घडायला 12 अब्ज वर्षे लागलेली न्यूट्रॉन ताऱ्यांची टक्कर

2017 मध्ये, LIGO आणि Virgo शोधकांनी एकमेकांभोवती गिरक्या घेत जवळ येणाऱ्या दोन न्यूट्रॉन ताऱ्यांच्या गुरुत्वीय लहरी टिपल्या: GW170817. त्यानंतर दुर्बिणींनी NGC 4993 या दीर्घिकेत प्रत्यक्ष स्फोट पाहिला — गॅमा किरणांचा एक झोत आणि एक तेजस्वी किलोनोव्हा (kilonova). त्यानंतर न्यूट्रॉन ताऱ्यांचे दुसरे एक विलीनीकरण, GW190425, शोधले गेले आहे, पण त्याचे स्थान नीट ठरवता आले नाही आणि कोणताही प्रकाश सापडला नाही. त्यामुळे GW170817 हीच अजूनही एखाद्या दीर्घिकेशी जोडली गेलेली एकमेव गुरुत्वीय-लहर घटना आहे.

ती दीर्घिका एक सुगावा आहे. कॅलिफोर्निया विद्यापीठ, सांता क्रूझ येथील Ryan Foley यांनी तिचा उपयोग करून असा प्रश्न विचारला की अशा जोड्या विलीन होण्यापूर्वी किती काळ वाट पाहतात — आणि नेहमीच्या चित्रात न बसणारे उत्तर त्यांना मिळाले.

प्रतीक्षेचा काळ

खगोलशास्त्रज्ञ याला विलंब-काळ (delay time) म्हणतात: ताऱ्यांचा जन्म आणि विलीनीकरण यांमधील काळ. दोन न्यूट्रॉन तारे तयार झाले की, ते गुरुत्वीय लहरींच्या रूपात आपली कक्षीय ऊर्जा हळूहळू गमावतात. यासाठी लागणारा काळ त्यांच्यातील अंतराच्या चौथ्या घाताच्या प्रमाणात वाढतो, त्यामुळे जवळ जन्मलेल्या जोड्या लवकर विलीन होतात आणि दूर जन्मलेल्या जोड्या उशिरा.

सुरुवातीच्या संभाव्य अंतरांच्या विस्तृत कक्षेसाठी, यातून एक साधा नियम मिळतो: विलंब-काळाच्या प्रति एककातील विलीनीकरणांची संख्या 1 भागिले विलंब या प्रमाणात घटते. यात सुमारे 10 दशलक्ष वर्षांचा किमान विलंब जोडला की, प्रमाणभूत (canonical) वितरण मिळते. त्याचा संदेश: बहुतेक जोड्या त्यांचे तारे जन्मल्यानंतर लवकरच विलीन होतात, आणि थोड्याच जोड्या अब्जावधी वर्षे वाट पाहतात.

NGC 4993 चे वय ठरवणे

NGC 4993 ही एक “पूर्व-प्रकारची” (early-type) दीर्घिका आहे — खगोलशास्त्रज्ञ ज्या वर्गाला S0 असे नाव देतात, त्या वर्गातील. किलोनोव्हा जिथे चमकला त्या जागेजवळ ताऱ्यांचा कोणताही समूह नाही आणि तारे निर्माण होणारे कोणतेही क्षेत्र नाही, त्यामुळे ही जोडी बहुधा विलीनीकरणाच्या खूप आधी, दीर्घिकेत इतरत्र कुठेतरी तयार झाली. म्हणून Foley यांनी संपूर्ण दीर्घिकेतील ताऱ्यांचे प्रारूप बनवले, अतिनीलपासून अवरक्तापर्यंतच्या 14 रंगांतील मापने आणि Very Large Telescope वरील MUSE उपकरणाने घेतलेला एक वर्णपट यांची सांगड घालून.

या जुळवणीत (fit) दीर्घिकेचा इतिहास 20 कालखंडांत विभागला जातो आणि प्रत्येक कालखंडाला मुक्तपणे तारे निर्माण करू दिले जाते. निष्कर्ष ठळक आहे. तिच्या ताऱ्यांचे सरासरी वय 12.4 अब्ज वर्षे आहे (90% विश्वास-पातळीवर 11.7 ते 12.9 दरम्यान). तारानिर्मिती 12.5 ते 13 अब्ज वर्षांपूर्वी शिखरावर होती, दर वर्षी 54 सौर वस्तुमानांइतके नवे तारे, आणि गेल्या 9 अब्ज वर्षांपासून ती दर वर्षी एका सौर वस्तुमानाच्या खालीच राहिली आहे. दीर्घिकेचे सुमारे 96% वस्तुमान 10.2 अब्ज वर्षांपूर्वीच जागी आले होते. दीर्घिकेभोवतीची कवचे (shells) सुमारे एक अब्ज वर्षांपूर्वीच्या एका लहान विलीनीकरणाकडे निर्देश करतात, पण त्यातून निर्माण झाले असते अशा तरुण ताऱ्यांचे कोणतेही चिन्ह वर्णपटात दिसत नाही.

म्हणजे GW170817 चा विलंब बहुधा साधारण 12 अब्ज वर्षांचा होता.

1.8% शक्यता

मग Foley यांनी हे वय तारानिर्मितीचा वैश्विक इतिहास, LIGO-Virgo-KAGRA सहयोगाने मोजलेला विलीनीकरण-दर आणि शोधलेली दोन विलीनीकरणे यांच्याशी एकत्र केले.

प्रमाणभूत वितरणानुसार, आज दिसणाऱ्या, 10 अब्ज वर्षांच्या विलंबाच्या प्रत्येक विलीनीकरणामागे, 1 अब्ज वर्षांच्या विलंबाची सुमारे 2 आणि 100 दशलक्ष वर्षांच्या विलंबाची 16 विलीनीकरणे असायला हवीत (विलंब-काळाच्या तितक्याच टप्प्यासाठी). शोधलेले एखादे विलीनीकरण GW170817 इतके जुने असण्याची शक्यता केवळ 1.8% आहे. कारण साधे आहे: NGC 4993 ने आपले निम्मे तारे 12.6 अब्ज वर्षांहून अधिक पूर्वी निर्माण केले, तर संपूर्ण विश्वाने तोपर्यंत आपल्या ताऱ्यांपैकी केवळ 1.1% तारे निर्माण केले होते.

सरासरी, असे एक विलीनीकरण अपेक्षित धरण्यापूर्वी खगोलशास्त्रज्ञांना आणखी 55 शोधांची गरज भासेल. तरीही स्थान निश्चित झालेले अगदी पहिलेच विलीनीकरण नेमके ते दुर्मिळ उदाहरण निघाले.

माहिती कशाला पसंती देते

किमान विलंब मुक्त ठेवला, तर माहिती अतिशय दीर्घ विलंबाला पसंती देते. ज्या वितरणात कोणतीही जोडी 12.6 अब्ज वर्षांच्या आधी विलीन होत नाही, ते प्रमाणभूत वितरणापेक्षा 40 ते 140 पटीने अधिक पसंत ठरते — विलीनीकरण-दर कसा समाविष्ट केला जातो त्यानुसार — आणि लघु गॅमा-किरण स्फोटांवरून (short gamma-ray bursts) व आकाशगंगेतील दुहेरी न्यूट्रॉन ताऱ्यांवरून अनुमानित केलेल्या वितरणांपेक्षा 80 ते 280 पटीने. एका पद्धतीत, 90% विश्वास-पातळीवर किमान विलंब 7.5 अब्ज वर्षांपेक्षा अधिक येतो.

बाहेर पडण्याचे तीन मार्ग

प्रमाणभूत चित्र टिकायचे असेल, तर कमी विलंबाची विलीनीकरणे “गायब” असली पाहिजेत. Foley तीन स्पष्टीकरणे मांडतात.

• जोड्या गृहीत धरलेल्यापेक्षा एकमेकांपासून खूप अधिक अंतरावर जन्मत असाव्यात. 10 अब्ज वर्षांचा किमान विलंब म्हणजे 1.5 सौर वस्तुमानांच्या न्यूट्रॉन ताऱ्यांची कोणतीही जोडी 0.021 खगोलीय एककांपेक्षा जवळून सुरुवात करत नाही. Foley यांना हे असंभाव्य वाटते: ज्ञात दुहेरी न्यूट्रॉन तारे आणि महाकाय युग्म तारे यांच्याशी हे विसंगत ठरेल.
• शोधकांकडून अनेक विलीनीकरणे निसटली असावीत. Foley यांच्या मते हे अत्यंत असंभाव्य आहे.
• दीर्घ विलंब असलेला, जोड्या तयार होण्याचा दुसरा एखादा मार्ग नेहमीच्या मार्गाशी स्पर्धा करत असावा किंवा त्यावर वरचढ असावा.

Foley तिसऱ्या स्पष्टीकरणाला पसंती देतात. सर्वात आश्वासक उमेदवार म्हणजे ताऱ्यांचे दाट समूह, जिथे ताऱ्यांमधील गुरुत्वीय भेटींतून जोड्या तयार होऊ शकतात, विश्वाच्या वयाच्या जवळपास असलेल्या विलंबांसह. आकाशगंगेत ज्ञात असलेल्या सुमारे 24 दुहेरी न्यूट्रॉन ताऱ्यांपैकी, एक पुष्टी झालेला आणि तीन अपुष्ट तारे गोलाकार तारकागुच्छांमध्ये (globular clusters), म्हणजे ताऱ्यांच्या दाट समूहांच्या एका प्रकारात, आहेत. पण GW170817 च्या ठिकाणी कोणताही समूह दिसला नाही, आणि अलीकडील सिद्धांतानुसार समूहांतील विलीनीकरणे फारच कमी असतात: हा दर अपेक्षेपेक्षा जास्त असावा लागेल.

एका घटनेपलीकडचे तरंग

जर विलीनीकरणे इतकी दीर्घ प्रतीक्षा करत असतील, तर ती घडवत असलेल्या युरोपियमसारख्या “r-प्रक्रिया” (r-process) मूलद्रव्यांनी तरुण आकाशगंगेला समृद्ध करण्यासाठी ती फार उशिरा येतात. आणि तारे निर्माण करणाऱ्या दीर्घिकांना प्राधान्य देत नव्या विलीनीकरणांचा प्रकाश शोधणाऱ्या मोहिमा कदाचित सर्वात आश्वासक दीर्घिकांचा वेध घेत नसतील. 10 अब्ज वर्षांच्या किमान विलंबासह, विश्व 10 अब्ज वर्षांचे होण्यापूर्वी असे कोणतेही विलीनीकरण घडू शकले नसते, त्यामुळे भविष्यातील शोधकांना मोठ्या अंतरांवर अशी विलीनीकरणे कितीतरी कमी दिसतील.

हे सर्व दोन घटनांवर आधारित आहे, आणि त्यांपैकी केवळ एकीचे स्थान निश्चित झाले आहे. अधिक शोधांमुळे हे चित्र अधिक स्पष्ट होईल अशी Foley यांची अपेक्षा आहे, आणि खरे वितरण किमान विलंबासह असलेल्या एका साध्या घात-नियमापेक्षा (power law) कमी साधे असावे, असा त्यांचा संशय आहे.