में फरवरी 2016वैज्ञानिकों पर लेजर इंटरफेरोमीटर गुरुत्वाकर्षण-तरंग वेधशाला (एलआईजीओ) ने पुष्टि की कि उन्होंने पहली बार इसका पता लगाया है गुरुत्वाकर्षण तरंगें (जीडब्लूएस)। ये घटनाएँ तब घटित होती हैं जब न्यूट्रॉन तारे और ब्लैक होल जैसी विशाल वस्तुएँ विलीन हो जाती हैं, जिससे अंतरिक्ष-समय के माध्यम से तरंगें निकलती हैं जिन्हें लाखों (और यहां तक कि अरबों) प्रकाश-वर्ष दूर भी पहचाना जा सकता है। पहली घटना के बाद से, LIGO द्वारा 100 से अधिक GW घटनाओं की पुष्टि की गई है उन्नत कन्या सहयोग, और कामिओका गुरुत्वाकर्षण तरंग डिटेक्टर (कागरा).
इसके अलावा, वैज्ञानिकों ने अंदरूनी हिस्सों की जांच से जीडब्ल्यू खगोल विज्ञान के लिए कई अनुप्रयोग पाए हैं सुपरनोवा और न्यूट्रॉन तारे मापने के लिए ब्रह्माण्ड की विस्तार दर और यह सीखना कि यह कैसा दिखता था बिग बैंग के एक मिनट बाद. में एक आधुनिक अध्ययनखगोलविदों की एक अंतरराष्ट्रीय टीम ने बाइनरी ब्लैक होल (बीबीएच) विलय के लिए एक और आवेदन प्रस्तावित किया: ब्रह्मांड में सितारों की पहली पीढ़ी (जनसंख्या III) की जांच के लिए ब्रह्मांड में सबसे पुराने विलय का उपयोग करना। घटनाएँ कैसे विकसित हुईं, इसका मॉडलिंग करके, उन्होंने यह निर्धारित किया कि किस प्रकार का GW प्रस्तावित संकेत देता है आइंस्टीन टेलीस्कोप (ईटी) आने वाले वर्षों में निरीक्षण कर सकता है।
अध्ययन का नेतृत्व किया गया बोयुआन लियूमें एक पोस्टडॉक्टोरल शोधकर्ता हीडलबर्ग विश्वविद्यालय का खगोल विज्ञान केंद्र (ZAH) और का एक सदस्य उत्कृष्टता क्लस्टर संरचनाएँ कार्यक्रम. उनके साथ जेएएच और के सहकर्मी भी शामिल थे सैद्धांतिक खगोल भौतिकी संस्थान हीडलबर्ग विश्वविद्यालय में, कैम्ब्रिज इंस्टीट्यूट ऑफ एस्ट्रोनॉमीद बुद्धि भौतिकी संस्थानद पेरिस का खगोल भौतिकी संस्थानद ल्योन एस्ट्रोफिजिकल रिसर्च सेंटरद ग्रैन सैसो विज्ञान संस्थान (जीएसएसआई), द कावली इंस्टीट्यूट फॉर कॉस्मोलॉजीद सैद्धांतिक भौतिकी के लिए वेनबर्ग संस्थानऔर कई विश्वविद्यालय।
ब्रह्मांडीय अंधकार से भोर तक
बिग बैंग के लगभग 100 से 500 मिलियन वर्ष बाद, जनसंख्या III तारे ब्रह्मांड में बनने वाले पहले सितारे हैं। उस समय, ब्रह्मांड में हाइड्रोजन और हीलियम पदार्थ के सबसे प्रचुर रूप थे, जिससे तारे बने जो बहुत विशाल थे और उनमें वस्तुतः कोई धातु नहीं थी (कम धात्विकता)। ये तारे भी अल्पकालिक थे, अपना हाइड्रोजन ईंधन समाप्त करने और सुपरनोवा में जाने से पहले केवल 2 से 5 मिलियन वर्ष तक जीवित रहे। इस बिंदु पर, उनके कोर (लिथियम, कार्बन, ऑक्सीजन, लोहा, आदि) में निर्मित भारी तत्व पूरे ब्रह्मांड में फैल गए, जिससे उच्च धातु सामग्री वाले जनसंख्या II और I तारे बन गए।
खगोलशास्त्री और ब्रह्माण्डविज्ञानी इस अवधि को “लौकिक भोर“चूंकि इन पहले सितारों और आकाशगंगाओं का अंत हुआ”लौकिक अंधकार युग“वह इससे पहले था। जैसा कि लियू ने यूनिवर्स टुडे को ईमेल के माध्यम से समझाया, पॉप III सितारों के गुण कॉस्मिक डॉन के दौरान ब्रह्मांड की अजीब स्थितियों के प्रति संवेदनशील थे, जो वर्तमान स्थितियों से बहुत अलग थे। इसमें डार्क मैटर हैलोज़ की उपस्थिति शामिल है, जो वैज्ञानिकों का मानना है कि पहली आकाशगंगाओं के निर्माण के लिए महत्वपूर्ण थे:
“पॉप III स्टार के निर्माण का समय प्रारंभिक संरचना निर्माण की गति को दर्शाता है, जो हमें डार्क मैटर और गुरुत्वाकर्षण की प्रकृति के बारे में सिखा सकता है। मानक ब्रह्माण्ड विज्ञान मॉडल में, ब्रह्मांडीय संरचना का निर्माण नीचे से ऊपर की ओर होता है, जो छोटे प्रभामंडल से शुरू होता है, जो फिर अभिवृद्धि और विलय द्वारा बड़े प्रभामंडल में बदल जाता है। पॉप III सितारों के बड़े पैमाने पर होने की उम्मीद है (> 10 सौर द्रव्यमान, 1 मिलियन सौर द्रव्यमान तक पहुंच रहा है, जबकि वर्तमान सितारों का औसत द्रव्यमान ~ 0.5 सौर द्रव्यमान है)। इसलिए, उनमें से कई परमाणु संलयन के लिए ईंधन खत्म होने पर सुपरनोवा के रूप में विस्फोट करेंगे या बड़े पैमाने पर ब्लैक होल (बीएच) बन जाएंगे।
इन पॉप III ब्लैक होल के बारे में यह भी माना जाता है कि ब्रह्मांड में पहला सुपरमैसिव ब्लैक होल (एसएमबीएच) यहीं से आया था। जैसा कि खगोलविदों ने प्रदर्शित किया है, एसएमबीएच आकाशगंगाओं के विकास में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। के गठन में सहायता करने के अलावा नए तारे और आकाशगंगा निर्माण को प्रोत्साहित करना प्रारंभिक ब्रह्मांड में, वे इसके लिए भी जिम्मेदार हैं आकाशगंगाओं में तारा निर्माण बंद करना सीए. बिग बैंग के 2 से 4 अरब वर्ष बाद, उस युग के दौरान जिसे “” के रूप में जाना जाता हैलौकिक दोपहर।” इन ब्लैक होल की वृद्धि और पॉप III सितारों द्वारा उत्सर्जित यूवी विकिरण ने प्रारंभिक ब्रह्मांड में व्याप्त तटस्थ हाइड्रोजन और हीलियम को फिर से आयनित कर दिया।
इससे प्रमुख चरण परिवर्तन हुआ जिसने ब्रह्मांडीय अंधकार युग (बिग बैंग के लगभग 1 अरब वर्ष बाद) को समाप्त कर दिया, जिससे ब्रह्मांड आज की तरह “पारदर्शी” हो गया। हालाँकि, जैसा कि लियू ने कहा, यह प्रक्रिया कैसे शुरू हुई यह स्पष्ट नहीं है:
“आम तौर पर कहें तो, पॉप III सितारे एक तारकीय (उबाऊ) स्थिति से ब्रह्मांडीय विकास की शुरुआत को समृद्ध घटनाओं (पुनर्आयनीकरण, विभिन्न द्रव्यमान, आकारिकी और रचनाओं के साथ आकाशगंगाओं की विविध आबादी, और सुपरमैसिव बीएच द्वारा संचालित क्वासर) के साथ वर्तमान स्थिति में चिह्नित करते हैं। . इस जटिल विकास को समझने के लिए, पॉप III सितारों के प्रभुत्व वाले इसके प्रारंभिक चरण को चिह्नित करना आवश्यक है।
प्रारंभिक ब्रह्मांड की जांच
गुरुत्वाकर्षण तरंगों (जीडब्ल्यू) की पुष्टि खगोलविदों के लिए क्रांतिकारी थी, और तब से कई अनुप्रयोग प्रस्तावित किए गए हैं। खास तौर पर वैज्ञानिक इसका अध्ययन करने के लिए उत्सुक रहते हैं बिग बैंग द्वारा निर्मित मौलिक जीडब्ल्यूजो अगली पीढ़ी के GW डिटेक्टरों जैसे के साथ संभव होगा लेजर इंटरफेरोमीटर स्पेस एंटीना (एलआईएसए)। जैसा कि लियू ने समझाया, मौजूदा जीडब्ल्यू डिटेक्टर ज्यादातर बाइनरी ब्लैक होल (बीबीएच) विलय का अध्ययन करने के लिए समर्पित हैं। निकट भविष्य में बनाए जाने वाले अपेक्षित डिटेक्टरों के बारे में भी यही सच है। लियू ने कहा:
“बीएच बाइनरी से जीडब्ल्यू उत्सर्जन तब अधिक मजबूत होता है जब वे करीब होते हैं। जीडब्ल्यू उत्सर्जन प्रणाली से ऊर्जा और कोणीय गति को दूर ले जाता है, जिससे दोनों बीएच समय के साथ करीब आ जाएंगे और अंततः विलीन हो जाएंगे। हम GW सिग्नल का पता केवल अंतिम चरण में ही लगा सकते हैं जब वे विलय होने वाले होते हैं। अंतिम चरण तक पहुंचने में लगने वाला समय बीएच के प्रारंभिक पृथक्करण के प्रति अत्यधिक संवेदनशील है। मूल रूप से, उन्हें हमारे द्वारा देखे जाने वाले ब्रह्मांड की वर्तमान आयु के भीतर विलय करने के लिए करीब से शुरू करना होगा (उदाहरण के लिए, 10 सौर द्रव्यमान से कम बीएच के लिए पृथ्वी-सूर्य की दूरी का ~ 10% से कम)।
सवाल यह है कि दो ब्लैक होल एक-दूसरे के इतने करीब कैसे आ जाते हैं कि अंततः वे विलीन हो जाएंगे? इस प्रक्रिया को मॉडल करने के लिए खगोलविद वर्तमान में दो विकासवादी “चैनलों” (एक साथ काम करने वाली भौतिक प्रक्रियाओं के सेट) पर भरोसा करते हैं: पृथक द्विआधारी तारकीय विकास (आईबीएसई) और न्यूक्लियर स्टार क्लस्टर-डायनामिकल हार्डनिंग (एनएससी-डीएच)। जैसा कि लियू ने संकेत दिया, परिणामी बीबीएच विलय की विलय दर और गुणों में अलग-अलग विशेषताएं हैं, जो उनके द्वारा अनुसरण किए जाने वाले चैनल पर निर्भर करता है। उनमें अंतर्निहित भौतिक प्रक्रियाओं के बारे में बहुमूल्य जानकारी होती है।
उन्होंने कहा, “खगोल भौतिकी और ब्रह्मांड विज्ञान की जांच के रूप में जीडब्ल्यू का पूरी तरह से उपयोग करने के लिए ऐसी जानकारी निकालने के लिए विकास चैनलों का ज्ञान आवश्यक है।”
मॉडलिंग बीबीएच इवोल्यूशन
यह निर्धारित करने के लिए कि ब्लैक होल कैसे बाइनरी बनाते हैं जो अंततः विलीन हो जाएंगे, टीम ने ट्रेसिंग हेलोस (ए-एसएलओटीएच) द्वारा अर्धविश्लेषणात्मक मॉडल प्राचीन सितारे और स्थानीय वेधशालाओं के आधार पर दोनों चैनलों को एक एकल सैद्धांतिक ढांचे में जोड़ दिया। यह मॉडल पहला सार्वजनिक रूप से उपलब्ध कोड है जो पहले सितारों और आकाशगंगाओं के निर्माण को अवलोकनों से जोड़ता है। “सामान्य तौर पर, ए-एसएलओटीएच डार्क मैटर हेलो के गठन, विकास और विलय के साथ गैस के थर्मल और रासायनिक विकास का अनुसरण करता है, जिसमें स्टार गठन और व्यक्तिगत आकाशगंगाओं के मध्यवर्ती पैमाने पर गैस (तारकीय प्रतिक्रिया) पर सितारों का प्रभाव शामिल है। हेलो,” लियू ने कहा।
उन्होंने इसका भी प्रयोग किया एन-बॉडी के लिए तारकीय विकास (एसईवीएन) कोड यह अनुमान लगाने के लिए कि तारकीय बायनेरिज़ बीबीएच में कैसे विकसित होते हैं। फिर उन्होंने प्रत्येक बीबीएच की कक्षा को उनके संबंधित डार्क मैटर हेलो में और हेलो विलय के दौरान मॉडल किया, जिससे उन्हें यह अनुमान लगाने की अनुमति मिली कि कुछ बीबीएच कब विलय होंगे। अन्य मामलों में, बीबीएच अपनी आकाशगंगाओं के केंद्र की यात्रा करते हैं और परमाणु तारा समूह (एनएससी) का हिस्सा बन जाते हैं, जहां वे गुरुत्वाकर्षण बिखरने से व्यवधान, निष्कासन और सख्त होने के अधीन होते हैं। इससे, उन्होंने विलय या व्यवधान के क्षण तक आंतरिक बाइनरी कक्षाओं के विकास का अनुसरण किया।
अगली पीढ़ी की वेधशालाएँ
जैसा कि लुई ने समझाया, उनके परिणामों में महत्वपूर्ण सैद्धांतिक और अवलोकन संबंधी निहितार्थ थे:
“सिद्धांत पक्ष पर, मेरे काम से पता चला कि पृथक बाइनरी विकास चैनल उच्च रेडशिफ्ट्स (बिग बैंग के बाद 600 मिलियन वर्ष से कम) पर हावी है और विलय दर पॉप III बाइनरी सितारों के गठन दर और प्रारंभिक आंकड़ों के प्रति संवेदनशील है। वास्तव में, बीएच बायनेरिज़ के बहुमत (> 84%), विशेष रूप से सबसे विशाल बाइनरी, शुरू में इतने व्यापक हैं कि यदि वे अलगाव में विकसित होते हैं तो ब्रह्मांड की उम्र के भीतर विलय नहीं हो सकता है। लेकिन उनमें से एक महत्वपूर्ण अंश (~ 45 – 64%) यदि एनएससी में आते हैं तो गतिशील सख्त होने से विलय हो सकता है। ये भविष्यवाणियाँ अवलोकनों में विलय की उत्पत्ति की पहचान और व्याख्या के लिए उपयोगी हैं।”
अवलोकन परिणामों के संदर्भ में, उन्होंने पाया कि पॉप III बीबीएच विलय की अनुमानित पहचान एलआईजीओ, एडवांस कन्या और कागरा जैसे मौजूदा उपकरणों द्वारा समझ में आने की संभावना नहीं है, जो आम तौर पर पृथ्वी के करीब बीबीएच विलय का निरीक्षण करते हैं। “[A]हालांकि, पॉप III विलय संभावित रूप से अब तक पाए गए सबसे बड़े बीएच विलय (50 सौर द्रव्यमान से ऊपर के बीएच के साथ) के एक महत्वपूर्ण अंश के लिए जिम्मेदार हो सकते हैं,” लियू ने कहा। “मौजूदा डेटा से प्रारंभिक ब्रह्मांड में पॉप III सितारों और आकाशगंगाओं के बारे में बहुत कुछ सीखना मुश्किल है क्योंकि बड़े पैमाने पर विलय का नमूना आकार बहुत छोटा है।”
हालाँकि, आइंस्टीन टेलीस्कोप जैसे अगली पीढ़ी के डिटेक्टर जीडब्ल्यू के इन दूर के स्रोतों का पता लगाने में अधिक कुशल होंगे। एक बार पूरा होने पर, ईटी खगोलविदों को जीडब्ल्यू के माध्यम से कॉस्मिक डार्क एज में ब्रह्मांड का पता लगाने की अनुमति देगा, जो शुरुआती बीबीएच विलय, पॉप III सितारों और पहले एसएमबीएच के बारे में जानकारी प्रदान करेगा। “मेरा मॉडल भविष्यवाणी करता है कि आइंस्टीन टेलीस्कोप प्रति वर्ष 1400 पॉप III विलयों का पता लगा सकता है, जो हमें प्रासंगिक भौतिकी को बाधित करने के लिए बेहतर आंकड़े प्रदान करता है।”
वह पेपर जो हाल ही में उनके निष्कर्षों का वर्णन करता है ऑनलाइन दिखाई दिया और में प्रकाशन हेतु समीक्षा की जा रही है रॉयल एस्ट्रोनॉमिकल सोसायटी की मासिक सूचनाएँ।
अग्रिम पठन: arXiv
