மிகக் கனமான கருந்துளை மோதல் ஒரு வட்டத்தில் நிகழவில்லை

2023 நவம்பர் 23 அன்று, ஹான்ஃபோர்டு, லிவிங்ஸ்டனில் உள்ள LIGO ஆய்வகங்கள் GW231123-ஐப் பதிவுசெய்தன; இதுவரை அறிவிக்கப்பட்டவற்றில் இரண்டு கருந்துளைகளின் மிக நிறைமிக்க இணைப்பு இது. வட்டச் சுற்றுப்பாதையை அனுமானித்து, வழக்கமான பகுப்பாய்வு ஏறக்குறைய சூரியனின் நிறையைப் போல 137, 101 மடங்கு நிறைகளைத் தந்தது; இரண்டும் மிக மிக வேகமாகச் சுழன்றன.

அந்த எண்கள் சங்கடமானவை. சிறிய கருந்துளை இணை-நிலையின்மை நிறை இடைவெளி (pair-instability mass gap) எனப்படும் பகுதியில் விழுகிறது — ஒரு நட்சத்திரத்தின் சாதாரண வீழ்ச்சி உருவாக்கச் சிரமப்படும் நிறை வரம்பு இது. இதைத் தாண்டுவதற்கான ஒரு வழி படிநிலை இணைப்பு (hierarchical merger): அடர்த்தியான நட்சத்திரக் கொத்து போன்ற நெரிசலான சூழலில், ஓர் இணைப்பின் எச்சம் அங்கேயே தங்கி, பின்னர் மீண்டும் இணைகிறது. பயனுள்ள ஒரு தடயத்தையும் ஆய்வுக்கட்டுரை குறிப்பிடுகிறது: ஒத்த நிறையும் குறைந்த சுழற்சியும் கொண்ட இரண்டு கருந்துளைகள் இணையும்போது, எச்சம் வழக்கமாக ஏறக்குறைய 0.7 என்ற மதிப்பில் சுழல்கிறது — இயற்பியலாளர்கள் பயன்படுத்தும் அலகற்ற அளவுகோலில், 1-க்கு நெருக்கமான மதிப்புகள் ஏறக்குறைய உச்சநிலைச் சுழற்சியைக் குறிக்கின்றன.

சில சுழற்சிகள் மட்டுமே

GW231123 குறுகியது: இறுதிப் பாய்ச்சலுக்கு முன் அளக்கக்கூடிய சில அலைச் சுழற்சிகள் மட்டுமே. இதனால் அதன் விளக்கம் அலைவடிவ மாதிரியை (waveform model) மிகவும் சார்ந்திருக்கிறது. ஒரு பண்பைக் கண்டறிவது குறிப்பாகக் கடினம்: மையப்பிறழ்வு (eccentricity), அதாவது சுற்றுப்பாதை எவ்வளவு நீள்வட்டமானது என்பது. ஈர்ப்பு அலைகளை வெளியிடுவது, பழைய, தனித்த இரட்டைகளின் சுற்றுப்பாதைகளை வட்டமாக்க முனைகிறது; ஆனால் அடர்த்தியான சூழல்களில் நிகழும் நெருங்கிய சந்திப்புகள் சிறிது மையப்பிறழ்வை விட்டுச்செல்லக்கூடும். சில சுழற்சிகளுக்குள், ஒரு நீள்வட்டச் சுற்றுப்பாதை சுழலும் கருந்துளைகளின் தள்ளாட்டத்தைப் போலவே தோன்றக்கூடும். ஒரு மாதிரி மையப்பிறழ்வை விட்டுவிட்டால், சுழற்சிகள் அதன் அடையாளத்தை உள்வாங்கிக்கொள்ளக்கூடும்.

கீழிருந்து தொடங்கினால், அதிகம் தெரியும்

வூஹான் பல்கலைக்கழகத்தைச் சேர்ந்த பாவோஷியாங் வாங், தாவோ யாங் ஆகியோர், பெய்ஜிங் நார்மல் பல்கலைக்கழகம், போட்ஸ்டாமில் உள்ள மாக்ஸ் பிளாங்க் ஈர்ப்பு இயற்பியல் நிறுவனம், நிங்போ பல்கலைக்கழகம் ஆகியவற்றின் சக ஆய்வாளர்களுடன் சேர்ந்து, மையப்பிறழ்வு, அச்சுநகர்வு (precessing) சுழற்சிகள் இரண்டையும் அனுமதிக்கும் ஓர் அலைவடிவ மாதிரியைக் கொண்டு பொதுத் தரவுகளை மறுபகுப்பாய்வு செய்தனர். முக்கிய வேறுபாடு: பொதுத் தரவுகளிலிருந்து ஒரு கோளாறு (glitch) சுத்தம் செய்யப்பட்டிருந்த ஹான்ஃபோர்டு கண்டறிவிக்கு, அவர்கள் 20-க்குப் பதிலாக 11 ஹெர்ட்ஸிலிருந்து தொடங்கினர். குறைந்த அதிர்வெண்களில் மையப்பிறழ்வு பெரிதாக இருக்கும்; எனவே சமிக்ஞையின் இந்த ஆரம்பப் பகுதியே மிக முக்கியமானது.

• சுற்றுப்பாதையின் மையப்பிறழ்வு 0.34 என வருகிறது; இது 5.5 ஹெர்ட்ஸ் அதிர்வெண்ணில் வரையறுக்கப்பட்டது.
• மையப்பிறழ்ந்த மாதிரி 10.2 என்ற பேய்ஸ் காரணியால் (Bayes factor) விரும்பப்படுகிறது: வட்டச் சுற்றுப்பாதையை விட நீள்வட்டச் சுற்றுப்பாதை தரவுகளை ஏறக்குறைய பத்து மடங்கு சிறப்பாக விளக்குகிறது.
• முந்தைய ஆய்வுகளைப் போல 20 ஹெர்ட்ஸிலிருந்து தொடங்கினால், அவர்களுக்குக் குறைந்த மையப்பிறழ்வே கிடைக்கிறது — அந்த ஆய்வுகளுடன் ஒத்துப்போகிறது.

இதைச் சரிபார்க்க, நீள்வட்டச் சுற்றுப்பாதை கொண்ட ஒரு போலி GW231123-ஐ உருவாக்கி, அதே முறையில் பகுப்பாய்வு செய்தனர். அது உண்மை நிகழ்வைப் போலவே நடந்துகொண்டது: 11 ஹெர்ட்ஸிலிருந்து தெளிவாக மையப்பிறழ்ந்தது, 20 ஹெர்ட்ஸிலிருந்து மிகக் குறைவு. மிக உயரத்திலிருந்து தொடங்குவது ஒரு நீள்வட்டச் சுற்றுப்பாதையை மறைக்கக்கூடும்.

சுழற்சிப் புதிர் தளர்கிறது

மையப்பிறழ்வை அனுமதிப்பது சிறிய கருந்துளையையே அதிகம் மாற்றுகிறது. அதன் சுழற்சி, வட்டப் பகுப்பாய்வில் இருந்த 0.90-லிருந்து ஏறக்குறைய 0.74-க்குக் குறைகிறது — முந்தைய இணைப்பின் எச்சத்துக்கு எதிர்பார்க்கப்படும் 0.7-க்கு அருகில். போலிச் சமிக்ஞையும் இதே விளைவைக் காட்டுகிறது: வட்டமாகப் பகுப்பாய்வு செய்தால், அதன் சிறிய கருந்துளை உண்மையில் இருப்பதை விட வேகமாகச் சுழல்வதாகத் தோன்றுகிறது.

பெரிய கருந்துளை எப்படியும் வேகமாகவே சுழல்கிறது; அதன் நிறை எளிய இரண்டாம் தலைமுறைத் தோற்றத்துடன் அரிதாகவே பொருந்துகிறது. எனவே இரண்டு கருந்துளைகளுக்கும் வெவ்வேறு வரலாறுகள் இருக்கலாம்: சிறியது முந்தைய இரண்டு கருந்துளைகளின் குழந்தையாக இருக்கலாம், பெரியது வேறு வழியில் உருவாகியிருக்கலாம். பார்வைக் கோட்டில் ஓர் ஈர்ப்பு வில்லை (gravitational lens) இருக்கும் சாத்தியத்தைச் சேர்த்தாலும் மையப்பிறழ்வு முடிவு மாறவில்லை.

இது எதை மாற்றுகிறது

இணை-நிலையின்மை நிறை இடைவெளியின் மேல் எல்லையைக் கண்டறிய, முந்தைய ஆய்வுகள் GW231123-இன் சிறிய கருந்துளையைப் பயன்படுத்தின. அந்தக் கருந்துளையே ஓர் இணைப்பின் விளைவு என்றால், அதன் நிறை தனியாக அந்த எல்லையை நிர்ணயிக்க முடியாது என்று ஆய்வாளர்கள் வாதிடுகின்றனர். 10 என்ற பேய்ஸ் காரணி ஒரு சுட்டு, நிரூபணம் அல்ல — சமிக்ஞை குறுகியதாக இருக்கும்போது, உண்மையிலேயே மையப்பிறழ்ந்த சமிக்ஞைகள் எப்போதும் வலுவான விருப்பத்தைத் தருவதில்லை என்று ஆய்வாளர்களே குறிப்பிடுகின்றனர். ஒரு கூட்டத்தின் எல்லை சில அசாதாரண நிகழ்வுகளைச் சார்ந்திருக்கும்போது, அந்த நிகழ்வுகளுக்குப் பின்னால் உள்ள அலைவடிவ அனுமானங்கள் நேரடியாக முக்கியத்துவம் பெறுகின்றன என்று அவர்கள் முடிவு செய்கின்றனர்.