सबसे भारी ब्लैक होल टक्कर वृत्ताकार कक्षा में नहीं थी

23 नवंबर 2023 को हैनफ़र्ड और लिविंगस्टन स्थित LIGO वेधशालाओं ने GW231123 दर्ज किया, जो अब तक बताया गया दो ब्लैक होलों का सबसे भारी विलय है। वृत्ताकार कक्षा मानकर, मानक विश्लेषण ने लगभग सूर्य के द्रव्यमान के 137 और 101 गुना द्रव्यमान बताए, और दोनों बेहद तेज़ी से घूम रहे थे।

ये आँकड़े असहज करने वाले हैं। छोटा ब्लैक होल तथाकथित युग्म-अस्थिरता द्रव्यमान अंतराल (pair-instability mass gap) में आता है — द्रव्यमानों की एक ऐसी श्रेणी, जिसे किसी तारे का सामान्य पतन मुश्किल से ही बना पाता है। इससे बचने का एक रास्ता है श्रेणीबद्ध विलय (hierarchical merger): किसी भीड़ भरे माहौल में, जैसे घने तारा-गुच्छ में, एक विलय का बचा हुआ पिंड वहीं रहता है और बाद में फिर से विलय करता है। शोधपत्र एक उपयोगी सुराग भी बताता है: जब मिलते-जुलते द्रव्यमान और कम घूर्णन वाले दो ब्लैक होल मिलते हैं, तो बचा हुआ पिंड आमतौर पर लगभग 0.7 के मान पर घूमता है — यह भौतिकविदों का आयामहीन पैमाना है, जिसमें 1 के क़रीब के मान लगभग चरम घूर्णन दर्शाते हैं।

बस कुछ चक्र

GW231123 छोटा था: अंतिम गोते से पहले सिर्फ़ कुछ मापने योग्य तरंग-चक्र। इससे इसकी व्याख्या तरंग-रूप (waveform) के मॉडल पर बहुत निर्भर हो जाती है। एक गुण को पकड़ना ख़ास तौर पर मुश्किल है: उत्केंद्रता (eccentricity), यानी कक्षा कितनी अंडाकार है। गुरुत्वीय तरंगें विकिरित करने से पुराने, अलग-थलग जोड़ों की कक्षाएँ गोल होती जाती हैं, लेकिन घने माहौल में नज़दीकी मुठभेड़ें कुछ उत्केंद्रता छोड़ सकती हैं। सिर्फ़ कुछ चक्रों में, एक अंडाकार कक्षा घूमते ब्लैक होलों की डगमगाहट की नक़ल कर सकती है। अगर कोई मॉडल उत्केंद्रता को छोड़ दे, तो उसकी छाप घूर्णन में समा सकती है।

नीचे से शुरू करो, ज़्यादा देखो

वुहान विश्वविद्यालय के बाओशियांग वांग और ताओ यांग ने, बीजिंग नॉर्मल यूनिवर्सिटी, पॉट्सडैम स्थित मैक्स प्लांक गुरुत्वीय भौतिकी संस्थान और निंगबो विश्वविद्यालय के सहयोगियों के साथ, सार्वजनिक डेटा का एक ऐसे तरंग-रूप मॉडल से दोबारा विश्लेषण किया जो उत्केंद्रता और पुरस्सरण करते (precessing) घूर्णन, दोनों की छूट देता है। मुख्य फ़र्क़: हैनफ़र्ड डिटेक्टर के लिए, जिसके सार्वजनिक डेटा से एक गड़बड़ी (glitch) साफ़ की जा चुकी थी, उन्होंने 20 के बजाय 11 हर्ट्ज़ से शुरुआत की। कम आवृत्तियों पर उत्केंद्रता ज़्यादा होती है, इसलिए संकेत का यही शुरुआती हिस्सा सबसे अहम है।

कक्षा की उत्केंद्रता 0.34 निकलती है, जिसे 5.5 हर्ट्ज़ की आवृत्ति पर परिभाषित किया गया है।
उत्केंद्र मॉडल 10.2 के बेज़ फ़ैक्टर से आगे है: डेटा को अंडाकार कक्षा वृत्ताकार कक्षा से लगभग दस गुना बेहतर समझाती है।
पिछले अध्ययनों की तरह 20 हर्ट्ज़ से शुरू करने पर उन्हें बहुत कम उत्केंद्रता मिलती है — जो उन अध्ययनों से मेल खाता है।

इसे जाँचने के लिए उन्होंने अंडाकार कक्षा वाला एक नक़ली GW231123 बनाया और उसका उसी तरह विश्लेषण किया। उसने ठीक असली घटना जैसा व्यवहार किया: 11 हर्ट्ज़ से साफ़ तौर पर उत्केंद्र, 20 हर्ट्ज़ से कहीं कम। बहुत ऊपर से शुरू करना एक अंडाकार कक्षा को छिपा सकता है।

घूर्णन की पहेली ढीली पड़ती है

उत्केंद्रता की छूट देने से सबसे ज़्यादा बदलाव छोटे ब्लैक होल में आता है। उसका घूर्णन वृत्ताकार विश्लेषण के 0.90 से घटकर लगभग 0.74 रह जाता है, जो किसी पिछले विलय के बचे हुए पिंड से अपेक्षित 0.7 के क़रीब है। नक़ली संकेत भी यही असर दिखाता है: वृत्ताकार मानकर विश्लेषण करने पर, उसका छोटा ब्लैक होल असल से ज़्यादा तेज़ घूमता दिखता है।

बड़ा ब्लैक होल दोनों ही तरह से तेज़ घूमता रहता है, और उसका द्रव्यमान किसी सीधी-सादी दूसरी पीढ़ी की उत्पत्ति में मुश्किल से बैठता है। इसलिए दोनों ब्लैक होलों का इतिहास अलग हो सकता है: छोटा शायद दो पुराने ब्लैक होलों की संतान, और बड़ा किसी और तरीक़े से बना। दृष्टि-रेखा पर किसी गुरुत्वीय लेंस की संभावना जोड़ने से भी उत्केंद्रता वाला नतीजा नहीं बदलता।

इससे क्या बदलता है

पहले के अध्ययनों ने GW231123 के छोटे ब्लैक होल का इस्तेमाल युग्म-अस्थिरता द्रव्यमान अंतराल की ऊपरी सीमा तय करने के लिए किया था। लेखकों का तर्क है कि अगर वह ब्लैक होल ख़ुद किसी विलय की उपज है, तो उसका द्रव्यमान अकेले उस सीमा को तय नहीं कर सकता। 10 का बेज़ फ़ैक्टर एक संकेत है, प्रमाण नहीं — लेखक ख़ुद बताते हैं कि जब संकेत छोटा हो, तो सचमुच उत्केंद्र संकेत भी हमेशा मज़बूत वरीयता नहीं देते। उनका निष्कर्ष है कि जब किसी आबादी की सीमा कुछ असामान्य घटनाओं पर टिकी हो, तो उन घटनाओं के पीछे के तरंग-रूप संबंधी मान्यताएँ सीधे मायने रखती हैं।