मानव इतिहास के लिए, हमने ब्रह्मांड का अन्वेषण एक इंद्रिय से किया है: दृष्टि। चाहे वो नंगी आँखों से तारा-दर्शन हो, Galileo की दूरबीन हो, या Hubble Space Telescope — खगोल विज्ञान हमेशा प्रकाश पकड़ने के बारे में रहा है। दृश्य, infrared, रेडियो, X-ray, gamma ray। प्रकाश अपने सभी रूपों में।
फिर, 14 सितंबर, 2015 को, सुबह 5:51 बजे Eastern समय पर, ब्रह्मांड ने हमसे एक पूरी तरह से नई भाषा में फुसफुसाहट की। और हमने इसे सुना।
वो फुसफुसाहट एक gravitational wave (गुरुत्वाकर्षण तरंग) थी — स्पेसटाइम के ताने-बाने में एक लहर — और इसका पता लगाना ब्रह्मांड पर एक खिड़की खोल दिया जो विज्ञान की शुरुआत से बंद थी।
गुरुत्वाकर्षण तरंगें क्या हैं?
Albert Einstein ने 1916 में अपने सामान्य सापेक्षता सिद्धांत के परिणाम के रूप में गुरुत्वाकर्षण तरंगों की भविष्यवाणी की थी। विचार सुंदर है: द्रव्यमान और ऊर्जा spacetime को मोड़ते हैं, और जब विशाल वस्तुएँ त्वरित होती हैं, वे उस घुमावदार spacetime के माध्यम से प्रकाश की गति से लहरें बाहर भेजते हैं। इसे एक तालाब में गिराए गए पत्थर की तरह सोचें, सिवाय इसके कि तालाब वास्तविकता का बहुत ताना-बाना है।
हर त्वरित द्रव्यमान तकनीकी रूप से गुरुत्वाकर्षण तरंगें उत्पन्न करता है। आप उन्हें तब उत्पन्न करते हैं जब आप अपना हाथ हिलाते हैं। लेकिन प्रभाव हास्यास्पद रूप से छोटा होता है — इतना छोटा कि केवल ब्रह्मांड में सबसे हिंसक घटनाएँ ही पता लगाने योग्य लहरें उत्पन्न करती हैं। हम ब्लैक होल टकराने, neutron stars एक-दूसरे में सर्पिल खाने, supernovae के कोर के ढहने की बात कर रहे हैं।
जब तक तरंगें पृथ्वी तक पहुँचती हैं, वे जो विकृति पैदा करती हैं वो लगभग अकल्पनीय रूप से छोटी होती है। पहले पता लगने ने लगभग 10⁻¹⁸ मीटर की दूरी में परिवर्तन को मापा — एक प्रोटॉन के व्यास का एक-हज़ारवाँ हिस्सा।
LIGO और Virgo: डिटेक्टर
वो मशीन LIGO है — Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory। इसमें दो L-आकार के डिटेक्टर हैं, एक Livingston, Louisiana में और एक Hanford, Washington में, हर एक 4 किलोमीटर लंबी भुजाओं के साथ। एक लेज़र किरण को विभाजित किया जाता है और दोनों भुजाओं से नीचे भेजा जाता है, सिरों पर दर्पणों से उछलता है, और पुनः संयोजित होता है। जब एक गुरुत्वाकर्षण तरंग गुज़रती है, यह एक भुजा को खींचती है और दूसरी को संकुचित करती है।
Virgo, Pisa, Italy के पास एक यूरोपीय डिटेक्टर 3-किलोमीटर भुजाओं के साथ, 2017 में नेटवर्क में शामिल हुआ। एक साथ, LIGO और Virgo आसमान पर एक गुरुत्वाकर्षण तरंग के स्रोत को त्रिकोणीकरण कर सकते हैं। जापान का KAGRA डिटेक्टर भी नेटवर्क में शामिल हुआ है, और भारत LIGO-India का निर्माण कर रहा है — महाराष्ट्र के Hingoli ज़िले में, जो 2030 तक चालू होने की उम्मीद है। ये भारत के अंतरिक्ष विज्ञान में सबसे महत्वाकांक्षी अंतरराष्ट्रीय परियोजनाओं में से एक है।
पहला पता लगना: दो ब्लैक होल टकराते हैं
वो पहला सिग्नल, GW150914 के रूप में नामित, दो ब्लैक होल से आया — एक लगभग 36 सूर्य द्रव्यमान, दूसरा लगभग 29 — एक साथ सर्पिल खाते हुए और लगभग 1.3 अरब प्रकाश वर्ष दूर विलीन होते हुए। विलय से पहले के अंतिम सेकंड के अंश में, वे लगभग प्रकाश की गति की आधी पर एक-दूसरे की परिक्रमा कर रहे थे।
विलीन ब्लैक होल लगभग 62 सूर्य द्रव्यमान का था। यदि आप गणित करते हैं, तो आप देखेंगे कि 36 + 29 = 65, 62 नहीं। लापता तीन सूर्य द्रव्यमान गुरुत्वाकर्षण तरंगों के रूप में विकिरित किए गए थे। शुद्ध ऊर्जा के तीन सूर्य द्रव्यमान, सेकंड के एक अंश में जारी। उस संक्षिप्त क्षण के लिए, टक्कर अवलोकन योग्य ब्रह्मांड के सभी तारों एक साथ से अधिक शक्ति उत्सर्जित कर रही थी।
11 फ़रवरी, 2016 को घोषणा ने वैज्ञानिक दुनिया को विद्युतीकृत कर दिया। Rainer Weiss, Kip Thorne, और Barry Barish को खोज के लिए 2017 का भौतिकी का Nobel Prize प्रदान किया गया।
Neutron Star विलय: सोना कहाँ से आता है
17 अगस्त, 2017 को, LIGO और Virgo ने कुछ अलग पता लगाया: GW170817, दो neutron stars से गुरुत्वाकर्षण तरंग सिग्नल जो एक साथ सर्पिल खा रहे थे और लगभग 130 मिलियन प्रकाश वर्ष दूर NGC 4993 नामक आकाशगंगा में टकरा रहे थे।
ये घटना कई कारणों से परिवर्तनकारी थी। पहला, क्योंकि Virgo संचालित था, स्रोत को आसमान के एक छोटे पैच में स्थानीकृत किया जा सकता था। घंटों के भीतर, दुनिया भर की दूरबीनों ने उस स्थान पर प्रकाश का एक नया बिंदु देखा — एक kilonova, neutron star विलय का ऑप्टिकल समकक्ष। पहली बार, मानवता ने एक ही ब्रह्मांडीय घटना को गुरुत्वाकर्षण तरंगों और विद्युत चुम्बकीय विकिरण दोनों में देखा। Multi-messenger astronomy का जन्म हुआ।
दूसरा, kilonova अवलोकनों ने एक लंबे समय से संदिग्ध सिद्धांत की पुष्टि की: neutron star विलय ब्रह्मांड के सबसे भारी तत्वों के एक प्रमुख स्रोत हैं। हिंसक टक्कर ऐसी सामग्री बाहर फेंकती है जो neutron-समृद्ध है कि यह rapid neutron capture (r-process) nucleosynthesis से गुज़रती है, सोना, प्लैटिनम, और यूरेनियम जैसे तत्वों को बनाती है।
इसके बारे में सोचें। आपके आभूषण में सोना, catalytic converters में प्लैटिनम, परमाणु रिएक्टरों में यूरेनियम — इसमें से अधिकांश अरबों साल पहले neutron stars की टक्कर में बनाया गया था, अंतरिक्ष में फेंका गया, और अंततः उस गैस बादल में शामिल किया गया जिसने हमारे सौर मंडल का गठन किया।
NANOGrav: Gravitational Wave Background
LIGO और Virgo अपेक्षाकृत उच्च आवृत्तियों — दसियों से हज़ारों Hertz तक — पर गुरुत्वाकर्षण तरंगों का पता लगाते हैं। लेकिन बहुत कम आवृत्तियों पर गुरुत्वाकर्षण तरंगों का एक पूरी तरह से अलग स्पेक्ट्रम है।
जून 2023 में, NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves) सहयोग ने एक मील का पत्थर परिणाम घोषित किया: एक gravitational wave background के लिए मज़बूत साक्ष्य — पूरे अंतरिक्ष में फैली हुई गुरुत्वाकर्षण तरंगों की कम-आवृत्ति वाली गुनगुनाहट।
NANOGrav एक आकाशगंगा-आकार के गुरुत्वाकर्षण तरंग डिटेक्टर के रूप में millisecond pulsars के नेटवर्क का उपयोग करता है। Pulsars तेज़ी से घूमते neutron stars हैं जो असाधारण नियमितता के साथ रेडियो तरंगों की किरणें उत्सर्जित करते हैं। 15 साल की अवधि में आकाश में फैले दर्जनों pulsars से pulses को ठीक-ठीक समय देकर, NANOGrav ने सहसंबद्ध समय भिन्नताओं की तलाश की।
उन्होंने इसे पाया। सबसे संभावित स्रोत पूरे ब्रह्मांड में विलय हो रही आकाशगंगाओं में हज़ारों supermassive black hole pairs से संयुक्त गुरुत्वाकर्षण विकिरण है।
LISA: Gravitational Wave Astronomy को अंतरिक्ष में ले जाना
अगली बड़ी छलांग अंतरिक्ष से आएगी। Laser Interferometer Space Antenna (LISA), 2030 के दशक के मध्य में लॉन्च के लिए नियोजित संयुक्त ESA/NASA मिशन, एक त्रिकोणीय गठन में उड़ने वाले तीन अंतरिक्ष यान से बना होगा, 2.5 मिलियन किलोमीटर से अलग।
इन आवृत्तियों पर, LISA सुपरमैसिव ब्लैक होल के विलय का पता लगाएगा — आकाशगंगाओं के केंद्रों में अरब-सूर्य-द्रव्यमान वाले दानव।
LISA उन ब्लैक होल विलयों के लिए शुरुआती चेतावनी भी प्रदान करेगा जिन्हें LIGO और Virgo बाद में पता लगाएँगे।
हमने क्या सीखा है
एक दशक से कम में, गुरुत्वाकर्षण तरंग खगोल विज्ञान ने पहले से ही:
- पुष्टि की है कि ब्लैक होल binaries मौजूद हैं और बार-बार विलीन होते हैं
- अप्रत्याशित रूप से विशाल तारकीय ब्लैक होल की एक आबादी को प्रकट किया है
- साबित किया है कि neutron star विलय सोना और प्लैटिनम जैसे भारी तत्वों का उत्पादन करते हैं
- गुरुत्वाकर्षण और विद्युत चुम्बकीय अवलोकनों को मिलाकर multi-messenger astronomy को खोला है
- सुपरमैसिव ब्लैक होल जोड़ों से gravitational wave background का पता लगाया है
और ये केवल शुरुआत है। जैसे-जैसे डिटेक्टर संवेदनशीलता में सुधार करते हैं और नई वेधशालाएँ ऑनलाइन आती हैं — विशेष रूप से भारत की LIGO-India 2030 तक — हम कभी अधिक दूर और विदेशी स्रोतों से कभी हल्की फुसफुसाहटें सुनेंगे।
अरबों वर्षों से, ब्रह्मांड एक ब्रह्मांडीय घंटी की तरह कंपन कर रहा है, ब्लैक होल की टक्करों और neutron stars के सर्पिल नृत्यों के साथ बज रहा है। हमने अभी सुनना सीखा है। और संगीत असाधारण है।
