తయారవడానికి 12 వందల కోట్ల సంవత్సరాలు పట్టిన న్యూట్రాన్ నక్షత్రాల ఢీ

2017లో, LIGO, Virgo డిటెక్టర్లు ఒకదాని చుట్టూ ఒకటి సుడులు తిరుగుతూ దగ్గరవుతున్న రెండు న్యూట్రాన్ నక్షత్రాల గురుత్వాకర్షణ తరంగాలను పట్టుకున్నాయి: GW170817. ఆ తర్వాత టెలిస్కోప్‌లు ఆ విస్ఫోటనాన్నే చూశాయి — గామా కిరణాల విస్ఫోటం, మెరుస్తున్న ఒక కిలోనోవా — NGC 4993 గెలాక్సీలో. అప్పటి నుంచి రెండో న్యూట్రాన్ నక్షత్రాల విలీనం GW190425 గుర్తించబడింది, కానీ దాని స్థానం సరిగా తెలియలేదు, ఎలాంటి కాంతీ కనిపించలేదు. కాబట్టి GW170817 ఇప్పటికీ ఒక గెలాక్సీకి ముడిపెట్టిన ఏకైక గురుత్వాకర్షణ తరంగ సంఘటనగా మిగిలింది.

ఆ గెలాక్సీ ఒక ఆధారం. కాలిఫోర్నియా విశ్వవిద్యాలయం, శాంటా క్రూజ్‌కు చెందిన రయన్ ఫోలీ, అలాంటి జంటలు విలీనం కావడానికి ముందు ఎంతకాలం వేచి ఉంటాయో అడిగేందుకు దాన్ని వాడారు — సాధారణ చిత్రానికి సరిపోని సమాధానాన్ని కనుగొన్నారు.

నిరీక్షణ సమయం

ఖగోళ శాస్త్రవేత్తలు దీన్ని ఆలస్య సమయం (delay time) అంటారు: నక్షత్రాలు పుట్టినప్పటి నుంచి విలీనం వరకు గడిచే సమయం. రెండు న్యూట్రాన్ నక్షత్రాలు ఏర్పడిన తర్వాత, అవి గురుత్వాకర్షణ తరంగాల ద్వారా కక్ష్య శక్తిని నెమ్మదిగా కోల్పోతాయి. దీనికి పట్టే సమయం వాటి మధ్య దూరపు నాలుగో ఘాతంతో పెరుగుతుంది, కాబట్టి దగ్గరగా పుట్టిన జంటలు త్వరగా, దూరంగా పుట్టిన జంటలు ఆలస్యంగా విలీనమవుతాయి.

నమ్మదగిన ప్రారంభ దూరాల విస్తృత శ్రేణికి, దీని నుంచి ఒక సరళమైన నియమం వస్తుంది: ఆలస్య సమయపు ప్రతి యూనిట్‌కు విలీనాల సంఖ్య 1ని ఆలస్యంతో భాగించినట్లుగా తగ్గుతుంది. సుమారు 1 కోటి సంవత్సరాల కనిష్ఠ ఆలస్యాన్ని జోడిస్తే, ప్రామాణిక (canonical) పంపిణీ వస్తుంది. దాని సందేశం: చాలా జంటలు వాటి నక్షత్రాలు పుట్టిన కొద్దికాలానికే విలీనమవుతాయి, కొన్ని మాత్రమే వందల కోట్ల సంవత్సరాలు వేచి ఉంటాయి.

NGC 4993 వయసును నిర్ణయించడం

NGC 4993 ఒక “తొలి-రకం” (early-type) గెలాక్సీ, ఖగోళ శాస్త్రవేత్తలు S0 అని పిలిచే తరగతికి చెందినది. కిలోనోవా మెరిసిన చోటికి దగ్గరలో ఏ నక్షత్ర సమూహమూ, నక్షత్రాలు ఏర్పడే ఏ ప్రాంతమూ లేదు, కాబట్టి ఆ జంట విలీనానికి చాలా ముందే, గెలాక్సీలో మరెక్కడో ఏర్పడి ఉండే అవకాశమే ఎక్కువ. అందుకే ఫోలీ మొత్తం గెలాక్సీ నక్షత్రాలను నమూనా చేశారు; అతినీలలోహితం నుంచి పరారుణం వరకు 14 రంగుల్లో కొలతలను, వెరీ లార్జ్ టెలిస్కోప్‌పై ఉన్న MUSE పరికరం నుంచి వచ్చిన ఒక వర్ణపటంతో (spectrum) కలిపారు.

ఈ అమరిక గెలాక్సీ చరిత్రను 20 కాల విభాగాలుగా విభజించి, ప్రతి దానిలో స్వేచ్ఛగా నక్షత్రాలు ఏర్పడేలా అనుమతిస్తుంది. ఫలితం స్పష్టంగా ఉంది. దాని నక్షత్రాల సగటు వయసు 12.4 వందల కోట్ల సంవత్సరాలు (90% విశ్వాసంతో 11.7 నుంచి 12.9 మధ్య). నక్షత్రాల నిర్మాణం 12.5 నుంచి 13 వందల కోట్ల సంవత్సరాల క్రితం సంవత్సరానికి 54 సౌర ద్రవ్యరాశుల కొత్త నక్షత్రాలతో గరిష్ఠానికి చేరింది, గత 9 వందల కోట్ల సంవత్సరాలుగా సంవత్సరానికి ఒక సౌర ద్రవ్యరాశి కంటే తక్కువగానే ఉంది. గెలాక్సీ ద్రవ్యరాశిలో సుమారు 96% 10.2 వందల కోట్ల సంవత్సరాల క్రితమే ఏర్పడి ఉంది. గెలాక్సీ చుట్టూ ఉన్న పొరలు (shells) సుమారు వంద కోట్ల సంవత్సరాల క్రితం జరిగిన ఒక చిన్న విలీనాన్ని సూచిస్తాయి, కానీ అది సృష్టించి ఉండగల యువ నక్షత్రాల ఆనవాళ్లేవీ వర్ణపటంలో కనిపించవు.

కాబట్టి GW170817కు బహుశా సుమారు 12 వందల కోట్ల సంవత్సరాల ఆలస్యం ఉండి ఉంటుంది.

1.8% అవకాశం

ఆ తర్వాత ఫోలీ ఈ వయసును విశ్వంలో నక్షత్రాల నిర్మాణ చరిత్రతో, LIGO-Virgo-KAGRA సహకార బృందం కొలిచిన విలీన రేటుతో, గుర్తించిన రెండు విలీనాలతో కలిపారు.

ప్రామాణిక పంపిణీ ప్రకారం, ఈరోజు 10 వందల కోట్ల సంవత్సరాల ఆలస్యంతో కనిపించే ప్రతి విలీనానికి, 1 వంద కోట్ల సంవత్సరాల ఆలస్యంతో సుమారు 2, 10 కోట్ల సంవత్సరాల ఆలస్యంతో 16 విలీనాలు ఉండాలి (ఆలస్య సమయాల అదే వ్యవధికి). గుర్తించిన ఒక విలీనం GW170817 అంత పాతదిగా ఉండే అవకాశం కేవలం 1.8% మాత్రమే. కారణం సూటిగా ఉంది: NGC 4993 తన నక్షత్రాల్లో సగాన్ని 12.6 వందల కోట్ల సంవత్సరాల కంటే ముందే ఏర్పరచుకుంది, అయితే అప్పటికి మొత్తం విశ్వం తన నక్షత్రాల్లో కేవలం 1.1% మాత్రమే ఏర్పరచుకుంది.

సగటున, అలాంటిది ఒకటి ఆశించడానికి ముందు ఖగోళ శాస్త్రవేత్తలకు మరో 55 గుర్తింపులు అవసరం. అయినా, స్థానం గుర్తించిన మొట్టమొదటి విలీనమే ఆ అరుదైన సందర్భంగా తేలింది.

డేటా ఏం ఇష్టపడుతుంది

కనిష్ఠ ఆలస్యాన్ని స్వేచ్ఛగా వదిలేస్తే, డేటా చాలా దీర్ఘమైన ఆలస్యానికే మొగ్గు చూపుతుంది. 12.6 వందల కోట్ల సంవత్సరాల లోపు ఏ జంటా విలీనం కాని పంపిణీని, విలీన రేటును ఎలా చేర్చారనే దాన్ని బట్టి, ప్రామాణిక పంపిణీ కంటే 40 నుంచి 140 రెట్లు, స్వల్ప గామా కిరణ విస్ఫోటాల నుంచి, పాలపుంతలోని ద్వంద్వ న్యూట్రాన్ నక్షత్రాల నుంచి ఊహించిన పంపిణీల కంటే 80 నుంచి 280 రెట్లు డేటా ఎక్కువగా ఇష్టపడుతుంది. ఒక విశ్లేషణలో, 90% విశ్వాసంతో కనిష్ఠ ఆలస్యం 7.5 వందల కోట్ల సంవత్సరాలను మించుతుంది.

బయటపడే మూడు దారులు

ప్రామాణిక చిత్రం నిలబడాలంటే, స్వల్ప-ఆలస్య విలీనాలు “కనిపించకుండా పోయి” ఉండాలి. ఫోలీ మూడు వివరణలను పేర్కొన్నారు.

• జంటలు ఊహించిన దానికంటే చాలా దూరంగా పుట్టి ఉండవచ్చు. 10 వందల కోట్ల సంవత్సరాల కనిష్ఠ ఆలస్యం అంటే, 1.5 సౌర ద్రవ్యరాశి ఉన్న న్యూట్రాన్ నక్షత్రాల ఏ జంటా 0.021 ఖగోళ యూనిట్ల కంటే దగ్గరగా మొదలుకాదు. ఫోలీ దీన్ని అసంభావ్యమని భావిస్తున్నారు: ఇది తెలిసిన ద్వంద్వ న్యూట్రాన్ నక్షత్రాలతో, భారీ ద్వంద్వ నక్షత్రాలతో విరుద్ధంగా ఉంటుంది.
• డిటెక్టర్లు అనేక విలీనాలను పట్టుకోలేకపోయి ఉండవచ్చు. ఫోలీ దీన్ని అత్యంత అసంభావ్యమని అంటున్నారు.
• దీర్ఘ ఆలస్యాలతో జంటలు ఏర్పడే మరో మార్గం సాధారణ మార్గానికి పోటీగా ఉండవచ్చు, లేదా దానిపై ఆధిపత్యం వహించవచ్చు.

ఫోలీ మూడోదానికే మొగ్గు చూపుతున్నారు. అత్యంత ఆశాజనకమైన అభ్యర్థి దట్టమైన నక్షత్ర సమూహాలు; అక్కడ నక్షత్రాల మధ్య గురుత్వాకర్షణ ఎదురుపడటాల ద్వారా జంటలు ఏర్పడగలవు, విశ్వం వయసుకు దగ్గరగా ఉండే ఆలస్యాలతో. పాలపుంతలో తెలిసిన సుమారు 24 ద్వంద్వ న్యూట్రాన్ నక్షత్రాల్లో, నిర్ధారితమైన ఒకటి, నిర్ధారణ కాని మూడు, ఒక రకమైన దట్టమైన నక్షత్ర సమూహాలైన గోళాకార సమూహాల్లో (globular clusters) ఉన్నాయి. కానీ GW170817 జరిగిన చోట ఏ సమూహమూ కనిపించలేదు, పైగా ఇటీవలి సిద్ధాంతం సమూహ విలీనాలు చాలా తక్కువగా ఉంటాయని అంచనా వేస్తోంది: రేటు ఊహించిన దానికంటే ఎక్కువగా ఉండాల్సి వస్తుంది.

ఒక్క సంఘటనకు మించిన అలలు

విలీనాలు ఇంతకాలం వేచి ఉంటే, అవి తయారుచేసే యూరోపియం వంటి “r-ప్రక్రియ” (r-process) మూలకాలతో యువ పాలపుంతను సుసంపన్నం చేయడానికి అవి చాలా ఆలస్యంగా వస్తాయి. నక్షత్రాలు ఏర్పడే గెలాక్సీలకు ప్రాధాన్యం ఇస్తూ కొత్త విలీనాల కాంతి కోసం వెతికే అన్వేషణలు అత్యంత ఆశాజనకమైన గెలాక్సీలను లక్ష్యంగా చేసుకోకపోవచ్చు. 10 వందల కోట్ల సంవత్సరాల కనిష్ఠ ఆలస్యంతో, విశ్వానికి 10 వందల కోట్ల సంవత్సరాల వయసు రాకముందు అలాంటి విలీనమేదీ జరగలేదు, కాబట్టి భవిష్యత్ డిటెక్టర్లు చాలా దూరాల్లో వాటిని చాలా తక్కువగా చూస్తాయి.

ఇదంతా రెండు సంఘటనలపై ఆధారపడి ఉంది, వాటిలో ఒకదాని స్థానం మాత్రమే తెలుసు. మరిన్ని గుర్తింపులు చిత్రాన్ని మరింత స్పష్టం చేస్తాయని ఫోలీ ఆశిస్తున్నారు; కనిష్ఠ ఆలస్యం ఉన్న ఒకే ఘాత నియమం (power law) కంటే నిజమైన పంపిణీ అంత సరళంగా ఉండదని అనుమానిస్తున్నారు.