दो ब्लैक होल का विलय

कैसे दो ब्लैक होल सर्पिल में पास आते हैं, स्वयं अंतरिक्ष को हिला देते हैं और 1.3 अरब साल बाद पृथ्वी पर सुने गए

कदम-दर-कदम

ब्लैक होल की एक जोड़ी

हर एक किसी भारी तारे का बचा हुआ अवशेष है। बड़े का क्षितिज लगभग 210 किमी चौड़ा है और छोटे का लगभग 170 किमी, किसी शहर से ज़्यादा नहीं; फिर भी हर एक के चारों ओर पीछे के तारों की रोशनी चापों और छल्लों में मुड़ जाती है। ऐसे दो ब्लैक होल साथ-साथ कैसे घूमने लगते हैं, इस पर अब भी बहस है: शायद वे दानव तारों की एक जोड़ी के रूप में जन्मे, या किसी घने तारा-गुच्छ में मिले।

उन्हें बाहर से कुछ नहीं धकेलता। उनकी कक्षा स्वयं अंतरिक्ष में उठी लहरों में ऊर्जा खोती है, इसलिए सिकुड़ती जाती है: पहले धीरे, फिर तेज़ और तेज़। इस दूरी पर उनके पास लगभग पचास मिनट बचे हैं।

अंतरिक्ष में लहरें

घूमते हुए वे स्वयं अंतरिक्ष को हिला देते हैं। गुरुत्वीय तरंगें प्रकाश की गति से फैलती हैं, अंतरिक्ष को एक दिशा में खींचती और दूसरी में दबाती हैं, हर चक्कर में दो बार।

अल्बर्ट आइंस्टाइन के सामान्य आपेक्षिकता सिद्धांत ने 1916 में इन तरंगों की भविष्यवाणी की थी। अपनी गति बदलने वाला हर द्रव्यमान इन्हें छोड़ता है, पर केवल बहुत तेज़ चलते विशाल द्रव्यमान ही इतनी प्रबल तरंगें बनाते हैं कि उनका कोई असर हो। यहाँ इन्हें कक्षा के तल पर बनाया गया है: जहाँ अंतरिक्ष खिंचता है वहाँ सुनहरा, जहाँ दबता है वहाँ नीला; हर हिस्सा दिखाता है कि तरंग का वह भाग निकलते समय जोड़ी क्या कर रही थी।

तरंगें ऊर्जा ले जाती हैं, और वह ऊर्जा कक्षा से आती है। फिर भी दस लाख किलोमीटर दूर भी वे अंतरिक्ष को केवल लगभग दस लाख में एक भाग खींचती हैं। लगभग एक बार प्रति सेकंड उठने-गिरने वाली ये धीमी तरंगें पृथ्वी के किसी भी डिटेक्टर के लिए बहुत धीमी हैं।

और तेज़, और तेज़

समय तेज़ किया गया: कक्षा सिकुड़ने के साथ तेज़ होती है और तरंगें प्रबल होती जाती हैं। अपने अंतिम पचास मिनट में ब्लैक होल 10,000 किमी से लगभग 900 किमी तक पास आ जाते हैं और प्रति सेकंड 17 चक्कर लगाते हैं।

ब्लैक होल जितने पास होते हैं, उतनी तेज़ चलते हैं और उतनी प्रबल तरंगें छोड़ते हैं, इसलिए कक्षा और भी तेज़ी से ऊर्जा खोती है। सर्पिल अपने-आप तेज़ होता जाता है: इन पचास मिनटों का ज़्यादातर हिस्सा चौड़े, धीमे चक्करों में बीतता है, और आख़िरी हज़ार किलोमीटर एक सेकंड के तिहाई से भी कम में तय होते हैं।

तरंगों का स्वर कक्षा के प्रति सेकंड चक्करों का दोगुना होता है। जब यह लगभग 30 कंपन प्रति सेकंड से ऊपर जाता है, यानी LIGO के डिटेक्टरों के महसूस करने लायक तेज़, तब ब्लैक होल एक-दूसरे के सापेक्ष प्रकाश की गति के एक-तिहाई से चल रहे होते हैं।

सेकंड का आख़िरी पाँचवाँ हिस्सा

लगभग सत्तर गुना धीमा करके: सेकंड के आख़िरी पाँचवें हिस्से में ब्लैक होल पाँच और चक्कर लगाते हैं और प्रकाश की आधी गति से भी तेज़ चलते हुए लगभग 320 किमी तक पास आ जाते हैं।

यही वह हिस्सा है जो LIGO ने सुना: सेकंड के पाँचवें हिस्से में लगभग दस कंपन, स्वर लगभग 35 से 150 कंपन प्रति सेकंड तक चढ़ता है और ताक़त लगातार बढ़ती है। ध्वनि में बदलने पर यह किसी पक्षी की चहचहाहट की तरह ऊपर उठता है, और वैज्ञानिक इसे यही कहते हैं: "चर्प"।

इतने पास होकर ब्लैक होल अंतरिक्ष को इतना मोड़ देते हैं कि सर्पिल के सरल सूत्र काम करना बंद कर देते हैं। अंत तक उनका पीछा केवल आइंस्टाइन के समीकरण हल करने वाले सुपरकंप्यूटर कर सकते हैं। वैज्ञानिकों ने द्रव्यमान, 36 और 29 सूर्य, LIGO के मापन की ऐसी हज़ारों सिमुलेशनों से तुलना करके निकाले।

दो से एक

क्षितिज छूते हैं और मिल जाते हैं। अब तक तीन सूर्यों जितना द्रव्यमान गुरुत्वीय तरंगों में बदल चुका है, ज़्यादातर सेकंड के आख़िरी पाँचवें हिस्से में; अपने शिखर पर वे प्रेक्षणीय ब्रह्मांड के सभी तारों से ज़्यादा शक्ति ले जाती हैं।

शिखर पर तरंगें लगभग 3.6 × 10⁴⁹ वाट ले जाती हैं, प्रेक्षणीय ब्रह्मांड के सभी तारों के कुल प्रकाश का लगभग पचास गुना, हालाँकि केवल सेकंड के कुछ हज़ारवें हिस्सों तक। कुल मिलाकर 36 और 29 सूर्य 62 का एक ब्लैक होल बन गए: बाकी तीन तरंगें बनकर चले गए।

विलय को यहाँ सरल रूप में बनाया गया है। सुपरकंप्यूटर सिमुलेशन दिखाते हैं कि असल में क्या होता है: दोनों क्षितिज जुड़कर एक टेढ़ा-मेढ़ा क्षितिज बनाते हैं, जो जल्दी ही अपना आकार पा लेता है। इस पूरे समय तरंगों के सिवा कुछ बाहर नहीं निकलता: ख़ाली अंतरिक्ष में मिलते दो ब्लैक होल कोई प्रकाश नहीं छोड़ते।

एक ब्लैक होल

बचता है 62 सूर्यों का एक ब्लैक होल, जिसका क्षितिज प्रति सेकंड लगभग 100 बार घूमता है। वह चोट खाई घंटी की तरह, लगभग 250 कंपन प्रति सेकंड पर गूँजा, और लगभग तुरंत शांत हो गया।

यह गूँज नए क्षितिज का आकार पाना है। इसका स्वर और यह कितनी जल्दी थमती है, यह केवल ब्लैक होल के द्रव्यमान और घूर्णन पर निर्भर है, ठीक जैसा सामान्य आपेक्षिकता बताती है, और LIGO ने जो सुना वह इससे मेल खाता है।

स्टीफ़न हॉकिंग ने 1971 में दिखाया कि ब्लैक होल के क्षितिजों का कुल क्षेत्रफल कभी घट नहीं सकता। यहाँ दोनों क्षितिजों का कुल क्षेत्रफल लगभग 230,000 किमी² था; नए का लगभग 370,000 किमी² है, यानी ज़्यादा, जबकि तीन सूर्यों जितना द्रव्यमान खो गया। 2025 में ज़्यादा साफ़ सुने गए एक विलय, GW250114, ने इसकी पहले से कहीं स्पष्ट पुष्टि की।

ब्रह्मांड की ओर

तरंगें प्रकाश की गति से दूर भागती हैं, फैलते हुए कमज़ोर होती जाती हैं। एक सेकंड से थोड़ा ज़्यादा में वे पृथ्वी से चंद्रमा जितनी दूरी तय कर लेती हैं; आठ मिनट में पृथ्वी से सूर्य जितनी।

उनकी ताक़त दूरी के अनुपात में घटती है: दस गुना दूर, दस गुना कमज़ोर। प्रकाश के विपरीत वे तारों, गैस और धूल से ऐसे गुज़रती हैं जैसे वहाँ कुछ हो ही नहीं, इसलिए वैसी ही पहुँचती हैं जैसी चली थीं, बस कमज़ोर।

उन्होंने 1.3 अरब साल का सफ़र किया। जब वे चलीं, पृथ्वी पर जीवन अब भी ज़्यादातर एककोशिकीय था। रास्ते में ब्रह्मांड फैला और उन्हें भी खींच दिया: वे चलने के समय से 9% लंबी और मंद स्वर में पहुँचीं, जिसे वैज्ञानिक द्रव्यमान निकालते समय ध्यान में रखते हैं।

LIGO सुनता है

14 सितंबर 2015 को 09:50:45 UTC पर तरंगें दक्षिणी आकाश की ओर से पृथ्वी को पार कर गईं। लिविंगस्टन (लुइज़ियाना) में LIGO के डिटेक्टर ने उन्हें पहले महसूस किया; 3,000 किमी दूर हैनफ़ोर्ड (वॉशिंगटन) वाले ने सेकंड के 7 हज़ारवें हिस्से बाद।

LIGO का हर डिटेक्टर 4 किमी लंबी दो भुजाओं वाला एक L है, जिनमें लेज़र प्रकाश आगे-पीछे दौड़ता है। गुज़रती तरंग एक भुजा को खींचती और दूसरी को दबाती है; शिखर पर इन भुजाओं की लंबाई प्रोटॉन की चौड़ाई के लगभग हज़ारवें हिस्से जितनी बदली, और LIGO ने उसे माप लिया।

चूँकि तरंगें प्रकाश की गति से चलती हैं, डिटेक्टरों के बीच के 7 ms ने स्रोत को दक्षिणी आकाश में एक छल्ले पर रख दिया; दो डिटेक्टर इससे ज़्यादा नहीं बता सकते थे। अमेरिका में रात थी: लुइज़ियाना में सुबह के 4:50। यहाँ समय लगभग साठ गुना धीमा चलता है।

सैकड़ों और

पहली बार किसी ने गुरुत्वीय तरंगें पकड़ी थीं, आइंस्टाइन की भविष्यवाणी के एक सदी बाद। 2025 तक डिटेक्टर लगभग 300 ब्लैक होल विलय सुन चुके थे, हर कुछ दिनों में एक।

इस खोज के लिए राइनर वाइस, बैरी बैरिश और किप थॉर्न को 2017 का भौतिकी का नोबेल पुरस्कार मिला। LIGO अब इटली के Virgo और जापान के KAGRA के साथ सुनता है: तीन या ज़्यादा डिटेक्टरों से किसी स्रोत को आकाश में कहीं ज़्यादा सटीक ढंग से खोजा जा सकता है।

अब तक सुनी गई सबसे भारी जोड़ी, GW231123, ने लगभग 225 सूर्यों का ब्लैक होल बनाया। 2017 में दो न्यूट्रॉन तारों की टक्कर सुनी गई, और फिर दूरबीनों ने उस विस्फोट का प्रकाश पकड़ा जिसमें सोने जैसे भारी तत्व बनते हैं।