Gravitational Waves

کششی موجیں

spacetime میں لہریں جو massive accelerating objects جیسے merging black holes یا neutron stars سے پیدا ہوتی ہیں

ایک نیا کائناتی پیغامبر

Gravitational waves خود spacetime کی distortions ہیں، جو روشنی کی رفتار سے سفر کرتی ہیں۔ سب سے پہلے Albert Einstein نے 1916 میں پیش گوئی کی تھی، یہ عام اضافیت کے field equations سے قدرتی طور پر پیدا ہوتی ہیں جب بھی mass–energy کی تقسیم غیر متناسب طور پر تیز ہوتی ہے۔ دہائیوں تک، یہ waves نظریاتی تجسس رہیں—اتنی کمزور کہ انسانی ٹیکنالوجی کے لیے انہیں detect کرنا مشکل تھا۔ یہ صورتحال 2015 میں ڈرامائی طور پر بدل گئی، جب Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) نے merging black holes سے gravitational waves کی پہلی براہ راست detection کی، جسے جدید astrophysics کی سب سے بڑی کامیابیوں میں سے ایک قرار دیا گیا۔

برقی مقناطیسی سگنلز کے برعکس، جنہیں جذب یا منتشر کیا جا سکتا ہے، gravitational waves مادے سے کم از کم کمی کے ساتھ گزرتے ہیں۔ یہ سب سے پرتشدد کائناتی واقعات کے بارے میں بغیر فلٹر کی گئی معلومات لے کر آتے ہیں—collisions آف بلیک ہولز، neutron-star mergers، ممکنہ طور پر supernova collapses—ایک نیا observational tool پیش کرتے ہیں جو روایتی astronomy کی تکمیل کرتا ہے۔ بنیادی طور پر، gravitational wave detectors ایسے کام کرتے ہیں جیسے spacetime کی vibrations کے لیے "کان"، جو دوربینوں کے لیے غیر مرئی phenomena کو ظاہر کرتے ہیں۔

2. نظریاتی بنیادیں

2.1 آئن سٹائن کے میدان کے مساوات اور چھوٹے خلل

عمومی اضافیت کے اندر، آئن سٹائن کے میدان کے مساوات spacetime کی جیومیٹری gμν کو stress-energy مواد Tμν سے جوڑتی ہیں۔ ویکیوم میں (ماس کی کثافت سے دور)، یہ مساوات Rμν = 0 پر آ جاتی ہیں، یعنی spacetime مقامی طور پر ہموار ہے۔ تاہم، اگر ہم spacetime کو تقریباً ہموار اور چھوٹے خلل کے طور پر لیں، تو ہمیں لہری نما حل ملتے ہیں:

gμν = ημν + hμν,

جہاں ημν Minkowski میٹرک ہے اور hμν ≪ 1 ایک چھوٹا انحراف ہے۔ خطی آئن سٹائن مساوات hμν کے لیے لہری مساوات فراہم کرتی ہیں، جو رفتار c سے سفر کرتی ہیں۔ ان حلوں کو کشش ثقل کی لہریں کہا جاتا ہے۔

2.2 قطبیت: h+ and h×

عمومی اضافیت میں کشش ثقل کی لہروں کے دو متقاطع قطبیت کی حالتیں ہوتی ہیں، جنہیں اکثر “+” اور “×” سے ظاہر کیا جاتا ہے۔ جب GW ناظر کے ذریعے گزرتی ہے، تو یہ متوازی محوروں کے ساتھ فاصلے کو باری باری بڑھاتی اور سکڑتی ہے۔ اس کے برعکس، برقی مقناطیسی لہروں میں متقاطع برقی اور مقناطیسی میدان کے ارتعاشات ہوتے ہیں، لیکن گردش کے تحت مختلف تبدیلیوں کے ساتھ (کشش ثقل کی لہروں کے لیے spin-2 بمقابلہ photons کے لیے spin-1)۔

2.3 بائنری نظاموں سے توانائی کا اخراج

آئن سٹائن کا quadrupole فارمولا ظاہر کرتا ہے کہ کشش ثقل کی لہروں میں خارج ہونے والی طاقت ماس کی تقسیم کے quadrupole لمحے کے تیسرے وقت کے مشتق پر منحصر ہوتی ہے۔ کروی ہم آہنگ یا محض dipole حرکت کشش ثقل کی لہریں پیدا نہیں کرتی۔ کمپیکٹ اجسام (black holes، neutron stars) کے بائنری نظاموں میں، مدار کی حرکت بڑے quadrupole تبدیلیاں پیدا کرتی ہے، جو نمایاں GW اخراج کا باعث بنتی ہے۔ جب توانائی خارج ہوتی ہے، تو مدار in-spiral ہوتے ہیں، اور آخرکار کشش ثقل کی لہروں کے ایک آخری دھماکے میں ضم ہو جاتے ہیں جو سینکڑوں megaparsecs یا اس سے زیادہ فاصلے سے بھی قابلِ دریافت ہو سکتے ہیں۔

3. 2015 سے پہلے بالواسطہ شواہد

3.1 بائنری پلسر PSR B1913+16

براہِ راست دریافت سے بہت پہلے، Russell Hulse اور Joseph Taylor نے 1974 میں پہلا binary pulsar دریافت کیا۔ اس کے مدار کے زوال کے مشاہدات نے عمومی اضافیت کے مساوات سے کشش ثقل کی لہروں کے اخراج کی پیش گوئی کے مطابق توانائی کے نقصان سے انتہائی اعلیٰ درستگی سے میل کھایا۔ دہائیوں کے دوران، مدار کی مدت میں کمی کی ماپی گئی شرح (~2.3 × 10-12 s/s) نظریاتی پیش گوئیوں کے ساتھ تقریباً 0.2% غیر یقینی کے اندر مطابقت رکھتی تھی۔ اس نے بالواسطہ ثبوت فراہم کیا کہ کشش ثقل کی لہریں مدار کی توانائی لے جاتی ہیں [1]۔

3.2 اضافی بائنری پلسرز

بعد کے نظاموں (مثلاً، Double Pulsar J0737–3039) نے مزید اس طرح کے مدار کے سکڑاؤ کی تصدیق کی۔ GR کے quadrupole فارمولا کے ساتھ مطابقت نے کشش ثقل کی لہروں کے وجود کی مضبوط حمایت کی، حالانکہ کوئی براہِ راست لہری دریافت حاصل نہیں ہوئی تھی۔

4. براہِ راست دریافت: LIGO، Virgo، اور KAGRA

4.1 LIGO کی پیش رفت (2015)

دہائیوں کی ترقی کے بعد، ہینفورڈ (واشنگٹن) اور لِونِسٹن (لوزیانا) میں Advanced LIGO انٹرفیرومیٹرز نے 14 ستمبر 2015 کو پہلا براہِ راست کشش ثقل کی لہر سگنل حاصل کیا (فروری 2016 میں اعلان کیا گیا)۔ ویوفارم، جسے GW150914 کہا گیا، تقریباً 36 اور 29 شمسی ماسز کے بلیک ہولز کے انضمام سے تقریباً 1.3 ارب نوری سال دور سے آیا۔ جیسے جیسے وہ قریب آئے، ایمپلیٹیوڈ اور فریکوئنسی بڑھی (خصوصی “چِرپ”)، جو انضمام کے بعد آخری رنگ ڈاؤن پر ختم ہوئی [2]۔

اس دریافت نے کئی اہم پیش گوئیاں کی تصدیق کی:

  • مقامی کائنات میں بلیک ہول بائنریز کے وجود کا انضمام۔
  • ویوفارم کی مماثلت بلیک ہول کے انضمام کی عددی اضافیت کی مشابہتوں سے۔
  • اسپن کی ترتیب اور آخری بلیک ہول کا ماس۔
  • مضبوط میدان، انتہائی رشتہ دارانہ دائرہ میں GR کی صداقت۔

4.2 اضافی مشاہداتی مراکز: Virgo، KAGRA، GEO600

Virgo (اٹلی میں) 2017 میں مکمل شراکت دار کے طور پر شامل ہوا۔ اسی اگست میں، ایک اور بلیک ہول انضمام سے GW170814 کی تین گنا دریافت نے بہتر آسمانی مقام اور پولرائزیشن ٹیسٹ کی اجازت دی۔ KAGRA (جاپان میں) زیر زمین کرایوجینک آئینے استعمال کرتا ہے تاکہ شور کو کم کیا جا سکے، اور عالمی نیٹ ورک کو بڑھانے کا ہدف رکھتا ہے۔ دنیا بھر میں متعدد ڈیٹیکٹرز آسمان کی مثلث بندی کو بہتر بناتے ہیں، غلطی کے علاقوں کو نمایاں طور پر کم کرتے ہیں اور برقی مقناطیسی فالو اپ میں مدد دیتے ہیں۔

4.3 BNS انضمام: کثیر پیغام رسانی فلکیات

اگست 2017 میں، GW170817 جو نیوٹران ستاروں کے انضمام سے آیا تھا، LIGO–Virgo نے مشاہدہ کیا، جس کے ساتھ تقریباً 1.7 سیکنڈ بعد گاما رے بَرَسٹ اور کیلونووے آپٹیکل/آئی آر آفٹرگلو بھی دریافت ہوئے۔ اس کثیر پیغام رسانی مشاہدے نے میزبان کہکشاں (NGC 4993) کی تصدیق کی، یہ ثابت کیا کہ ایسے انضمام بھاری عناصر (جیسے سونا) پیدا کرتے ہیں اور کشش ثقل کی لہروں کی رفتار کو روشنی کی رفتار کے قریب اعلیٰ درستگی سے ثابت کیا۔ اس نے فلکیات کے ایک نئے دور کا آغاز کیا، جس میں کشش ثقل کی لہروں کو برقی مقناطیسی سگنلز کے ساتھ ملا کر نیوٹران ستارے کے مادے، توسیعی شرحوں، اور مزید کے بارے میں بصیرت حاصل کی گئی۔

5. مظاہر اور مضمرات

5.1 بلیک ہولز کا انضمام

بلیک ہول–بلیک ہول (BBH) انضمام عام طور پر کوئی روشن برقی مقناطیسی نشان نہیں دیتے (جب تک کہ گیس موجود نہ ہو)۔ لیکن صرف کشش ثقل کی لہروں کا سگنل ماس، اسپن، فاصلہ، اور آخری رنگ ڈاؤن کے بارے میں معلومات فراہم کرتا ہے۔ اب تک دریافت شدہ درجنوں BH–BH واقعات مختلف ماسز (~5–80 M⊙)، اسپنز، اور ان-اسپائرل کی شرح دکھاتے ہیں۔ اس نے بلیک ہول کی آبادیاتی تحقیق میں انقلاب برپا کیا۔

5.2 نیوٹران ستارہ تصادمات

نیوٹران ستارہ–نیوٹران ستارہ (BNS) یا BH–NS تصادمات مختصر گاما رے بَرَسٹ، کیلونووے، یا نیوٹرینو اخراج پیدا کر سکتے ہیں، جو الٹرا ہائی کثافت پر نیوکلیئر مساواتِ حالت کے بارے میں ہمارے علم کو بڑھاتے ہیں۔ BNS کے انضمام r-process بھاری عناصر پیدا کرتے ہیں، جو نیوکلیئر فزکس اور فلکیات کو جوڑتے ہیں۔ کشش ثقل کی لہروں کے سگنلز اور برقی مقناطیسی آفٹرگلو کے باہمی اثرات کائناتی نیوکلیوسنتھیسس کی گہری تحقیق فراہم کرتے ہیں۔

5.3 عمومی اضافیت کی جانچ

Gravitational wave waveforms strong-field regime میں عمومی اضافیت کی جانچ کر سکتے ہیں۔ اب تک مشاہدہ شدہ سگنلز GR کی پیش گوئیوں سے کوئی نمایاں انحراف نہیں دکھاتے—کوئی dipole radiation یا graviton mass کا نشان نہیں۔ مستقبل کے اعلیٰ درستگی والے ڈیٹا ممکنہ طور پر معمولی اصلاحات کی تصدیق کریں گے یا نئی طبیعیات ظاہر کریں گے۔ مزید برآں، بلیک ہول مرجز میں ringdown frequencies “no-hair” تھیورم کی جانچ کرتی ہیں (GR میں بلیک ہولز صرف mass, spin, charge سے بیان ہوتے ہیں)۔

6. مستقبل کی gravitational wave فلکیات

6.1 جاری زمینی ڈیٹیکٹرز

LIGO اور Virgo، نیز KAGRA، حساسیت کو بہتر کرتے رہتے ہیں— Advanced LIGO ممکنہ طور پر ~4×10-24 strain کی ڈیزائن حساسیت کے قریب پہنچ سکتا ہے 100 Hz کے قریب۔ GEO600 تحقیق اور ترقی جاری رکھے ہوئے ہے۔ اگلے رنز (O4, O5) سالانہ سینکڑوں بلیک ہول مرجز اور درجنوں نیوٹران اسٹار مرجز کی توقع رکھتے ہیں، جو gravitational wave “catalog” فراہم کریں گے جو کائناتی شرحیں، mass distributions، spins، اور ممکنہ طور پر نئے فلکیاتی حیرت انگیز حقائق ظاہر کرے گا۔

6.2 خلائی انٹرفیرومیٹرز: LISA

LISA (Laser Interferometer Space Antenna) جو ESA/NASA کی طرف سے منصوبہ بند ہے (~2030s)، supermassive black hole binaries، extreme mass-ratio inspirals (EMRIs)، اور ممکنہ طور پر cosmic string signals یا inflationary backgrounds سے mHz رینج میں کم فریکوئنسی gravitational waves کا پتہ لگائے گا۔ LISA کی 2.5 million km لمبی بازو خلاء میں ایسے ذرائع کا پتہ لگانے کے قابل بناتی ہے جو زمینی ڈیٹیکٹرز نہیں کر سکتے، جو high-frequency (LIGO) اور nano-Hz (pulsar timing) شعبوں کے درمیان پل کا کام دیتی ہے۔

6.3 Pulsar Timing Arrays

nanohertz فریکوئنسیز پر، pulsar timing arrays (PTAs) جیسے NANOGrav, EPTA, IPTA ملین سیکنڈ pulsars کے ایک سلسلے میں pulse کے آنے کے اوقات میں معمولی تعلقات کی پیمائش کرتے ہیں۔ ان کا مقصد galactic centers میں supermassive black hole binaries سے stochastic gravitational wave backgrounds کا پتہ لگانا ہے۔ ابتدائی اشارے ظاہر ہو سکتے ہیں۔ اگلے چند سالوں میں تصدیقات سے multi-band gravitational wave spectrum مکمل ہو سکتا ہے۔

7. فلکیات اور کائناتیات پر وسیع تر اثرات

7.1 کمپیکٹ بائنریز کی تشکیل

GW کیٹلاگز ظاہر کرتے ہیں کہ بلیک ہولز یا نیوٹران ستارے کس طرح stellar evolution سے بنتے ہیں، وہ بائنریز میں کیسے جوڑتے ہیں، اور metallicity یا دیگر ماحولیاتی عوامل mass distributions کو کیسے شکل دیتے ہیں۔ یہ ڈیٹا electromagnetic transient سروے کے ساتھ تعاون کو فروغ دیتا ہے، جو ستاروں کی تشکیل اور population-synthesis ماڈلز کی رہنمائی کرتا ہے۔

7.2 بنیادی طبیعیات کی تحقیق

عمومی اضافیت کی جانچ سے آگے، ثقلی لہریں متبادل نظریات (massive gravitons, extra dimensions) پر پابندیاں لگا سکتی ہیں۔ اگر معلوم ریڈ شفٹ کے ساتھ standard siren واقعات ملیں تو یہ cosmic distance ladder کی پیمائش بھی کرتی ہیں۔ ممکنہ طور پر، یہ CMB یا supernova طریقوں سے آزادانہ طور پر ہبل کانسٹنٹ کی پیمائش میں مدد دیتی ہیں، جو موجودہ ہبل کشیدگی کو آسان یا شدید کر سکتی ہے۔

7.3 ملٹی-میسنجر ونڈوز کا افتتاح

Neutron-star merges (جیسے GW170817) gravitational wave اور برقی مقناطیسی ڈیٹا کو متحد کرتے ہیں۔ مستقبل کے واقعات نیوٹرینو بھی شامل کر سکتے ہیں اگر کور کولپس سپرنووا یا BH–NS انضمام انہیں پیدا کریں۔ یہ ملٹی-میسنجر طریقہ کار دھماکہ خیز واقعات پر بے مثال تفصیل فراہم کرتا ہے—نیوکلیئر طبیعیات، r-process عنصر کی تشکیل، بلیک ہول کی تشکیل۔ یہ ہم آہنگی ویسے ہی ہے جیسے SN 1987A سے نیوٹرینو نے سپرنووا کے علم میں اضافہ کیا، لیکن کہیں زیادہ وسیع پیمانے پر۔

8. غیر معمولی امکانات اور مستقبل کے افق

8.1 ابتدائی بلیک ہولز اور ابتدائی کائنات

ابتدائی کائنات سے gravitational waves primordial black hole انضمام، کاسمی انفلیشن، یا پہلے مائیکرو سیکنڈز میں فیز ٹرانزیشنز سے آ سکتے ہیں۔ مستقبل کے ڈیٹیکٹرز (LISA، اگلی نسل کے زمینی آلات، کاسمی مائیکروویو بیک گراؤنڈ B-mode پولرائزیشن تجربات) ان باقیات سگنلز کا پتہ لگا سکتے ہیں، جو کائنات کے ابتدائی ادوار کو بے نقاب کریں گے۔

8.2 غیر معمولی اجسام یا ڈارک سیکٹر تعاملات کا پتہ لگانا

اگر غیر معمولی اجسام (بوسون ستارے، گراواسٹارز) یا نئے بنیادی میدان موجود ہیں، تو gravitational wave سگنلز خالص BH انضمام سے مختلف ہو سکتے ہیں۔ یہ GR سے آگے کی طبیعیات یا پوشیدہ/تاریک شعبوں سے تعلقات ظاہر کر سکتا ہے۔ اب تک کوئی انوملی نہیں ملی، لیکن امکان باقی ہے اگر حساسیت بڑھ جائے یا نئے فریکوئنسی بینڈز کھلیں۔

8.3 ممکنہ حیرت انگیز باتیں

تاریخی طور پر، کائنات پر ہر نیا مشاہداتی دروازہ غیر متوقع دریافتیں لاتا ہے—ریڈیو، ایکس رے، گاما رے فلکیات نے ایسے مظاہر دریافت کیے جو پچھلی نظریات سے پیش گوئی نہیں کیے گئے تھے۔ Gravitational wave astronomy بھی ممکنہ طور پر ایسے مظاہر دریافت کر سکتا ہے جن کا ہم نے تصور بھی نہیں کیا، جیسے کاسمی سٹرنگ برسٹ، غیر معمولی کمپیکٹ انضمام یا نئے بنیادی اسپن-2 میدان۔

9. نتیجہ

Gravitational waves—جو کبھی Einstein’s مساوات میں نظریاتی نازک بات تھے—اب کائنات کے most energetic اور mysterious واقعات کا ایک لازمی ذریعہ بن چکے ہیں۔ 2015 میں LIGO کی دریافت نے صدی پرانی پیش گوئی کی تصدیق کی، اور gravitational wave astronomy کے دور کا آغاز کیا۔ بلیک ہول–بلیک ہول اور نیوٹران اسٹار کے انضمام کی بعد کی دریافتوں نے ریلیٹیویٹی کے اہم پہلوؤں کی تصدیق کی اور برقی مقناطیسی ذرائع سے حاصل نہ ہونے والی طریقوں سے کائناتی کمپیکٹ بائنریز کی آبادی کو ظاہر کیا۔

یہ نیا کائناتی پیغام رسان وسیع اثرات رکھتا ہے:

  • مضبوط میدان کے حالات میں جنرل ریلیٹیویٹی کا امتحان۔
  • ستاروں کی ارتقا کے راستے روشن کرنا جو بلیک ہولز یا نیوٹران ستاروں کے انضمام کا باعث بنتے ہیں۔
  • ملٹی-میسنجر ہم آہنگی کو برقی مقناطیسی سگنلز کے ساتھ کھولنا تاکہ فلکیاتی بصیرت میں گہرائی آئے۔
  • ممکنہ طور پر کوسمک ایکسپینشن کو آزادانہ طور پر ماپنا اور ابتدائی بلیک ہولز یا ترمیم شدہ کشش ثقل جیسے غیر معمولی طبیعیات کی تلاش کرنا۔

آئندہ کے لیے، جدید زمینی انٹرفیرومیٹرز، LISA جیسے خلائی بیسڈ ارے، اور پلسار ٹائمنگ ارے ہماری دریافت کی حد کو فریکوئنسی اور فاصلے دونوں میں بڑھائیں گے، اس بات کو یقینی بناتے ہوئے کہ gravitational waves فلکیات میں ایک متحرک سرحد رہیں۔ نئے مظاہر دریافت کرنے، موجودہ نظریات کی تصدیق یا چیلنج کرنے، اور ممکنہ طور پر اسپیس ٹائم کی ساخت کے بارے میں نئے بنیادی بصیرتیں ظاہر کرنے کا وعدہ یہ یقینی بناتا ہے کہ gravitational wave تحقیق جدید سائنس کے سب سے متحرک میدانوں میں شامل ہے۔

حوالہ جات اور مزید مطالعہ

  1. Hulse, R. A., & Taylor, J. H. (1975). “Discovery of a pulsar in a binary system.” The Astrophysical Journal Letters, 195, L51–L53.
  2. Abbott, B. P., et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) (2016). “Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger.” Physical Review Letters, 116, 061102.
  3. Abbott, B. P., et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) (2017). “GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral.” Physical Review Letters, 119, 161101.
  4. Maggiore, M. (2008). Gravitational Waves, Volume 1: Theory and Experiments. Oxford University Press.
  5. Sathyaprakash, B. S., & Schutz, B. F. (2009). “Physics, Astrophysics and Cosmology with Gravitational Waves.” Living Reviews in Relativity, 12, 2.

 

← پچھلا مضمون                    اگلا مضمون →

 

 

اوپر واپس جائیں

بلاگ پر واپس