Neutron Star vs Quark Star in the Multimessenger Era

ब्रह्मांड के हृदय में गहराई में, जहाँ गुरुत्वाकर्षण पदार्थ को ऐसी घनत्वों तक कुचल देता है जिन्हें पृथ्वी पर पुन: उत्पन्न करना असंभव है, वहाँ विज्ञान द्वारा ज्ञात सबसे चरम वस्तुएं स्थित हैं: सघन तारे (compact stars)। ये विशाल तारों के अवशेष हैं जो अपने स्वयं के भार के नीचे ढह गए हैं, जो केवल कुछ दर्जन किलोमीटर चौड़े गोले में हमारे सूर्य से अधिक द्रव्यमान समाहित करते हैं। दशकों से, खगोलशास्त्री इस बात पर बहस कर रहे हैं कि ये वस्तुएं किससे बनी हैं। मानक दृष्टिकोण यह मानता है कि ये न्यूट्रॉन तारे हैं, ब्रह्मांडीय पिंड जहाँ प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉन एक साथ दबकर न्यूट्रॉन बनाने के लिए मजबूर कर दिए गए हैं, जिससे एक ऐसा तरल बनता है जो इतना घना है कि एक चम्मच का वजन एक अरब टन होगा। हालाँकि, एक प्रतिस्पर्धी विचार सुझाव देता है कि ऐसे अत्यधिक दबाव में, न्यूट्रॉन भी अपने मौलिक निर्माण खंडों—क्वार्क्स (quarks)—में टूट सकते हैं, जिससे पूरी तरह से क्वार्क्स के एक अजीब, मुक्त-प्रवाह वाले सूप से बना तारा बन जाता है। यह प्रश्न कि क्या ये तारे न्यूट्रॉन से बने हैं या क्वार्क से, केवल वर्गीकरण का मामला नहीं है; यह उन भौतिक नियमों को छूता है जो यह नियंत्रित करते हैं कि चरम स्थितियों में पदार्थ कैसे व्यवहार करता है।

शंघाई जियाओ टोंग विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं द्वारा किया गया एक नया अध्ययन इन ब्रह्मांडीय पिंडों को एक विशाल प्रयोगशाला मानकर इस प्राचीन पहेली पर एक नया दृष्टिकोण लाता है। यह मानते हुए नहीं कि ये सभी ढहे हुए तारे एक समान हैं, टीम ने कई स्रोतों से प्राप्त डेटा का विश्लेषण करने के लिए एक शक्तिशाली सांख्यिकीय पद्धति का उपयोग किया, जिसमें टकराते सितारों से निकलने वाली गुरुत्वाकर्षण तरंगें और नासा के एक्स-रे टेलीस्कोपों से पल्सर के सटीक माप शामिल हैं। उन्होंने एक सरल लेकिन गहन प्रश्न पूछा: यदि हम देखे गए सघन तारों के पूरे परिवार को देखें, तो क्या वे सभी एक ही प्रजाति के हैं, या दो अलग-अलग प्रकार एक साथ रह रहे हैं? तीन अलग-अलग परिदृश्यों के विरुद्ध देखे गए डेटा की तुलना करके—एक जहाँ प्रत्येक तारा एक न्यूट्रॉन तारा है, एक जहाँ प्रत्येक तारा एक क्वार्क तारा है, और एक जहाँ दोनों प्रकार एक साथ मौजूद हैं—शोधकर्ताओं ने पाया कि ब्रह्मांड पहले की तुलना में अधिक विविध होने की संभावना है।

शोधकर्ताओं ने इस बात पर निर्भर नहीं किया कि इन तारों के भीतर पदार्थ कैसे व्यवहार करता है, इसके लिए कोई एक सिद्धांत है। इसके बजाय, उन्होंने एक लचीला, डेटा-संचालित मॉडल बनाया जो किसी भी अवलोकन के अनुसार अनुकूलित हो सके, जिससे डेटा को स्वयं बोलने का अवसर मिला। उन्होंने इस मॉडल में छह विशिष्ट खगोलीय पिंडों से जानकारी डाली: चार पल्सर जिनका आकार और द्रव्यमान उच्च सटीकता के साथ मापा गया है, और वे दो तारे जो प्रसिद्ध गुरुत्वाकर्षण तरंग घटना GW170817 में शामिल थे, जिसने इस बारे में सुराग दिया कि इन तारों को कितनी आसानी से दबाया जा सकता है। उन्होंने कण भौतिकी की हमारी सर्वोत्तम समझ से प्राप्त, अविश्वसनीय रूप से उच्च घनत्व पर पदार्थ कैसे व्यवहार करता है, इसके सैद्धांतिक सीमाओं को भी इसमें शामिल किया। टीम ने इन छह सितारों के हर संभावित संयोजन का परीक्षण किया, यह पूछते हुए कि क्या प्रत्येक एक न्यूट्रॉन तारा था या एक क्वार्क तारा, ताकि यह देखा जा सके कि कौन सा समग्र व्यवस्था डेटा के साथ सबसे अच्छा मेल खाती है।

परिणामों ने दृढ़ता से एक "दो-परिवार" (two-family) परिदृश्य की ओर संकेत किया। सबसे संभावित मामले में, ब्रह्मांड में सघन तारों की दो अलग-अलग शाखाएँ हैं। भारी, अधिक द्रव्यमान वाले तारे एक परिवार से संबंधित हैं, जबकि हल्के वाले दूसरे परिवार से। विशेष रूप से, अध्ययन सुझाव देता है कि सबसे भारी देखा गया पल्सर, जिसे PSR J0740+6620 के रूप में जाना जाता है, संभवतः एक विचित्र क्वार्क तारा (strange quark star) है—एक स्व-बद्ध वस्तु जो पूरी तरह से विमुक्त (deconfined) क्वार्क्स से बनी है। इसके विपरीत, नमूने के अन्य पांच तारे, जिनमें वे दो तारे भी शामिल हैं जो गुरुत्वाकर्षण तरंगें पैदा करने के लिए टकराए थे, पारंपरिक न्यूट्रॉन तारों के रूप में बेहतर वर्णित किए गए हैं। यह खोज इसलिए महत्वपूर्ण है क्योंकि यह खगोल भौतिकी के एक लंबे समय से चले आ रहे तनाव को हल करती है। न्यूट्रॉन तारों के लिए एक अधिकतम आकार सीमा अपेक्षित होती है; यदि वे बहुत भारी हो जाते हैं, तो उन्हें ब्लैक होल में ढह जाना चाहिए। फिर भी, हम ऐसे पल्सर देखते हैं जो सूर्य से लगभग दोगुने भारी हैं। यदि सभी तारे न्यूट्रॉन तारे होते, तो उनके आंतरिक ढांचे को इतने वजन को सहारा देने के लिए अविश्वसनीय रूप से कठोर होना पड़ता, लेकिन वह कठोरता उन्हें छोटे सितारों के आकार के माप में फिट होने के लिए बहुत बड़ा बना देती। इस अध्ययन ने यह अनुमति देकर कि भारी तारा पूरी तरह से एक अलग प्रकार की वस्तु है, एक स्वाभाविक समाधान प्रदान किया है: भारी तारा एक क्वार्क तारा है, जो बहुत अधिक द्रव्यमान वाला और सघन हो सकता है, जबकि हल्के तारे पारंपरिक न्यूट्रॉन तारे बने रहते हैं जिनकी संरचना अधिक नरम और लचीली होती है।

अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि इन तारों के भीतर पदार्थ के माध्यम से ध्वनि की गति कैसे यात्रा करती है, जो एक ऐसा गुण है जो हमें बताता है कि सामग्री कितनी सख्त या नरम है। उस परिदृश्य में जहाँ सभी तारे न्यूट्रॉन तारे हैं, ध्वनि की गति कुछ घनत्वों पर एक तीव्र, अप्रत्याशित शिखर (peak) दिखाती है, एक ऐसी विशेषता जिसने भौतिकविदों को वर्षों तक उलझाए रखा है। हालाँकि, पसंदीदा दो-परिवार परिदृश्य में, यह शिखर गायब हो जाता है। इसके बजाय, ध्वनि की गति लगातार बढ़ती है और फिर स्थिर हो जाती है, एक सहज व्यवहार जो इस बात के साथ बेहतर तालमेल बिठाता है कि अत्यधिक दबाव में पदार्थ को कैसा व्यवहार करना चाहिए। यह सुझाव देता है कि एक न्यूट्रॉन तारे की आंतरिक संरचना एक क्वार्क तारे की तुलना में मौलिक रूप से भिन्न है, और ब्रह्मांड सभी सघन तारों को एक ही सांचे में नहीं ढालता है।

हालाँकि साक्ष्य अभी पूर्ण नहीं हैं, लेकिन सांख्यिकीय भार इस मिश्रित आबादी के पक्ष में है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि दो-परिवार परिदृश्य, सभी 'अप-डाउन' क्वार्क सितारों वाले परिदृश्य की तुलना में लगभग छह गुना अधिक संभावित है, और उन परिदृश्यों की तुलना में काफी अधिक संभावित है जहाँ सभी न्यूट्रॉन तारे हैं। इस स्तर के विश्वास को "मध्यम साक्ष्य" (moderate evidence) के रूप में वर्णित किया गया है, जिसका अर्थ है कि डेटा दृढ़ता से इस दिशा में संकेत करता है लेकिन भविष्य के अवलोकनों को चित्र को और परिष्कृत करने के लिए स्थान छोड़ता है। सबसे भारी तारे को क्वार्क तारा के रूप में वर्गीकृत करना पदार्थ की प्रकृति के बारे में भी गहरे निहितार्थ रखता है। यह इस परिकल्पना का समर्थन करता है कि विचित्र क्वार्क पदार्थ (strange quark matter) ब्रह्मांड में पदार्थ का सबसे स्थिर रूप हो सकता है, जो संभावित रूप से एक ऐसी अवस्था में मौजूद है जो कभी क्षय नहीं होती। यदि यह सत्य है, तो इसका अर्थ यह हो सकता है कि इस विचित्र पदार्थ के सूक्ष्म टुकड़े, जिन्हें 'स्ट्रेंजलेट्स' (strangelets) कहा जाता है, प्रारंभिक ब्रह्मांड से जीवित बचे होंगे और शायद डार्क मैटर का एक रूप भी हो सकते हैं, हालांकि यह एक काल्पनिक संभावना बनी हुई है।

अध्ययन ने यह भी परीक्षण किया कि इन निष्कर्षों के प्रति ये कितने संवेदनशील हैं कि खगोलशास्त्री एक विशिष्ट पल्सर, PSR J0030+0451, से प्राप्त डेटा की व्याख्या कैसे करते हैं। इस तारे की सतह पर गर्म स्थानों (hot spots) का विश्लेषण करने के लिए उपयोग किए जाने वाले मॉडल के आधार पर, उस विशेष तारे का वर्गीकरण न्यूट्रॉन तारे या क्वार्क तारे के बीच बदल सकता है। हालाँकि, सबसे भारी तारे, PSR J0740+6620, की पहचान एक क्वर्क तारे के रूप में सभी परीक्षण किए गए मॉडलों में सुदृढ़ रही। यह स्थिरता बताती है कि दो परिवारों के बीच का अंतर एक वास्तविक ब्रह्मांडीय विशेषता है, न कि केवल एक विशिष्ट वस्तु को मापने का परिणाम। जैसे-जैसे नए टेलीस्कोप और गुरुत्वाकर्षण तरंग डिटेक्टर ऑनलाइन आएंगे, वे और भी स्पष्ट डेटा प्रदान करेंगे, जो संभावित रूप से पुष्टि करेंगे कि क्या वास्तव में आकाश में इन दो परिवारों के तारे सह-अस्तित्व में हैं, जो कि हमें पहले से कल्पना की तुलना में कहीं अधिक जटिल और विविध जनसंख्या का अनावरण करेंगे।