गुरुत्वाकर्षण-तरंग खगोल विज्ञान

गुरुत्वाकर्षण-तरंग खगोल विज्ञान प्रेक्षणात्मक खगोल विज्ञान की एक उभरती हुई शाखा है, जिसका उद्देश्य गुरुत्वाकर्षण तरंगों (अल्बर्ट आइंस्टीन के सामान्य सापेक्षता के सिद्धांत द्वारा भविष्यवाणी की गई अंतरिक्ष समय की मिनट की विकृतियां) का उपयोग करना है, जिससे न्यूट्रॉन तारा और ब्लैक होल, सुपरनोवा जैसी घटनाओं के बारे में प्रेक्षणात्मक संबंधी डेटा एकत्र किया जा सके। और जिनमें महा विस्फोट के तुरंत बाद प्रारंभिक ब्रह्मांड की प्रक्रियाएँ भी सम्मिलित हैं।

गुरुत्वाकर्षण तरंगों का ठोस सैद्धांतिक आधार है, जो सापेक्षता के सिद्धांत पर आधारित है। 1916 में पहली बार आइंस्टीन द्वारा उनकी भविष्यवाणी की गई थी; चूंकि सामान्य सापेक्षता का एक विशिष्ट परिणाम, वे गुरुत्वाकर्षण के सभी सिद्धांतों की एक सामान्य विशेषता हैं जो विशेष सापेक्षता का पालन करते हैं। हालाँकि, 1916 के बाद लंबी बहस हुई कि क्या तरंगें वास्तव में भौतिक थीं, या सामान्य सापेक्षता में समन्वय स्वतंत्रता की कलाकृतियाँ थीं; यह 1950 के दशक तक पूरी तरह से समाधान नहीं हुआ था। उनके अस्तित्व के लिए अप्रत्यक्ष पर्यवेक्षणीय साक्ष्य पहली बार 1980 के दशक के अंत में हल्स-टेलर बाइनरी पल्सर (1974 की खोज) की निगरानी से आए थे; पल्सर कक्षा ठीक वैसी ही विकसित पाई गई जैसा कि गुरुत्वाकर्षण तरंग उत्सर्जन के लिए अपेक्षा की जाती है। इस खोज के लिए हल्स और टेलर को 1993 में भौतिकी का नोबेल पुरस्कार दिया गया था।

11 फरवरी 2016 को यह घोषणा की गई थी कि एलआईजीओ सहयोग ने सितंबर 2015 में गुरुत्वाकर्षण तरंगों का पहला प्रेक्षणात्मक किया था। GW151226 को 26 दिसंबर 2015 को बनाया गया था और 15 जून 2016 को घोषित किया गया था। इस काम का नेतृत्व करने के लिए बैरी बारिश, किप थॉर्न और रेनर वीस को भौतिकी में 2017 के नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था।

प्रेक्षणात्मक
साधारण गुरुत्वाकर्षण तरंगों की आवृत्ति बहुत कम होती है और उनका पता लगाना बहुत कठिन होता है, चूंकि उच्च आवृत्तियाँ अधिक नाटकीय घटनाओं में होती हैं और इस प्रकार सबसे पहले देखी जाने वाली बन जाती हैं।

ब्लैक होल के विलय के अतिरिक्त, बाइनरी न्यूट्रॉन तारा विलय का प्रत्यक्ष रूप से पता लगाया गया है: एक गामा किरण प्रस्फोट (जीआरबी) का पता 2017 अगस्त 17 12:41:06 UTC को ऑर्बिटिंग फर्मी गामा-रे बर्स्ट मॉनिटर द्वारा लगाया गया था, जो संसार में स्वचालित नोटिस को ट्रिगर कर रहा था। छह मिनट बाद हनफोर्ड एलआईजीओ में एक गुरुत्वाकर्षण-तरंग वेधशाला में एक एकल डिटेक्टर ने गामा-किरण फटने से 2 सेकंड पहले एक गुरुत्वाकर्षण-तरंग उम्मीदवार अंकित किया था। टिप्पणियों का यह सेट बाइनरी न्यूट्रॉन तारा विलय के अनुरूप है, जैसा कि बहु-संदेशवाहक क्षणिक घटना द्वारा प्रमाणित किया गया था जिसे गुरुत्वाकर्षण-तरंग, और विद्युत चुम्बकीय (गामा-रे विस्फोट, ऑप्टिकल, और इन्फ्रारेड) -स्पेक्ट्रम दृष्टि से संकेत दिया गया था।

उच्च आवृत्ति
2015 में, एलआईजीओ परियोजना पहली बार लेजर इंटरफेरोमीटर का उपयोग करके सीधे गुरुत्वाकर्षण तरंगों का निरीक्षण करने वाली थी। एलआईजीओ डिटेक्टरों ने दो तारकीय-द्रव्यमान वाले ब्लैक होल के विलय से गुरुत्वाकर्षण तरंगों का अवलोकन किया, जो सामान्य सापेक्षता की भविष्यवाणियों से मेल खाती हैं।   इन प्रेक्षणात्मकों ने बाइनरी तारकीय-द्रव्यमान ब्लैक होल प्रणाली के अस्तित्व का प्रदर्शन किया, और गुरुत्वाकर्षण तरंगों का पहला प्रत्यक्ष पता लगाने और बाइनरी ब्लैक होल विलय का पहला प्रेक्षणात्मक था। डार्क मैटर और बिग बैंग की हमारी खोज और अन्वेषण में प्रगति के लिए गुरुत्वाकर्षण-तरंग खगोल विज्ञान का उपयोग करने की हमारी क्षमता के सत्यापन के कारण इस खोज को विज्ञान के लिए क्रांतिकारी माना गया है।

गुरुत्वाकर्षण तरंगों के प्रेक्षणात्मक के लिए कई वर्तमान वैज्ञानिक सहयोग हैं। ग्राउंड-आधारित डिटेक्टरों का विश्वव्यापी नेटवर्क है, ये किलोमीटर-स्केल लेजर इंटरफेरोमीटर हैं जिनमें: लेजर इंटरफेरोमीटर ग्रेविटेशनल-वेव ऑब्जर्वेटरी (एलआईजीओ), एमआईटी, कैलटेक और लिविंगस्टन में डिटेक्टरों के साथ एलआईजीओ वैज्ञानिक सहयोग के वैज्ञानिकों के बीच एक संयुक्त परियोजना सम्मिलित है। लुइसियाना और हनफोर्ड, वाशिंगटन कन्या इंटरफेरोमीटर, यूरोपीय गुरुत्वाकर्षण वेधशाला, कैसिना, इटली में; सरस्टेड, जर्मनी में GEO600, और कामिओका ग्रेविटेशनल वेव डिटेक्टर (केएजीआरए), जापान के कामिओका वेधशाला में टोक्यो विश्वविद्यालय द्वारा संचालित है। एलआईजीओ और कन्या दोनों को उन्नत कॉन्फ़िगरेशन में अपग्रेड किया गया है। उन्नत एलआईजीओ ने गुरुत्वाकर्षण तरंगों का पता लगाते हुए 2015 में प्रेक्षणात्मक प्रारंभ किया, तथापि अभी तक इसकी डिजाइन संवेदनशीलता तक नहीं पहुंचा है। अधिक उन्नत कागरा ने 25 फरवरी, 2020 को प्रेक्षणात्मक प्रारंभ किया। GEO600 वर्तमान में संचालित है, किन्तु इसकी संवेदनशीलता इसे प्रेक्षणात्मक करने की संभावना नहीं बनाती है; इसका प्राथमिक उद्देश्य प्रौद्योगिकी का परीक्षण करना है।

कम आवृत्ति
प्रेक्षणात्मक का वैकल्पिक साधन पल्सर टाइमिंग एरेज़ (पीटीए) का उपयोग कर रहा है। यूरोपियन पल्सर टाइमिंग एरे (ईपीटीए), गुरुत्वाकर्षण तरंगों के लिए उत्तर अमेरिकी नैनोहर्ट्ज़ वेधशाला (नैनोग्रव) और पार्क्स पल्सर टाइमिंग एरे (पीपीटीए) तीन कंसोर्टिया हैं, जो इंटरनेशनल पल्सर टाइमिंग एरे के रूप में सहयोग करते हैं। ये वर्तमान रेडियो टेलीस्कोप का उपयोग करते हैं, किन्तु चूंकि वे नैनोहर्ट्ज़ सीमा में आवृत्तियों के प्रति संवेदनशील होते हैं, संकेत का पता लगाने के लिए कई वर्षों के प्रेक्षणात्मक की आवश्यकता होती है और डिटेक्टर संवेदनशीलता धीरे-धीरे सुधारती है। वर्तमान सीमाएं खगोलभौतिकीय स्रोतों के लिए अपेक्षित सीमा के करीब पहुंच रही हैं।

मध्यवर्ती आवृत्तियों
इसके अतिरिक्त भविष्य में अंतरिक्ष जनित संसूचकों की संभावना है। यूरोपीय अंतरिक्ष एजेंसी ने 2034 लॉन्च के कारण अपने L3 मिशन के लिए एक गुरुत्वाकर्षण-तरंग मिशन का चयन किया है। वर्तमान अवधारणा लेजर इंटरफेरोमीटर स्पेस एंटीना (एलिसा) है। इसके अतिरिक्त विकास में जापानी डेसी-हर्ट्ज़ इंटरफेरोमीटर गुरुत्वाकर्षण तरंग वेधशाला (डेसीगो) है।

वैज्ञानिक मान
खगोल विज्ञान परंपरागत रूप से विद्युत चुम्बकीय विकिरण पर निर्भर रहा है। दिखाई देने वाले बैंड के साथ, जैसे-जैसे तकनीक उन्नत हुई, रेडियो खगोल विज्ञान से लेकर गामा-किरण खगोल विज्ञान तक, विद्युत चुम्बकीय वर्णक्रम के अन्य भागों का निरीक्षण करना संभव हो गया। प्रत्येक नए फ़्रीक्वेंसी बैंड ने ब्रह्मांड पर नया दृष्टिकोण दिया और नई खोजों की प्रारंभ किया था। 20वीं शताब्दी के समय, अप्रत्यक्ष और बाद में प्रत्यक्ष कॉस्मिक-रे वेधशाला| उच्च-ऊर्जा, विशाल, कणों के मापन ने ब्रह्मांड में अतिरिक्त खिड़की प्रदान किया था। 20वीं शताब्दी के अंत में, सौर न्यूट्रिनो की खोज ने न्यूट्रिनो खगोल विज्ञान के क्षेत्र की स्थापना की, जो पहले की दुर्गम घटनाओं, जैसे कि सूर्य की आंतरिक कार्यप्रणाली में अंतर्दृष्टि प्रदान करता है। गुरुत्वाकर्षण तरंगों का प्रेक्षणात्मक खगोलभौतिक प्रेक्षणात्मक करने का और साधन प्रदान करता है।

रसेल एलन हुल्स और जोसेफ टेलर को भौतिकी में 1993 के नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था, जिसमें दिखाया गया था कि न्यूट्रॉन सितारों की एक जोड़ी का कक्षीय क्षय, उनमें से पल्सर, गुरुत्वाकर्षण विकिरण की सामान्य सापेक्षता की भविष्यवाणियों में फिट बैठता है। इसके बाद, कई अन्य बाइनरी पल्सर (PSR J0737-3039 सहित) को सभी फिटिंग गुरुत्वाकर्षण-वेव भविष्यवाणियों को देखा गया है। 2017 में, गुरुत्वाकर्षण तरंगों की पहली खोज में उनकी भूमिका के लिए रेनर वीस, किप थॉर्न और बैरी बरिश को भौतिकी का नोबेल पुरस्कार दिया गया था।

गुरुत्वाकर्षण तरंगें अन्य माध्यमों द्वारा प्रदान की जाने वाली पूरक जानकारी प्रदान करती हैं। अलग-अलग माध्यमों का उपयोग करके किए गए ही घटना के प्रेक्षणात्मकों को मिलाकर, स्रोत के गुणों की अधिक संपूर्ण समझ प्राप्त करना संभव है। इसे बहु दूत खगोल विज्ञान के नाम से जाना जाता है। गुरुत्वाकर्षण तरंगों का उपयोग उन प्रणालियों का निरीक्षण करने के लिए भी किया जा सकता है जो किसी अन्य माध्यम से अदृश्य (या पता लगाना लगभग असंभव) हैं। उदाहरण के लिए, वे ब्लैक होल के गुणों को मापने का अद्वितीय विधि प्रदान करते हैं।

गुरुत्वाकर्षण तरंगों को कई प्रणालियों द्वारा उत्सर्जित किया जा सकता है, किन्तु पता लगाने योग्य संकेतों का उत्पादन करने के लिए, स्रोत में प्रकाश की गति के महत्वपूर्ण अंश पर चलने वाली अत्यधिक भारी वस्तुएं सम्मिलित होनी चाहिए। मुख्य स्रोत दो कॉम्पैक्ट वस्तुओं का बाइनरी है। उदाहरण प्रणालियों में सम्मिलित हैं: बायनेरिज़ के अतिरिक्त, अन्य संभावित स्रोत भी हैं:
 * कॉम्पैक्ट बायनेरिज़ दो निकटतम से कक्षा में परिक्रमा करने वाले तारकीय-द्रव्यमान वाले पिंडों से बने होते हैं, जैसे कि सफेद बौने, न्यूट्रॉन तारे या ब्लैक होल। व्यापक बायनेरिज़, जिनकी कम कक्षीय आवृत्तियाँ हैं, लेजर इंटरफेरोमीटर स्पेस एंटीना जैसे डिटेक्टरों के लिए स्रोत हैं। क्लोजर बायनेरिज़ एलआईजीओ जैसे ग्राउंड-आधारित डिटेक्टरों के लिए संकेत उत्पन्न करते हैं। ग्राउंड-आधारित डिटेक्टर संभावित रूप से कई सौ सौर द्रव्यमानों के मध्यवर्ती द्रव्यमान वाले ब्लैक होल वाले बायनेरिज़ का पता लगा सकते हैं।
 * अत्यधिक द्रव्यमान वाला काला सुरंग बायनेरिज़, जिसमें 105–109 सौर द्रव्यमान के द्रव्यमान वाले दो ब्लैक होल होते हैं। सुपरमैसिव ब्लैक होल आकाशगंगाओं के केंद्र में पाए जाते हैं। जब आकाशगंगाएँ विलीन होती हैं, तो यह अपेक्षा की जाती है कि उनके केंद्रीय सुपरमैसिव ब्लैक होल भी विलीन हो जाएँ। ये संभावित रूप से सबसे तेज़ गुरुत्वाकर्षण-तरंग संकेत हैं। पल्सर टाइमिंग ऐरे के लिए सबसे बड़े बायनेरिज़ स्रोत हैं। कम विशाल बायनेरिज़ (लगभग मिलियन सौर द्रव्यमान) लेजर इंटरफेरोमीटर स्पेस एंटीना जैसे अंतरिक्ष-जनित डिटेक्टरों के लिए स्रोत हैं।
 * एक शानदार द्रव्यमान कॉम्पैक्ट ऑब्जेक्ट की चरम-द्रव्यमान-अनुपात प्रणाली एक सुपरमैसिव ब्लैक होल की परिक्रमा करती है। ये लेजर इंटरफेरोमीटर स्पेस ऐन्टेना जैसे डिटेक्टरों के स्रोत हैं। अत्यधिक विलक्षण (गणित) कक्षाओं के साथ प्रणाली गुरुत्वाकर्षण विकिरण का एक फटने का उत्पादन करते हैं क्योंकि वे निकटतम दृष्टिकोण के बिंदु से निकलते हैं; प्रणाली निकट-परिपत्र कक्षाओं के साथ, जो कि इंस्पिरल के अंत की ओर अपेक्षित हैं, लिसा की आवृत्ति बैंड के अंदर लगातार उत्सर्जित करते हैं चरम-द्रव्यमान-अनुपात अंतःस्राव कई कक्षाओं में देखे जा सकते हैं। यह उन्हें पृष्ठभूमि स्पेसटाइम ज्यामिति की उत्कृष्ट जांच करता है, जो सामान्य सापेक्षता के स्पष्ट परीक्षणों के लिए अनुमति देता है।
 * सुपरनोवा गुरुत्वीय तरंगों की उच्च-आवृत्ति वाले विस्फोट उत्पन्न करता है जिसे एलआईजीओ या कन्या इंटरफेरोमीटर से पता लगाया जा सकता है।


 * घूर्णन न्यूट्रॉन तारे निरंतर उच्च-आवृत्ति तरंगों का स्रोत होते हैं यदि उनमें अक्षीय विषमता होती है।


 * प्रारंभिक ब्रह्मांड प्रक्रियाएं, जैसे मुद्रास्फीति युग या चरण संक्रमण।
 * यदि ब्रह्मांडीय तार मौजूद हैं तो वे गुरुत्वाकर्षण विकिरण भी उत्सर्जित कर सकते हैं। इन गुरुत्वाकर्षण तरंगों की खोज ब्रह्मांडीय तारों के अस्तित्व की पुष्टि करेगी।

गुरुत्वाकर्षण तरंगें केवल पदार्थ के साथ कमजोर रूप से संपर्क करती हैं। यही वजह है कि इनका पता लगाना मुश्किल हो जाता है। इसका यह भी अर्थ है कि वे ब्रह्मांड के माध्यम से स्वतंत्र रूप से यात्रा कर सकते हैं, और अवशोषण (विद्युत चुम्बकीय विकिरण) या विद्युत चुम्बकीय विकिरण की तरह बिखरने वाले नहीं हैं। इसलिए सघन प्रणालियों के केंद्र को देखना संभव है, जैसे सुपरनोवा या गांगेय केंद्र के कोर। विद्युत चुम्बकीय विकिरण की तुलना में समय में आगे देखना भी संभव है, क्योंकि ब्रह्मांड का कालक्रम पुनर्संयोजन (ब्रह्माण्ड विज्ञान) से पहले प्रकाश के लिए अपारदर्शी था, किन्तु गुरुत्वाकर्षण तरंगों के लिए पारदर्शी था।

पदार्थ के माध्यम से स्वतंत्र रूप से स्थानांतरित करने के लिए गुरुत्वाकर्षण तरंगों की क्षमता का अर्थ यह भी है कि गुरुत्वाकर्षण-तरंग डिटेक्टरों, दूरबीनों के विपरीत, देखने के क्षेत्र का निरीक्षण करने के लिए नहीं किन्तु पूरे आकाश का निरीक्षण करने के लिए कहा जाता है। डिटेक्टर कुछ दिशाओं में दूसरों की तुलना में अधिक संवेदनशील होते हैं, जो कारण है कि डिटेक्टरों का नेटवर्क होना फायदेमंद होता है। डिटेक्टरों की कम संख्या के कारण दिशा-निर्धारण भी खराब है।

लौकिक स्फीति में
मुद्रास्फीति (ब्रह्माण्ड विज्ञान), परिकल्पित अवधि जब पहले 10 के समय ब्रह्मांड का तेजी से विस्तार हुआ-36 बिग बैंग के बाद, गुरुत्वाकर्षण तरंगों को जन्म दिया होगा; जिसने CMB विकिरण के ध्रुवीकरण (तरंगों) में विशिष्ट छाप छोड़ी होगी। माइक्रोतरंग विकिरण में पैटर्न के मापन से मौलिक गुरुत्वाकर्षण तरंगों के गुणों की गणना करना संभव है, और प्रारंभिक ब्रह्मांड के बारे में जानने के लिए उन गणनाओं का उपयोग करना संभव है।

विकास
अनुसंधान के युवा क्षेत्र के रूप में, गुरुत्वाकर्षण-तरंग खगोल विज्ञान अभी भी विकास में है; हालाँकि, खगोल भौतिकी समुदाय के अंदर इस बात पर सहमति है कि यह क्षेत्र 21 वीं शताब्दी के बहु-दूत खगोल विज्ञान का स्थापित घटक बनने के लिए विकसित होगा।

गुरुत्वीय-तरंग प्रेक्षण विद्युतचुम्बकीय स्पेक्ट्रम में प्रेक्षणों के पूरक हैं। ये तरंगें वैद्युतचुंबकीय तरंगों का पता लगाने और विश्लेषण के माध्यम से संभव नहीं होने वाले विधियों से जानकारी प्राप्त करने का वादा करती हैं। विद्युत चुम्बकीय तरंगों को अवशोषित किया जा सकता है और उन विधियों से फिर से विकीर्ण किया जा सकता है जो स्रोत के बारे में जानकारी निकालना कठिन बनाते हैं। गुरुत्वाकर्षण तरंगें, चूंकि, केवल पदार्थ के साथ कमजोर रूप से परस्पर क्रिया करती हैं, जिसका अर्थ है कि वे बिखरी या अवशोषित नहीं होती हैं। इससे खगोलविदों को सुपरनोवा, तारकीय नीहारिका के केंद्र और यहां तक ​​कि गैलेक्टिक कोर के टकराने को नए विधियों से देखने की अनुमति मिलनी चाहिए।

भू-आधारित डिटेक्टरों ने प्रेरक चरण और दो तारकीय ब्लैक होल के बाइनरी प्रणाली के विलय और दो न्यूट्रॉन सितारों के विलय के बारे में नई जानकारी प्राप्त की है। वे कोर-पतन सुपरनोवा से संकेतों का पता लगा सकते हैं, और छोटे विकृतियों वाले पल्सर जैसे आवधिक स्रोतों से भी। यदि कुछ प्रकार के चरण संक्रमणों के बारे में अटकलों में सच्चाई है या बहुत प्रारंभिक ब्रह्मांड में लंबे लौकिक तारों से फटने (10-25 सेकंड के आसपास लौकिक समय पर), ये भी पता लगाने योग्य हो सकते हैं। एलआईएसए जैसे अंतरिक्ष-आधारित डिटेक्टरों को वस्तुओं का पता लगाना चाहिए जैसे कि दो सफेद बौने वाले बायनेरिज़, और एएम सीवीएन तारा (अपने बाइनरी पार्टनर, कम द्रव्यमान वाले हीलियम तारा से सफेद बौना अभिवृद्धि पदार्थ), और सुपरमैसिव ब्लैक होल के विलय का भी निरीक्षण करते हैं। और ऐसे ब्लैक होल में छोटी वस्तुओं (और हजार सौर द्रव्यमान के बीच) की प्रेरणा। एलआईएसए को प्रारंभिक ब्रह्मांड से ग्राउंड-आधारित डिटेक्टरों के समान ही स्रोतों को सुनने में सक्षम होना चाहिए, किन्तु कम आवृत्तियों पर और बहुत अधिक संवेदनशीलता के साथ होना चाहिये।

उत्सर्जित गुरुत्वाकर्षण तरंगों का पता लगाना कठिन प्रयास है। इसमें कम से कम 2·10−22 हर्ट्ज−1/2 की संवेदनशीलता के साथ कैलिब्रेट किए गए अति-स्थिर उच्च-गुणवत्ता वाले लेज़र और डिटेक्टर सम्मिलित होते हैं जैसा कि भू-आधारित डिटेक्टर, GEO600 में दिखाया गया है। यह भी प्रस्तावित किया गया है कि सुपरनोवा विस्फोट जैसी बड़ी खगोलीय घटनाओं से भी, इन तरंगों के परमाणु व्यास के रूप में छोटे कंपन में गिरावट की संभावना है।

यह भी देखें

 * गुरुत्वाकर्षण तरंग पृष्ठभूमि
 * गुरुत्वाकर्षण-तरंग वेधशाला
 * गुरुत्वीय तरंग प्रेक्षणों की सूची
 * मिलान फ़िल्टर # गुरुत्वाकर्षण-तरंग खगोल विज्ञान में

बाहरी संबंध

 * एलआईजीओ Scientific Collaboration
 * AstroGravS: Astrophysical Gravitational-Wave Sources Archive
 * Video (04:36) – Detecting a gravitational wave, Dennis Overbye, NYT (11 February 2016).
 * Video (71:29) – Press Conference announcing discovery: "एलआईजीओ detects gravitational waves", National Science Foundation (11 February 2016).
 * Gravitational Wave Astronomy