Binary black hole mergers in massive Einstein-scalar-Gauss-Bonnet gravity
यह शोध पत्र मैसिव आइंस्टीन-स्केलर-गॉस-बोनट गुरुत्वाकर्षण में पूर्णतः गैर-रेखीय बाइनरी ब्लैक होल विलय का एक संख्यात्मक अध्ययन प्रस्तुत करता है, जिसमें प्रारंभिक जंक रेडिएशन को दबाने के लिए एक संशोधित सिमुलेशन तकनीक पेश की गई है और यह प्रकट किया गया है कि देर-समय का स्केलर रिंगडाउन स्पिन-2 संदूषण के बजाय स्केलर द्रव्यमान आवृत्ति द्वारा नियंत्रित होता है।
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ब्रह्मांड लहरों के माध्यम से हमसे बात करता है। दशकों से, खगोलशास्त्री इन लहरों को सुन रहे हैं, जिन्हें गुरुत्वाकर्षण तरंगें (gravitational waves) कहा जाता है, जो ब्लैक होल जैसी विशाल वस्तुओं के टकराने से उत्पन्न होती हैं। ये संकेत हमें गुरुत्वाकर्षण के नियमों, विशेष रूप से आइंस्टीन के सामान्य सापेक्षता (General Relativity) के सिद्धांत का परीक्षण करने की अनुमति देते हैं, वह भी अत्यंत चरम स्थितियों में। हालांकि आइंस्टीन का सिद्धांत अब तक हर परीक्षण में सफल रहा है, लेकिन कई भौतिकविदों को संदेह है कि यह अंतिम कहानी नहीं है। वे प्रस्ताव करते हैं कि गुरुत्वाकर्षण एक छिपे हुए, अदृश्य क्षेत्र (field) की उपस्थिति में थोड़ा अलग हो सकता है जो अंतरिक्ष में व्याप्त है। ऐसा एक विचार एक ऐसे क्षेत्र से संबंधित है जिसका द्रव्यमान बहुत कम है, जो उसे प्रभाव की एक विशिष्ट सीमा देता है, ठीक वैसे ही जैसे एक भारी वस्तु को हल्के एक वस्तु की तुलना में गाढ़े कीचड़ के माध्यम से चलने में संघर्ष करना पड़ सकता है। यदि ऐसा कोई क्षेत्र मौजूद है, तो यह ब्लैक होल के व्यवहार और उनके आपस में टकराने के दौरान उनके 'गाने' के तरीके को बदल देगा।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस बात को समझने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है कि यदि ऐसा भारी क्षेत्र वास्तविक होता तो ये टकराव कैसे दिखते। उन्होंने एक विशिष्ट सिद्धांत पर ध्यान केंद्रित किया जिसे 'मैसिव आइंस्टीन-स्केलर-गॉस-बोनट ग्रेविटी' (massive Einstein-scalar-Gauss-Bonnet gravity) कहा जाता है, जो इस भारी, अदृश्य क्षेत्र को मानक गुरुत्वाकर्षण नियमों में जोड़ता है। चुनौती यह थी कि कंप्यूटर पर इन टकरावों का अनुकरण (simulation) करना अविश्वसनीय रूप से कठिन था। जब वैज्ञानिकों ने द्रव्यहीन क्षेत्रों (massless fields) के लिए मानक विधियों का उपयोग करके अपने सिमुलेशन शुरू करने की कोशिश की, तो कंप्यूटर मॉडल कृत्रिम शोर के एक विस्फोट से दूषित हो गए। वैज्ञानिक इस शोर को "जंक रेडिएशन" (junk radiation) कहते हैं, जो सिमुलेशन के भीतर फंस गया क्योंकि भारी क्षेत्र एक पिंजरे की तरह कार्य करता है, जो शोर को बाहर निकलने से रोकता है। यह फंसा हुआ शोर अंततः उस वास्तविक भौतिकी को दबा देगा जिसका अध्ययन करने की कोशिश वैज्ञानिक कर रहे थे, जिससे परिणाम बेकार हो जाएंगे।
इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक चतुर समाधान विकसित किया। सिमुलेशन के लिए एक आदर्श शुरुआती बिंदु खोजने के बजाय, जो इस सिद्धांत के लिए वर्तमान में असंभव है, उन्होंने सिमुलेशन के नियमों को शुरुआत में ही संशोधित कर दिया। उन्होंने एक अस्थायी डैम्पिंग तंत्र (damping mechanism) पेश किया, जो एक प्रकार का डिजिटल घर्षण (digital friction) है, जो कृत्रिम शोर को बनते ही धीरे से सोख लेता है। एक बार जब शोर दब गया और सिस्टम एक स्थिर अवस्था में आ गया, तो उन्होंने इस घर्षण को धीरे-धीरे बंद कर दिया, जिससे सिमुलेशन वास्तविक सिद्धांत के नियमों के अनुसार चल सके। इस तकनीक ने उन्हें अंततः एक भारी स्केलर क्षेत्र वाले ब्रह्मांड में ब्लैक होल की एक जोड़ी को एक साथ घूमते और विलीन होते देखने की अनुमति दी, जो पहले कभी सफलतापूर्वक नहीं किया गया था।
परिणामों ने एक ऐसे ब्रह्मांड का खुलासा किया जो छिपे हुए क्षेत्र के द्रव्यमान के आधार पर काफी अलग व्यवहार करता है। सिमुलेशन में, शोधकर्ताओं ने देखा कि ब्लैक होल के एक-दूसरे की ओर बढ़ने के दौरान अदृश्य क्षेत्र कैसे प्रतिक्रिया करता है। उन्होंने पाया कि जब ब्लैक होल दूर थे, तो भारी क्षेत्र शांत रहा, क्योंकि वह अपनी द्रव्यमान के कारण शेष ब्रह्मांड में लहरें भेजने में असमर्थ था, जो एक बाधा की तरह कार्य करता है। हालांकि, जैसे ही ब्लैक होल त्वरित हुए और टकराए, ऊर्जा इतनी अधिक हो गई कि इस बाधा को तोड़ सके। टकराव के क्षण में, क्षेत्र फूट पड़ा, जिससे विकिरण का एक विस्फोट हुआ जो विलय के प्रारंभिक चरणों के दौरान दबा हुआ था।
ब्लैक होल के एक बड़े एकल ब्लैक होल में विलीन होने के बाद, क्षेत्र का व्यवहार और भी विशिष्ट हो गया। उन सिद्धांतों में जहाँ क्षेत्र का कोई द्रव्यमान नहीं होता, टकराव के बाद क्षेत्र एक शांत, स्थिर अवस्था में सेटल हो जाता है। लेकिन इस भारी संस्करण में, क्षेत्र स्थिर होने से इनकार करता है। इसके बजाय, यह एक घंटी की तरह बजने लगा, जिसे बजाने के बाद वह गूँज रही थी। यह गूँज लंबे समय तक जारी रही, जो क्षेत्र के द्रव्यमान द्वारा निर्धारित आवृत्ति (frequency) पर कंपन करती रही। शोधकर्ताओं ने गुरुत्वाकर्षण तरंगों, यानी स्पेस-टाइम की लहरों का भी अवलोकन किया, यह देखने के लिए कि क्या अदृश्य क्षेत्र ने उन पर कोई निशान छोड़ा है। उन्होंने पाया कि हालांकि क्षेत्र टक्कर से दृढ़ता से प्रभावित था, लेकिन इस विशिष्ट परिदृश्य में इसने गुरुत्वाकर्षण तरंगों को महत्वपूर्ण रूप से नहीं बदला। गुरुत्वाकर्षण तरंगें आइंस्टीन के सिद्धांत द्वारा अनुमानित परिणामों के बहुत समान रहीं, जो यह दर्शाता है कि इस सेटअप में अदृश्य क्षेत्र स्पेस-टाइम की लहरों पर स्पष्ट छाप छोड़ने के लिए बहुत कमजोर है।
अध्ययन ने विभिन्न प्रकार की तरंगों के बीच एक जटिल अंतःक्रिया का भी खुलासा किया। अदृश्य क्षेत्र की गूँज केवल एक साधारण कंपन नहीं थी; इसमें आवृत्तियों का मिश्रण था। कुछ आवृत्तियाँ स्वयं क्षेत्र के द्रव्यमान से आईं, जबकि अन्य ब्लैक होल के स्पिन (spin) से "दूषित" हुईं, जो यह दर्शाती हैं कि स्पेस-टाइम की ज्यामिति और अदृश्य क्षेत्र गहराई से जुड़े हुए हैं। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि 'रिंगडाउन' (ringdown) का प्रारंभिक भाग ब्लैक होल के स्पिन द्वारा नियंत्रित था, लेकिन जैसे-जैसे समय बीतता गया, क्षेत्र के द्रव्यमान की आवृत्ति हावी हो गई। यह सुझाव देता है कि यदि हम कभी ऐसा संकेत पकड़ते हैं, तो रिंगडाउन का देर वाला हिस्सा हमें अदृष्ट अदृश्य क्षेत्र के द्रव्यमान के बारे में बता सकता है, जबकि शुरुआती हिस्सा हमें ब्लैक होल के स्पिन के बारे में बताता है।
अंततः, यह कार्य नए भौतिक विज्ञान के संकेतों को खोजने के लिए एक नया तरीका प्रदान करता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि भले ही एक भारी क्षेत्र मौजूद हो, वह ब्लैक होल के टकराव के शुरुआती चरणों के दौरान अपनी उपस्थिति छिपा सकता है, और केवल विलीन ब्लैक होल की अंतिम, निरंतर गूँज में खुद को प्रकट करता है। हालांकि उनके सिमुलेशन ब्लैक होल के टकराव के विशिष्ट प्रकारों तक सीमित थे, लेकिन जिस पद्धति को उन्होंने शुरुआती शोर को साफ करने के लिए विकसित किया है, वह अधिक विस्तृत अध्ययनों के द्वार खोलती है। यह सुझाव देता है कि ब्रह्मांड ब्लैक होल के टकराने के बाद उनके कंपन करने के तरीके में अपने रहस्य छिपाए रख सकता है, जो इस बात की प्रतीक्षा कर रहे हैं कि हमारे उपकरण एक साधारण गूँज और एक जटिल, भारी गूँज के बीच अंतर सुनने के लिए पर्याप्त संवेदनशील हो सकें।
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