न्यूट्रॉन तारों की एक टक्कर, जिसकी तैयारी में 12 अरब साल लगे

2017 में, LIGO और Virgo संसूचकों ने एक-दूसरे की ओर सर्पिल गति से बढ़ते दो न्यूट्रॉन तारों की गुरुत्वीय तरंगें पकड़ीं: GW170817। फिर दूरबीनों ने ख़ुद विस्फोट देखा, गामा किरणों का एक प्रस्फोट और एक चमकता किलोनोवा (kilonova), NGC 4993 आकाशगंगा में। उसके बाद एक दूसरा न्यूट्रॉन-तारा विलय, GW190425, पकड़ा गया है, लेकिन उसकी स्थिति ठीक से तय नहीं हो सकी और कोई रोशनी नहीं मिली। इसलिए GW170817 अब भी गुरुत्वीय तरंगों की एकमात्र घटना है जिसे कभी किसी आकाशगंगा से जोड़ा गया है।

वह आकाशगंगा एक सुराग है। कैलिफ़ोर्निया विश्वविद्यालय, सांता क्रूज़ (University of California, Santa Cruz) में कार्यरत रायन फ़ोली ने इसका उपयोग यह पूछने के लिए किया कि ऐसे जोड़े विलय से पहले कितनी देर प्रतीक्षा करते हैं — और एक ऐसा उत्तर पाया जो सामान्य तस्वीर में नहीं बैठता।

प्रतीक्षा का समय

खगोलविद इसे विलंब-काल (delay time) कहते हैं: तारों के जन्म और विलय के बीच का समय। दो न्यूट्रॉन तारे बन जाने के बाद, वे धीरे-धीरे अपनी कक्षीय ऊर्जा गुरुत्वीय तरंगों के रूप में खोते हैं। इसमें लगने वाला समय उनकी दूरी की चौथी घात के साथ बढ़ता है, इसलिए पास-पास जन्मे जोड़े जल्दी विलीन होते हैं और दूर-दूर जन्मे जोड़े देर से।

संभावित शुरुआती दूरियों की एक विस्तृत सीमा के लिए, इससे एक सरल नियम निकलता है: विलंब-काल की प्रति इकाई विलयों की संख्या 1 बटा विलंब के रूप में घटती है। लगभग 1 करोड़ साल का न्यूनतम विलंब जोड़िए, और आपको मानक (canonical) वितरण मिलता है। इसका संदेश: ज़्यादातर जोड़े अपने तारों के जन्म के जल्दी बाद विलीन हो जाते हैं, और कुछ ही अरबों साल प्रतीक्षा करते हैं।

NGC 4993 की आयु निकालना

NGC 4993 एक “प्रारंभिक-प्रकार” (early-type) आकाशगंगा है, उस वर्ग की जिसे खगोलविद S0 कहते हैं। जिस जगह किलोनोवा चमका, उसके पास न तो तारों का कोई गुच्छा है और न ही तारा-निर्माण का कोई क्षेत्र, इसलिए यह जोड़ी शायद विलय से बहुत पहले, आकाशगंगा में कहीं और, बनी थी। इसलिए फ़ोली ने पूरी आकाशगंगा के तारों का मॉडल बनाया, पराबैंगनी से अवरक्त तक 14 रंगों में किए गए मापों को वेरी लार्ज टेलीस्कोप (Very Large Telescope) पर लगे MUSE उपकरण के एक स्पेक्ट्रम के साथ मिलाकर।

यह फ़िट आकाशगंगा के इतिहास को 20 समय-खंडों में बाँटता है और हर खंड को स्वतंत्र रूप से तारे बनाने देता है। परिणाम स्पष्ट है। उसके तारों की औसत आयु 12.4 अरब साल है (90% विश्वास-स्तर पर 11.7 और 12.9 के बीच)। तारा-निर्माण 12.5 से 13 अरब साल पहले के बीच चरम पर था, प्रति वर्ष 54 सौर द्रव्यमान के नए तारे, और पिछले 9 अरब वर्षों से प्रति वर्ष एक सौर द्रव्यमान से नीचे रहा है। आकाशगंगा का लगभग 96% द्रव्यमान 10.2 अरब साल पहले अपनी जगह पर था। आकाशगंगा के चारों ओर के कवच (shells) लगभग एक अरब साल पहले हुए एक छोटे विलय की ओर इशारा करते हैं, लेकिन स्पेक्ट्रम उन युवा तारों का कोई संकेत नहीं दिखाता जो उससे पैदा हो सकते थे।

इसलिए GW170817 का विलंब संभवतः लगभग 12 अरब साल का था।

1.8% की संभावना

फिर फ़ोली ने इस आयु को तारा-निर्माण के ब्रह्मांडीय इतिहास, LIGO-Virgo-KAGRA सहयोग द्वारा मापी गई विलय-दर और दोनों पकड़े गए विलयों के साथ मिलाया।

मानक वितरण के तहत, आज दिखने वाले 10 अरब साल के विलंब वाले हर विलय के लिए, लगभग 2 विलय 1 अरब साल के विलंब वाले और 16 विलय 10 करोड़ साल के विलंब वाले होने चाहिए (विलंब-कालों के समान अंतराल के लिए)। किसी पकड़े गए विलय के GW170817 जितना पुराना होने की संभावना केवल 1.8% है। कारण सीधा है: NGC 4993 ने अपने आधे तारे 12.6 अरब साल से भी पहले बना लिए थे, जबकि पूरे ब्रह्मांड ने तब तक अपने तारों का केवल 1.1% बनाया था।

औसतन, खगोलविदों को ऐसे एक विलय की उम्मीद करने से पहले 55 और खोजों की ज़रूरत पड़ती। फिर भी, अब तक जिस पहले विलय की स्थिति तय हुई, वही यह दुर्लभ मामला निकला।

आँकड़े किसे पसंद करते हैं

जब न्यूनतम विलंब को खुला छोड़ा जाता है, तो आँकड़े एक बहुत लंबे विलंब के पक्ष में जाते हैं। ऐसा वितरण जिसमें कोई भी जोड़ा 12.6 अरब साल से पहले विलीन नहीं होता, मानक वितरण की तुलना में 40 से 140 के गुणक से बेहतर है, इस पर निर्भर करते हुए कि विलय-दर को कैसे शामिल किया जाता है, और लघु गामा-किरण प्रस्फोटों तथा हमारी आकाशगंगा (Milky Way) के दोहरे न्यूट्रॉन तारों से निकाले गए वितरणों की तुलना में 80 से 280 के गुणक से। एक विश्लेषण में, न्यूनतम विलंब 90% विश्वास-स्तर पर 7.5 अरब साल से अधिक है।

निकलने के तीन रास्ते

मानक तस्वीर को बचे रहने के लिए, कम विलंब वाले विलय “छूटे हुए” होने चाहिए। फ़ोली ने तीन व्याख्याएँ गिनाई हैं।

• जोड़े अनुमान से कहीं अधिक दूर-दूर जन्म ले सकते हैं। 10 अरब साल के न्यूनतम विलंब का अर्थ है कि 1.5 सौर द्रव्यमान वाले न्यूट्रॉन तारों का कोई भी जोड़ा 0.021 खगोलीय इकाई से कम दूरी पर शुरू नहीं होता। फ़ोली के अनुसार यह असंभावित है: यह ज्ञात दोहरे न्यूट्रॉन तारों और विशाल द्वितारों से टकराएगा।
• संसूचकों से बहुत से विलय छूट गए हो सकते हैं। फ़ोली के अनुसार यह अत्यंत असंभावित है।
• जोड़े बनने का कोई दूसरा तरीक़ा, लंबे विलंबों के साथ, सामान्य तरीक़े की बराबरी कर सकता है या उस पर हावी हो सकता है।

फ़ोली की पसंद तीसरा रास्ता है। सबसे आशाजनक उम्मीदवार तारों के घने गुच्छे हैं, जहाँ तारों के बीच गुरुत्वीय मुठभेड़ों से जोड़े बन सकते हैं, ब्रह्मांड की आयु के क़रीब के विलंबों के साथ। हमारी आकाशगंगा (Milky Way) में ज्ञात लगभग 24 दोहरे न्यूट्रॉन तारों में से, एक पुष्ट और तीन अपुष्ट गोलाकार गुच्छों (globular clusters) में स्थित हैं, जो तारों के घने गुच्छों का एक प्रकार हैं। लेकिन GW170817 की जगह पर कोई गुच्छा नहीं दिखा, और हाल का सिद्धांत गुच्छों में बहुत कम विलयों की भविष्यवाणी करता है: दर अपेक्षा से अधिक होनी चाहिए।

एक घटना से आगे की लहरें

अगर विलय इतनी देर तक प्रतीक्षा करते हैं, तो वे हमारी युवा आकाशगंगा (Galaxy) को अपने बनाए “r-प्रक्रिया” (r-process) तत्वों, जैसे यूरोपियम, से समृद्ध करने के लिए बहुत देर से पहुँचते हैं। और जो खोजें नए विलयों की रोशनी को तारा-निर्माण करने वाली आकाशगंगाओं को प्राथमिकता देकर ढूँढती हैं, वे शायद सबसे आशाजनक आकाशगंगाओं को निशाना नहीं बना रही हों। 10 अरब साल के न्यूनतम विलंब के साथ, ब्रह्मांड के 10 अरब साल का होने से पहले ऐसा कोई विलय नहीं हो सकता था, इसलिए भविष्य के संसूचक बहुत दूर ऐसे विलय कहीं कम देखेंगे।

यह सब केवल दो घटनाओं पर टिका है, जिनमें से केवल एक की स्थिति तय है। फ़ोली को उम्मीद है कि और खोजें तस्वीर को साफ़ करेंगी, और संदेह है कि असली वितरण न्यूनतम विलंब वाले एक अकेले घात नियम (power law) से कम सरल है।