दो न्यूट्रॉन तारों की टक्कर

कैसे दो मृत तारे टकराते हैं, सोना गढ़ते हैं, और 13 करोड़ वर्ष बाद पृथ्वी से सुने भी गए और देखे भी गए

कदम-दर-कदम

दो न्यूट्रॉन तारे

हर एक वह है जो तब बचा जब किसी विशाल तारे का कोर सुपरनोवा में ढह गया: सूर्य से ज़्यादा द्रव्यमान, एक शहर जितने गोले में दबा हुआ और ज़्यादातर न्यूट्रॉनों से बना। इनका गुरुत्व इतना प्रबल है कि इनके पिछले हिस्से का प्रकाश मुड़कर हम तक आता है, इसलिए ये अपने असली आकार से लगभग एक-चौथाई बड़े दिखते हैं।

हर एक अपने-अपने सुपरनोवा में जन्मा, फिर भी दोनों एक-दूसरे से बँधे रहे। तब से इनकी कक्षा सिकुड़ रही है, और यहाँ इनके पास एक घंटे से थोड़ा ज़्यादा समय बचा है। ये हाइड्रा तारामंडल की आकाशगंगा NGC 4993 में 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।

तरंगें ऊर्जा ले जाती हैं, और वह कक्षा से आती है, इसलिए तारे पास आते जाते हैं और तेज़ घूमते हैं। न्यूट्रॉन तारे उन ब्लैक होल से बहुत हल्के हैं जिनका विलय सबसे पहले सुना गया था, इसलिए इनकी तरंगें कमज़ोर हैं और इनका सर्पिल कहीं धीमा।

यहाँ तरंगें कक्षा के तल पर बनाई गई हैं: जहाँ अंतरिक्ष खिंचता है वहाँ सुनहरी और जहाँ दबता है वहाँ नीली। इस चरण में वे हर सेकंड छह बार उठती-गिरती हैं, और हर तरंग लगभग 50,000 किमी लंबी है, पृथ्वी की चौड़ाई की चार गुना।

और तेज़, और तेज़

समय तेज़ किया गया: अगले एक घंटे में तारे 1,000 किमी से 400 किमी की दूरी तक पास आ जाते हैं और हर सेकंड 12 चक्कर तक तेज़ हो जाते हैं। अब इनकी तरंगें इतनी तेज़ हैं कि LIGO और Virgo उन्हें सुन सकें।

जितने पास, उतनी तेज़ गति और उतनी प्रबल तरंगें, इसलिए कक्षा और तेज़ी से सिकुड़ती है। यहाँ से तारों के पास 100 सेकंड बचे हैं, और इस दौरान वे लगभग 2,000 और चक्कर लगाएँगे।

तरंगों की आवृत्ति कक्षा के प्रति सेकंड चक्करों की दोगुनी होती है। 24 कंपन प्रति सेकंड पर तारे अमेरिका में LIGO के दो डिटेक्टरों और इटली में Virgo की सुनने की सीमा में आ गए, जो लगभग दस से कुछ हज़ार कंपन प्रति सेकंड तक की तरंगें पकड़ते हैं।

आख़िरी 100 सेकंड

समय पहले तेज़, फिर धीमा: अपने आख़िरी 100 सेकंड में तारे 400 किमी की दूरी से लगभग छूने तक आ जाते हैं, और तरंगों की आवृत्ति 24 से बढ़कर हज़ार से ज़्यादा कंपन प्रति सेकंड हो जाती है।

यही LIGO और Virgo ने सुना: लगभग 100 सेकंड में हज़ारों कंपन, ऊँचे और प्रबल होते हुए, ब्लैक होल विलयों के सेकंड के एक अंश से कहीं लंबा चर्प। ध्वनि में बदलने पर यह किसी पक्षी की चहचहाहट की तरह ऊपर चढ़ता है।

लंबे चर्प ने तारों को सटीकता से तौलना संभव किया। उनके द्रव्यमानों का वह मेल, जो तय करता है कि आवृत्ति कितनी तेज़ी से बढ़े, सूर्य के हज़ारवें हिस्से की सटीकता से 1.19 सौर द्रव्यमान निकला; ख़ुद द्रव्यमान कम सटीकता से: लगभग 1.46 और 1.27 सौर द्रव्यमान, अगर तारे, जैसा कि संभव है, धीरे घूमते हों।

चिथड़े-चिथड़े

लगभग 2,000 गुना धीमा किया गया: एक-दूसरे के खिंचाव से तने हुए तारे प्रकाश की गति के 40% पर छूते हैं। ज्वारीय बल उनसे पदार्थ की भुजाएँ खींच निकालते हैं, जो प्रकाश की गति के एक-चौथाई तक की रफ़्तार से फेंकी जाती हैं।

हर तारे का पास वाला हिस्सा दूसरे तारे द्वारा दूर वाले हिस्से से ज़्यादा खींचा जाता है, और आख़िरी चक्करों में ज्वारीय बल उन्हें बेडौल कर देते हैं। टकराते ही उनकी बाहरी परतें उखड़कर दो मुड़ी हुई भुजाओं में फेंकी जाती हैं, जैसे घूमते बगीचे के फव्वारे से पानी।

जहाँ वे मिलते हैं, टक्कर पदार्थ को दबाकर सैकड़ों अरब डिग्री तक गर्म कर देती है, और और भी पदार्थ बाहर उछलता है, सबसे तेज़ ध्रुवों की ओर। यहाँ असल में क्या होता है, यह सिर्फ़ सुपरकंप्यूटर सिमुलेशन से पता है, और दिखाए गए आकार उनका केवल मोटा अनुसरण करते हैं।

टिकने के लिए बहुत भारी

दोनों मिलकर लगभग 2.7 सूर्यों का एक तारा बन जाते हैं, जो हर सेकंड सैकड़ों बार घूमता है। ख़ुद को देर तक सँभालने के लिए बहुत भारी होने से वह ढहकर एक ब्लैक होल बन जाता है, जिसके चारों ओर मलबे की डिस्क होती है।

शुरू में केवल तेज़ घूर्णन और गर्मी ही विलीन तारे को सँभाले रखते हैं। अब तक मिले सबसे भारी न्यूट्रॉन तारे दो सूर्यों से कुछ ही ज़्यादा हैं, और इस टक्कर का प्रकाश बताता है कि विलीन तारा सेकंड के एक अंश में ढहकर लगभग 15 किमी चौड़ा ब्लैक होल बन गया।

चारों ओर घूमती बची गैस एक गर्म, मोटी डिस्क बनाती है, जिसे ब्लैक होल लगभग एक सेकंड में निगल लेता है या उड़ा देता है। यहाँ समय पहले धीमा, फिर तेज़ किया गया है, और फेंके गए पदार्थ का बादल पारदर्शी बनाया गया है ताकि तारा और ब्लैक होल दिखें।

गामा किरणों का जेट

उसकी धुरी के साथ एक संकरा जेट लगभग प्रकाश की गति से फूट निकलता है। इसकी गामा किरणें, जो यहाँ बैंगनी में बनाई गई हैं, तरंगों के 1.7 सेकंड बाद पृथ्वी पहुँचीं।

जेट शायद ब्लैक होल के घूर्णन और डिस्क के चुंबकीय क्षेत्र से चलता है। उसे पहले फेंके गए पदार्थ को भेदकर निकलना पड़ा। इसकी गामा किरणें, किसी भी आँख के देखने के लिए बहुत ऊर्जावान, वह छोटी चमक हैं जिसे खगोलविद लघु गामा-किरण विस्फोट कहते हैं।

NASA के फ़र्मी उपग्रह ने इसे पकड़ा, GRB 170817A, लगभग दो सेकंड लंबा। यह असामान्य रूप से धुँधला था क्योंकि जेट हमारी ओर नहीं था: बाद की रेडियो तस्वीरों ने दिखाया कि वह लगभग 20 डिग्री हटकर था। 13 करोड़ वर्ष की यात्रा के बाद तरंगों के 1.7 सेकंड बाद पहुँचकर इसने दिखाया कि गुरुत्व प्रकाश की गति से चलता है, 10¹⁵ में एक भाग की सटीकता तक।

एक किलोनोवा

समय तेज़ किया गया: फेंका गया पदार्थ, लगभग 20,000 पृथ्वियों जितना, अपने भीतर के नए भारी तत्वों के क्षय से चमकता है। यह चमक, एक किलोनोवा, दसियों करोड़ सूर्यों जैसी चमकी।

नए बने परमाणु अस्थिर होते हैं और घंटों-दिनों में टूटते हुए बादल को भीतर से गर्म करते हैं। यह एक नोवा, यानी श्वेत वामन की सतह पर एक विस्फोट, से लगभग हज़ार गुना चमकीला है, इसी से 2010 में इसका नाम किलोनोवा पड़ा। यह अब तक देखा गया पहला किलोनोवा था।

जब इसे पहली बार देखा गया, टक्कर के ग्यारह घंटे बाद, तब यह लगभग 27 करोड़ सूर्यों जैसा चमक रहा था और धुँधला भी होने लगा था। इसके पहले घंटे नहीं देखे गए, इसलिए यहाँ वे मॉडलों पर आधारित हैं। यह नीला-सफ़ेद था, लगभग 10,000 डिग्री, और प्रकाश की गति के लगभग एक-तिहाई से फैल रहा था।

सोना और प्लैटिनम

दिन तेज़ किए गए: यह नीले-सफ़ेद से लाल होते हुए ठंडा होता है और मंद पड़ जाता है। इसका प्रकाश लोहे से भारी तत्वों के बनने को दिखाता है: इसमें स्ट्रॉन्शियम मिला, और इसने सोना और प्लैटिनम भी बनाया।

टक्कर के बाद पहले सेकंड में फेंका गया पदार्थ न्यूट्रॉनों से इतना भरपूर था कि परमाणु उन्हें अपने क्षय से भी तेज़ निगलते गए और लोहे से कहीं भारी तत्व बनाते गए। इसे तीव्र प्रक्रिया या r-प्रक्रिया कहते हैं; माना जाता है कि लोहे से भारी तत्वों में से लगभग आधे इसी तरह बनते हैं।

लैंथेनाइड कहे जाने वाले भारी परमाणु, जो सोने और प्लैटिनम के साथ बनते हैं, नीले प्रकाश को रोकते हैं, इसलिए बादल जैसे-जैसे विरल होता है, उसका प्रकाश लाल और फिर अवरक्त हो जाता है। 2019 में इसके प्रकाश में स्ट्रॉन्शियम पहचाना गया। कितना सोना बना, यह कम निश्चित है: अनुमान पृथ्वी के द्रव्यमान के कुछ गुना से कुछ सौ गुना तक हैं।

पृथ्वी से कैसा दिखा

17 अगस्त 2017 को 12:41 UTC पर तरंगें पृथ्वी से होकर गुज़रीं, और 1.7 सेकंड बाद गामा किरणें। ग्यारह घंटे बाद चिली की एक दूरबीन ने आकाशगंगा NGC 4993 में नया प्रकाश खोज लिया।

LIGO के दो डिटेक्टरों और Virgo ने मिलकर स्रोत को आकाश के एक टुकड़े तक सीमित किया, जो चंद्रमा के क्षेत्रफल का लगभग 130 गुना था, हाइड्रा तारामंडल में, लगभग 13 करोड़ प्रकाश-वर्ष दूर। अँधेरा होते ही दुनिया भर की दूरबीनों ने वहाँ की आकाशगंगाएँ खंगालीं।

चिली के लास कैंपानास में स्वोप दूरबीन ने इसे सबसे पहले खोजा: NGC 4993 के केंद्र के पास प्रकाश का एक नया बिंदु। कुछ ही दिनों में सातों महाद्वीपों और अंतरिक्ष की लगभग 70 वेधशालाओं ने इसे गामा किरणों से रेडियो तरंगों तक देखा। यहाँ आकाशगंगा एक सरल मॉडल से बनाई गई है।

सुना और देखा गया

यह पहली बार था जब एक ही घटना गुरुत्वीय तरंगों में सुनी भी गई और प्रकाश में देखी भी गई। इसने दिखाया कि ब्रह्मांड का बहुत-सा सोना कहाँ बनता है।

इसने साबित किया कि टकराते न्यूट्रॉन तारे लघु गामा-किरण विस्फोट पैदा करते हैं और भारी तत्व गढ़ते हैं, और यह कि गुरुत्वीय तरंगें प्रकाश की गति से चलती हैं। तरंगों की प्रबलता से दूरी मिली, और आकाशगंगा के हमसे दूर जाने की गति से ब्रह्मांड के फैलाव को मापने का एक नया तरीक़ा।

कुछ दिनों बाद एक्स-किरणें, फिर रेडियो तरंगें दिखीं: जेट की उत्तर-चमक, जो महीनों तक बढ़ती रही। 2019 में डिटेक्टरों ने न्यूट्रॉन तारों की एक और जोड़ी को टकराते सुना, पर उससे कोई प्रकाश नहीं मिला। 2025 तक यही एकमात्र टक्कर थी जो सुनी भी गई और देखी भी गई।