உருவாக 12 பில்லியன் ஆண்டுகள் எடுத்த ஒரு நியூட்ரான் விண்மீன் மோதல்

2017-இல், LIGO, Virgo கண்டறிகருவிகள், ஒன்றையொன்று சுற்றிச் சுழன்று நெருங்கிய இரண்டு நியூட்ரான் விண்மீன்களின் ஈர்ப்பு அலைகளைப் பிடித்தன: GW170817. பிறகு தொலைநோக்கிகள் அந்த வெடிப்பையே கண்டன — காமா கதிர்களின் ஒரு திடீர் வெடிப்பும், ஒரு கிலோநோவாவும் (kilonova): மோதலால் வெளியே வீசப்பட்ட, புதிதாக உருவான சூடான கனமான தனிமங்களின் ஒளிர்வு — NGC 4993 விண்மீன் திரளில். அதன் பிறகு GW190425 என்ற இரண்டாவது நியூட்ரான் விண்மீன் இணைவு கண்டறியப்பட்டுள்ளது; ஆனால் அதன் இருப்பிடம் சரியாகத் தீர்மானிக்கப்படவில்லை, எந்த ஒளியும் கண்டறியப்படவில்லை. எனவே, ஒரு விண்மீன் திரளுடன் இணைக்கப்பட்ட ஒரே ஈர்ப்பு அலை நிகழ்வாக GW170817 இன்றும் உள்ளது.

அந்த விண்மீன் திரள் ஒரு துப்பு. University of California, Santa Cruz-ஐச் சேர்ந்த Ryan Foley, அத்தகைய இணைகள் இணைவதற்கு முன் எவ்வளவு காலம் காத்திருக்கின்றன என்று கேட்க அதைப் பயன்படுத்தினார் — வழக்கமான சித்திரத்துக்குப் பொருந்தாத ஒரு விடையைக் கண்டார்.

காத்திருப்பு நேரம்

வானியலாளர்கள் இதைத் தாமத நேரம் (delay time) என்கின்றனர்: விண்மீன்கள் பிறப்பதற்கும் இணைவுக்கும் இடைப்பட்ட காலம். இரண்டு நியூட்ரான் விண்மீன்கள் உருவானதும், அவை ஈர்ப்பு அலைகள் வழியாகத் தம் சுற்றுப்பாதை ஆற்றலை மெல்ல இழக்கின்றன. இதற்கு ஆகும் காலம், அவற்றுக்கு இடையிலான பிரிவுத் தொலைவின் நான்காம் அடுக்குக்கு ஏற்ப வளர்கிறது; எனவே நெருக்கமாகப் பிறந்த இணைகள் வேகமாக இணைகின்றன, அகன்று பிறந்த இணைகள் தாமதமாக இணைகின்றன.

நம்பத்தகுந்த தொடக்கப் பிரிவுத் தொலைவுகளின் ஒரு பரந்த வரம்புக்கு, இது ஓர் எளிய விதியைத் தருகிறது: தாமத நேரத்தின் ஓர் அலகுக்கான இணைவுகளின் எண்ணிக்கை 1-ஐத் தாமதத்தால் வகுத்த அளவின்படி குறைகிறது. சுமார் 10 மில்லியன் ஆண்டுகள் என்ற ஒரு குறைந்தபட்சத் தாமதத்தைச் சேர்த்தால், நியமப் பரவல் (canonical distribution) கிடைக்கிறது. அதன் செய்தி: பெரும்பாலான இணைகள் அவற்றின் விண்மீன்கள் பிறந்த சிறிது காலத்திலேயே இணைகின்றன; பில்லியன் கணக்கான ஆண்டுகள் காத்திருப்பவை சிலவே.

NGC 4993-இன் வயதைக் கணித்தல்

NGC 4993 ஒரு “முந்தைய வகை” (early-type) விண்மீன் திரள் (S0 வகுப்பு): இன்று புதிய விண்மீன்களைச் சிலவற்றையே உருவாக்கும் ஒரு விண்மீன் திரள். கிலோநோவா ஒளிர்ந்த இடத்துக்கு அருகே எந்த விண்மீன் கொத்தும், விண்மீன் உருவாகும் எந்தப் பகுதியும் இல்லை; எனவே அந்த இணை பெரும்பாலும் இணைவுக்கு வெகு காலம் முன்பே, விண்மீன் திரளின் வேறோர் இடத்தில் உருவாகியிருக்கலாம். ஆகவே Foley முழு விண்மீன் திரளின் விண்மீன்களையும் மாதிரியாக்கினார்; புற ஊதா முதல் அகச்சிவப்பு வரையிலான 14 நிறங்களில் செய்யப்பட்ட அளவீடுகளை, Very Large Telescope-இல் உள்ள MUSE கருவியின் ஒரு நிறமாலையுடன் இணைத்தார்.

பொருத்தம் (fit), விண்மீன் திரளின் வரலாற்றை 20 காலப் பகுதிகளாகப் பிரித்து, ஒவ்வொன்றும் சுதந்திரமாக விண்மீன்களை உருவாக்க அனுமதிக்கிறது. முடிவு அப்பட்டமானது. அதன் விண்மீன்களின் சராசரி வயது 12.4 பில்லியன் ஆண்டுகள் (90% நம்பகத்தன்மையில், 11.7-க்கும் 12.9-க்கும் இடையே). விண்மீன் உருவாக்கம் 12.5 முதல் 13 பில்லியன் ஆண்டுகளுக்கு முன் உச்சத்தை எட்டியது — ஆண்டுக்கு 54 சூரிய நிறைகள் அளவு புதிய விண்மீன்கள் — பிறகு கடந்த 9 பில்லியன் ஆண்டுகளாக ஆண்டுக்கு ஒரு சூரிய நிறைக்குக் கீழேயே இருந்து வருகிறது. விண்மீன் திரளின் நிறையில் சுமார் 96%, 10.2 பில்லியன் ஆண்டுகளுக்கு முன்பே உருவாகியிருந்தது. விண்மீன் திரளைச் சுற்றியுள்ள ஓடுகள் (shells), சுமார் ஒரு பில்லியன் ஆண்டுகளுக்கு முன் நடந்த ஒரு சிறிய இணைவைச் சுட்டுகின்றன; ஆனால் அது உருவாக்கியிருக்கக்கூடிய இளம் விண்மீன்களின் எந்த அறிகுறியையும் நிறமாலை காட்டவில்லை.

எனவே GW170817-இன் தாமதம் பெரும்பாலும் ஏறக்குறைய 12 பில்லியன் ஆண்டுகள்.

1.8% வாய்ப்பு

பிறகு Foley இந்த வயதை, விண்மீன் உருவாக்கத்தின் அண்ட வரலாறு, LIGO-Virgo-KAGRA கூட்டமைப்பு அளந்த இணைவு வீதம், கண்டறியப்பட்ட இரண்டு இணைவுகள் ஆகியவற்றுடன் இணைத்தார்.

நியமப் பரவலின்படி, இன்று காணப்படும், 10 பில்லியன் ஆண்டுத் தாமதம் கொண்ட ஒவ்வோர் இணைவுக்கும், 1 பில்லியன் ஆண்டுத் தாமதம் கொண்டவை சுமார் 2-உம், 100 மில்லியன் ஆண்டுத் தாமதம் கொண்டவை 16-உம் இருக்க வேண்டும் (தாமத நேரங்களின் ஒரே அளவு இடைவெளிக்கு). கண்டறியப்பட்ட ஓர் இணைவு GW170817 அளவுக்குப் பழையதாக இருப்பதற்கான வாய்ப்பு வெறும் 1.8% மட்டுமே. காரணம் தெளிவானது: NGC 4993 தன் விண்மீன்களில் பாதியை 12.6 பில்லியன் ஆண்டுகளுக்கும் முன்பே உருவாக்கியது; ஆனால் அந்த நேரத்தில் பிரபஞ்சம் முழுவதும் தன் விண்மீன்களில் 1.1%-ஐ மட்டுமே உருவாக்கியிருந்தது.

சராசரியாக, அதைப் போன்ற ஒன்றை எதிர்பார்ப்பதற்கு முன் வானியலாளர்களுக்கு மேலும் 55 கண்டறிதல்கள் தேவைப்படும். இருந்தும், இதுவரை இருப்பிடம் கண்டறியப்பட்ட முதல் இணைவே அந்த அரிய நிகழ்வாக அமைந்தது.

தரவுகள் எதை விரும்புகின்றன

குறைந்தபட்சத் தாமதத்தைக் கட்டுப்படுத்தாமல் விட்டால், தரவுகள் மிக நீண்ட ஒன்றையே ஆதரிக்கின்றன. 12.6 பில்லியன் ஆண்டுகள் ஆவதற்கு முன் எந்த இணையும் இணையாத ஒரு பரவல், இணைவு வீதம் எப்படிக் கணக்கில் சேர்க்கப்படுகிறது என்பதைப் பொறுத்து, நியமப் பரவலை விட 40 முதல் 140 மடங்கு அதிகமாக விரும்பப்படுகிறது; குறுகிய காமா-கதிர் வெடிப்புகளிலிருந்தும் பால்வீதியில் உள்ள இரட்டை நியூட்ரான் விண்மீன்களிலிருந்தும் ஊகிக்கப்பட்ட பரவல்களை விட 80 முதல் 280 மடங்கு. ஒரு கணக்கீட்டு முறையில், குறைந்தபட்சத் தாமதம் 90% நம்பகத்தன்மையில் 7.5 பில்லியன் ஆண்டுகளைத் தாண்டுகிறது.

மூன்று வெளிவழிகள்

நியமச் சித்திரம் நிலைத்திருக்க வேண்டுமென்றால், குறுகிய தாமத இணைவுகள் “காணாமல்” போயிருக்க வேண்டும். Foley மூன்று விளக்கங்களைப் பட்டியலிடுகிறார்.

• இணைகள், அனுமானிக்கப்பட்டதை விட மிக அகன்ற இடைவெளியில் பிறந்திருக்கலாம். 10 பில்லியன் ஆண்டுகள் என்ற குறைந்தபட்சத் தாமதம் என்றால், 1.5 சூரிய நிறை கொண்ட நியூட்ரான் விண்மீன்களின் எந்த இணையும் 0.021 வானியல் அலகுகளை (புவி–சூரியன் தொலைவின் 0.021 மடங்கு) விட நெருக்கமாகத் தொடங்கவில்லை என்று பொருள். Foley இதை நிகழ வாய்ப்பில்லாததாகக் கருதுகிறார்: இது அறியப்பட்ட இரட்டை நியூட்ரான் விண்மீன்களுடனும் பெரும் இரட்டை விண்மீன்களுடனும் முரண்படும்.
• கண்டறிகருவிகள் பல இணைவுகளைத் தவறவிட்டிருக்கலாம். Foley அதை மிக மிக வாய்ப்பில்லாதது என்கிறார்.
• நீண்ட தாமதங்களைக் கொண்ட, இணைகளை உருவாக்கும் வேறொரு வழி, வழக்கமான வழிக்கு இணையாகவோ அதை விட ஆதிக்கமாகவோ இருக்கலாம்.

Foley மூன்றாவதையே ஆதரிக்கிறார். மிக நம்பிக்கைக்குரிய வேட்பாளர் அடர்த்தியான விண்மீன் கொத்துகள்: அங்கே விண்மீன்களுக்கு இடையிலான ஈர்ப்புச் சந்திப்புகள் வழியாக இணைகள் உருவாகலாம்; அவற்றின் தாமதங்கள் பிரபஞ்சத்தின் வயதுக்கு நெருக்கமாக இருக்கும். பால்வீதியில் அறியப்பட்ட சுமார் 24 இரட்டை நியூட்ரான் விண்மீன்களில், உறுதிப்படுத்தப்பட்ட ஒன்றும் உறுதிப்படுத்தப்படாத மூன்றும் கோளகக் கொத்துகளில் (globular clusters) — ஒரு வகை அடர்த்தியான விண்மீன் கொத்து — உள்ளன. ஆனால் GW170817 நிகழ்ந்த இடத்தில் எந்தக் கொத்தும் காணப்படவில்லை; மேலும், அண்மைய கோட்பாடு கொத்துகளில் நிகழும் இணைவுகளை மிகக் குறைவாகவே கணிக்கிறது: வீதம் எதிர்பார்த்ததை விட அதிகமாக இருக்க வேண்டியிருக்கும்.

ஒரு நிகழ்வுக்கு அப்பால் பரவும் அலைகள்

இணைவுகள் இவ்வளவு காலம் காத்திருந்தால், அவை உருவாக்கும் கனமான தனிமங்களால் — யூரோப்பியம் போன்றவை (r-செயல்முறைத் தனிமங்கள், r-process elements, என அழைக்கப்படுபவை) — இளம் பால்வீதியை வளப்படுத்த அவை மிகத் தாமதமாக வருகின்றன. மேலும், விண்மீன் உருவாகும் விண்மீன் திரள்களுக்கு முன்னுரிமை கொடுத்துப் புதிய இணைவுகளின் ஒளியைத் தேடும் தேடல்கள், மிக நம்பிக்கைக்குரிய விண்மீன் திரள்களைக் குறிவைக்காமல் இருக்கலாம். 10 பில்லியன் ஆண்டுகள் என்ற குறைந்தபட்சத் தாமதத்துடன், பிரபஞ்சத்துக்கு 10 பில்லியன் ஆண்டுகள் வயதாவதற்கு முன் அத்தகைய எந்த இணைவும் நிகழ முடியாது; எனவே எதிர்காலக் கண்டறிகருவிகள் பெருந்தொலைவுகளில் அவற்றை வெகு குறைவாகவே காணும்.

இவை அனைத்தும் இரண்டு நிகழ்வுகளை மட்டுமே சார்ந்துள்ளன; அவற்றில் ஒன்றின் இருப்பிடம் மட்டுமே கண்டறியப்பட்டுள்ளது. மேலும் பல கண்டறிதல்கள் இந்தச் சித்திரத்தைக் கூர்மையாக்கும் என்று Foley எதிர்பார்க்கிறார்; உண்மையான பரவல், ஒரு குறைந்தபட்சத் தாமதத்துடன் கூடிய ஒற்றை அடுக்கு விதியை (power law) விட எளிமை குறைந்ததாக இருக்கும் என்றும் அவர் சந்தேகிக்கிறார்.