Weighing dark matter particles with gravitational waves

दशकों से, खगोलविदों को पता है कि ब्रह्मांड एक रहस्यमय पदार्थ से भरा हुआ है जिसे डार्क मैटर (dark matter) कहा जाता है। यह प्रकाश उत्सर्जित नहीं करता, न ही इसे परावर्तित करता है, जिससे यह अब तक बने हर टेलीस्कोप के लिए अदृश्य बना रहता है। हम जानते हैं कि यह अपने गुरुत्वाकर्षण के कारण अस्तित्व में है; यह एक ब्रह्मांडीय गोंद की तरह कार्य करता है, आकाशगंगाओं को एक साथ थामे रखता है और दूर के तारों से आने वाले प्रकाश के पथ को मोड़ देता है। इस भारी साक्ष्य के बावजूद, डार्क मैटर का वास्तविक स्वरूप भौतिकी के सबसे अनसुलझे प्रश्नों में से एक बना हुआ है। क्या यह भारी, धीमी गति वाले कणों से बना है, या यह अविश्वसनीय रूप से हल्के, तरंग-रूपी निकायों से बना है? जबकि वैज्ञानिकों ने साधारण परमाणुओं के साथ टकराव को देखकर डार्क मैटर को खोजने का प्रयास किया है, वे प्रयास खाली रहे हैं। इसने शोधकर्ताओं को एक अलग दृष्टिकोण पर विचार करने के लिए प्रेरित किया है: ब्रह्मांड को देखने के बजाय उसे सुनना, स्पेस-टाइम (space-time) की लहरों का उपयोग करना जिन्हें गुरुत्वाकर्षण तरंगें (gravitational waves) कहा जाता है, ताकि इस अदृश्य पदार्थ के सूक्ष्म गुणों की जांच की जा सके।

एक नया अध्ययन बताता है कि एक विशिष्ट प्रकार की ब्रह्मांडीय घटना अंततः इन डार्क मैटर कणों का वजन करने में सक्षम हो सकती है। शोधकर्ताओं ने एक्सट्रीम-मास-रेशियो इंस्पिरल्स (extreme-mass-ratio inspirals) पर ध्यान केंद्रित किया, जो एक नाटकीय ब्रह्मांडीय परिदृश्य है जहाँ एक छोटा, सघन पिंड, जैसे कि एक तारे के आकार का ब्लैक होल, धीरे-धीरे एक बहुत बड़े, सुपरमैसिव ब्लैक होल में समाहित होता जाता है। जैसे ही छोटा पिंड विशाल पिंड की परिक्रमा करता है, वह ऐसी गुरुत्वाकर्षण तरंगें उत्सर्जित करता है जो स्पेस-टाइम को खींचती और सिकोड़ती हैं। एक पूर्ण निर्वात (vacuum) में, ये तरंगें एक अनुमानित पैटर्न का पालन करेंगी। हालाँकि, यदि सुपरमैसिव ब्लैक होल डार्क मैटर के घने बादल से घिरा हुआ है, तो छोटा साथी चलते समय इस बादल के साथ परस्पर क्रिया करता है। ये परस्पर क्रियाएं एक सूक्ष्म खिंचाव (drag) पैदा करती हैं, जो कक्षा की लय को थोड़ा बदल देती हैं और गुरुत्वाकर्षण तरंगों पर एक अनूठा निशान छोड़ देती हैं।

रोड्रिगो विसेंट और सहयोगियों की टीम ने, जो एम्स्टर्डम विश्वविद्यालय और अल्बर्ट आइंस्टीन संस्थान से हैं, यह महसूस किया कि दोनों ब्लैक होल्स के बीच आकार का विशाल अंतर एक अनूठा अवसर प्रदान करता है। सुपरमैसिव ब्लैक होल इतना बड़ा है कि उसके आसपास का डार्क मैटर व्यक्तिगत, गैर-टकराने वाले कणों के झुंड की तरह व्यवहार करता है। फिर भी, छोटा साथी ठीक उस आकार का है कि वह डार्क मैटर के साथ एक तरंग (wave) की तरह परस्पर क्रिया कर सके। यह तरंग-रूपी परस्पर क्रिया सीधे डार्क मैटर कणों के द्रव्यमान पर निर्भर करती है। यदि कण अत्यंत हल्के हैं, तो तरंग प्रभाव मजबूत होते हैं; यदि वे भारी हैं, तो प्रभाव कमजोर हो जाते हैं। यह पता लगाकर कि डार्क मैटर इंस्पिरलिंग साथी को कैसे धीमा करता है, शोधकर्ताओं ने पाया कि वे स्वयं डार्क मैटर कणों के द्रव्यमान का पता लगा सकते हैं।

इस विचार का परीक्षण करने के लिए, वैज्ञानिकों ने कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया ताकि यह मॉडल किया जा सके कि 'लेजर इंटरफेरोमीटर स्पेस एंटीना' (LISA) नामक एक गुरुत्वाकर्षण तरंग डिटेक्टर क्या देखेगा। LISA एक नियोजित अंतरिक्ष-आधारित वेधशाला है जिसे कम-आवृत्ति वाली लहरों को सुनने के लिए डिज़ाइन किया गया है। शोधकर्ताओं ने एक छोटे ब्लैक होल के एक सुपरमैसिव ब्लैक होल में समाहित होने के सिग्नल का सिमुलेशन किया, जिसमें उस सिस्टम को डार्क मैटर के एक घने स्पाइक (spike) में स्थापित किया गया था। उन्होंने फिर इन सिम्युलेटेड सिग्नल्स को एक सांख्यिकीय विश्लेषण टूल में डाला ताकि यह देखा जा सके कि क्या डिटेक्टर ब्लैक होल्स के प्राकृतिक गुणों से डार्क मैटर के प्रभाव को अलग कर सकता है। उनके परिणामों ने दिखाया कि ब्लैक होल्स के निचले द्रव्यमान रेंज के लिए, डिटेक्टर आश्चर्यजनक सटीकता के साथ अल्ट्रालाइट डार्क मैटर कणों के द्रव्यमान को माप सकता है।

अध्ययन में पाया गया कि यदि डार्क मैटर कणों का द्रव्यमान $10^{-14}$ और $10^{-11}$ इलेक्ट्रॉन वोल्ट के बीच है, तो LISA उनके वजन को दस के कारक (factor of ten) के भीतर निर्धारित कर सकता है। यह सीमा उन कणों को कवर करती है जो एक इलेक्ट्रॉन से अरबों गुना हल्के हैं। इसे मापने की क्षमता काफी हद तक इस बात पर निर्भर करती है कि सुपरमैसिव ब्लैक होल के चारों ओर डार्क मैटर स्पाइक कितना घना है। उन परिदृश्यों में जहाँ डार्क मैटर बहुत घना है, सिग्नल इतना मजबूत होता है कि वह कण के द्रव्यमान को स्पष्ट रूप से प्रकट कर सके। यहाँ तक कि उन मामलों में भी जहाँ द्रव्यमान बहुत हल्का या बहुत भारी है कि सटीक रूप से मापा न जा सके, डार्क मैटर स्पाइक की उपस्थिति स्वयं एक पता लगाने योग्य निशान छोड़ती है, जिससे वैज्ञानिक अदृश्य बादल के घनत्व का मानचित्रण कर सकते हैं।

यह दृष्टिकोण प्रयोगशाला में किसी कण को पकड़े बिना ब्रह्मांड के सूक्ष्म निर्माण खंडों के बारे में जानने का एक तरीका प्रदान करता है। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि इस पद्धति की सफलता इस बात पर निर्भर करती है कि डार्क मैटर ब्लैक होल के चारों ओर एक तीव्र, घना स्पाइक बनाता है, एक ऐसी संरचना जो ब्लैक होल के अरबों वर्षों तक बढ़ने के दौरान बन सकती है। हालांकि इस तरह के स्पाइक का अस्तित्व आकाशगंगा के इतिहास और अन्य ब्लैक होल्स द्वारा इसे बाधित किए जाने या न किए जाने पर निर्भर करता है, सिमुलेशन बताते हैं कि कई प्रणालियों में दृश्यमान होने के लिए पर्याप्त घनत्व बना रहेगा। अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि उसने डार्क मैटर खोज लिया है, बल्कि यह एक ठोस रोडमैप प्रदान करता है कि कैसे भविष्य के गुरुत्वाकर्षण तरंग अवलोकन अंततः उस अदृश्य पदार्थ का वजन कर सकते हैं जो हमारे ब्रह्मांड को आकार देता है।