Dark Baryon Black Holes

अदृश्य ब्रह्मांड के दिग्गज

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल, हलचल भरे शहर की तरह है। हम दृश्य इमारतों में रहने वाले लोगों के बारे में जानते हैं—तारे, ग्रह और हम। लेकिन खगोलविदों को लंबे समय से संदेह रहा है कि अधिकांश शहर वास्तव में अदृश्य "भूतों" से बना है जिन्हें हम देख नहीं सकते, केवल उनके गुरुत्वाकर्षण के माध्यम से महसूस कर सकते हैं। हम इस अदृश्य चीज़ को डार्क मैटर (dark matter) कहते हैं। दशकों से, वैज्ञानिक यह पता लगाने की कोशिश कर रहे हैं कि ये भूत किस चीज़ से बने हैं। क्या वे नन्हे, शर्मीले कण हैं? क्या वे भारी, धीमी गति से चलने वाले पत्थर हैं? या क्या वे कुछ और भी अजीब हो सकते हैं?

इस रहस्य को सुलझाने के लिए, वैज्ञानिक अक्सर यह देखते हैं कि हमारा अपना ब्रह्मांड कैसे काम करता है। हम जानते हैं कि प्रोटॉन और न्यूट्रॉन (परमाणुओं के भीतर की चीज़ें) क्वार्क्स (quarks) नामक छोटे कणों से बने होते हैं, जो स्ट्रॉन्ग न्यूक्लियर फ़ोर्स (strong nuclear force) नामक बल द्वारा आपस में जुड़े होते हैं। यह बल इतना शक्तिशाली है कि यदि आप क्वार्क्स को अलग करने की कोशिश करते हैं, तो आप जो ऊर्जा उपयोग करते हैं वह क्वार्क्स को भागने देने के बजाय नए क्वार्क्स ही बना देती है। यह बिल्कुल वैसा ही है जैसे च्युइंग गम के एक टुकड़े को खींचने की कोशिश करना जो खिंचते ही तुरंत एक नया टुकड़ा बना लेता है। कण भौतिकी (particle physics) की दुनिया में, इस "गोंद" जैसी प्रक्रिया को कन्फाइनमेंट (confinement) कहा जाता है।

अब, एक समानांतर ब्रह्मांड की कल्पना करें—एक "डार्क सेक्टर" (dark sector)—जिसमें इस गोंद का अपना संस्करण और अपने स्वयं के क्वार्क्स हैं, लेकिन एक ट्विस्ट के साथ: हमारे ब्रह्seits की तरह केवल तीन रंगों के क्वार्क्स के बजाय, इस डार्क दुनिया में सैकड़ों या हज़ारों रंग हो सकते हैं। यह शोध एक रोमांचक विचार की खोज करता है: क्या होगा यदि इस डार्क दुनिया में, गोंद इतना सख्त हो जाए और कण इतने भारी हो जाएं कि वे केवल परमाणु बनाने के लिए एक साथ न चिपके, बल्कि खुद को छोटे, अदृश्य ब्लैक होल में कुचल दें? यदि ये नन्हे ब्लैक होल स्थिर हैं, तो वे वही डार्क मैटर हो सकते हैं जिसकी हम तलाश कर रहे हैं।

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जब डार्क कण खुद को ब्लैक होल में कुचल देते हैं

इस अध्ययन में, भौतिक विज्ञानी स्टेफ़ानो प्रोफुमो एक दिलचस्प सवाल पूछते हैं: क्या हमारे ब्रह्मांड में डार्क मैटर "डार्क बैरयॉन्स" (dark baryons) से बने नन्हे ब्लैक होल हो सकते हैं?

इसे समझने के लिए, आइए उस "डार्क सेक्टर" को देखें जिसका वर्णन शोध पत्र में किया गया है। इसे हमारे अपने ब्रह्मांड के एक छायादार दर्पण के रूप में सोचें। जिस तरह हमारे ब्रह्मांड में प्रोटॉन और न्यूट्रॉन होते हैं जो क्वार्क्स से बने होते हैं, इस डार्क ब्रह्मांड में अपने स्वयं के भारी कण होते हैं जिन्हें डार्क बैरयॉन्स (dark baryons) कहा जाता है। ये "डार्क क्वार्क्स" से बने होते हैं जिन्हें "डार्क गोंद" द्वारा थामे रखा जाता है। यह शोध एक विशिष्ट परिदृश्य पर ध्यान केंद्रित करता है जहाँ इस डार्क ब्रह्मांड में रंगों की एक विशाल संख्या है, जिसे N द्वारा दर्शाया गया है।

यहाँ वह जादुई ट्रिक है जिसे यह शोध पत्र खोजता है: हमारी दुनिया में, यदि आपके पास बहुत सारे कण हैं, तो वे आमतौर पर बस इधर-उधर उछलते हैं या बड़े परमाणुओं को बनाने के लिए जुड़ जाते हैं। लेकिन इस डार्क दुनिया में, यदि रंगों की संख्या N पर्याप्त बड़ी है, तो गणित बदल जाता है। डार्क बैरयॉन्स अविश्वसनीय रूप से भारी हो जाते हैं—इतने भारी कि वे अपने ही अस्तित्व के लिए बहुत बड़े हो सकते हैं।

शोध पत्र बताता है कि किसी कण को ब्लैक होल बनने के लिए, उसे अपने स्वयं के "श्वार्ज़चाइल्ड रेडियस" (प्रकाश के लिए वापसी न होने वाला बिंदु) से कम स्थान में दबाना पड़ता है। आमतौर पर, कण इस मानदंड में फिट होने के लिए बहुत बड़े और फुफ्फुस (fluffy) होते हैं। हालाँकि, लेखक यह दिखाता है कि इस विशिष्ट डार्क थ्योरी में, डार्क बैरयॉन्स इतने द्रव्यमान वाले हो जाते हैं कि वे स्वाभाविक रूप से छोटे ब्लैक होल में ढह जाते हैं, जिन्हें यह शोध पत्र डार्क बैरयॉन ब्लैक होल्स (DBBHs) कहता है।

"गोल्डिलॉक्स" (Goldilocks) स्थितियाँ
यह शोध पत्र केवल यह नहीं कहता कि "ऐसा होता है।" यह एक ब्रह्मांडीय केक बनाने की रेसिपी की तरह नियमों का एक सख्त सेट निर्धारित करता है:

1. ब्रह्मांड का आकार: डार्क ब्रह्मांड में रंगों की एक विशिष्ट संख्या, N होनी चाहिए। शोध पत्र पाता है कि N बहुत छोटा नहीं हो सकता, अन्यथा ब्लैक होल नहीं बनेंगे। लेकिन यह बहुत विशाल भी नहीं हो सकता; यदि N लगभग 100 से अधिक हो जाता है, तो डार्क बैरयॉन इतने दुर्लभ हो जाते हैं (एक गणितीय "एक्सपोनेंशियल सप्रेशन" के कारण) कि वे सारा डार्क मैटर बनाने के लिए पर्याप्त नहीं होंगे।
2. तापमान: डार्क ब्रह्मांड की शुरुआत में पर्याप्त गर्म होना चाहिए, लेकिन बहुत गर्म नहीं। यदि यह बहुत गर्म है, तो ब्लैक होल ब्रह्मांड के विस्तार के कारण कम (diluted) हो सकते हैं।
3. द्रव्यमान: परिणामी ब्लैक होल आश्चर्यजनक रूप से छोटे होते हैं। इनका वजन केवल कुछ सौ प्लांक मास (Planck mass) (भौतिकी की एक मौलिक इकाई) के बराबर होगा। संदर्भ के लिए, यह लगभग कुछ मिलीग्राम के वजन के बराबर है—जैसे रेत का एक दाना या एक छोटा सा बाल।

यह शोध पत्र क्या खारिज करता है
यह जानना महत्वपूर्ण है कि यह विचार किन चीजों के लिए काम नहीं करता है। लेखक सिद्ध करता है कि अन्य डार्क कण, जैसे कि ग्लूबॉल्स (glueballs) (केवल गोंद से बने कण) या मेसॉन्स (mesons) (एक क्वार्क और एक एंटी-क्वार्क से बने कण), सामान्य परिस्थितियों में ब्लैक होल में नहीं बदल सकते। वे या तो बहुत हल्के हैं या बहुत बड़े हैं। केवल भारी, बहु-क्वार्क डार्क बैरयॉन्स के पास ही इन छोटे ब्लैक होल्स में बदलने के लिए द्रव्यमान और आकार का सही संयोजन है।

क्या वे स्थिर हैं?
किसी भी ब्लैक होल सिद्धांत के लिए एक बड़ी चिंता यह होती है कि ब्लैक होल समय के साथ "वाष्पित" (evaporate) हो सकते हैं (गायब हो सकते हैं), जिसे हॉकिंग रेडिएशन (Hawking radiation) कहा जाता है। हालाँकि, शोध पत्र सुझाव देता है कि ये छोटे DBBHs स्थिर हो सकते हैं। क्यों? क्योंकि वे प्लांक स्केल (भौतिकी में सबसे छोटा संभव आकार) के इतने करीब हैं, कि भौतिकी के सामान्य नियम टूट सकते हैं, और ब्लैक होल वाष्पित होना बंद कर सकता है, जिससे वह एक स्थायी, स्थिर अवशेष बन जाता है। यदि वे स्थिर हैं, तो वे शुरुआती ब्रह्मांड से आज तक जीवित रह सकते हैं, हमारे ब्रह्मांड की छाया में छिपे हुए।

संख्याओं का खेल
लेखक ने विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन चलाए यह देखने के लिए कि क्या यह परिदृश्य वास्तव में हमारे ब्रह्मांड में दिखने वाले डार्क मैटर की मात्रा की व्याख्या कर सकता है। उन्होंने पाया कि यह काम कर सकता है, लेकिन केवल एक बहुत ही विशिष्ट "स्वीट स्पॉट" (sweet spot) में:

• रंगों की संख्या N लगभग कुछ दर्जन से लेकर 100 के बीच होनी चाहिए।
• ब्लैक होल का द्रव्यमान कुछ से लेकर कुछ सौ प्लांक मास के बीच होगा।
• डार्क ब्रह्मांड को सटीक N के मानों के आधार पर, हमारे दृश्य ब्रह्मांड की तुलना में थोड़ा गर्म या ठंडा होना चाहिए।

यदि ये शर्तें पूरी होती हैं, तो डार्क बैरयॉन ब्लैक होल में बदल जाते हैं, और इन ब्लैक होल्स की बची हुई आबादी उस डार्क मैटर की मात्रा से मेल खाती है जिसे हम देखते हैं। यदि शर्तें पूरी नहीं होती हैं, तो या तो डार्क बैरयॉन ब्लैक होल नहीं बनते, या वे इतने महत्वपूर्ण नहीं होते कि उनका कोई प्रभाव पड़े।

यह क्यों मायने रखता है
यह शोध पत्र डार्क मैटर के रहस्य के लिए एक नया, रचनात्मक समाधान प्रदान करता है। एक नए, अदृश्य कण की तलाश करने के बजाय जिसे हमने अभी तक नहीं पाया है, यह सुझाव देता है कि डार्क मैटर छोटे, प्राचीन ब्लैक होल्स से बना हो सकता है जो हमारे ज्ञात बलों के एक छिपे हुए, जटिल संस्करण से बने हैं। यह एक अनुस्मारक है कि ब्रह्मांड उन्हीं निर्माण खंडों (building blocks) के साथ खेल रहा हो सकता है जिन्हें हम जानते हैं, बस एक ऐसे तरीके से जिसकी हमने पहले कल्पना नहीं की थी।

लेखक निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि यह एक संभावित परिदृश्य है, लेकिन यह कुछ बड़े अनुमानों पर निर्भर करता है—जैसे कि इन नन्हे ब्लैक होल्स की स्थिरता और डार्क सेक्टर के विशिष्ट गुण। लेकिन यदि प्रकृति वास्तव में यह खेल खेल रही है, तो इसका मतलब है कि हम जिस डार्क मैटर की तलाश कर रहे हैं वह रेत के दाने जितने वजन वाले सूक्ष्म, स्थिर ब्लैक होल्स का एक झुंड हो सकता है, जो हमारे ब्रह्मांड की छाया में छिपा हुआ है।