गुरुत्वाकर्षण तरंगहरू र तिनीहरूको खोज के हो?

गुरुत्वाकर्षण तरंगहरू के हुन् र तिनीहरूको खोज

गुरुत्वाकर्षण तरंगहरू आधुनिक भौतिकशास्त्रमा सबैभन्दा आश्चर्यजनक खोजहरू मध्ये एक हो किनभने तिनीहरूले मानिसहरूलाई ब्रह्माण्ड अवलोकन गर्न "नयाँ तरिका" दिन्छन्। खगोल विज्ञानले पहिले प्रकाशमा भर परेको थियो - दृश्य प्रकाश, रेडियो, इन्फ्रारेड, एक्स-रे सम्म - गुरुत्वाकर्षण तरंगहरूले हामीलाई अन्तरिक्ष र समयको "कम्पन" सुन्न अनुमति दिन्छ। यो घटना केवल एक सिद्धान्त मात्र होइन; गुरुत्वाकर्षण तरंगहरू प्रत्यक्ष रूपमा पत्ता लगाइएको छ, विशेष गरी ब्ल्याक होल र न्यूट्रोन ताराहरू जस्ता चरम वस्तुहरूको सम्बन्धमा ब्रह्माण्डीय अनुसन्धानमा नयाँ अध्याय खोल्दै।

गुरुत्वाकर्षण तरंगहरू के हुन्?

सरल भाषामा भन्नुपर्दा, गुरुत्वाकर्षण तरंगहरू तरंगहरू वा "तरंगहरू" हुन् जुन धेरै ठूलो पिण्डको प्रवेगको कारणले गर्दा अन्तरिक्ष-समय मार्फत फैलिन्छन्। अन्तरिक्ष-समयको अवधारणा अल्बर्ट आइन्स्टाइनको सामान्य सापेक्षता सिद्धान्त (१९१५) बाट उत्पन्न भएको हो, जसले गुरुत्वाकर्षणलाई न्यूटोनियन भौतिकशास्त्रमा जस्तै आकर्षक बलको रूपमा होइन, तर द्रव्यमान र ऊर्जाको उपस्थितिको कारणले गर्दा अन्तरिक्ष र समयको वक्रताको रूपमा हेर्छ। जब ठूला पिण्डहरू निश्चित तरिकाले सर्छन् - उदाहरणका लागि, एकअर्का वरिपरि घुम्ने दुई ब्ल्याक होलहरू - अन्तरिक्ष-समयको वक्रता गतिशील रूपमा परिवर्तन हुन्छ र सबै दिशामा फैलिने अशान्तिहरू उत्सर्जन गर्दछ। यी अशान्तिहरूलाई गुरुत्वाकर्षण तरंगहरू भनिन्छ।

गुरुत्वाकर्षण तरंगहरू प्रकाशको गतिमा यात्रा गर्छन्। यद्यपि, तिनीहरूले पार गर्ने वस्तुहरूमा तिनीहरूको प्रभाव अत्यन्तै कम हुन्छ। एक किलोमिटर टाढा दुई बिन्दुहरूको कल्पना गर्नुहोस्: एक गुज्रिरहेको गुरुत्वाकर्षण तरंगले त्यो दूरीलाई प्रोटोनको व्यास भन्दा कमले परिवर्तन गर्न सक्छ। त्यसकारण, यो विचार २० औं शताब्दीको सुरुवातदेखि नै चलिरहेको भए पनि, यसलाई प्रमाणित गर्न अविश्वसनीय रूपमा परिष्कृत प्रविधिको आवश्यकता पर्‍यो।

ब्रह्माण्डमा गुरुत्वाकर्षण तरंगका स्रोतहरू

सबै द्रव्यमान गतिहरूले मापनयोग्य गुरुत्वाकर्षण तरंगहरू उत्पादन गर्दैनन्। चलिरहेको कार वा दौडिरहेको व्यक्ति जस्ता दैनिक घटनाहरूले प्राविधिक रूपमा गुरुत्वाकर्षण तरंगहरू उत्सर्जन गर्छन्, तर तिनीहरूको आयामहरू पत्ता लगाउन धेरै सानो हुन्छन्। अवलोकनयोग्य गुरुत्वाकर्षण तरंगहरू सामान्यतया विशाल द्रव्यमान, चरम त्वरण र असममित गति समावेश गर्ने ब्रह्माण्डीय घटनाहरूबाट उत्पन्न हुन्छन्।

गुरुत्वाकर्षण तरंगका केही मुख्य स्रोतहरू समावेश छन्:

१. ब्ल्याक होल मर्जर
दुई परिक्रमा गर्ने ब्ल्याक होलहरूले गुरुत्वाकर्षण तरंगहरूको माध्यमबाट ऊर्जा गुमाउनेछन्, तिनीहरूको कक्षाहरू संकुचित हुनेछन्, र तिनीहरू अन्ततः ठोक्किनेछन् र मर्ज हुनेछन्। यो घटनाले शक्तिशाली गुरुत्वाकर्षण तरंग संकेत उत्पन्न गर्नेछ।

२. न्यूट्रोन तारा विलय
न्युट्रोन तारा भनेको विशाल ताराको बाक्लो, अवशेष कोर हो। जब दुई न्युट्रोन ताराहरू मर्ज हुन्छन्, गुरुत्वाकर्षण तरंगहरू उत्पादन गर्नुको साथै, यो घटनाले विभिन्न तरंगदैर्ध्यमा प्रकाश पनि उत्सर्जन गर्न सक्छ र सुन जस्ता भारी तत्वहरू उत्पादन गर्न सक्छ।

३. सुपरनोभा र विशाल तारा विस्फोटहरू
ताराको कोरको पतन कहिलेकाहीं असममित हुन्छ र गुरुत्वाकर्षण तरंगहरू उत्सर्जन गर्न सक्छ, यद्यपि तिनीहरूलाई पत्ता लगाउन धेरै चुनौतीपूर्ण हुन्छ।

४. न्यूट्रोन ताराहरूको अपूर्ण परिक्रमा
यदि कुनै न्यूट्रोन तारा थोरै "झट्का" वा अनियमितताका साथ घुम्छ भने, यसले गुरुत्वाकर्षण तरंगहरू निरन्तर उत्सर्जन गर्न सक्छ।

५. आदिम गुरुत्वाकर्षण तरंगहरू
एउटा परिकल्पना छ कि ब्रह्माण्ड प्रारम्भिक चरणहरूले गुरुत्वाकर्षण तरंगहरू उत्पादन गर्थे जुन ब्रह्माण्डीय पृष्ठभूमिमा "स्थिर" हुन्थे। यदि पत्ता लाग्यो भने, यसले पछिको पहिलो सेकेन्डको बारेमा सुराग प्रदान गर्न सक्छ बिग बैंग.

आइन्स्टाइनको सिद्धान्तदेखि पहिलो प्रमाणसम्म

आइन्स्टाइनले १९१६ मा गुरुत्वाकर्षण तरंगहरूको भविष्यवाणी गरेका थिए (र १९१८ मा तिनीहरूलाई परिष्कृत गरेका थिए) सामान्य सापेक्षताको समीकरणको आधारमा। तर दशकौंदेखि, वैज्ञानिकहरूले गुरुत्वाकर्षण तरंगहरू वास्तविक हुन् वा केवल गणितीय कलाकृतिहरू हुन् भन्ने बारेमा बहस गर्दै आएका छन्। कठिनाई यस तथ्यबाट उत्पन्न हुन्छ कि अन्तरिक्ष समय गतिशील छ; "साँच्चै" मापनयोग्य कुरा बुझ्न सधैं सजिलो हुँदैन।

२० औं शताब्दीको मध्यमा एउटा महत्त्वपूर्ण मोड आयो जब सापेक्षताको सिद्धान्तको विकास भयो र भौतिकशास्त्रीहरूले गुरुत्वाकर्षण तरंगहरूले वास्तविक ऊर्जा बोक्छन् भनेर बुझ्न थाले। यदि कुनै प्रणालीले गुरुत्वाकर्षण तरंगहरू उत्सर्जन गरेर ऊर्जा गुमाउँछ भने, यसको कक्षा वा गति मापनयोग्य तरिकाले परिवर्तन हुनुपर्छ।

अप्रत्यक्ष प्रमाण: हल्से-टेलर बाइनरी पल्सरहरू

१९७४ मा, दुई खगोलविद् - रसेल हल्से र जोसेफ टेलर - ले PSR B1913+16 भनिने बाइनरी पल्सर प्रणाली पत्ता लगाए। पल्सरहरू न्यूट्रोन ताराहरू हुन् जसले "लाइटहाउस" जस्ता आवधिक रेडियो संकेतहरू उत्सर्जन गर्छन्। बाइनरी प्रणालीमा, पल्सरले अर्को न्यूट्रोन ताराको परिक्रमा गर्छ। आश्चर्यजनक रूपमा, यस प्रणालीको कक्षीय अवधि बिस्तारै घट्दै छ: दुई वस्तुहरू एकअर्कासँग नजिक सर्दै छन्।

यो कमी गुरुत्वाकर्षण तरंगहरू मार्फत ऊर्जा हानिको बारेमा सामान्य सापेक्षतावादको भविष्यवाणीसँग धेरै ठ्याक्कै मेल खान्छ। यसले गुरुत्वाकर्षण तरंगहरू अवस्थित छन् भन्ने धेरै बलियो अप्रत्यक्ष प्रमाण प्रदान गर्दछ। यस खोजको लागि, हुल्से र टेलरले १९९३ मा भौतिकशास्त्रमा नोबेल पुरस्कार प्राप्त गरे।

प्रत्यक्ष खोज: LIGO र "श्रवण" ब्ल्याक होलको टक्कर

अप्रत्यक्ष रूपमा उल्लेखनीय प्रमाणहरू भए तापनि, वैज्ञानिकहरू अझै पनि प्रत्यक्ष पत्ता लगाउने प्रयास गरिरहेका छन्: पृथ्वीबाट गुज्रने गुरुत्वाकर्षण तरंगहरू कैद गर्ने। यो प्रयासले महत्त्वपूर्ण चुनौतीहरूको सामना गर्दछ किनभने तरंगहरूको आयाम धेरै सानो छ। समाधान भनेको लेजर इन्टरफेरोमिटर प्रयोग गर्नु हो, एक उपकरण जसले दूरीमा अत्यन्तै सानो परिवर्तनहरू मापन गर्न सक्छ।

LIGO ले कसरी काम गर्छ?

LIGO (लेजर इन्टरफेरोमिटर गुरुत्वाकर्षण-तरंग वेधशाला) संयुक्त राज्य अमेरिकामा दुई मुख्य सुविधाहरू भएको एउटा ठूलो परियोजना हो: एउटा हानफोर्ड, वाशिंगटनमा र एउटा लिभिंगस्टन, लुइसियानामा। प्रत्येकमा ४ किलोमिटर लामो इन्टरफेरोमिटर हात छ। लेजर किरणलाई दुई किरणहरूमा विभाजित गरिन्छ जुन हातहरूसँगै अगाडि र पछाडि यात्रा गर्छन्, त्यसपछि पुन: संयोजन हुन्छन्। जब गुरुत्वाकर्षण तरंग त्यहाँबाट जान्छ, यसले हातहरूको प्रभावकारी लम्बाइलाई धेरै थोरै परिवर्तन गर्छ, जसले मापनयोग्य, परिवर्तन गरिएको हस्तक्षेप ढाँचा उत्पादन गर्छ।

स्थानीय हस्तक्षेप (जस्तै सानो भूकम्प, सवारी साधनको कम्पन, वा अन्य वातावरणीय कारकहरू) को कारणले अवलोकन गरिएको संकेत नआओस् भनेर सुनिश्चित गर्न फरक-फरक स्थानहरूमा दुई डिटेक्टरहरू हुनु महत्त्वपूर्ण छ। यदि दुवै डिटेक्टरहरूले उचित समय अन्तरालको साथ एकरूप ढाँचा देख्छन् भने, संकेत अन्तरिक्षबाट गुरुत्वाकर्षण तरंग हुने सम्भावना धेरै हुन्छ।

पहिलो पत्ता: GW150914

सेप्टेम्बर १४, २०१५ मा, LIGO ले पछि GW150914 नाम दिइएको संकेत पत्ता लगायो। यो संकेत सूर्यको द्रव्यमानको लगभग दस गुणा द्रव्यमान भएका दुई ब्ल्याक होलहरूको विलयबाट उत्पन्न भएको थियो, जुन पृथ्वीबाट एक अरब प्रकाश-वर्ष भन्दा बढी टाढा थियो। यो घटनाले "चिरप" उत्पन्न गर्‍यो: फ्रिक्वेन्सी र आयाममा द्रुत वृद्धि जुन दुई ब्ल्याक होलहरू विलय हुँदा शिखरमा पुग्यो, त्यसपछि कम भयो।

आधिकारिक घोषणा फेब्रुअरी २०१६ मा गरिएको थियो र तुरुन्तै यसलाई कोसेढुङ्गाको रूपमा स्वागत गरियो। यो खोजले गुरुत्वाकर्षण तरंगहरूलाई प्रत्यक्ष रूपमा प्रमाणित मात्र गरेन, बाइनरी ब्ल्याक होल प्रणालीको पहिलो प्रत्यक्ष पहिचान पनि गर्यो।

LIGO मा उनीहरूको प्रमुख योगदानको लागि, २०१७ को भौतिकशास्त्रमा नोबेल पुरस्कार रेनर वेइस, ब्यारी सी. ब्यारिश र किप एस. थोर्नलाई प्रदान गरिएको थियो।

गुरुत्वाकर्षण तरंगहरूको खोज किन महत्त्वपूर्ण छ?

गुरुत्वाकर्षण तरंगहरूको पहिचानलाई प्रायः गुरुत्वाकर्षण तरंग खगोल विज्ञानको युगको सुरुवात भनिन्छ। यो क्रान्तिकारी हुनुका धेरै कारणहरू छन्:

१. ब्रह्माण्ड अवलोकन गर्न नयाँ "इन्द्रियहरू" खोल्दै
धेरै ब्रह्माण्डीय वस्तुहरू, जस्तै ब्ल्याक होलहरूले सजिलै पत्ता लगाउन नसकिने प्रकाश उत्सर्जन गर्दैनन्। गुरुत्वाकर्षण तरंगहरूले हामीलाई यी वस्तुहरूको अन्तरिक्ष समयमा हुने प्रभावहरू मार्फत प्रत्यक्ष रूपमा अध्ययन गर्न अनुमति दिन्छ।

२. चरम परिस्थितिहरूमा सामान्य सापेक्षता परीक्षण गर्ने
ब्ल्याक होल मर्जरमा अविश्वसनीय रूपमा बलियो गुरुत्वाकर्षण र अविश्वसनीय रूपमा उच्च गति समावेश छ। तिनीहरू पृथ्वीमा दोहोर्याउन गाह्रो हुने चरम परिस्थितिहरूमा आइन्स्टाइनका सिद्धान्तहरूको परीक्षण गर्ने प्राकृतिक प्रयोगशाला हुन्।

३. भारी तत्वहरूको उत्पत्ति बुझ्नुहोस्
न्यूट्रोन ताराहरूको विलय r-प्रक्रिया (द्रुत न्यूट्रोन क्याप्चर) मार्फत भारी तत्वहरूको गठनसँग सम्बन्धित देखाइएको छ। यसले यो प्रश्नको जवाफ दिन मद्दत गर्दछ: भारी तत्वहरू कहाँबाट आउँछन्? ब्रह्माण्डमा सुन र प्लेटिनमको उत्पत्ति?

४. ब्ल्याक होल र न्यूट्रोन ताराहरूको जनसंख्याको नक्साङ्कन
धेरै पत्ता लगाउने विधिहरू प्रयोग गरेर, वैज्ञानिकहरूले यी कम्प्याक्ट वस्तुहरूको सामूहिक वितरण, विलय दर र गठन इतिहास मापन गर्न सक्छन्।

बन्द

गुरुत्वाकर्षण तरंगहरू एक शताब्दी अघि आइन्स्टाइनले भविष्यवाणी गरेका अन्तरिक्ष समयमा देखा पर्ने तरंगहरू हुन् र अन्ततः बाइनरी पल्सरहरूमा अप्रत्यक्ष प्रमाण र २०१५ मा LIGO द्वारा प्रत्यक्ष पत्ता लगाउने माध्यमबाट पुष्टि भएका छन्। यो खोज केवल एक प्राविधिक उपलब्धि मात्र होइन, तर मानिसहरूले ब्रह्माण्डलाई हेर्ने तरिकामा परिवर्तन हो: हामी अब ब्रह्माण्डलाई "सुन्न" सक्छौं, केवल देख्न मात्र होइन। नयाँ डिटेक्टरहरू र विश्वव्यापी सहकार्यहरू (जस्तै युरोपमा कन्या, जापानमा KAGRA, र अन्तरिक्षमा योजनाबद्ध LISA) विकास हुँदै जाँदा, गुरुत्वाकर्षण तरंग खगोल विज्ञानको भविष्य अझ समृद्ध हुने अपेक्षा गरिएको छ, जसले हामीलाई ब्रह्माण्डको सबैभन्दा ठूलो रहस्यहरूको उत्तरको नजिक ल्याउँछ।