एथन से पूछें: यदि प्रकाश अनुबंध करता है और अंतरिक्ष के साथ फैलता है, तो हम गुरुत्वाकर्षण तरंगों का पता कैसे लगा सकते हैं?

इटली में पीसा शहर के पास कैसिना नगरपालिका में स्थित कन्या गुरुत्वाकर्षण तरंग डिटेक्टर का हवाई दृश्य। कन्या एक विशाल 3 किमी लंबी माइकलसन लेजर इंटरफेरोमीटर है जिसमें कंधे दो समान 4 किमी LIGO डिटेक्टर के पूरक हैं।

पिछले तीन वर्षों में, मानव जाति में एक नए प्रकार का खगोल विज्ञान है, जो पारंपरिक लोगों से अलग है। ब्रह्मांड का अध्ययन करने के लिए, हम अब विशाल डिटेक्टरों का उपयोग करके टेलीस्कोप या न्यूट्रिनो के साथ प्रकाश को नहीं पकड़ते हैं। इसके अलावा, पहली बार हम अंतरिक्ष में निहित तरंगों को भी देख सकते हैं: गुरुत्वाकर्षण तरंगें। LIGO डिटेक्टर अब कन्या के पूरक हैं, और जल्द ही KAGRA और LIGO इंडिया द्वारा पूरक होंगे, जिनके पास एक लंबी दूरी के हथियार हैं जो गुरुत्वाकर्षण तरंगों के रूप में विस्तार और अनुबंध करते हैं, एक पता लगाने योग्य संकेत का उत्पादन करते हैं। लेकिन यह कैसे काम करता है? हमारा पाठक पूछता है:

यदि अंतरिक्ष-समय के साथ ही प्रकाश खिंचाव और अनुबंध की तरंग दैर्ध्य, LIGO गुरुत्वाकर्षण तरंगों का पता कैसे लगा सकता है? आखिरकार, वे डिटेक्टर की दो भुजाओं का विस्तार और संपीडन करते हैं, इसलिए उनके अंदर की तरंगों का भी विस्तार और अनुबंध होना चाहिए। क्या कंधे में फिट होने वाली तरंग दैर्ध्य की संख्या स्थिर नहीं रहेगी, जिसके परिणामस्वरूप हस्तक्षेप पैटर्न नहीं बदलेगा, और तरंगों का पता लगाने योग्य नहीं होगा?

यह सबसे आम विरोधाभासों में से एक है जो लोग गुरुत्वाकर्षण तरंगों के बारे में सोचते हैं। आइए इसका पता लगाते हैं और इसका हल ढूंढते हैं!


वास्तव में, LIGO या LISA जैसी प्रणाली सिर्फ एक लेज़र है जिसका बीम स्प्लिटर से होकर गुजरता है और समान लम्बवत रास्तों का अनुसरण करता है, और फिर एक में परिवर्तित होकर व्यवधान का चित्र बनाता है। कंधे की लंबाई में बदलाव के साथ, तस्वीर भी बदलती है।

गुरुत्वाकर्षण तरंग डिटेक्टर इस तरह काम करता है:

• एक ही लंबाई के दो लंबे कंधों का निर्माण किया जाता है, जिसमें प्रकाश फिट के कुछ तरंग दैर्ध्य की पूर्णांक संख्या होती है।
• सभी मामलों को कंधों से हटा दिया जाता है और एक आदर्श वैक्यूम बनाया जाता है।
• एक ही तरंग दैर्ध्य के सुसंगत प्रकाश को दो लंबवत घटकों में विभाजित किया जाता है।
• एक कंधे पर जाता है, दूसरा कंधे पर।
• प्रकाश प्रत्येक कंधे के दो छोरों से कई हजार बार परिलक्षित होता है।
• फिर यह एक हस्तक्षेप पैटर्न बनाते हुए पुन: संयोजित होता है।

यदि तरंग दैर्ध्य समान रहता है और प्रत्येक कंधे पर प्रकाश संचरण की गति में बदलाव नहीं होता है, तो लंबवत दिशाओं में घूमने वाला प्रकाश एक ही समय में आ जाएगा। लेकिन अगर किसी एक दिशा में एक हेडविंड या टेलविंड है, तो आगमन में देरी होगी।

यदि गुरुत्वाकर्षण तरंगों की अनुपस्थिति में हस्तक्षेप की तस्वीर बिल्कुल नहीं बदलती है, तो आप जानते हैं कि डिटेक्टर सही ढंग से कॉन्फ़िगर किया गया है। आप जानते हैं कि आपने शोर को ध्यान में रखा है, और यह प्रयोग सही ढंग से व्यवस्थित है। लगभग 40 वर्षों से, LIGO इस तरह के कार्य से जूझ रहा है: अपने डिटेक्टर को सही ढंग से जांचने और उस बिंदु पर संवेदनशीलता लाने की कोशिश कर रहा है जिस पर प्रयोग गुरुत्वाकर्षण तरंगों के वास्तविक संकेतों को पहचान सकता है।

इन संकेतों का परिमाण अविश्वसनीय रूप से छोटा है, और इसलिए आवश्यक सटीकता प्राप्त करना इतना मुश्किल था।


उन्नत LIGO प्रयोग की संवेदनशीलता की तुलना में LIGO समय की एक फ़ंक्शन के रूप में संवेदनशीलता। शोर के विभिन्न स्रोतों के कारण फट दिखाई देते हैं।

लेकिन जो आप चाहते हैं उसे हासिल करने के बाद, आप पहले से ही एक वास्तविक संकेत की खोज शुरू कर सकते हैं। ब्रह्मांड में दिखाई देने वाली सभी विभिन्न प्रकार की विकिरणों में गुरुत्वाकर्षण तरंगें अद्वितीय हैं। वे कणों के साथ बातचीत नहीं करते हैं, लेकिन अंतरिक्ष के बहुत कपड़े के तरंग हैं।

यह एकाधिकार (ट्रांसफर चार्ज) नहीं है और न ही द्विध्रुवीय (विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों के दोलनों की तरह) विकिरण है, लेकिन चौगुनी विकिरण का रूप है।

और चरण-मिलान वाले विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों के बजाय तरंग गति की दिशा में लंबवत चल रहे हैं, गुरुत्वाकर्षण तरंगें वैकल्पिक रूप से उस स्थान को खिंचाव और संकुचित करती हैं जिसके माध्यम से वे लंबवत दिशाओं में गुजरती हैं।


गुरुत्वीय तरंगें एक दिशा में फैलती हैं, बारी-बारी से गुरुत्वाकर्षण तरंगों के ध्रुवीकरण द्वारा निर्धारित लंबवत दिशाओं में अंतरिक्ष को खींचती और संकुचित करती हैं।

इसलिए, हमारे डिटेक्टर इस तरह से डिज़ाइन किए गए हैं। जब गुरुत्वाकर्षण तरंग एक LIGO प्रकार के डिटेक्टर से गुजरती है, तो उसका एक कंधे सिकुड़ता है और दूसरा फैलता है, और इसके विपरीत, आपसी दोलन का चित्र देता है। डिटेक्टर विशेष रूप से एक दूसरे पर और ग्रह पर अलग-अलग जगहों पर कोण पर स्थित होते हैं, ताकि उनके माध्यम से गुजरने वाले गुरुत्वाकर्षण तरंग के उन्मुखीकरण की परवाह किए बिना, यह संकेत कम से कम एक डिटेक्टर को प्रभावित नहीं करता है।

दूसरे शब्दों में, गुरुत्वाकर्षण तरंग के अभिविन्यास की परवाह किए बिना, हमेशा एक डिटेक्टर होगा जिसमें एक कंधे को छोटा किया जाता है और दूसरे को एक पूर्वानुमानित दोलन शैली में बढ़ाया जाता है जब लहर डिटेक्टर से गुजरती है।


प्रकाश के मामले में इसका क्या अर्थ है? प्रकाश हमेशा 299 792 458 मीटर / सेकंड की निरंतर गति सी पर चलता है। यह एक वैक्यूम में प्रकाश की गति है, और LIGO कंधों के अंदर वैक्यूम कक्ष हैं। और जब कोई गुरुत्वाकर्षण तरंग प्रत्येक कंधों से होकर गुजरती है, तो इसे छोटा या छोटा करती है, तो यह उचित मात्रा में प्रकाश की तरंग दैर्ध्य को उसके भीतर को लंबा या छोटा कर देती है।

पहली नज़र में, हमें एक समस्या है: यदि प्रकाश लंबा या छोटा होने के साथ-साथ कंधों को छोटा या छोटा करता है, तो समग्र हस्तक्षेप पैटर्न को लहर के पारित होने के साथ नहीं बदलना चाहिए। यह वही है जो अंतर्ज्ञान हमें बताता है।


एलआईजीओ (और कन्या) द्वारा खोजे गए ब्लैक होल के साथ पांच ब्लैक होल विलय, और एक अन्य, अपर्याप्त महत्व का छठा संकेत। अब तक, LIGO में देखे गए सबसे बड़े BH में विलय से पहले 36 सौर द्रव्यमान थे। हालाँकि, आकाशगंगाओं में सुपरमैसिव ब्लैक होल होते हैं, जिनके द्रव्यमान में सौर लाखों या अरबों गुना अधिक होता है, और यद्यपि LIGO उन्हें नहीं पहचानता है, LISA ऐसा कर सकता है। यदि तरंग आवृत्ति उस समय से मेल खाती है जो किरण डिटेक्टर में खर्च होती है, तो हम इसे निकालने की उम्मीद कर सकते हैं।

लेकिन यह इस तरह काम नहीं करता है। तरंग दैर्ध्य, जो अंतरिक्ष में परिवर्तन पर बहुत निर्भर करता है जब एक गुरुत्वाकर्षण लहर इसके माध्यम से गुजरती है, तो हस्तक्षेप की तस्वीर को प्रभावित नहीं करती है। केवल प्रकाश को कंधों से गुजरने में कितना समय लगता है यह महत्वपूर्ण है!

जब एक गुरुत्वाकर्षण लहर कंधे से होकर गुजरती है, तो यह कंधे की प्रभावी लंबाई को बदल देती है, और उस दूरी को बदल देती है, जिसमें से प्रत्येक किरण को यात्रा करने की आवश्यकता होती है। एक कंधे लंबा हो जाता है, पारित होने के समय को बढ़ाता है, दूसरे को छोटा किया जाता है, इसे कम किया जाता है। आगमन के समय में एक सापेक्ष परिवर्तन के साथ, हम दोलन पैटर्न देखते हैं, हस्तक्षेप पैटर्न की पारियों को फिर से बनाते हैं।


यह आंकड़ा 17 अक्टूबर, 2017 को LIGO और कन्या द्वारा ज्ञात गुरुत्वाकर्षण तरंगों के चार विशिष्ट और एक संभावित (LVT151012) संकेतों के पुनर्निर्माण को दर्शाता है। हाल ही में ब्लैक होल का पता लगाने वाले GW170814 को तीनों डिटेक्टरों से बनाया गया था। मर्ज की संक्षिप्तता पर ध्यान दें - सैकड़ों मिलीसेकंड से अधिकतम 2 सेकंड तक।

किरणों के पुनर्मिलन के बाद, उनकी यात्रा के समय में अंतर दिखाई देता है, और इसलिए, हस्तक्षेप पैटर्न में एक खोजी पारी। LIGO सहयोग ने स्वयं एक दिलचस्प सादृश्य प्रकाशित किया है कि क्या हो रहा है:

कल्पना कीजिए कि आप एक दोस्त के साथ तुलना करना चाहते हैं कि इंटरफेरोमीटर बांह के अंत तक पहुंचने में आपको कितना समय लगेगा और इसके विपरीत। आप प्रति घंटे एक किलोमीटर की गति से यात्रा करने के लिए सहमत हैं। LIGO लेजर बीम की तरह, आप कड़ाई से उसी समय कोने स्टेशन को छोड़ रहे हैं और उसी गति से आगे बढ़ रहे हैं। आपको एक ही समय में फिर से सख्ती से मिलना चाहिए, हाथों को हिलाएं और आगे बढ़ना जारी रखें। लेकिन मान लीजिए कि जब आप अंत तक आधे रास्ते से चले हैं, तो एक गुरुत्वाकर्षण लहर गुजरती है। आप में से एक को अब अधिक दूरी पर चलना होगा, और दूसरे को कम। इसका मतलब है कि आप में से एक दूसरे से पहले वापस आ जाएगा। आप अपने दोस्त का हाथ झटकने के लिए पहुँचते हैं, लेकिन वह वहाँ नहीं है! आपका हाथ मिलाना बाधित हुआ! चूंकि आपको अपने आंदोलन की गति का पता है, आप अपने मित्र के लौटने में लगने वाले समय को माप सकते हैं, और यह निर्धारित कर सकते हैं कि देर होने के लिए उसे कितनी दूर जाना था।

जब आप प्रकाश के साथ ऐसा करते हैं, और एक दोस्त के साथ नहीं, तो आप आगमन में देरी को नहीं मापेंगे (चूंकि अंतर लगभग 10 ^-19 मीटर होगा), लेकिन मनाया हस्तक्षेप पैटर्न में बदलाव।


जब दो कंधे एक ही आकार के होते हैं, और गुरुत्वाकर्षण तरंगें उनके बीच से नहीं गुजरती हैं, तो संकेत शून्य होगा, और हस्तक्षेप पैटर्न स्थिर है। बाहों की लंबाई में परिवर्तन के साथ, संकेत वास्तविक और दोलन हो जाता है, और हस्तक्षेप पैटर्न समय के साथ एक अनुमान के अनुसार बदल जाता है।

हां, वास्तव में, प्रकाश एक लाल और नीली पारी का अनुभव करता है जब एक गुरुत्वाकर्षण लहर अपनी जगह से गुजरती है। अंतरिक्ष के संपीड़न के साथ, प्रकाश की तरंग दैर्ध्य भी संकुचित होती है, जो इसे नीला बनाती है; स्ट्रेचिंग के साथ और लहर को फैलाया जाता है, जिससे यह लाल हो जाता है। हालांकि, ये परिवर्तन अल्पकालिक और महत्वहीन हैं, कम से कम उस मार्ग की लंबाई के अंतर की तुलना में जहां प्रकाश को पास होना चाहिए।

यह सब कुछ करने के लिए महत्वपूर्ण है: एक लंबी लहर के साथ लाल बत्ती और एक कम दूरी के साथ नीली बत्ती उसी दूरी को पार करने में एक ही समय बिताती है, हालांकि एक नीली लहर अधिक क्रस्ट और डुबकी लेगी। वैक्यूम में प्रकाश की गति तरंगदैर्ध्य पर निर्भर नहीं करती है। केवल एक चीज जो हस्तक्षेप पैटर्न के लिए मायने रखती है वह यह है कि प्रकाश को कितनी दूरी तय करनी थी।


फोटॉन की तरंग दैर्ध्य जितनी लंबी होगी, उसकी ऊर्जा उतनी ही कम होगी। लेकिन सभी फोटॉन तरंगदैर्ध्य और ऊर्जा की परवाह किए बिना, एक ही गति से चलते हैं: प्रकाश की गति। एक निश्चित दूरी तय करने के लिए आवश्यक तरंग दैर्ध्य की संख्या भिन्न हो सकती है, लेकिन प्रकाश को स्थानांतरित करने में लगने वाला समय समान होगा।

यह दूरी में परिवर्तन है कि प्रकाश तब यात्रा करता है जब एक गुरुत्वाकर्षण लहर डिटेक्टर से गुजरती है जो हस्तक्षेप पैटर्न में देखी गई शिफ्ट को निर्धारित करती है। जब लहर डिटेक्टर से गुजरती है, तो एक दिशा में कंधे को लम्बा किया जाता है, और दूसरे में इसे एक साथ छोटा किया जाता है, जिससे रास्तों की लंबाई में एक सापेक्ष बदलाव और उनके माध्यम से प्रकाश के गुजरने का समय होता है।

जैसा कि प्रकाश की गति से प्रकाश उनके माध्यम से यात्रा करता है, तरंग दैर्ध्य में परिवर्तन अप्रासंगिक हैं; जब वे मिलते हैं, तो वे अंतरिक्ष-समय में एक स्थान पर होंगे और उनकी तरंग दैर्ध्य समान होगी। यह महत्वपूर्ण है कि प्रकाश की एक किरण डिटेक्टर में अधिक समय बिताएगी, और जब वे फिर से मिलते हैं, तो वे अब चरण में नहीं होंगे। यह वह जगह है जहाँ LIGO सिग्नल आता है, और इसी तरह से हम गुरुत्वाकर्षण तरंगों का पता लगाते हैं!

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