घूमते तारों ने ब्रह्मांड में पहली बार नैनो हर्ट्ज़ ग्रैविटेशनल वेव्स का पता लगाने में वैज्ञानिकों की मदद की

इन निष्कर्षों में भविष्य के काम से इस निरंतर बैकग्राउंड सिग्नल्स के कम से कम एक स्रोत की पुष्टि होने की उम्मीद है, जो बदले में शुरुआती आकाशगंगाओं और हमारी अपनी आकाशगंगा के विकास को समझने में मदद करेगा.

ये बैकग्राउंड गुरुत्वाकर्षण तरंगें नैनोहर्ट्ज के क्रम में आवृत्तियों की होती हैं, जिनमें उच्च तरंग दैर्ध्य लाखों और करोड़ों किलोमीटर तक फैली होती है, और दोलन की अवधि वर्षों से दशकों तक होती है.

आइंस्टीन के सापेक्षता के सिद्धांत के अनुसार ऐसी तरंगों की भविष्यवाणी की गई है जो दो अत्यधिक सुपरमैसिव ब्लैक होल द्वारा एक-दूसरे की परिक्रमा करने और अंतरिक्ष-समय के माध्यम से बड़े सर्पिल चाप में घूमने और अंततः टकराने से उत्पन्न होती हैं. लेकिन इस खोजे गए पृष्ठभूमि सिग्नल के लिए स्रोत ऑब्जेक्ट का अभी तक पता नहीं लगाया गया है.

पल्सर नामक “ब्रह्मांडीय घड़ियों” का उपयोग करके, 2007-2008 से शुरू होकर, लगभग पंद्रह वर्षों की अवलोकन अवधि के बाद यह निष्कर्ष निकाले गए थे.

चूंकि यूएस-आधारित लेजर इंटरफेरोमीटर ग्रेविटेशनल-वेव ऑब्ज़र्वेटरी (LIGO) जैसे ग्राउंड-आधारित इंटरफेरोमीटर, इन अल्ट्रा-लो फ्रीक्वेंसी तरंगों का पता लगाने के लिए पर्याप्त सेंसिटिव नहीं हैं, इसलिए खगोलविदों ने पल्सर का उपयोग किया – जो कि तेजी से घूमने वाले न्यूट्रॉन तारे होते हैं जो एक खास समय में विस्फोट के साथ ऊर्जा का उत्पादन करते हैं. ये पूरे ब्रह्मांड में फैले हुए थे, इस प्रकार संपूर्ण आकाशगंगा को अध्ययन के लिए एक विशाल इंटरफेरोमीटर में बदल दिया गया.

15वें वर्ष की समाप्ति पर, वैज्ञानिक 75 पल्सर पर एक लहर के आगमन की पुष्टि करने में सक्षम थे, उन पर इसके प्रभाव की पुष्टि करके; प्रत्येक पल्सर से एक पल्स का आगमन मात्र 1 माइक्रोसेकंड से बदल गया. वैज्ञानिक सटीकता के स्तर को एक मिलीमीटर के हजारवें हिस्से के भीतर चंद्रमा की दूरी मापने के बराबर बताते हैं.

वरिष्ठ रेडियो खगोलशास्त्री और इंडियन पल्सर टाइमिंग एरे के संस्थापक निदेशक, भाल चंद्र जोशी ने कहा, “यह खगोल भौतिकी में अब तक किए गए सबसे सटीक मापों में से एक है, जो इस प्रयास का एक हिस्सा था.” उन्होंने कहा, “हम ब्लैक होल की स्थिति के लिए कुछ सेंटीमीटर के स्तर तक सटीकता प्राप्त कर सकते हैं.”

यह कार्य इंटरनेशनल पल्सर टाइमिंग एरे (आईपीटीए) कंसोर्टियम द्वारा एक विशाल अंतरराष्ट्रीय सहयोग है, जो ऑस्ट्रेलिया के पार्क्स पीटीए (पीपीटीए), यूरोपीय पीटीए (ईपीटीए), नॉर्थ अमेरिकन नैनोहर्ट्ज़ ऑब्ज़र्वेटरी फॉर ग्रेविटेशनल वेव्स (एनएएनओजीआरएवी), इंडो-जापानी पीटीए (आईएनपीटीए), चीनी पीटीए (सीपीटीए) से बना है और इसमें सैकड़ों वैज्ञानिक संस्थान शामिल हैं.

जोशी ने कहा, “यह प्रयास कई स्नातक, स्नातकोत्तर और पीएचडी छात्रों के साथ-साथ पोस्ट डॉक्टोरल शोधकर्ताओं के साथ-साथ जापान के शोधकर्ताओं की कड़ी मेहनत का एक शानदार संयोजन है.”

नैनोहर्ट्ज़ गुरुत्वाकर्षण तरंगें क्या हैं?

जबकि तारों और सुपरनोवा को विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम के माध्यम से देखा जा सकता है, ब्लैक होल और न्यूट्रॉन सितारों जैसे अत्यधिक विशाल पिंडों के प्रभाव, जो अंतरिक्ष समय के मूल ढांचे को बाधित करते हैं, को प्रकाश की गति से यात्रा करने वाली गुरुत्वाकर्षण तरंगों के रूप में पता लगाया जा सकता है. ये तरंगें स्पेसटाइम के फैब्रिक को मोड़ती हैं, जिससे स्पेस और टाइम दोनों में एक सेकंड के एक अंश का परिवर्तन होता है.

एलआईजीओ जैसे इंटरफेरोमीटर ऐसे उपकरण हैं जो उच्च परिशुद्धता के साथ आवधिक संकेतों को देखकर और अपने लक्ष्य तक पहुंचने में लगने वाले समय में एक मिनट के बदलाव को पकड़कर इन तरंगों का पता लगाते हैं – जो कि गुजरने वाली गुरुत्वाकर्षण तरंग द्वारा स्पेस-टाइम के लचीलेपन के कारण होता है. मल्टीपल इंटरफेरोमीटर सिग्नल की सटीकता में सुधार करने में मदद करते हैं और स्रोत को त्रिकोण बनाने में भी मदद करते हैं.

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ब्लैक होल ब्रह्मांड में सबसे विशाल – मतलब सबसे भारी, या सबसे अधिक द्रव्यमान वाली – वस्तुएं हैं. तुलना के लिए उनके द्रव्यमान को सूर्य के द्रव्यमान के संदर्भ में मापा जाता है, और वे तीन सौर द्रव्यमान (ज्ञात सबसे छोटा ब्लैक होल) से लेकर 100000000000 (10 हजार करोड़) या 1011 सौर द्रव्यमान तक कहीं भी होते हैं.

जो कापी बड़े ब्लैक होल्स हैं उनको सुपरमैसिव ब्लैक होल्स (एसएमबीएच) कहा जाता है, और वे सभी आकाशगंगाओं के केंद्र में मौजूद होते हैं. हमारी अपनी आकाशगंगा Sgr A* (Sagittarius A star) नाम के सुपर मैसिव ब्लैक होल की परिक्रमा करती है.

यह समझने के लिए कि ये विशाल पिंड स्पेस-टाइम के फैब्रिक को कैसे प्रभावित करते हैं, यह समझाने के लिए वैज्ञानिक रबर शीट के उदाहरण का उपयोग करते हैं जहां प्रत्येक खगोलीय पिंड रबर शीट पर आनुपातिक रूप से विशाल गेंद की तरह है. अधिक विशाल ऑब्जेक्ट्स फैब्रिक में बड़े गड्ढे या डिप्रेशन का निर्माण करती हैं, जो वस्तुओं को अपनी ओर खींचती है, और जो गुरुत्वाकर्षण को दर्शाती है.

जब इनमें से काफी बड़े सुपर मैसिव ब्लैक होल्स (एसएमबीएच) एक-दूसरे की परिक्रमा करते हैं और टकराते हैं, तो वे लगातार बेहद कम फ्रीक्वेंसी पर गुरुत्वाकर्षण तरंगों का उत्सर्जन करते हैं, जिन्हें नैनोहर्ट्ज़ में मापा जाता है. एलआईजीओ द्वारा खोजे गए ऐसे छोटे ब्लैक होल्स जो बहुत अधिक फ्रीक्वेंसी वाले होते हैं और जिनका अंततः एक-दूसरे से टकराव के साथ अंत होता है, उनकी तुलना में ये लगातार सिगनल्स भेजते हैं जिनका कोई अंत नहीं होता.

इनपीटीए के प्रोजेक्ट लीड ए. गोपाकुमार, जिन्होंने जोशी के साथ प्रोजेक्ट शुरू किया था, इन एसएमबीएच को “अति विशाल ब्लैक होल या हाइपर मैसिव ब्लैक होल्स” कहते हैं.

उन्होंने समझाया, “स्पेस-टाइम के फैब्रिक के चार आयाम या डायमेंशन हैं, चौथा आयाम समय या टाइम है.” आगे उन्होंने कहा, “इनमें जो विकृतियां उत्पन्न होती हैं उन्हें गुरुत्वाकर्षण तरंगों के रूप में समझी जाती हैं. हमने यहां जो पाया है वह ब्रह्मांड में हमारे चारों ओर ऐसी तरंगों का निरंतर आवाज़ करना है, और जो निकट भविष्य में मनुष्यों के टाइम स्केल पर खत्म नहीं होने वाला है.

इसके अलावा, उन्होंने कहा, तथ्य यह है कि ऐसी तरंगों का स्रोत सिर्फ एक या दो एसएमबीएच नहीं है, बल्कि इस फ्रीक्वेंसी पर उत्सर्जित होने वाले लाखों सुपर मैसिव ब्लैकहोल जोड़े हैं.

गोपाकुमार ने कहा, “वैकल्पिक स्रोत हो सकते हैं, लेकिन यह काफी डिमांडिंग प्रोसेस है और सबसे सरल व्याख्या हाइपर-मैसिव बाइनरी ब्लैक होल्स हैं. और इसी को पाने की हम उम्मीद कर रहे हैं यही हम खोजने की उम्मीद करते हैं.”

वेंडरबिल्ट यूनिवर्सिटी, यूएसए में नैनो गुरुत्वाकर्षण तरंग शोधकर्ता और कागजात पर एक लेखक निहान पोल ने बताया कि जब NANOGrav ने 2020 में अपना 12.5- साल का डेटासेट जारी किया, तो वास्तविक सबूत के बिना इस बैकग्राउंड सिग्नल के शुरुआती संकेत थे. “इस 15-साल के डेटासेट में, अब हमारे पास अधिक डेटा है, और बहुत अधिक पल्सर हैं, और हम नैनोहर्ट्ज़ बैकग्राउंड की उपस्थिति के लिए मापे साक्ष्य में वृद्धि देखते हैं.”

पता कैसे लगाते हैं?

पल्सर (स्पंदित या पल्जे़टिंग रेडियो सोर्स) तेजी से घूमने वाले न्यूट्रॉन तारे हैं जो उच्च परिशुद्धता के साथ ऊर्जा के पल्स उत्सर्जित करते हैं.

गोपाकुमार ने बताया, “वे प्रति सेकंड सैकड़ों या हजारों बार की दर से घूमते हैं, जबकि पल्स की समयावधि मिलीसेकेंड में होती है.” वे इतने सटीक रूप से सुसंगत हैं कि उनका उपयोग अवधियों से जुड़े अन्य मापों के लिए एक संदर्भ के रूप में किया जाता है, और इस प्रयोग के लिए भी उनका उपयोग किया गया था.

1967 में, खगोलशास्त्री जॉक्लिन बेल बर्नेल ने एक नए रेडियो टेलीस्कोप से डेटा का अध्ययन करते हुए रेडियो पल्सर का पहला पता लगाया था, जिसे बनाने में उन्होंने मदद की थी. निरंतर पीरियॉडिक सिग्नल को उन्होंने और उनके सहयोगियों ने एक्स्ट्रा टेरेस्ट्रियल सिग्नल के रूप में उसका निकनेम लिटिल ग्रीन मेन या एलजीएम रखा. हालांकि, उन्हें विश्वास था कि वे इसका स्रोत ज़रूर ढूंढ लेंगे.

जैसे ही टीम ने दूसरा पल्सर और अन्य खोजा उन्होंने वैसा ही किया. बाद में 1974 में, उनके पर्यवेक्षक एंटनी हेविश और भौतिक विज्ञानी मार्टिन राइल ने क्रांतिकारी रेडियो दूरबीनें विकसित कीं और “पल्सर की खोज में निर्णायक भूमिका” के लिए भौतिकी में संयुक्त नोबेल पुरस्कार जीता.

बेल बर्नेल के मुताबिक, पिछले कुछ दिन “उत्साह और व्यस्तता वाले” रहे हैं.

उन्होंने दिप्रिंट को बताया, “यह अपने आप में एक पल्सर की खोज नहीं है, बल्कि एक और खोज करने के लिए पल्सर का उपयोग करना है. पल्सर से पल्स की सटीकता के कारण आप बता सकते हैं कि पल्सर चल रहा है (या चला रहा था). जो देखा गया है वह यह है कि पल्सर गुरुत्वाकर्षण तरंगों में ऊपर-नीचे होते रहते हैं (जैसे बत्तख पानी के लहरों पर इधर-उधर उछलते हैं). इसलिए पल्सर हमें गुरुत्वाकर्षण तरंग या ग्रैविटेशनल वेव्स को ‘देखने’ में सक्षम बनाते हैं.”

गुजरती हुई गुरुत्वाकर्षण तरंग द्वारा पल्सर की समयावधि में होने वाला परिवर्तन केवल बहु-वर्षीय स्केल पर ही पता लगाया जा सकता है क्योंकि इसके परिणामस्वरूप इतना सूक्ष्म परिवर्तन दशमलव बिंदु के बाद कई अंकों पर ही ध्यान देने योग्य होता है.

पोल ने कहा, “पल्सर टाइमिंग एरे कई दशक वाली परियोजनाएं हैं, और कम फ्रीक्वेंसी के प्रति बेहतर सेंसिटिविटी प्राप्त करते हैं क्योंकि वे अधिक पल्सर टाइमिंग डेटा एकत्र करते हैं. इस कार्य में बताई गई नैनोहर्ट्ज़ गुरुत्वाकर्षण तरंग बैकग्राउंड भी कम फ्रीक्वेंसी पर तेज़ हो जाती है.” “अगर इसको एक साथ रखकर देखें तो इसका मतलब यह है कि इस नैनोहर्ट्ज़ जीडब्ल्यूबी के लिए सबूत पल्सर टाइमिंग डेटासेट के बढ़ते समय के साथ बढ़ना चाहिए, जो कि हम NANOGrav डेटा में देख रहे हैं.”

जैसे ही ये पल्स इंटरस्टेलर माध्यम से यात्रा करते हैं, जो गैस, धूल और प्लाज्मा से बना होता है, सिग्नल में नॉइज़ उत्पन्न होता है.

यहीं पर InPTA का महत्वपूर्ण योगदान आता है.

InPTA पुणे स्थित विशाल मेट्रोवेव रेडियो टेलीस्कोप (GMRT) की अनूठी प्रापर्टीज़ का उपयोग करता है, जो पुणे के पास नेशनल सेंटर फॉर रेडियो एस्ट्रोफिजिक्स (NCRA-TIFR) द्वारा संचालित है. जीएमआरटी डेटा एकत्र करने के लिए 2016 से काम कर रहा है, लेकिन आईपीटीए में 2020 में ही शामिल हुआ.

नैनोहर्ट्ज़ जीडब्ल्यू शोधकर्ता, आईआईएसईआर-भोपाल के प्रोफेसर और इंडो-यूरोपीय पत्रों के लेखक मयूरेश सुर्निस ने बताया, “हमारा कार्यक्षेत्र यह है कि हम अकेले हैं जो कम रेडियो आवृत्तियों की दो रेंज पर निरीक्षण कर सकते हैं जिन्हें कोई और संचालित नहीं कर रहा है. यह इंटरस्टेलर या अंतरतारकीय माध्यम के नॉइज़ को वास्तविक पल्सर सिग्नल से अलग करने में मदद करता है.” “जीएमआरटी डेटा के साथ, पल्सर के उत्सर्जन में परिवर्तन का कारण बनने वाले अन्य स्रोत भी समाप्त हो जाते हैं.”

ईपीटीए सेट, जब इनपीटीए सेट के साथ संयुक्त होते हैं, तो सटीकता में सुधार होता है, जिससे पल्स के बारे में ज्यादा बेहतर डेटा मिलता है, जिसके बदले में नैनो जीडब्ल्यू की विशेषताओं की गणना करने में मदद मिलती है जो स्रोत पल्सर से होकर गुजरी होगी.

जबकि InPTA के भारतीय और जापानी शोधकर्ता उन्नत GMRT का उपयोग करते हैं, PPTA पार्क्स रेडियो टेलीस्कोप का उपयोग करता है, EPTA पांच सबसे बड़े यूरोपीय टेलीस्कोप का उपयोग करता है – लोवेल टेलीस्कोप, वेस्टरबोर्क सिंथेसिस रेडियो टेलीस्कोप, एफ़ल्सबर्ग टेलीस्कोप, नैनके रेडियो टेलीस्कोप, सार्डिनिया रेडियो टेलीस्कोप, NANOGrav द्वारा एकत्र किए गए डेटा का उपयोग करता है. अब बंद हो चुके एरेसीबो टेलीस्कोप और ग्रीन बैंक रेडियो टेलीस्कोप, और सीपीटीए पांच-सौ मीटर एपर्चर गोलाकार रेडियो टेलीस्कोप (फास्ट) का उपयोग करता है.

महत्व और भविष्य

जारी किए गए डेटासेट में PPTA, NANOGrav के अलग-अलग डेटासेट और EPTA और InPTA के संयुक्त डेटासेट शामिल हैं. अब, आईपीटीए टीम ने पहले ही सभी पीटीए के परिणामों को संयोजित करना शुरू कर दिया है, जिसके परिणामस्वरूप अधिक सटीक निष्कर्ष मिलेंगे जो इनमें से कुछ नैनोहर्ट्ज़ जीडब्ल्यू के स्रोतों का पता लगाने में मदद करेंगे.

सुरनिस ने कहा, “कल्पना कीजिए कि कोई एक तालाब में कई पत्थर गिराता है. आप कुछ मिनटों के बाद आते हैं, और आप देख सकते हैं कि हर तरफ लहरें उठ रही हैं, लेकिन आपको पता नहीं है कि पत्थर कहां गिरे थे. यही वह संकेत है जिसका हम पता लगाने की कोशिश कर रहे हैं.”

संयुक्त डेटासेट पिछले 15 वर्षों में अध्ययन में उपयोग किए गए सभी 75 पल्सर और उनके डेटा की जानकारी प्रदान करेगा, और आकाश में स्रोतों का त्रिकोण बनाने में मदद करेगा.

इसमें शामिल सभी लोगों को भरोसा है कि खोज से ब्लैक होल-ब्लैक होल जोड़ी का पता चल जाएगा, जिसके परिणाम अगले दो वर्षों के भीतर अगले दो डेटासेट रिलीज में से एक में घोषित होने की उम्मीद है.

“एक नई घटना का पता लगाने के लिए भौतिकी में गोल्ड स्टैंडर्ड फाइव सिग्मा है. गोपाकुमार ने कहा, हम अभी तक वहां नहीं हैं, लेकिन हमें विश्वास है कि जब हमें संयुक्त डेटासेट से परिणाम मिलेंगे तो हम वहां होंगे.

वैज्ञानिक पूरी तरह से विकल्पों पर छूट नहीं दे रहे हैं.

पोल ने कहा, “एक संभावित विश्लेषण सुपरमैसिव बीएच बाइनरी सिस्टम की एक-दूसरे के सापेक्ष घूमते तारों की आबादी है. लेकिन अन्य विश्लेषण, जिनमें से कुछ एक्ज़ियॉन्स जैसे एक्जॉटिक पार्टिकिल्स की बात करते हैं, इस डेटासेट में दिखाई देने वाले संकेत को भी समझा सकते हैं. अभी निश्चित रूप से यह कहना जल्दबाजी होगी कि तरंगें एक स्रोत या दूसरे द्वारा उत्पन्न हो रही हैं, और भविष्य में, लंबे, अधिक संवेदनशील डेटासेट से हमें अधिक निर्णायक बयान देना चाहिए.”

स्रोत का पता लगाने से आइंस्टीन के समीकरणों के माध्यम से इन संभावित एसएमबीएच के द्रव्यमान की गणना करना आसान हो जाएगा, जिससे उनके विकास को समझा जा सकेगा – और क्या वे एक बड़े रहस्य को सुलझा सकते हैं.

सुरनिस ने बताया, “आज हमारे चारों ओर बड़ी आकाशगंगाएं हैं और हम ठीक से नहीं जानते कि उनका निर्माण कैसे हुआ.” “वर्तमान सिद्धांत यह है कि छोटे ब्लैक होल वाली छोटी आकाशगंगाओं ने एक-दूसरे के साथ मिलकर हमारी जैसी बड़ी सर्पिलाकार आकाशगंगाएं बनाईं. हम इन प्रारंभिक एसएमबीएच को समझकर समझ सकते हैं कि आज की आकाशगंगाएं कैसे विकसित हुईं, जो एक बिंदु पर इन नैनोहर्ट्ज़ जीडब्ल्यू का उत्सर्जन करती थीं.

जोशी को जीएमआरटी जैसी दूरबीनों को संचालित करने का अनुरोध करने में कठिनाई के शुरुआती दिनों की याद आई क्योंकि रिक्वेस्ट प्रपोज़ल्स में अपेक्षित परिणामों का उचित प्रदर्शन शामिल करने की आवश्यकता होती है. चूंकि नैनोहर्ट्ज़ जीडब्ल्यू अवलोकन 12 से 15 वर्षों की अवधि में होते हैं, इसलिए उन्होंने 2016 से पहले ऊटी रेडियो टेलीस्कोप पर प्रयोग शुरू कर दिया था.

अब यह जानते हुए कि जीएमआरटी पल्सर डेटा को क्या लाभ प्रदान करता है, जोशी का मानना है कि InPTA नैनोहर्ट्ज़ ग्रैविटेशनल वेव एस्ट्रोनॉमी के भविष्य में महत्वपूर्ण भूमिका निभाएगा.

जोशी ने कहा,“इस तरह के निष्कर्ष निरंतर जांच और जिज्ञासा का एक प्रमाण हैं, जिसने सारी मानव प्रगति को जन्म दिया है. मौलिक अनुसंधान ने कई प्रौद्योगिकियों के विकास को प्रेरित किया है जो आज दैनिक उपयोग में हैं. नैनोहर्ट्ज़ ग्रैविटेशनल वेव एस्ट्रोनॉमी के लिए, यह सिर्फ शुरुआत है. आने वाले दशकों में ऐसी कई और खोजें होंगी.”

(संपादनः शिव पाण्डेय)
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