Odds Estimation for Supermassive Black Hole Binaries in Local Core Galaxies
इलिस्ट्रिसटीएनजी (IllustrisTNG) सिमुलेशन को एक अर्ध-विश्लेषणात्मक कोर-स्कौअरिंग मॉडल और पांच अवलोकन योग्य गैलेक्सी गुणों पर लॉजिस्टिक रिग्रेशन के साथ जोड़कर, यह अध्ययन स्थानीय कोर गैलेक्सीज़ में सुपरमैसिव ब्लैक होल बाइनरी की संभावना का अनुमान लगाने के लिए एक सुदृढ़ विधि विकसित करता है, जिसमें मेसियर 86 सहित आठ निकटवर्ती उम्मीदवारों को संभावित मेजबान के रूप में पहचाना गया है।
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लगभग हर विशाल आकाशगंगा के केंद्र में गहराई में एक दानव छिपा होता है: एक अतिविशाल ब्लैक होल (सुपरमैसिव ब्लैक होल), जो हमारे सूर्य से लाखों या अरबों गुना भारी होता है। जब दो आकाशगंगाएँ आपस में टकराती हैं, तो उनके केंद्रीय ब्लैक होल को नए, विलीन हुए आकाशगंगा के केंद्र की ओर खींचा जाता है। भौतिकी बताती है कि इन दो दिग्गजों को अंततः एक साथ घूमते हुए एक में विलीन हो जाना चाहिए, एक ऐसी प्रक्रिया जो गुरुत्वाकर्षण तरंगों (ग्रैविटेशनल वेव्स) के रूप में ब्रह्मांड में लहरें पैदा करती है। फिर भी, ब्लैक होल के इन जोड़ों को उनके विलय से पहले एक धीमी नृत्य जैसी गति में लॉक किए हुए पाना अविश्वसनीय रूप से कठिन साबित हुआ है। वे अक्सर दूरबीनों से देखने के लिए बहुत करीब होते हैं, फिर भी ब्रह्मांड की गूँज सुनने वाले गुरुत्वाकर्षण तरंगों के नए पीढ़ी के डिटेक्टरों द्वारा पकड़े जाने के लिए बहुत दूर होते हैं।
इस रहस्य को सुलझाने के लिए, शोधकर्ताओं ने इन ब्रह्मांडीय टकरावों द्वारा छोड़े गए निशानों की ओर रुख किया है। कई विशाल, मृत आकाशगंगाओं में, केंद्र में तारों के प्रकाश की एक महत्वपूर्ण मात्रा गायब होती है। खगोलशास्त्री इन्हें "कोर" (core) आकाशगंगाएँ कहते हैं। प्रमुख सिद्धांत यह है कि ब्लैक होल का एक जोड़ा, एक दूसरे की ओर घूमते समय, एक ब्रह्मांडीय ब्लेंडर (मिक्सर) की तरह कार्य करता है, जो केंद्र से तारों को बाहर की ओर उछाल देता है और पीछे एक खोखला, रिक्त कोर छोड़ देता है। यदि यह सिद्धांत सही है, तो खाली कोर का आकार और आकाशगंगा के विशिष्ट गुण हमें यह बता सकते हैं कि क्या इसके भीतर अभी भी ब्लैक होल का एक जोड़ा छिपा हुआ है, जो अपने विलय को पूरा करने की प्रतीक्षा कर रहा है।
मिशिगन विश्वविद्यालय के खगोलविदों की एक टीम ने अब इस विचार का परीक्षण करने के लिए एक परिष्कृत कंप्यूटर मॉडल बनाया है, जो यह पूछता है: आकाशगंगा के कोर के आकार और आकृति को देखते हुए, इसकी क्या संभावना है कि इसमें वर्तमान में ब्लैक होल का एक जोड़ा मौजूद है? आकाशगंगाओं के निर्माण की प्रक्रियाओं के विशाल कंप्यूटर सिमुलेशन को पैटर्न के आधार पर परिणामों की भविष्यवाणी करने वाले एक सांख्यिकीय तरीके के साथ जोड़कर, शोधकर्ताओं ने इन छिपे हुए जोड़ों को खोजने के लिए एक उपकरण बनाया। उनका काम बताता है कि हालांकि ऐसे जोड़े दुर्लभ हैं, लेकिन वे पास की सबसे बड़ी, विसरित (डिफ्यूज) आकाशगंगाओं के भीतर स्पष्ट रूप से छिपे हुए हैं।
शोधकर्ताओं ने ब्रह्मांड के इतिहास का एक विशाल सिमुलेशन चलाना शुरू किया, जिसमें यह ट्रैक किया गया कि आकाशगंगाएँ अरबों वर्षों में कैसे बढ़ती और विलीन होती हैं। उन्होंने विशेष रूप से सबसे विशाल आकाशगंगाओं पर ध्यान केंद्रित किया, जिनके ब्लैक होल के जोड़े बनाने के लिए आवश्यक हिंसक टकरावों से गुजरने की सबसे अधिक संभावना है। सिमुलेशन ने उन्हें यह देखने की अनुमति दी कि आकाशगंगाओं के विलय के बाद ब्लैक होल कैसा व्यवहार करते हैं। उन्होंने देखा कि ब्लैक होल केंद्र की ओर डूबते हैं, पहले आसपास के तारों और गैस के खिंचाव से धीमे होते हैं, और फिर एक तंग कक्षा में लॉक हो जाते हैं। कुछ मामलों में, जोड़ा तेजी से एक साथ घूमते हुए विलीन हो गया। अन्य मामलों में, वे फंस गए, अरबों वर्षों तक एक स्थिर कक्षा में मंडराते रहे, अंतिम अंतर को पाटने का कोई रास्ता खोजने में असमर्थ रहे।
इस जटिल इतिहास को समझने के लिए, टीम ने एक गणितीय मॉडल विकसित किया जो आकाशगंगा की दृश्य विशेषताओं को उसके ब्लैक होल के अदृश्य भाग्य से जोड़ता है। उन्होंने पाँच प्रमुख लक्षणों की पहचान की जो एक पर्यवेक्षक को आकाशगंगा द्वारा प्रदर्शित किए जाते हैं: इसका कुल द्रव्यमान, केंद्र में तारों का घनत्व, उन तारों की गति, आकाशगंगा के चमकीले कोर का आकार, और केंद्र से गायब हुई रोशनी की मात्रा। उन्होंने अपने सिम्युलेटेड आकाशगंगाओं के इन लक्षणों को एक सांख्यिकीय इंजन में डाला, जिससे उसे उन पैटर्न को पहचानने के लिए प्रशिक्षित किया गया जो एक एकल ब्लैक होल वाली आकाशगंगा और एक जोड़ी वाले ब्लैक होल वाली आकाशगंगा के बीच अंतर करते हैं। मॉडल ने सीखा कि बड़े, अधिक फैले हुए कोर, कम केंद्रीय घनत्व और कम गायब रोशनी वाली आकाशगंगाओं में ब्लैक होल का एक जीवित जोड़ा होने की संभावना सबसे अधिक थी।
जब टीम ने अपने स्वयं के सिमुलेशन के विरुद्ध इस मॉडल का परीक्षण किया, तो इसने उल्लेखनीय सटीकता के साथ प्रदर्शन किया, और जहाँ भी ब्लैक होल का जोड़ा मौजूद था, वहाँ लगभग 95 प्रतिशत मामलों में सही पहचान की। मॉडल ने खुलासा किया कि ये जीवित रहने वाले जोड़े आमतौर पर बहुत सघन होते हैं, जिनमें दो ब्लैक होल लगभग 0.3 पारसेक (parsec) की दूरी पर होते हैं, जो लगभग एक प्रकाश वर्ष के बराबर है। यह इतना करीब है कि वे एक साथ बंधे हुए हैं, लेकिन इतना दूर है कि वे अभी तक विलीन नहीं हुए हैं। महत्वपूर्ण रूप से, मॉडल ने दिखाया कि इन जोड़ों का केवल एक बहुत छोटा हिस्सा, लगभग 0.3 प्रतिशत, इतना करीब और इतनी तेज़ गति से चल रहा है कि वे उन विशिष्ट निम्न-आवृत्ति वाली गुरुत्वाकर्षण तरंगों को उत्सर्जित कर सके जिन्हें वर्तमान डिटेक्टर खोजने की कोशिश कर रहे हैं। इसका अर्थ है कि भले ही कई आकाशगंगाओं में ये जोड़े हो सकते हैं, लेकिन बहुत कम ही ऐसे 'चमकदार बीकन' होंगे जिन्हें गुरुत्वाकर्षण तरंग खगोलशास्त्री व्यक्तिगत रूप से पकड़ पाने की उम्मीद कर रहे हैं।
इस विश्वसनीय उपकरण के साथ लैस होकर, शोधकर्ताओं ने अपने मॉडल को पास के ब्रह्मांड में देखी गई वास्तविक आकाशगंगाओं के कैटलॉग पर लागू किया। उन्होंने उन विशिष्ट लक्षणों के संयोजन की तलाश की जिन्हें उनके मॉडल ने छिपे हुए बाइनरी (जोड़े) के संकेत के रूप में पहचाना था। इस खोज से आठ आशाजनक उम्मीदवार मिले, ऐसी आकाशगंगाएँ जिनके सांख्यिकीय रूप से ब्लैक होल का एक जोड़ा होस्ट करने की अधिक संभावना है। इनमें से, मेसियर 86 (Messier 86), जिसे NGC 4406 के रूप में भी जाना जाता है, एक विशेष रूप से मजबूत उम्मीदवार के रूप रूप में उभरा। यह आकाशगंगा, जो विर्गो क्लस्टर (Virgo cluster) में स्थित है, को अन्य स्वतंत्र अध्ययनों द्वारा अलग-अलग तरीकों का उपयोग करके चिह्नित किया गया था, जो इस विचार को पुख्ता समर्थन देता है कि यह वास्तव में एक बाइनरी होस्ट है। अन्य उम्मीदवारों में आकाशगंगा समूहों के केंद्रों में स्थित कई दूरस्थ, विशाल आकाशगंगाएँ शामिल थीं, जो ब्रह्मांड के सबसे हिंसक वातावरण के लिए जानी जाती हैं।
यह अध्ययन सीधे तौर पर ब्लैक होल को खोजने का दावा नहीं करता है; बल्कि, इसने एक अत्यधिक संभावित मानचित्र प्रदान किया है कि वे कहाँ छिपे होने की संभावना है। शोधकर्ता सावधानीपूर्वक नोट करते हैं कि उनका मॉडल कई धारणाओं पर निर्भर करता है, जैसे कि ब्लैक होल पूर्ण वृत्तों में चलते हैं और उन्हें अपने अंतिम विलय की ऊर्जा से अचानक झटका (किक) नहीं मिलता है। यदि ये धारणाएँ गलत हैं, तो सटीक संभावनाएँ बदल सकती हैं, लेकिन सामान्य रुझान सुदृढ़ बना रहता है। उनका कार्य बताता है कि आज हम जो "कोर" आकाशगंगाएँ देखते हैं, वे पिछले ब्लैक होल द्वंद्वों के जीवाश्म साक्ष्य हैं, और उनमें से एक महत्वपूर्ण संख्या अभी भी अपने अंतिम विलय के क्षण की प्रतीक्षा कर रही है।
यह शोध टेलीस्कोपों से हम जो देख सकते हैं और ब्लैक होल की उस अदृश्य आबादी के बीच के अंतर को पाटने का एक नया तरीका प्रदान करता है जो ब्रह्मांड को आकार देते हैं। सितारों पर छोड़े गए निशानों को समझकर, खगोलशास्त्री अब भविष्यवाणी कर सकते हैं कि अगले महान ब्रह्मांडीय विलय कहाँ हो रहे हैं। जबकि इन जोड़ों से निकलने वाली विशिष्ट गुरुत्वाकर्षण तरंगों की खोज जारी है, इन आठ आकाशगंगाओं की पहचान भविष्य के अवलोकन के लिए लक्षित सूची प्रदान करती है। यह ब्लैक होल के इन मायावी जोड़ों की खोज को 'भूसे के ढेर में सुई खोजने' जैसी समस्या से बदलकर एक लक्षित जांच में बदल देता है, जो अगली पीढ़ी की दूरबीनों और डिटेक्टरों को हमारे ब्रह्मांडीय पड़ोस के सबसे आशाजनक स्थानों की ओर निर्देशित करता है।
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