गुरुत्वाकर्षण तरंगों की नई लहर | अंतरिक्ष

गुरुत्वाकर्षण तरंगों की नई लहर |  अंतरिक्ष

लगभग 10 अरब ट्रिलियन ट्रिलियन मिलीसेकंड बिग बैंग में निर्माण की शुरुआत में, ब्रह्मांड ने एक छोटी लेकिन बेतुकी तेजी से वृद्धि का अनुभव किया है। मुद्रास्फीति नामक यह घटना इतनी भयावह थी कि अंतरिक्ष और समय का ताना-बाना गुरुत्वाकर्षण तरंगों (GWs) में बदल गया। तुलना करके, छह साल पहले पहली बार खोजे गए GWs एक बड़ी धूम मचा रहे थे जो ब्लैक होल के टकराने से छोटे मामले थे। लेकिन अब वैज्ञानिक यूरोप में हैं अंतरिक्ष ईएसए के पास बड़े लक्ष्यों पर अपनी जगहें हैं- और उम्मीद है कि जल्द ही ब्रह्मांड के मुद्रास्फीति के जन्म के दर्द की बेहोश गूँज का पता लगाने में सक्षम होगा, घटना के लगभग 14 अरब साल बाद, अब तक के सबसे बड़े उपकरण का उपयोग करके। पृथ्वी से सैकड़ों गुना बड़ा, एसा का नियोजित गुरुत्वाकर्षण-तरंग डिटेक्टर अंतरिक्ष में तैरता रहेगा और सभी प्रकार के बड़े पैमाने पर खगोलभौतिकीय आक्षेपों के कारण अंतरिक्ष-समय में दोलनों की खोज करेगा।

पहले GW की पहचान 2015 में लेजर इंटरफेरोमीटर ग्रेविटेशनल वेव ऑब्जर्वेटरी (Ligo) द्वारा की गई थी, जो एक अंतरराष्ट्रीय परियोजना है, जिसकी सफलता ने इसके तीन मुख्य समर्थकों को भौतिकी में 2017 का नोबेल पुरस्कार जीता। लिगो में अमेरिकी राज्यों वाशिंगटन और लुइसियाना में दो विशाल डिटेक्टर शामिल हैं। वे प्रत्येक दो 2.5-मील (4-किलोमीटर) सुरंगों को तैनात करते हैं, जो एक समकोण पर प्रतिच्छेद करते हैं, जिसमें लेजर बीम दर्पण के साथ दूर के छोर पर यात्रा करता है और फिर वापस उछलता है। वापस लौटने वाली प्रकाश तरंगें एक दूसरे के साथ हस्तक्षेप करती हैं क्योंकि हथियार प्रतिच्छेद करते हैं। जब GW गुजरता है, तो यह बहुत कम सिकुड़ता है या स्पेसटाइम बढ़ाता है। चूंकि यह प्रभाव प्रत्येक भुजा में अलग-अलग होगा, यह प्रकाश तरंगों के सिंक्रनाइज़ेशन को बदल देता है, और इस प्रकार दो बीमों के हस्तक्षेप को बदल देता है।

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लेगो अकेला नहीं है। क्रिसमस दिवस 2015 पर एक दूसरी GW खोज की पुष्टि बाद में इटली में स्थित यूरोपीय डिटेक्टर कन्या के सहयोग से की गई। जापान में एक डिटेक्टर, जिसे कागरा कहा जाता है, ने पिछले साल की शुरुआत में काम करना शुरू कर दिया था, और भारत और चीन में अन्य उपकरणों की योजना बनाई गई है।

अब तक देखे गए अधिकांश ब्लैक होल दो ब्लैक होल के टकराने के कारण प्रतीत होते हैं। ये तारे हमारे सूर्य से कई गुना अधिक विशाल तारों से बने हैं, जो अपने ही गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव में जल कर ढह गए हैं। अल्बर्ट आइंस्टीन के सापेक्षता के सामान्य सिद्धांत के अनुसार, जो गुरुत्वाकर्षण को द्रव्यमान के कारण अंतरिक्ष-समय की विकृति के रूप में वर्णित करता है, पतन तब तक जारी रह सकता है जब तक कि कुछ भी न रह जाए, लेकिन एक बहुत ही घनी “विलक्षणता” है, जो गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र को इतना तीव्र बनाती है कि प्रकाश भी पलायन। उसके पास से।

दो ब्लैक होल की टक्कर – लेजर ग्रेविटेशनल वेव ऑब्जर्वेटरी, या लिगो द्वारा पहली बार पता लगाई गई एक घटना – को कंप्यूटर सिमुलेशन से इस स्थिर छवि में दिखाया गया है। फोटो: एसएक्सएसप्रोजेक्ट

यदि दो ब्लैक होल एक-दूसरे के गुरुत्वाकर्षण खिंचाव के कारण टकराते हैं, तो वे एक-दूसरे की परिक्रमा कर सकते हैं और जब तक वे एकजुट नहीं हो जाते, तब तक वे धीरे-धीरे अंदर की ओर सिकुड़ते जाते हैं। सामान्य सापेक्षता ने एक सदी से भी अधिक समय पहले भविष्यवाणी की थी कि ऐसी घटनाएं ब्रह्मांड के माध्यम से जीडब्ल्यू तरंगें भेजती हैं, हालांकि एलआईजीओ की खोज तक उनके लिए कोई प्रत्यक्ष प्रमाण नहीं था। वे अन्य चरम खगोलीय घटनाओं के कारण भी हो सकते हैं, जैसे कि न्यूट्रॉन स्टार विलय: धधकते सितारे ब्लैक होल की तुलना में कम बड़े पैमाने पर होते हैं, जो उस बिंदु पर अपने पतन को रोकते हैं जहां वे इतने घने होते हैं कि एक व्यक्ति के अंगूठे का वजन 50 मीटर जितना होता है हाथी।

GW का उत्पादन बहुत बड़ी वस्तुओं द्वारा भी किया जा सकता है। हमारी आकाशगंगा और कई अन्य आकाशगंगाओं के केंद्र में, हमारे सूर्य के द्रव्यमान का कई मिलियन गुना एक सुपरमैसिव ब्लैक होल है, जो ढहते सितारों और गैस और ब्रह्मांडीय धूल के बादलों से बना है। इन सुपरमैसिव ब्लैक होल में बिलिंग करने वाली वस्तुएं GW उत्पन्न करती हैं जो लिगो और कन्या द्वारा देखी गई छोटी ब्लैक होल विलय तरंगों की तुलना में कम आवृत्तियों और लंबी तरंग दैर्ध्य पर दोलन करती हैं।

ग्राउंड-आधारित डिटेक्टर इन चीजों को इंगित नहीं कर सकते – यह लॉबस्टर कटोरे में व्हेल को पकड़ने की कोशिश करने जैसा होगा। उन्हें देखने के लिए, इंटरफेरोमेट्री डिटेक्टर को अधिक लंबे हथियारों की आवश्यकता होगी। यह मुश्किल है, क्योंकि प्रत्येक चैनल बांह लंबी, सीधी और किसी भी कंपन से मुक्त होनी चाहिए। इसलिए शोधकर्ता इसके बजाय अंतरिक्ष में कम आवृत्ति वाले ग्योट बनाने की योजना बना रहे हैं। इन योजनाओं में सबसे उन्नत वह उपकरण है जिसे अब Esa के लिए बनाया जा रहा है: a: अंतरिक्ष एंटीना लेजर इंटरफेरोमीटर (लिसा)।

LISA एक अंतरिक्ष यान से दूसरे अंतरिक्ष यान के अंदर स्वतंत्र रूप से तैरते दर्पण को उछालने के लिए लेज़र भेजेगा। तीन अंतरिक्ष यान का उपयोग करके, आप लिगो की तरह एक डबल-आर्म एल-आकार की संरचना बना सकते हैं। लेकिन हथियारों को समकोण पर नहीं होना चाहिए: इसके बजाय, लिसा अपने तीन अंतरिक्ष यान को त्रिभुज के कोनों में कई मिलियन मील दूर रखेगी, जिसमें प्रत्येक कोने तीन डिटेक्टरों में से एक बन जाएगा। पूरा समूह पृथ्वी की कक्षा का अनुसरण करेगा, हमारे ग्रह से लगभग 30 मीटर पीछे चल रहा है।

अंतरिक्ष में लेजर इंटरफेरोमेट्री के संचालन की व्यवहार्यता का परीक्षण करने के लिए, 2015 में ईएसए ने एक पायलट प्रोजेक्ट लॉन्च किया, जिसे कहा जाता है लिसा पाथफाइंडर – अंतरिक्ष यान ने छोटे पैमाने पर तकनीक का प्रदर्शन किया। मिशन, 2017 में पूरा हुआ, इसने “हमें उड़ा दिया,” इस्सा पॉल मैकनामारा कहते हैं, जो मिशन चलाने वाले परियोजना वैज्ञानिक थे। “इसने पहले दिन हमारी आवश्यकताओं को पूरा किया, बिना किसी संशोधन या कुछ के।” उन्होंने दिखाया कि एक अंतरिक्ष यान के अंदर तैरता एक दर्पण अविश्वसनीय रूप से स्थिर रह सकता है, जो एक परमाणु के आकार के एक हजारवें हिस्से से अधिक नहीं हो सकता है। इसे स्थिर रखने के लिए, अंतरिक्ष यान सूर्य से आने वाले प्रकाश से बल का जवाब देने के लिए छोटे थ्रस्टर्स का उपयोग करता है।

दूसरे शब्दों में, मैकनामारा कहते हैं, “हमारा अंतरिक्ष यान कोरोनावायरस के आकार की तुलना में अधिक स्थिर था।” और यह इसलिए भी है, क्योंकि LISA को हाथ की लंबाई में परिवर्तन का पता लगाने की आवश्यकता होगी, GW के कारण, एक मिलियन मील से अधिक परमाणु की चौड़ाई का दसवां हिस्सा है।

हालांकि, लीजा की रिहाई कम से कम एक दशक तक नहीं होगी। मैकनामारा कहते हैं, “हमारे पास बनाने के लिए तीन उपग्रह हैं, और उनमें से प्रत्येक के कई हिस्से हैं।” “इसमें बस समय लगता है – और यह एक बहुत ही जटिल कार्य के दुर्भाग्यपूर्ण तथ्यों में से एक है।” अगला मील का पत्थर 2024 में अपेक्षित “मिशन का आधिकारिक अंगीकरण” है। “इस बिंदु पर, हम मिशन के विवरण को जानेंगे, और ईएसए के सदस्य देश और संयुक्त राज्य अमेरिका क्या योगदान करते हैं, और इसकी लागत कितनी है, ” जोन्स यूनिवर्सिटी के एस्ट्रोफिजिसिस्ट इमैनुएल बर्टी कहते हैं। बाल्टीमोर में हॉपकिंस।

जापान और चीन भी GW अंतरिक्ष संसूचकों की योजना के प्रारंभिक चरण में हैं। मैकनामारा इसे एक प्रतियोगिता के रूप में नहीं, बल्कि एक अच्छी बात के रूप में देखता है – क्योंकि एक से अधिक डिटेक्टरों के साथ तरंगों के स्रोत को निर्धारित करने के लिए त्रिभुज का उपयोग करना संभव होगा।

“लिसा जीडब्ल्यू खगोल विज्ञान को उसी तरह बदल देगी जैसे दृश्य प्रकाश को पार करती है [to radio waves, X-rays etc] यह सामान्य खगोल विज्ञान में एक गेम-चेंजर था, “बर्टी कहते हैं। “वह जीडब्ल्यू स्रोतों के विभिन्न वर्गों को देख रहे होंगे।” सुपरमैसिव ब्लैक होल विलय का अध्ययन करके, वे कहते हैं, “हमें उम्मीद है कि हम संरचना के गठन के बारे में बहुत कुछ समझ पाएंगे। ब्रह्मांड, और स्वयं गुरुत्वाकर्षण के बारे में।” लिसा ने पहले ही बिग बैंग की शुरुआत में मुद्रास्फीति से “आदिम” GWs देखा था, इसलिए यह सिद्धांतों का परीक्षण कर सकता है कि यह सब कैसे शुरू हुआ।


टीनिम्न-आवृत्ति वाले GWs को देखने का एक और तरीका यहां हो सकता है जिसके लिए किसी उद्देश्य-निर्मित डिटेक्टर की आवश्यकता नहीं होती है। नॉर्थ अमेरिकन नैनोहर्ट्ज़ ग्रेविटेशनल वेव ऑब्जर्वेटरी (नैनोग्राव) नामक एक सहयोग पल्सर नामक “कॉस्मिक क्लॉक” के समय पर GWs के प्रभाव की खोज के लिए रेडियो टेलीस्कोप के वैश्विक नेटवर्क द्वारा किए गए अवलोकनों का उपयोग करता है।

पल्सर न्यूट्रॉन सितारों के चारों ओर तेजी से परिक्रमा करते हैं जो अपने ध्रुवों से रेडियो तरंगों की तीव्र किरणें भेजते हैं, जो प्रकाशस्तंभ किरणों की तरह पूरे आकाश में फैलती हैं। पल्सर सिग्नल बहुत नियमित और पूर्वानुमेय होते हैं। टेनेसी में वेंडरबिल्ट यूनिवर्सिटी के नैनोग्राव टीम के सदस्य स्टीफन टेलर कहते हैं, “अगर एक GW पल्सर और पृथ्वी के बीच से गुजरता है, तो यह अतिव्यापी स्पेसटाइम को विकृत कर देता है, जिससे पल्स उम्मीद से जल्दी या बाद में आ जाता है।

ग्रीन बैंक टेलीस्कोप (GBT)
वर्जीनिया में नेशनल रेडियो एस्ट्रोनॉमी ऑब्जर्वेटरी में ग्रीन बैंक टेलीस्कोप (GBT), नैनोग्राव प्रोजेक्ट का हिस्सा है। फोटोग्राफी: जॉन अर्नोल्ड इमेजेज लिमिटेड/Almy

वास्तव में, पल्सर डिटेक्टर बन जाते हैं। जैसा कि बोल्डर में कोलोराडो विश्वविद्यालय से नैनोग्राव टीम के सदस्य जूली कॉमरफोर्ड कहते हैं, यह “डिटेक्टर” हथियार देता है जब तक कि पृथ्वी और पल्सर के बीच की दूरी: शायद हजारों प्रकाश-वर्ष। इस विशाल आकार के कारण, नैनोग्राव द्वारा पता लगाए जा सकने वाले संकेतों में बहुत लंबी तरंग दैर्ध्य और बहुत कम आवृत्तियां होती हैं, यहां तक ​​​​कि एलआईएसए की पहुंच से परे और सुपरमैसिव ब्लैक होल द्वारा सूर्य से अरबों गुना बड़ा होता है, जो पूरी आकाशगंगाओं के टकराने पर विलीन हो जाता है। . टेलर का कहना है कि कोई अन्य डिटेक्टर इसे समझ नहीं सकता है। जबकि अकल्पनीय रूप से विनाशकारी, ये एकीकरण वास्तव में काफी सामान्य हैं, और नैनोग्राव में उस तरह का प्रचार होगा जो उनमें से कई ने बनाया था। “पूरे ब्रह्मांड में, सुपरमैसिव ब्लैक होल के जोड़े एक दूसरे की परिक्रमा कर रहे हैं और गीगावाट का उत्पादन कर रहे हैं,” कॉमरफोर्ड कहते हैं। “ये लहरें GWs का एक समुद्र उत्पन्न करती हैं जिसे हम हिला रहे हैं।”

जनवरी में, नैनोग्राव टीम का नेतृत्व कोलोराडो में कॉमरफोर्ड पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता जोसेफ साइमन ने किया था इस GW पृष्ठभूमि की पहली संभावित खोज की रिपोर्ट करें. यद्यपि यह सत्यापित करने के लिए और अधिक काम करने की आवश्यकता है कि संकेत वास्तव में GWs के कारण होता है, कॉमरफोर्ड परिणाम को “पिछले कुछ वर्षों में मैंने देखा है सबसे रोमांचक खगोल भौतिकी परिणाम” कहता है।

यदि नैनोग्राव, वास्तव में, एक GW डिटेक्टर का उपयोग कर रहा है, जो आकार में प्रकाश-वर्ष है, तो यूनिवर्सिटी कॉलेज लंदन के भौतिक विज्ञानी सौगाटो बोस को लगता है कि हम एक अलमारी के अंदर फिट होने के लिए एक छोटा सा बना सकते हैं। उनका विचार क्वांटम सिद्धांत के अधिक असामान्य प्रभावों में से एक पर आधारित है, जो आम तौर पर परमाणुओं जैसे बहुत छोटी वस्तुओं का वर्णन करता है। क्वांटम ऑब्जेक्ट्स को सुपरपोज़िशन में रखा जा सकता है, जिसका अर्थ है कि उनके गुणों को तब तक विशिष्ट रूप से निर्धारित नहीं किया जाता है जब तक कि उन्हें मापा नहीं जाता है: एक से अधिक परिणाम संभव हैं।

क्वांटम वैज्ञानिक नियमित रूप से परमाणुओं को क्वांटम सुपरपोजिशन में डाल सकते हैं – लेकिन सॉकर गेंदों जैसी बड़ी वस्तुओं के लिए ऐसा अजीब व्यवहार गायब हो जाता है, जो या तो यहां या वहां हैं चाहे हम देखें या नहीं। जहां तक ​​​​हम जानते हैं, ऐसा नहीं है कि इतनी बड़ी चीज के लिए सुपरपोजिशन असंभव है – इसे लंबे समय तक बनाए रखना असंभव है, क्योंकि ऑब्जेक्ट के परिवेश के साथ किसी भी बातचीत से सुपरपोजिशन आसानी से नष्ट हो जाता है।

यूनिवर्सिटी कॉलेज लंदन के भौतिक विज्ञानी सौगातो बोस शोधकर्ताओं की एक टीम का नेतृत्व कर रहे हैं, जो प्रायोगिक रूप से क्वांटम गुरुत्व तक पहुंचने की योजना बना रहे हैं।
यूनिवर्सिटी कॉलेज लंदन के भौतिक विज्ञानी सौगातो बोस शोधकर्ताओं की एक टीम का नेतृत्व कर रहे हैं, जो प्रायोगिक रूप से क्वांटम गुरुत्व तक पहुंचने की योजना बना रहे हैं। फोटो: सौगातो बोस के सौजन्य से

बोस और सहकर्मियों का सुझाव कि अगर हम एक परमाणु और एक फ़ुटबॉल के बीच एक मध्यम आकार की वस्तु का एक क्वांटम सुपरपोज़िशन बना सकते हैं – लगभग सौ नैनोमीटर व्यास का एक छोटा क्रिस्टल, एक बड़े वायरल कण के आकार के बारे में – सुपरपोज़िशन इतना जोखिम भरा होगा कि यह होगा क्षणिक GW के प्रति संवेदनशील। वास्तव में, क्वांटम सुपरपोजिशन के दो संभावित राज्यों को दो प्रकाश तरंगों की तरह ओवरलैप करने के लिए बनाया जा सकता है- और जीडब्ल्यू-प्रेरित स्पेस-टाइम विकृतियां इस हस्तक्षेप में बदलाव के रूप में दिखाई देंगी।

बोस का मानना ​​है कि हीरे के नैनोक्रिस्टल जिन्हें बाहरी स्थान से अधिक खाली शून्य में रखा जाता है और पूर्ण शून्य के एक फिलामेंट के भीतर ठंडा किया जाता है, उन्हें चाल करने के लिए पर्याप्त समय तक सुपरपोजिशन में रखा जा सकता है। यह आसान नहीं होगा, लेकिन उनका कहना है कि सभी तकनीकी चुनौतियां पहले से ही व्यक्तिगत रूप से प्रस्तुत की गई हैं – यह उन सभी को एक साथ रखने की बात है। वे कहते हैं, ”अगर पर्याप्त फंडिंग है तो मुझे अगले 10 साल तक ऐसा करने में कोई बाधा नहीं दिखती.”

अगर इन और अन्य विकासों से GW खगोल विज्ञान में उछाल आता है, तो हम क्या देखेंगे? मैकनामारा कहते हैं, “जब आप ब्रह्मांड पर एक नई खिड़की खोलते हैं, तो आप आमतौर पर ऐसी चीजें देखते हैं जिनकी आप उम्मीद नहीं करते हैं।” अधिक प्रकार की घटनाओं को देखने के अलावा, जिन्हें हम पहले से ही जानते हैं कि GW का कारण क्या है, हमें ऐसे संकेत मिल सकते हैं जिन्हें हम आसानी से समझा नहीं सकते। मैकनामारा कहते हैं, “यही वह समय है जब मज़ा शुरू होता है।”

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