जिसे LISA और DECIGO जैसे भविष्य के अंतरिक्ष-आधारित वेधशालाएं देख सकती हैं।
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द दशकों से, खगोलविदों को पता है कि हमारे ब्रह्मांड में दृश्य तारे और गैस केवल एक बहुत छोटे अंश का निर्माण करते हैं। शेष भाग एक अदृश्य पदार्थ है जिसे डार्क मैटर (dark matter) कहा जाता है, जो अपने गुरुत्वाकर्षण के माध्यम से आकाशगंगाओं को एक साथ थामे रखता है लेकिन प्रकाश या किसी अन्य प्रत्यक्ष संकेत के माध्यम से स्वयं को प्रकट करने से इनकार करता है। जबकि कई सिद्धांत प्रस्तावित करते हैं कि यह लुप्त द्रव्यमान विलक्षण, अज्ञात कणों से बना है, एक सरल और पुराना विचार सुझाव देता है कि यह ब्लैक होल्स (black holes) से बना हो सकता है। ये मृत सितारों के अवशेष नहीं होंगे, बल्कि आदिम ब्लैक होल्स (primordial black holes) होंगे, जो बिग बैंग के ठीक बाद के अराजक क्षणों में जन्मे थे। यदि ये प्राचीन ब्लैक होल्स बड़ी संख्या में मौजूद हैं, तो वे समस्त डार्क मैटर की व्याख्या कर सकते हैं, विशेष रूप से वे जिनका द्रव्यमान हमारे सूर्य के द्रव्यमान के एक दस-क्वाड्रिलियनवें से लेकर एक सौ-ट्रिलियनवें हिस्से के बीच, यानी बड़े क्षुद्रग्रहों (asteroids) के समान है।
यह प्रश्न कि क्या ये क्षुद्रग्रह-आकार के ब्लैक होल्स डार्क मैटर का वास्तविक चेहरा हैं, उत्तर देना कठिन रहा है क्योंकि वे सीधे देखे जाने के लिए बहुत छोटे हैं और उन गुरुत्वाकर्षण लेंसिंग प्रभावों (gravitational lensing effects) को उत्पन्न करने के लिए बहुत हल्के हैं जो बड़े ब्लैक होल्स को प्रकट करते हैं। हालांकि, एक नया अध्ययन इस परिकल्पना का परीक्षण करने का एक तरीका प्रस्तावित करता है: ब्रह्मांड को देखने के बजाय उसे सुनने के माध्यम से। शोधकर्ताओं का सुझाव है कि यदि ये आदिम ब्लैक होल्स मौजूद हैं, तो वे केवल बेमकसद नहीं भटकेंगे; उन्हें आकाशगंगाओं के केंद्रों की ओर खींचा जाएगा, जहाँ वे उन्हें थामे रखने वाले सुपरमैसिव ब्लैक होल्स के चारों ओर जमा हो जाएंगे। जैसे-जैसे ये छोटे ब्लैक होल्स अंदर की ओर सर्पिल (spiral) गति करेंगे, वे गुरुत्वाकर्षण तरंगों—स्पेस-टाइम के ताने-बाने में उठने वाली लहरों—का एक मंद, निरंतर स्वर उत्पन्न करेंगे, जिसे भविष्य के वेधशालाओं द्वारा पकड़ा जा सकता है।
ए. इयानिकारी (A. Iannicari) और सहयोगियों के नेतृत्व वाली टीम ने इस ब्रह्मांडीय गूँज (cosmic hum) की शक्ति की गणना करने के लिए प्रयास किया। उन्होंने एक विशिष्ट परिदृश्य पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ डार्क मैटर एक सुपरमैसिव ब्लैक होल के चारों ओर एक घने, गोलाकार बादल, या "स्पाइक" (spike) का निर्माण करता है। जैसे-जैसे सुपरमैसिव ब्लैक होल अरबों वर्षों में बढ़ता है, वह इस ब्लैक होल्स के बादल को अंदर की ओर खींचता है, जिससे एक तीव्र घनत्व प्रवणता (density gradient) उत्पन्न होती है। इस स्पाइक के भीतर, छोटे ब्लैक होल्स विशाल वाले के चारों ओर घूमते हैं, और गुरुत्वाकर्षण तरंगें उत्सर्जित करके धीरे-धीरे अपनी ऊर्जा खोते जाते हैं। अंततः, वे पूरी तरह से अंदर की ओर सर्पिल गति करते हुए केंद्रीय ब्लैक होल में विलीन हो जाते हैं। जबकि एक एकल विलय (merger) बहुत कमजोर होगा जिसे सुना जा सके, पूरे ब्रह्मांड की आकाशगंगाओं में होने वाली इन अरबों घटनाओं का संयुक्त प्रभाव एक स्टोकेस्टिक बैकग्राउंड (stochastic background)—गुरुत्वाकर्षण तरंगों का एक निरंतर, ओवरलैपिंग शोर—पैदा करता है।
टीम ने सामान्य सापेक्षता (general relativity) के नियमों का उपयोग करते हुए इस प्रक्रिया का मॉडल तैयार किया, जिसमें केंद्रीय ब्लैक होल्स के स्पिन और विभिन्न कोणों पर छोटे ब्लैक होल्स के घूमने की गणना शामिल थी। उन्होंने पाया कि परिणामी सिग्नल की शक्ति इस बात पर बहुत अधिक निर्भर करती है कि घनत्व का स्पाइक कितना तीव्र है। यदि स्पाइक बहुत तीव्र है, जिसका अर्थ है कि डार्क मैटर केंद्र के पास बहुत सघन रूप से पैक है, तो सिग्नल बहुत अधिक शक्तिशाली हो जाता है। उनके गणनाओं से पता चलता है कि सबसे आशावादी परिदृश्यों के लिए, जहाँ डार्क मैटर एक बहुत ही सघन स्पाइक बनाता है, सिग्नल इतना मजबूत होगा कि इसे 'लेजर इंटरफेरोमीटर स्पेस एंटिना' (LISA) द्वारा पकड़ा जा सके, जो कि 2030 के दशक में नियोजित एक अंतरिक्ष-आधारित गुरुत्वाकर्षण तरंग वेधशाला है। LISA मिलीहर्ट्ज़ (millihertz) फ्रीक्वेंसी रेंज में लहरों को सुनने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जो बिल्कुल वही रेंज है जहाँ ये सर्पिल होते ब्लैक होल्स गाते हैं।
अध्ययन ने एक अधिक संवेदनशील भविष्य के मिशन DECIGO को भी देखा, जो डार्क मैटर स्पाइक्स कम घने होने पर भी सिग्नल का पता लगाने में सक्षम होगा। परिणाम दर्शाते हैं कि इस सिग्नल की पता लगाने की क्षमता एक साधारण हाँ या ना नहीं है; यह डार्क मैटर के वितरण के विशिष्ट गुणों पर निर्भर करती है। यदि आदिम ब्लैक होल्स वास्तव में डार्क मैटर हैं, तो सिग्नल वहां होना चाहिए, लेकिन इसकी तीव्रता इस बात पर निर्भर करती है कि डार्क मैटर सुपरमैसिव ब्लैक होल्स के चारों ओर कैसे व्यवस्थित है। शोधकर्ताओं ने पाया कि सिग्नल को LISA द्वारा स्पष्ट रूप से सुनने के लिए, डार्क मैटर स्पाइक का घनत्व काफी उच्च होना चाहिए, जो कि एक सैद्धांतिक रूप से संभव स्थिति है लेकिन गारंटीकृत नहीं है।
महत्वपूर्ण रूप से, यह शोध पत्र अभी तक इस सिग्नल को खोजने का दावा नहीं करता है, न ही यह सिद्ध करता है कि डार्क मैटर ब्लैक होल्स से बना है। इसके बजाय, यह एक ठोस परीक्षण प्रदान करता है। यदि LISA या DECIGO जैसे भविष्य के वेधशालाएं इस विशिष्ट बैकग्राउंड हम (hum) का पता लगाती हैं, तो यह इस बात का पुख्ता प्रमाण होगा कि ब्रह्मांड अनगिनत क्षुद्रग्रह-द्रव्यमान वाले आदिम ब्लैक होल्स से भरा हुआ है। यदि वे सुनते हैं और कुछ भी नहीं पाते हैं, तो यह इस बात पर सख्त सीमाएँ लगा देगा कि कितने ब्लैक होल्स मौजूद हो सकते हैं, जिससे यह विचार प्रभावी रूप से खारिज हो जाएगा कि वे संपूर्ण डार्क मैटर का निर्माण करते हैं। यह कार्य एक सैद्धांतिक संभावना को एक मापने योग्य भविष्यवाणी में बदल देता है, जो अदृश्य ब्रह्मांडीय संरचना की जांच करने का एक नया तरीका प्रदान करता है। आकाशगंगाओं के हृदय में दिग्गजों में गिरने वाले अनगिनत छोटे ब्लैक होल्स की सामूहिक फुसफुसाहट को सुनकर, वैज्ञानिक अंततः उस डार्क मैटर की वास्तविक प्रकृति का पता लगा सकते हैं जो हमारे ब्रह्मांड को आकार देता है।
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