Non-particle dark matter
यह शोध पत्र एक गैर-कण डार्क मैटर उम्मीदवार के रूप में आदिम ब्लैक होल (प्राइमोर्डियल ब्लैक होल्स) का एक शैक्षणिक अवलोकन प्रदान करता है, जिसमें उनके गुण, मुद्रास्फीति घनत्व विक्षोभ (इन्फ्लेशनरी डेंसिटी परटर्बेशन्स) के माध्यम से निर्माण तंत्र, अवलोकन संबंधी जांच और क्षेत्र में वर्तमान खुले प्रश्न शामिल हैं।
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ब्रह्मांड एक रहस्यमय पदार्थ से भरा है जो आकाशगंगाओं को एक साथ थामे रखता है, फिर भी यह प्रकाश उत्सर्जित नहीं करता, न ही उसे परावर्तित करता है, और न ही उस साधारण पदार्थ के साथ अंतःक्रिया करता है जिससे तारे, ग्रह और मनुष्य बने हैं। खगोलशास्त्री इस अदृश्य सामग्री को डार्क मैटर (dark matter) कहते हैं, और यह अस्तित्व में मौजूद कुल पदार्थ का लगभग पचासी प्रतिशत हिस्सा है। दशकों से, प्रमुख सिद्धांत यह रहा है कि यह पदार्थ नए, अनछुए मौलिक कणों से बना है, जो शायद भारी और सुस्त हों, या शायद हल्के और भूतिया। हालाँकि, एक अन्य संभावना है जिसने ताज़ा ध्यान आकर्षित किया है: डार्क मैटर शायद कणों से बना ही नहीं है। इसके बजाय, यह आदिम ब्लैक होल्स (primordial black holes) से बना हो सकता है। ये वे ब्लैक होल्स नहीं हैं जो आज के ब्रह्मांड में विशाल तारों की मृत्यु से बनते हैं। आदिम ब्लैक होल्स प्राचीन अवशेष हैं, जिनका जन्म बिग बैंग के ठीक बाद के पहले सेकंड के अंश में हुआ था, जब ब्रह्मांड ऊर्जा के एक गर्म, सघन सूप की तरह था। यदि वे पर्याप्त संख्या में मौजूद हैं, तो ये छोटे, अदृश्य गुरुत्वाकर्षण जाल उस लुप्त द्रव्यमान का हिस्सा हो सकते हैं जो ब्रह्मांड को आकार देता है।
भौतिक विज्ञानी ऐन ग्रीन द्वारा एक नई समीक्षा इस क्षेत्र का एक स्पष्ट मानचित्र प्रदान करती है, जिसमें यह पता लगाया गया है कि ये प्राचीन ब्लैक होल्स कैसे बन सकते हैं, वे कैसे व्यवहार कर सकते हैं, और खगोलशास्त्री उन्हें कैसे खोज रहे हैं। कहानी बहुत प्रारंभिक ब्रह्मांड से शुरू होती है। मुद्रास्फीति (inflation) के रूप में जानी जाने वाली तीव्र विस्तार की अवधि के दौरान, अंतरिक्ष का ताना-बाना बाहर की ओर फैला, जिससे अधिकांश अनियमितताओं का समतलीकरण हो गया। हालाँकि, क्वांटार मैकेनिक्स (quantum mechanics) यह निर्धारित करती है कि पूर्ण सहजता असंभव है; ऊर्जा घनत्व में सूक्ष्म उतार-चढ़ाव अपरिहार्य थे। अधिकांश क्षेत्रों में, ये उतार-चढ़ाव कुछ भी विशेष करने के लिए बहुत छोटे थे। लेकिन कुछ दुर्लभ, विशिष्ट स्थानों में, पदार्थ और ऊर्जा का घनत्व इतना अधिक हो सकता था कि गुरुत्वाकर्षण ने फैलते हुए ब्रह्मांड के बाहरी दबाव पर विजय प्राप्त कर ली। जब ऐसा होता है, तो एक क्षेत्र अपने आप में सिमट जाता है, जिससे एक ब्लैक होल बनता है। चूँकि यह तारों के अस्तित्व में आने से पहले हुआ था, इसलिए इन्हें 'आदिम ब्लैक होल्स' कहा जाता है।
ऐसे ब्लैक होल का आकार पूरी तरह से इस बात पर निर्भर करता है कि वह कब बना। जितना जल्दी पतन होगा, अंतरिक्ष का क्षेत्र उतना ही छोटा होगा, और परिणामी ब्लैक होल उतना ही हल्का होगा। बिग बैंग के ठीक एक सेकंड के सूक्ष्म अंश के बाद बनने वाला ब्लैक होल एक बड़े क्षुद्रग्रह (asteroid) के द्रव्यमान का हो सकता है, जबकि थोड़ा बाद में बनने वाला ब्लैक होल हमारे सूर्य या उससे भी कई गुना अधिक वजन का हो सकता है। शोध पत्र बताता है कि इन वस्तुओं को संपूर्ण डार्क मैटर बनाने के लिए, प्रारंभिक ब्रह्मांड में छोटे पैमानों पर अत्यधिक घनत्व के उतार-चढ़ाव का एक विस्फोट होना चाहिए था, जो आज के कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड में दिखने वाली सौम्य लहरों से कहीं अधिक बड़े हों। इसके लिए प्रारंभिक ब्रह्मांड के भौतिकी में विशिष्ट स्थितियों की आवश्यकता होती है, जैसे कि विस्तार दर में अस्थायी ठहराव या मुद्रास्फीति को संचालित करने वाले क्षेत्रों के व्यवहार में परिवर्तन। जबकि मानक मॉडल प्रारंभिक ब्रह्मांड में स्वाभाविक रूप से इतने भारी उतार-चढ़ाव उत्पन्न नहीं करते हैं, लेखक नोट करता है कि कुछ संशोधित मॉडल आवश्यक स्थितियाँ बना सकते हैं, हालाँकि उन्हें अक्सर अंतर्निहित भौतिकी के सावधानीपूर्वक समायोजन की आवश्यकता होती है।
एक बार बनने के बाद, ये ब्लैक होल्स तब तक जीवित रहे होंगे, बशर्ते वे पर्याप्त विशाल हों। शोध पत्र एक महत्वपूर्ण सीमा को रेखांकित करता है: लगभग 10^15 ग्राम से हल्के ब्लैक होल्स हॉकिंग रेडिएशन (Hawking radiation) नामक एक क्वांटम प्रक्रिया के कारण बहुत पहले ही वाष्पित हो चुके होते, जिसके कारण ब्लैक होल्स धीरे-धीरे अपना द्रव्यमान खो देते हैं और अंततः लुप्त हो जाते हैं। इस सीमा से भारी कोई भी आदिम ब्लैक होल अभी भी यहाँ मौजूद होगा, जो आकाशगंगा में एक शांत, अदृश्य यात्री के रूप में तैर रहा होगा। यदि वे डार्क मैटर हैं, तो उन्हें पूरे ब्रह्मांड में वितरित होना चाहिए, जो अपने गुरुत्वाकर्षण से आकाशगंगाओं को थामे रखते हैं।
असली चुनौती उन्हें खोजने में है। चूँकि वे चमकते नहीं हैं, इसलिए खगोलशास्त्री केवल एक दूरबीन की ओर इशारा करके उन्हें नहीं देख सकते। इसके बजाय, उन्हें उन प्रभावों को देखना होगा जो ये वस्तुएं अन्य चीजों के प्रकाश और गति पर डालती हैं। बहुत हल्के आदिम ब्लैक होल्स के लिए, खोज उस विकिरण पर केंद्रित है जो वे वाष्पित होने से ठीक पहले उत्सर्जित करेंगे। यदि इन नन्हे ब्लैक होल्स का एक झुंड मौजूद होता, तो वे आज उच्च-ऊर्जा कणों और गामा किरणों की बौछार कर रहे होते। आकाश के अवलोकनों में यह अतिरिक्त विकिरण नहीं मिला है, जो प्रभावी रूप से इस विचार को खारिज करता है कि सबसे हल्के आदिम ब्लैक होल्स डार्क मैटर बनाते हैं।
भारी ब्लैक होल्स के लिए, पहचान का प्राथमिक तरीका 'स्टेलर माइक्रोलेंसिंग' (stellar microlensing) है। यह घटना तब होती है जब एक सघन वस्तु, जैसे कि ब्लैक होल, पृथ्वी और एक दूर स्थित तारे के बीच से गुजरती है। ब्लैक होल का गुरुत्वाकर्षण एक लेंस की तरह कार्य करता है, जो तारे के प्रकाश को मोड़ता है और इससे तारा अस्थायी रूप से चमकीला हो जाता है। पास की आकाशगंगाओं में लाखों सितारों की निगरानी करके, खगोलशास्त्रियों ने इन प्रकाश की क्षणिक चमक को खोजने का प्रयास किया है। व्यापक सर्वेक्षणों में पाया गया है कि हालांकि कुछ माइक्रोलेंसिंग घटनाएं होती हैं, लेकिन वे हमारे सूर्य या उससे बड़े द्रव्यमान वाले ब्लैक होल्स से भरे ब्रह्मांड के कारण होने वाली घटनाओं जितनी बार-बार नहीं होती हैं। इन अवलोकनों ने सौर-द्रव्यमान और उससे बड़े आदिम ब्लैक होल्स की प्रचुरता पर सख्त सीमाएं लगा दी हैं, जिससे पता चलता है कि वे संपूर्ण डार्क मैटर का हिसाब नहीं दे सकते।
इन बाधाओं के बावजूद, हमारे ज्ञान में एक महत्वपूर्ण अंतर बना हुआ है। शोध पत्र बताता है कि द्रव्यमान का एक "विंडो" (window) है, जो लगभग एक बड़े क्षुद्रग्रह और एक छोटे चंद्रमा के वजन के बीच है, जहाँ वर्तमान अवलोकन अभी तक आदिम ब्लैक होल्स की उपस्थिति को खारिज नहीं कर पाए हैं। इस सीमा में, वस्तुएं इतनी भारी हैं कि वे महत्वपूर्ण रूप से वाष्पित न हों, फिर भी इतनी हल्की हैं कि वे भारी वस्तुओं के लिए खारिज किए गए मजबूत माइक्रोलेंसिंग प्रभावों का कारण न बन सकें। यह क्षुद्रग्रह-द्रव्यमान विंडो अंतिम शेष स्थान है जहाँ आदिम ब्लैक होल्स संभावित रूप से संपूर्ण डार्क मैटर हो सकते हैं।
लेखक निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि हमने कई संभावनाओं को खारिज कर दिया है, लेकिन प्रश्न अभी भी अनसुलझा है। आदिम ब्लैक होल्स की खोज हमारे प्रारंभिक ब्रह्मांड की समझ का परीक्षण है, जितना कि यह डार्क मैटर की खोज है। यदि ये वस्तुएं पाई जाती हैं, तो इसका तात्पर्य यह होगा कि प्रारंभिक ब्रह्मांड मानक मॉडलों के सुझाव की तुलना में कहीं अधिक अशांत और हिंसक था। यदि वे नहीं मिलते हैं, तो यह हमें इस निष्कर्ष के करीब ले जाता है कि डार्क मैटर कुछ और ही होना चाहिए। आगे का मार्ग उस क्षुद्रग्रह-द्रव्यमान विंडो की जांच के लिए नई तकनीकें विकसित करने में निहित है, जिसमें पल्सर की टाइमिंग से लेकर ग्रहों की कक्षाओं के सूक्ष्म डगमगाहट तक सब कुछ शामिल है। तब तक, हमारे ब्रह्मांड को भरने वाले डार्क मैटर की प्रकृति विज्ञान के सबसे गहन रहस्यों में से एक बनी हुई है, जिसमें आदिम ब्लैक होल्स एक सम्मोहक, फिर भी अपुष्ट उम्मीदवार के रूप में खड़े हैं।
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