Looking for gravitational waves with orbital dynamics: GUEST mission and the $μ$Hz band of Gravitational Waves

द दशकों से, मानवता ने मुख्य रूप से प्रकाश के माध्यम से ब्रह्मांड को सुना है। दूर की आकाशगंगाओं की लंबी रेडियो तरंगों से लेकर फटने वाले सितारों की उच्च-ऊर्जा गामा किरणों तक, दूरबीनों ने संपूर्ण विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम में ब्रह्मांड की एक तस्वीर उकेरी है। इस प्रकाश के प्रत्येक नए झरोखे ने अप्रत्याशित आश्चर्यों को प्रकट किया है, जैसे कि कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड से लेकर ब्लैक होल्स (कृष्ण विवर) के अस्तित्व तक। लेकिन प्रकाश ही एकमात्र संदेशवाहक नहीं है। गुरुत्वाकर्षण तरंगों के पहले प्रत्यक्ष पता लगाने के बाद से, एक नया, अदृश्य ब्रह्मांड खुद को प्रकट करने लगा है। ये तरंगें स्पेस-टाइम (स्थान-समय) के ताने-बाने में लहरें हैं, जो टकराते हुए ब्लैक होल्स जैसी ब्रह्मांड की सबसे हिंसक और ऊर्जावान घटनाओं द्वारा निर्मित होती हैं। प्रकाश के विपरीत, जो धूल और गैस द्वारा रोका या बिखेरा जा सकता है, गुरुत्वाकर्षण तरंगें बिना किसी बाधा के गुजर जाती हैं, और अपने निर्माण के क्षण से ही शुद्ध जानकारी लेकर आती हैं।

हाल तक, इन लहरों को सुनने की हमारी क्षमता विशिष्ट आवृत्तियों तक सीमित थी। हमने विलय होते ब्लैक होल्स और न्यूट्रॉन सितारों से उच्च-पिच वाले संकेतों का पता लगाया है, और हमने लाखों वर्षों से एक-दूसरे की परिक्रमा कर रहे सुपरमैसिव ब्लैक होल्स से निकलने वाली कम-आवृत्ति वाली गूंज के प्रमाण भी पाए हैं। हालांकि, इन दोनों छोरों के बीच एक विशाल, शांत अंतराल मौजूद है। यह लुप्त रेंज, जिसे माइक्रोहर्ट्ज़ बैंड (microhertz band) के रूप में जाना जाता है, घंटों से महीनों के समय-पैमानों के अनुरूप है। यह वह क्षेत्र है जहाँ ब्रह्मांड पहले के ब्लैक होल्स के निर्माण, डार्क मैटर की प्रकृति, या यहाँ तक कि प्रारंभिक ब्रह्मांड के भौतिकी के बारे में रहस्य फुसफुसा सकता है। इस अंतराल को भरना गुरुत्वाकर्षण तरंग खगोल विज्ञान के लिए अगली बड़ी चुनौती है, और एक नया प्रस्ताव इसमें सुनने का एक आश्चर्यजनक रूप से सरल तरीका सुझाता है।

यह शोध पत्र एक मिशन अवधारणा की रूपरेखा प्रस्तुत करता है जिसे GUEST कहा जाता है, जिसका अर्थ है 'सैटेलाइट ट्रैकिंग के साथ गुरुत्वाकर्षण ब्रह्मांड अन्वेषण' (Gravitational Universe Exploration with Satellite Tracking)। इसका मूल विचार भौतिकी के एक मौलिक सिद्धांत पर आधारित है: जिस तरह एक ट्यूनिंग फोर्क (tuning fork) तब कंपन करता है जब वह अपनी विशिष्ट पिच पर कोई ध्वनि सुनता है, उसी तरह एक कक्षीय प्रणाली (orbiting system) गुरुत्वाकर्षण तरंग के साथ प्रतिध्वनित हो सकती है यदि उस तरंग की आवृत्ति कक्ष की लय से मेल खाती हो। शोधकर्ता पृथ्वी के चारों ओर अत्यधिक दीर्घवृत्ताकार कक्षाओं (highly elliptical orbits) में दो सघन, निष्क्रिय गोलों को रखने का प्रस्ताव करते हैं। इन गोलों को छोटे दर्पणों से ढका जाएगा जिन्हें रेट्रोरिफ्लेक्टर (retroreflectors) कहा जाता है। पृथ्वी पर स्थित स्टेशनों से इन दर्पणों से लेजर बीम को परावर्तित करके, वैज्ञानिक अविश्वसनीय सटीकता के साथ गोलों की सटीक स्थिति को ट्रैक कर सकते हैं। यदि एक गुरुत्वाकर्षण तरंग इस प्रणाली से गुजरती है, तो यह स्थान को सूक्ष्म रूप से खींच और सिकोड़ देगी, जिससे पृथ्वी और उपग्रह के बीच की दूरी एक विशिष्ट पैटर्न में दोलन करेगी। चूंकि उपग्रह दीर्घवृत्ताकार कक्षाओं में हैं, वे अनुनादी डिटेक्टर (resonant detectors) के रूप में कार्य करते हैं, जो समय के साथ इन सूक्ष्म प्रभावों को बढ़ा देते हैं ताकि उन्हें मापा जा सके।

यह प्रस्ताव इस वास्तविकता पर आधारित है कि वर्तमान तकनीक इसे करने के लिए पर्याप्त है, बशर्ते कि डेटा विश्लेषण उन्नत हो। इस मिशन में दो उपग्रह शामिल होंगे, जिनमें से प्रत्येक एक ठोस गोला होगा जो लगभग एक बड़े बीच बॉल (beach ball) के आकार का होगा, और इतना भारी होगा कि सौर हवा या वायुमंडलीय खिंचाव से विचलित न हो। उन्हें ऐसी कक्षाओं में रखा जाएगा जो उन्हें पृथ्वी से कुछ हजार किलोमीटर ऊपर से लेकर लगभग नब्बे हजार किलोमीटर दूर तक ले जाती हैं। यह उच्च उत्केंद्रता (high eccentricity) अत्यंत महत्वपूर्ण है। जैसे-जैसे उपग्रह पृथ्वी के निकटतम बिंदु के पास तेज होते हैं और सबसे दूर के बिंदु पर धीमे होते हैं, उनकी कक्षीय लय स्वाभाविक रूप से माइक्रोहर्ट्ज़ बैंड के प्रति संवेदनशीलता पैदा करती है। लेजर रेंजिंग स्टेशनों का वैश्विक नेटवर्क, जो वर्तमान में अन्य उपग्रहों और चंद्रमा को ट्रैक करता है, को इन नई वस्तुओं का कम से कम दस वर्षों तक पीछा करने के लिए अपग्रेड किया जाएगा। चुनौती अंतरिक्ष के लिए नया हार्डवेयर बनाने की नहीं है, बल्कि उन वस्तुओं को ट्रैक करने की है जो सामान्य से बहुत दूर तक यात्रा करती हैं और कक्षीय यांत्रिकी के जटिल शोर से गुरुत्वाकर्षण तरंग के मंद संकेत को अलग करने के लिए गणितीय उपकरणों को विकसित करने की है।

इन आवृत्तियों को सुनने के संभावित पुरस्कार अपार हैं। यदि पल्सर टाइमिंग एरेज़ (pulsar timing arrays) द्वारा हाल ही में पता लगाए गए संकेत वास्तव में सुपरमैसिव ब्लैक होल्स की जोड़ियों के कारण हैं, तो उनका संकेत इस माइक्रोहर्ट्ज़ रेंज तक फैला होना चाहिए, जो इन दिग्गजों के निर्माण और विलय का अध्ययन करने का एक सीधा तरीका प्रदान करता है। इसके अलावा, यह बैंड 'न्यू फिजिक्स' की खोज के लिए एक प्रमुख क्षेत्र है। यह प्रारंभिक ब्रह्मांड के संकेतों को प्रकट कर सकता है, जैसे कि वे चरण संक्रमण (phase transitions) जो ब्रह्मांड के केवल एक अंश सेकंड पुराने होने पर हुए थे। यह प्राइमोर्डियल ब्लैक होल्स (primordial black holes) का भी पता लगा सकता है, जो बिग बैंग से बने सैद्धांतिक पिंड हैं, या यहाँ तक कि अल्ट्रा-लाइट डार्क मैटर का भी, जो कण के बजाय एक तरंग की तरह व्यवहार करता है। शोध पत्र में प्रस्तुत सिमुलेशन बताते हैं कि यह मिशन ऐसी संवेदनशीलता प्राप्त कर सकता है जो इन घटनाओं की जांच करने में सक्षम है, जो संभावित रूप से अरबों प्रकाश वर्ष दूर ब्लैक होल्स के संकेतों को देख सकती है या उपग्रहों की कक्षाओं पर डार्क मैटर के सूक्ष्म प्रभाव का पता लगा सकती है।

ब्रह्मांडीय तरंगों की खोज के अलावा, यह मिशन गुरुत्वाकर्षण और पृथ्वी के बारे में हमारी समझ के लिए तत्काल लाभ भी प्रदान करता है। इन उपग्रहों को ट्रैक करने के लिए आवश्यक सटीकता पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र और गुरुत्वाकर्षण स्थिरांक के सटीक मान के हमारे मापन में सुधार करेगी। यह वैज्ञानिकों को गुरुत्वाकर्षण के नियमों का परीक्षण करने के ऐसे तरीकों से भी अनुमति देगा जो वर्तमान में असंभव हैं, जिससे उन सूक्ष्म विचलनों को खोजा जा सकेगा जो नए बलों या कणों का संकेत दे सकते हैं। लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि जबकि अवधारणा तैयार है, आगे का रास्ता सावधानीपूर्वक कार्य की मांग करता है। वे वर्तमान में डेटा विश्लेषण तकनीकों को परिष्कृत करने के लिए एक सहयोग बना रहे हैं, जो पृथ्वी के मानचित्रण के लिए उपयोग की जाने वाली मानक विधियों से आगे बढ़कर गुरुत्वाकर्षण तरंग संकेत के धीमे, संचयी विकास का पता लगाने वाली विधियों तक जा सके। यदि सफल हुआ, तो GUEST गुरुत्वाकर्षण तरंग आकाश में एक नया रंग जोड़ेगा, जिससे हमारे ज्ञान का एक शांत अंतराल ब्रह्मांड की मौलिक प्रकृति के बारे में खोज के एक समृद्ध स्रोत में बदल जाएगा।