అత్యంత బరువైన కృష్ణబిలాల ఢీ వృత్తాకార కక్ష్యలో జరగలేదు
23 నవంబర్ 2023న హ్యాన్‌ఫర్డ్, లివింగ్‌స్టన్‌లలోని LIGO అబ్జర్వేటరీలు GW231123 ను నమోదు చేశాయి — ఇప్పటివరకు నివేదించిన రెండు కృష్ణబిలాల అత్యంత భారీ విలీనం. కక్ష్య వృత్తాకారమని ఊహించి చేసిన ప్రామాణిక విశ్లేషణ సూర్యుని ద్రవ్యరాశికి సుమారు 137, 101 రెట్ల ద్రవ్యరాశులను ఇచ్చింది, రెండూ అత్యంత వేగంగా తిరుగుతున్నాయి.
ఈ సంఖ్యలు ఇబ్బందికరమైనవి. చిన్న కృష్ణబిలం జంట-అస్థిరత ద్రవ్యరాశి అంతరం (pair-instability mass gap) అని పిలిచే పరిధిలో పడుతుంది — ఒక నక్షత్రపు సాధారణ కూలిపోవడం ఉత్పత్తి చేయడానికి కష్టపడే ద్రవ్యరాశుల పరిధి ఇది. దీన్ని దాటే ఒక మార్గం అంచెలవారీ విలీనం (hierarchical merger): దట్టమైన నక్షత్ర సమూహం వంటి రద్దీ వాతావరణంలో, ఒక విలీనపు అవశేషం అక్కడే ఉండి తర్వాత మళ్లీ విలీనమవుతుంది. పత్రం ఒక ఉపయోగకరమైన ఆధారాన్ని కూడా పేర్కొంటుంది: సమాన ద్రవ్యరాశి, తక్కువ భ్రమణం ఉన్న రెండు కృష్ణబిలాలు విలీనమైనప్పుడు, అవశేషం సాధారణంగా సుమారు 0.7 విలువతో తిరుగుతుంది — భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు వాడే పరిమాణరహిత స్కేలుపై, ఇక్కడ 1 కి దగ్గరి విలువలు దాదాపు గరిష్ఠ భ్రమణాన్ని సూచిస్తాయి.
కొన్ని చక్రాలు మాత్రమే
GW231123 చిన్నది: చివరి పతనానికి ముందు కొలవగలిగిన తరంగ చక్రాలు కొన్ని మాత్రమే. దాంతో దాని వ్యాఖ్యానం తరంగ రూప మోడల్‌పై చాలా ఆధారపడుతుంది. ఒక లక్షణాన్ని కచ్చితంగా నిర్ణయించడం ప్రత్యేకంగా కష్టం: ఉత్కేంద్రత (eccentricity), అంటే కక్ష్య ఎంత దీర్ఘవృత్తాకారంగా ఉందో. గురుత్వ తరంగాలను వెలువరించడం పాత, ఒంటరి జంటల కక్ష్యలను గుండ్రంగా మారుస్తుంది, కానీ దట్టమైన వాతావరణాల్లో సన్నిహిత ఎదురుపడటాలు కొంత ఉత్కేంద్రతను మిగిల్చగలవు. కొన్ని చక్రాల్లోనే, దీర్ఘవృత్తాకార కక్ష్య తిరుగుతున్న కృష్ణబిలాల ఊగిసలాటను అనుకరించగలదు. ఒక మోడల్ ఉత్కేంద్రతను వదిలేస్తే, దాని ముద్రను భ్రమణాలు గ్రహించేయవచ్చు.
కింది నుంచి మొదలుపెడితే, ఎక్కువ కనిపిస్తుంది
వుహాన్ విశ్వవిద్యాలయానికి చెందిన బావోషియాంగ్ వాంగ్ (Baoxiang Wang), టావో యాంగ్ (Tao Yang), బీజింగ్ నార్మల్ విశ్వవిద్యాలయం, పోట్స్‌డామ్‌లోని మాక్స్ ప్లాంక్ గురుత్వ భౌతికశాస్త్ర సంస్థ, నింగ్బో విశ్వవిద్యాలయాలకు చెందిన సహచరులతో కలిసి, ఉత్కేంద్రతను, పురస్సరణ (precession) చెందే భ్రమణాలను రెండింటినీ అనుమతించే తరంగ రూప మోడల్‌తో బహిరంగ డేటాను పునర్విశ్లేషించారు. కీలక తేడా: హ్యాన్‌ఫర్డ్ డిటెక్టర్ విషయంలో — దాని బహిరంగ డేటా నుంచి ఒక క్షణిక అవాంతరం (glitch) తొలగించబడింది — వారు 20 కి బదులు 11 హెర్ట్జ్ నుంచి మొదలుపెట్టారు. తక్కువ పౌనఃపున్యాల వద్ద ఉత్కేంద్రత ఎక్కువగా ఉంటుంది, కాబట్టి సంకేతంలోని ఈ తొలి భాగమే అత్యంత ముఖ్యమైనది.
- 5.5 హెర్ట్జ్ పౌనఃపున్యం వద్ద నిర్వచించిన కక్ష్య ఉత్కేంద్రత 0.34 గా వస్తుంది.
- ఉత్కేంద్ర మోడల్‌ను 10.2 బేయెస్ కారకం (Bayes factor) సమర్థిస్తుంది: వృత్తాకార కక్ష్య కంటే దీర్ఘవృత్తాకార కక్ష్య డేటాను సుమారు పది రెట్లు బాగా వివరిస్తుంది.
- మునుపటి అధ్యయనాల లాగా 20 హెర్ట్జ్ నుంచి మొదలుపెడితే, వారికి చాలా తక్కువ ఉత్కేంద్రత కనిపిస్తుంది — ఆ అధ్యయనాలతో ఏకీభవిస్తూ.
దీన్ని సరిచూడడానికి వారు దీర్ఘవృత్తాకార కక్ష్యతో ఒక నకిలీ GW231123 ను నిర్మించి, అదే విధంగా విశ్లేషించారు. అది నిజమైన సంఘటనలాగే ప్రవర్తించింది: 11 హెర్ట్జ్ నుంచి స్పష్టంగా ఉత్కేంద్రంగా, 20 హెర్ట్జ్ నుంచి చాలా తక్కువగా. మరీ పై నుంచి మొదలుపెడితే దీర్ఘవృత్తాకార కక్ష్య దాగిపోవచ్చు.
భ్రమణ చిక్కుముడి సడలుతుంది
ఉత్కేంద్రతను అనుమతించడం చిన్న కృష్ణబిలాన్ని అత్యధికంగా మారుస్తుంది. దాని భ్రమణం వృత్తాకార విశ్లేషణలోని 0.90 నుంచి సుమారు 0.74 కు తగ్గుతుంది — మునుపటి విలీనపు అవశేషానికి ఆశించే 0.7 కు దగ్గరగా. నకిలీ సంకేతం కూడా ఇదే ప్రభావాన్ని చూపిస్తుంది: వృత్తాకారంగా విశ్లేషిస్తే, దాని చిన్న కృష్ణబిలం నిజానికంటే వేగంగా తిరుగుతున్నట్లు కనిపిస్తుంది.
పెద్ద కృష్ణబిలం ఏ విధంగా చూసినా వేగంగానే తిరుగుతుంది, దాని ద్రవ్యరాశి సరళమైన రెండో తరం మూలానికి సరిపోవడం కష్టం. కాబట్టి రెండు కృష్ణబిలాలకూ వేర్వేరు చరిత్రలు ఉండవచ్చు: చిన్నది బహుశా రెండు మునుపటి కృష్ణబిలాల సంతానం, పెద్దది వేరే ఏదో విధంగా ఏర్పడింది. దృష్టి రేఖ వెంట ఒక గురుత్వ కటకం ఉండే అవకాశాన్ని జోడించినా ఉత్కేంద్ర ఫలితం మారదు.
ఇది ఏం మారుస్తుంది
మునుపటి అధ్యయనాలు జంట-అస్థిరత ద్రవ్యరాశి అంతరం యొక్క ఎగువ అంచును గుర్తించడానికి GW231123 చిన్న కృష్ణబిలాన్ని ఉపయోగించాయి. ఆ కృష్ణబిలమే ఒక విలీనపు ఉత్పత్తి అయితే, దాని ద్రవ్యరాశి ఒక్కటే ఆ అంచును నిర్ణయించలేదని రచయితలు వాదిస్తారు. 10 బేయెస్ కారకం రుజువు కాదు, ఒక సూచన — సంకేతం చిన్నదైనప్పుడు నిజంగా ఉత్కేంద్రమైన సంకేతాలు కూడా ఎల్లప్పుడూ బలమైన మొగ్గును ఇవ్వవని రచయితలే పేర్కొంటారు. ఒక జనాభా సరిహద్దు కొన్ని అసాధారణ సంఘటనలపై ఆధారపడినప్పుడు, ఆ సంఘటనల వెనుక ఉన్న తరంగ రూప ఊహలు నేరుగా ప్రాముఖ్యం పొందుతాయని వారు ముగిస్తారు.