12 বিলিয়ন বছর ধরে তৈরি হওয়া একটি নিউট্রন-নক্ষত্র সংঘর্ষ

2017 সালে LIGO ও Virgo শনাক্তকারী দুটি নিউট্রন নক্ষত্রের একে অপরের দিকে সর্পিল পথে এগিয়ে আসার মহাকর্ষ তরঙ্গ ধরে ফেলে: GW170817। এরপর দূরবিনগুলো বিস্ফোরণটিকেই দেখতে পায়, গামা রশ্মির একটি ঝলক আর একটি জ্বলজ্বলে কিলোনোভা (kilonova), NGC 4993 ছায়াপথে। তারপর দ্বিতীয় একটি নিউট্রন-নক্ষত্র মিলন, GW190425, শনাক্ত হয়েছে, কিন্তু তার অবস্থান ভালোভাবে নির্ণয় করা যায়নি এবং কোনো আলো পাওয়া যায়নি। তাই GW170817-ই এখনো একমাত্র মহাকর্ষ-তরঙ্গ ঘটনা যাকে কোনো ছায়াপথের সঙ্গে যুক্ত করা গেছে।

সেই ছায়াপথটি একটি সূত্র। ইউনিভার্সিটি অব ক্যালিফোর্নিয়া, সান্তা ক্রুজের রায়ান ফোলি (Ryan Foley) এটিকে ব্যবহার করে প্রশ্ন করেছেন, এমন জুটিগুলো মিলিত হওয়ার আগে কতদিন অপেক্ষা করে — এবং এমন একটি উত্তর পেয়েছেন যা প্রচলিত চিত্রের সঙ্গে খাপ খায় না।

অপেক্ষার সময়

জ্যোতির্বিদেরা একে বলেন বিলম্ব-কাল (delay time): নক্ষত্রগুলোর জন্ম আর মিলনের মধ্যকার সময়। দুটি নিউট্রন নক্ষত্র তৈরি হয়ে গেলে তারা মহাকর্ষ তরঙ্গের মাধ্যমে ধীরে ধীরে কক্ষীয় শক্তি হারায়। এতে যে সময় লাগে তা তাদের দূরত্বের চতুর্থ ঘাতের সঙ্গে বাড়ে, তাই কাছাকাছি জন্মানো জুটি দ্রুত মিলিত হয় আর দূরে জন্মানো জুটি দেরিতে।

সম্ভাব্য প্রারম্ভিক দূরত্বের একটি বিস্তৃত পরিসরের জন্য এ থেকে একটি সরল নিয়ম পাওয়া যায়: বিলম্ব-কালের প্রতি এককে মিলনের সংখ্যা কমে 1 ভাগ বিলম্ব হারে। এর সঙ্গে প্রায় 10 মিলিয়ন বছরের একটি ন্যূনতম বিলম্ব যোগ করলে পাওয়া যায় প্রামাণ্য (canonical) বণ্টন। এর বার্তা: বেশিরভাগ জুটি তাদের নক্ষত্রগুলোর জন্মের অল্প পরেই মিলিত হয়, আর অল্প কয়েকটিই বিলিয়ন বছর অপেক্ষা করে।

NGC 4993-এর বয়স নির্ণয়

NGC 4993 একটি “আদি-ধরনের” (early-type) ছায়াপথ, জ্যোতির্বিদেরা যে শ্রেণিকে S0 বলেন। কিলোনোভাটি যেখানে জ্বলেছিল তার কাছে কোনো নক্ষত্রগুচ্ছ বা নক্ষত্র-সৃষ্টির অঞ্চল নেই, তাই জুটিটি সম্ভবত মিলনের অনেক আগে ছায়াপথের অন্য কোথাও তৈরি হয়েছিল। ফোলি তাই পুরো ছায়াপথের নক্ষত্রগুলোর মডেল তৈরি করেছেন, অতিবেগুনি থেকে অবলোহিত পর্যন্ত 14টি রঙের পরিমাপের সঙ্গে ভেরি লার্জ টেলিস্কোপের (Very Large Telescope) MUSE যন্ত্রের একটি বর্ণালি মিলিয়ে।

এই ফিটিং ছায়াপথের ইতিহাসকে 20টি সময়-খোপে ভাগ করে এবং প্রতিটিকে স্বাধীনভাবে নক্ষত্র গড়তে দেয়। ফলাফলটি স্পষ্ট। এর নক্ষত্রগুলোর গড় বয়স 12.4 বিলিয়ন বছর (90% আস্থায় 11.7 থেকে 12.9-এর মধ্যে)। নক্ষত্র-সৃষ্টি সর্বোচ্চে পৌঁছেছিল 12.5 থেকে 13 বিলিয়ন বছর আগে, বছরে 54 সৌরভর নতুন নক্ষত্রে, আর গত 9 বিলিয়ন বছর ধরে তা বছরে এক সৌরভরের নিচে রয়েছে। ছায়াপথের ভরের প্রায় 96% জায়গামতো ছিল 10.2 বিলিয়ন বছর আগেই। ছায়াপথের চারপাশের খোলসগুলো প্রায় এক বিলিয়ন বছর আগের একটি ছোট মিলনের ইঙ্গিত দেয়, কিন্তু বর্ণালিতে তা থেকে জন্মাতে পারত এমন তরুণ নক্ষত্রের কোনো চিহ্ন নেই।

তাই GW170817-এর বিলম্ব সম্ভবত মোটামুটি 12 বিলিয়ন বছর ছিল।

1.8% সম্ভাবনা

ফোলি এরপর এই বয়সকে মিলিয়েছেন নক্ষত্র-সৃষ্টির মহাজাগতিক ইতিহাস, LIGO-Virgo-KAGRA সহযোগিতার মাপা মিলনের হার এবং শনাক্ত হওয়া দুটি মিলনের সঙ্গে।

প্রামাণ্য বণ্টনে, আজ দেখা 10 বিলিয়ন বছর বিলম্বের প্রতিটি মিলনের বিপরীতে 1 বিলিয়ন বছর বিলম্বের প্রায় 2টি এবং 100 মিলিয়ন বছর বিলম্বের 16টি থাকার কথা (বিলম্ব-কালের একই বিস্তারের জন্য)। শনাক্ত হওয়া একটি মিলন GW170817-এর মতো পুরোনো হওয়ার সম্ভাবনা মাত্র 1.8%। কারণটি সোজা: NGC 4993 তার অর্ধেক নক্ষত্র গড়েছিল 12.6 বিলিয়ন বছরেরও আগে, যেখানে সমগ্র মহাবিশ্ব ততদিনে তার নক্ষত্রের মাত্র 1.1% গড়েছিল।

গড়ে, এমন একটি আশা করার আগে জ্যোতির্বিদদের আরও 55টি শনাক্তকরণ লাগত। অথচ প্রথম যে মিলনের অবস্থান নির্ণয় করা গেল, সেটিই হয়ে দাঁড়াল সেই বিরল ক্ষেত্র।

উপাত্ত কী পছন্দ করে

ন্যূনতম বিলম্বকে মুক্ত রাখলে উপাত্ত খুব দীর্ঘ একটি বিলম্বের পক্ষে যায়। যে বণ্টনে 12.6 বিলিয়ন বছরের আগে কোনো জুটি মিলিত হয় না, তা প্রামাণ্য বণ্টনের চেয়ে 40 থেকে 140 গুণ বেশি পছন্দনীয়, মিলনের হার কীভাবে হিসাবে ঢোকানো হয় তার ওপর নির্ভর করে, আর স্বল্পস্থায়ী গামা-রশ্মি বিস্ফোরণ ও আকাশগঙ্গার যুগ্ম নিউট্রন নক্ষত্র থেকে অনুমিত বণ্টনগুলোর চেয়ে 80 থেকে 280 গুণ। একটি বিশ্লেষণে, 90% আস্থায় ন্যূনতম বিলম্ব 7.5 বিলিয়ন বছর ছাড়িয়ে যায়।

বেরোনোর তিনটি পথ

প্রামাণ্য চিত্র টিকিয়ে রাখতে হলে স্বল্প-বিলম্বের মিলনগুলোকে “হারিয়ে যাওয়া” হতে হবে। ফোলি তিনটি ব্যাখ্যার কথা বলেন।

• জুটিগুলো ধরে নেওয়ার চেয়ে অনেক বেশি দূরত্বে জন্মাতে পারে। 10 বিলিয়ন বছরের ন্যূনতম বিলম্ব মানে 1.5 সৌরভরের নিউট্রন নক্ষত্রের এমন কোনো জুটি নেই যা 0.021 জ্যোতির্বিজ্ঞানীয় এককের চেয়ে কাছ থেকে শুরু করে। ফোলি একে অসম্ভাব্য মনে করেন: এটি জানা যুগ্ম নিউট্রন নক্ষত্র এবং ভারী যুগ্ম নক্ষত্রগুলোর সঙ্গে সংঘাতে যাবে।
• শনাক্তকারীগুলো হয়তো অনেক মিলন ধরতে পারেনি। ফোলি একে চরম অসম্ভাব্য বলেন।
• দীর্ঘ বিলম্বসহ জুটি গঠনের অন্য একটি পথ প্রচলিত পথের সমকক্ষ হতে পারে বা তাকে ছাপিয়ে যেতে পারে।

ফোলি তৃতীয়টির পক্ষে। সবচেয়ে সম্ভাবনাময় প্রার্থী হলো ঘন নক্ষত্রগুচ্ছ, যেখানে নক্ষত্রগুলোর মহাকর্ষীয় মুখোমুখি সাক্ষাতের মাধ্যমে জুটি তৈরি হতে পারে, মহাবিশ্বের বয়সের কাছাকাছি বিলম্বসহ। আকাশগঙ্গায় জানা প্রায় 24টি যুগ্ম নিউট্রন নক্ষত্রের মধ্যে একটি নিশ্চিত ও তিনটি অনিশ্চিত জুটি রয়েছে গোলকাকার গুচ্ছে, যা এক ধরনের ঘন নক্ষত্রগুচ্ছ। কিন্তু GW170817-এর জায়গায় কোনো গুচ্ছ দেখা যায়নি, আর সাম্প্রতিক তত্ত্ব গুচ্ছের মিলন খুব কম হওয়ার পূর্বাভাস দেয়: হারটি প্রত্যাশার চেয়ে বেশি হতে হতো।

একটি ঘটনার বাইরেও ঢেউ

মিলনগুলো যদি এতদিন অপেক্ষা করে, তাহলে তারা যে “r-প্রক্রিয়ার” (r-process) মৌল তৈরি করে, যেমন ইউরোপিয়াম, তা দিয়ে তরুণ আকাশগঙ্গাকে সমৃদ্ধ করার পক্ষে তারা খুব দেরিতে আসে। আর যেসব অনুসন্ধান নক্ষত্র-সৃষ্টিশীল ছায়াপথকে অগ্রাধিকার দিয়ে নতুন মিলনের আলো খোঁজে, সেগুলো হয়তো সবচেয়ে সম্ভাবনাময় ছায়াপথগুলোর দিকে তাক করছে না। 10 বিলিয়ন বছরের ন্যূনতম বিলম্ব থাকলে মহাবিশ্বের বয়স 10 বিলিয়ন বছর হওয়ার আগে এমন কোনো মিলন ঘটতে পারত না, তাই ভবিষ্যতের শনাক্তকারীরা বহু দূরত্বে এদের অনেক কম দেখতে পাবে।

এর সবটাই দাঁড়িয়ে আছে দুটি ঘটনার ওপর, যার মাত্র একটির অবস্থান নির্ণীত। ফোলি আশা করেন আরও শনাক্তকরণ চিত্রটিকে আরও স্পষ্ট করবে, এবং সন্দেহ করেন যে প্রকৃত বণ্টনটি ন্যূনতম বিলম্বসহ একটি একক ঘাত-সূত্রের (power law) চেয়ে কম সরল।