गुरुत्वाकर्षण तरंगें

गुरुत्वाकर्षण तरंगें दिक्काल (spacetime) की वक्रता में उत्पन्न होने वाली तरंगें हैं जो प्रकाश की गति से चलती हैं। ये परिक्रमा करते हुए सघन पिंडों (compact objects) जैसे त्वरित द्रव्यमानों द्वारा उत्पन्न होती हैं, और अब इनका प्रत्यक्ष रूप से पता लगाया जा चुका है, जिससे ब्रह्मांड के लिए एक नई खिड़की खुल गई है।

Definition

गुरुत्वाकर्षण तरंगें दिक्काल मीट्रिक (spacetime metric) के प्रसारित होने वाले, अनुप्रस्थ विक्षोभ (transverse perturbations) हैं, जो रैखिककृत आइंस्टीन समीकरणों के समाधान हैं, जो त्वरित, गैर-गोलाकार-सममित द्रव्यमान वितरणों से ऊर्जा और संवेग को दूर ले जाती हैं और स्वतंत्र रूप से गिरने वाले परीक्षण द्रव्यमानों के बीच की दूरियों को फैलाती और संकुचित करती हैं।

Scope

यह क्षेत्र गुरुत्वाकर्षण विकिरण के सिद्धांत को समाहित करता है: रैखिककृत आइंस्टीन समीकरण और उनके तरंग समाधान, दो अनुप्रस्थ ध्रुवीकरण और मुक्त द्रव्यमानों पर एक गुजरती तरंग का प्रभाव, उत्सर्जन के लिए चतुर्ध्रुवीय सूत्र (quadrupole formula), खगोलभौतिकीय स्रोत, और तरंगों का पता लगाने तथा उनके स्रोतों के गुणों को पढ़ने के लिए उपयोग की जाने वाली लेजर-इंटरफेरोमीटर और पल्सर-समय (pulsar-timing) तकनीकें।

Sub-topics

• बाइनरी इंस्पाइरल और कॉम्पैक्ट मर्जर
• गुरुत्वाकर्षण तरंगों का पता लगाना
• गुरुत्वाकर्षण तरंगों के स्रोत
• रैखिक गुरुत्वाकर्षण और तरंग समाधान

Core questions

• आइंस्टीन समीकरण तरंग-जैसे समाधानों की भविष्यवाणी कैसे करते हैं, और वे कितनी तेजी से यात्रा करते हैं?
• किस प्रकार के खगोलभौतिकीय तंत्र पता लगाने योग्य गुरुत्वाकर्षण तरंगों का उत्सर्जन करते हैं?
• दिक्काल के इतने छोटे विकृतियों को कैसे मापा जा सकता है?
• गुरुत्वाकर्षण तरंगों का पता लगाने से कौन सा नया खगोल भौतिकी सामने आता है?

Key concepts

• रैखिककृत आइंस्टीन समीकरण
• अनुप्रस्थ-ट्रेसलेस गेज (Transverse-traceless gauge)
• दो ध्रुवीकरण (प्लस और क्रॉस)
• चतुर्ध्रुवीय सूत्र
• स्ट्रेन (Strain)
• बहु-संदेशवाहक खगोल विज्ञान (Multi-messenger astronomy)

Key theories

रैखिककृत गुरुत्वाकर्षण और तरंग समाधान

समतल दिक्काल के चारों ओर मीट्रिक का विस्तार करना और एक उपयुक्त गेज चुनना आइंस्टीन समीकरणों को एक तरंग समीकरण में कम कर देता है, जिसके समाधान अनुप्रस्थ, ट्रेसलेस गुरुत्वाकर्षण तरंगें हैं जो प्रकाश की गति से यात्रा करती हैं।

चतुर्ध्रुवीय सूत्र

अग्रणी क्रम में, एक स्रोत की गुरुत्वाकर्षण-तरंग चमक उसके द्रव्यमान चतुर्ध्रुवीय आघूर्ण (mass quadrupole moment) के तीसरे समय व्युत्पन्न द्वारा निर्धारित होती है, इसलिए केवल गैर-गोलाकार, त्वरित द्रव्यमान वितरण ही विकिरण करते हैं, और उत्सर्जन आमतौर पर बहुत कमजोर होता है।

Clinical relevance

गुरुत्वाकर्षण-तरंग खगोल विज्ञान एक अवलोकन विज्ञान बन गया है: विलीन होते ब्लैक होल और न्यूट्रॉन सितारों का पता लगाना मजबूत-क्षेत्र, गतिशील व्यवस्था में सामान्य सापेक्षता का परीक्षण करता है, सघन पिंडों के द्रव्यमान और घूर्णन (spins) को मापता है, ब्रह्मांड की विस्तार दर के लिए एक स्वतंत्र मार्ग प्रदान करता है, और, जब प्रकाश के साथ जोड़ा जाता है, तो ब्रह्मांडीय विस्फोटों के बहु-संदेशवाहक (multi-messenger) अध्ययनों को सक्षम बनाता है।

History

आइंस्टीन ने 1916 में गुरुत्वाकर्षण तरंगों की भविष्यवाणी की थी और लंबे समय तक उनकी वास्तविकता पर संदेह किया था; अप्रत्यक्ष प्रमाण 1970 के दशक में हल्स-टेलर बाइनरी पल्सर (Hulse-Taylor binary pulsar) के कक्षीय क्षय (orbital decay) से मिले, और दशकों के डिटेक्टर विकास के बाद LIGO इंटरफेरोमीटर ने 2015 में ब्लैक-होल विलय का पहला प्रत्यक्ष पता लगाया, जिसे 2017 के नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया।

Debates

गुरुत्वाकर्षण तरंगों की वास्तविकता और ऊर्जा

दशकों तक यह विवादित रहा कि क्या गुरुत्वाकर्षण तरंगें भौतिक थीं या शुद्ध गेज (pure gauge) थीं और क्या वे ऊर्जा ले जाती थीं; स्टिकी-बीड तर्क (sticky-bead argument) और अंततः पता लगने से यह स्थापित हो गया कि वे वास्तविक हैं और ऊर्जा का परिवहन करती हैं, हालांकि गुरुत्वाकर्षण ऊर्जा के स्थानीयकरण की सूक्ष्मताएं बनी हुई हैं।

Key figures

• Albert Einstein
• Joseph Weber
• Rainer Weiss
• Kip Thorne
• Barry Barish

Seminal works

• einstein1916b
• abbott2016

Frequently asked questions

एक गुरुत्वाकर्षण तरंग गुजरते समय शारीरिक रूप से क्या करती है?

यह एक अनुप्रस्थ दिशा में अंतरिक्ष को बारी-बारी से फैलाती है जबकि लंबवत दिशा को संकुचित करती है, जिससे स्वतंत्र रूप से गिरने वाले द्रव्यमानों के बीच की दूरी एक छोटे से आंशिक मात्रा में बदल जाती है; यह दोलनशील स्ट्रेन (oscillating strain) ही है जिसे इंटरफेरोमीटर मापने के लिए बनाए गए हैं।

गुरुत्वाकर्षण तरंगों का पता लगाना इतना मुश्किल क्यों है?

गुरुत्वाकर्षण असाधारण रूप से कमजोर है, इसलिए हिंसक खगोलभौतिकीय घटनाएँ भी पृथ्वी पर 10^21 के क्रम में स्ट्रेन उत्पन्न करती हैं, जिसके लिए किलोमीटर-स्केल इंटरफेरोमीटर की आवश्यकता होती है जो प्रोटॉन की चौड़ाई से कहीं कम दूरी के परिवर्तनों को महसूस करने के लिए शोर के हर प्रतिस्पर्धी स्रोत के खिलाफ स्थिर होते हैं।