⚛️ general relativity

Can GW231123 have a stellar origin?

यह शोधपत्र घूमते हुए विशाल तारों का अनुकरण करके विशाल, तेजी से घूमने वाले ब्लैक होल GW231123 की तारकीय उत्पत्ति की जांच करता है, जिसमें यह पाया गया है कि विभेदक घूर्णन (डिफरेंशियल रोटेशन) युग्म-अस्थिरता द्रव्यमान अंतराल (पेयर-इन्स्टेबिलिटी मास गैप) को उच्च मानों की ओर स्थानांतरित कर सकता है और 150 सौर द्रव्यमान से अधिक के द्रव्यमान और उच्च स्पिन वाले ब्लैक होल के प्रत्यक्ष कोर-कोलेप्स निर्माण की अनुमति दे सकता है।

मूल लेखक: Djuna Croon, Davide Gerosa, Jeremy Sakstein

प्रकाशित 2026-02-19

📖 5 मिनट में पढ़ें🧠 गहराई से पढ़ें

CC BY 4.0

मूल लेखक: Djuna Croon, Davide Gerosa, Jeremy Sakstein

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

"असंभव" ब्लैक होल्स का रहस्य

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल ब्रह्मांडीय निर्माण स्थल (construction site) है। लंबे समय तक, खगोलविदों के पास इस बात का एक बहुत ही विशिष्ट नियमकोश (rulebook) था कि मरते हुए सितारों से ब्लैक होल कैसे बनते हैं। उस नियमकोश ने कहा था: "आप एक निश्चित आकार तक के ब्लैक होल बना सकते हैं, लेकिन फिर एक 'नो-गो ज़ोन' (खाली जगह) है जहाँ कोई ब्लैक होल मौजूद नहीं हो सकता, और फिर आप उन्हें तभी बना सकते हैं जब वे अत्यधिक विशाल हों।"

यह "नो-गो ज़ोन" पेयर-इन्स्टेबिलिटी मास गैप (Pair-Instability Mass Gap) कहलाता है। यह एक सीढ़ी में एक खाली जगह की तरह है जहाँ आप कदम नहीं रख सकते; यदि कोई तारा बहुत भारी है, तो वह केवल ब्लैक होल में नहीं बदलता—वह पूरी तरह से फट जाता है, पीछे कुछ भी नहीं छोड़ता।

फिर, 23 नवंबर, 2023 को, LIGO डिटेक्टरों ने गहरे अंतरिक्ष से एक "धमक" सुनी: GW231123।

यह घटना अजीब थी। इसमें दो ब्लैक होल टकरा रहे थे।

वे विशाल थे: एक हमारे सूर्य के द्रव्यमान से लगभग 137 गुना बड़ा था, और दूसरा 101 गुना।
वे लट्टू की तरह घूम रहे थे: वे अविश्वसनीय रूप से तेज़ी से घूम रहे थे।

बड़ी समस्या क्या थी? भारी ब्लैक होल (137 सूर्य) सीधे उस "नो-गो ज़ोन" में आता है। पुराने नियमकोश के अनुसार, इतना बड़ा तारा पूरी तरह से फट जाना चाहिए था और गायब हो जाना चाहिए था, न कि ब्लैक होल बनना चाहिए था। इसके अलावा, उनके इतनी तेज़ी से घूमने के तथ्य ने एक बड़ा रहस्य पैदा कर दिया।

पुराना सिद्धांत बनाम नया विचार

पुराना सिद्धांत ("हायरार्किकल" विचार):
कुछ वैज्ञानिकों ने सोचा, "शायद यह ब्लैक होल किसी एक तारे से पैदा नहीं हुआ था। शायद यह एक 'ब्लैक होल मॉन्स्टर' था जिसने अन्य ब्लैक होल्स को खा लिया था।" इसे ब्रह्मांडीय टेट्रिस (Tetris) के खेल की तरह समझें जहाँ छोटे ब्लैक होल मिलकर एक बड़ा बनाते हैं, जो फिर से मिलकर एक विशालकाय ब्लैक होल बनाते हैं।

समस्या: यह सिद्धांत ब्लॉकों को एक विशिष्ट आकार पाने के लिए बिल्कुल सटीक रूप से स्टैक करने की कोशिश करने जैसा है। इसके लिए बहुत विशिष्ट, असंभव परिस्थितियों (fine-tuning) की आवश्यकता होती है ताकि स्पिन वास्तव में इतनी तेज़ हो सके। यह संभव है, लेकिन यह नकल करने जैसा लगता है।

नया विचार ("स्टेलर" विचार):
इस शोध पत्र के लेखकों ने पूछा: "क्या होगा अगर यह विशाल ब्लैक होल वास्तव में एक एकल, विशाल तारे से पैदा हुआ था, ठीक वैसे ही जैसे पुराना नियमकोश कहता है, लेकिन नियमकोश का एक पन्ना गायब था?"

उन्होंने प्रस्तावित किया कि वह तारा जीवित रहने के दौरान अविश्वसनीय रूप से तेज़ी से घूम रहा था, और उस स्पिन (घूर्णन) ने खेल के नियम बदल दिए।

उपमा: घूमती हुई आइस स्केटर

यह समझने के लिए कि स्पिन कैसे तारे को बचाता है, एक आइस स्केटर की कल्पना करें।

बिना स्पिन वाला तारा: एक तारा जो घूम नहीं रहा है, वह स्थिर खड़ी आइस स्केटर की तरह है। गुरुत्वाकर्षण सब कुछ अंदर की ओर खींचता है। यदि तारा बहुत गर्म और भारी हो जाता है, तो वह फट जाता है (पेयर इंस्टेबिलिटी) और गायब हो जाता है।
स्पिन वाला तारा: अब, कल्पना कीजिए कि वह स्केटर अपने हाथ फैलाकर तेज़ी से घूमना शुरू करती है। अपकेंद्र बल (Centrifugal force) (वह बल जो आपको एक हिंडोले/merry-go-round पर बाहर की ओर धकेलता है) गुरुत्वाकर्षण के खिलाफ लड़ता है।

इस शोध पत्र में, लेखकों ने एक विशाल तारे (एक 160 सूर्यों का "हीलियम कोर") का अनुकरण किया जो अलग-अलग गति से घूम रहा था। उन्होंने पाया कि:

"नो-गो ज़ोन" खिसक जाता है: क्योंकि तारा इतनी तेज़ी से घूम रहा था, अपकेंद्र बल ने इसे लंबे समय तक एक साथ थामे रखा। इसने तारे को फटने से रोक दिया।
गैप शिफ्ट होता है: "नो-गो ज़ोन" गायब नहीं हुआ; यह बस एक उच्च वजन सीमा तक बढ़ गया। तारा अब बिना फटे पुराने सीमा से अधिक भारी हो सकता था।
परिणाम: फटने के बजाय, तारा सीधे एक ब्लैक होल में बदल गया। और क्योंकि वह शुरुआत में ही इतनी तेज़ी से घूम रहा था, परिणामी ब्लैक होल ने उस स्पिन को बनाए रखा।

"सीक्रेट सॉस": परमाणु भौतिकी (Nuclear Physics)

एक और चर (variable) था जिसे उन्हें ट्यून करना था: तारे के भीतर एक विशिष्ट परमाणु प्रतिक्रिया (कार्बन को ऑक्सीजन में बदलना)। इसे एक कार इंजन में "ईंधन मिश्रण" की तरह समझें।

यदि ईंधन बहुत तेज़ी से जलता है, तो कार फट जाती है।
यदि ईंधन बिल्कुल सही तरीके से जलता है, तो कार सुचारू रूप से चलती है।

लेखकों ने पाया कि यदि यह परमाणु प्रतिक्रिया सामान्य सोच की तुलना में थोड़ी तेज़ी से होती है, तो तेज़ स्पिन के साथ मिलकर, तारा "विस्फोट चरण" से बच सकता है और उस विशाल, घूमते हुए ब्लैक होल में बदल सकता है।

निष्कर्ष: नियमकोश में एक नया अध्याय

शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि हाँ, GW231123 का एक स्टेलर (तारा संबंधी) मूल हो सकता है।

इसे ब्लैक होल्स को खाने वाले मॉन्स्टर होने की आवश्यकता नहीं है। यह एक एकल, विशाल, तेज़ी से घूमने वाले तारे की सीधी संतान हो सकती है।

तारा: यह इतना बड़ा और तेज़ था कि इसने मौत को मात दे दी।
ब्लैक होल: यह इस विशिष्ट "फोटोडिसइंटीग्रेशन" पतन (जहाँ तारा इसलिए ढह जाता है क्योंकि वह खुद को थामने के लिए बहुत गर्म हो जाता है, लेकिन स्पिन उसे बचाता है) द्वारा बने ब्लैक होल का पहला सीधा अवलोकन है।

यह क्यों मायने रखता है?
यह हमें बताता है कि तारे कैसे मरते हैं, इसके लिए हमारे "नियमकोश" को अपडेट करने की आवश्यकता है। हम केवल यह नहीं कह सकते कि "130 सूर्यों से ऊपर के ब्लैक होल मौजूद नहीं होते।" हमें याद रखना होगा कि स्पिन एक शक्तिशाली बल है जो संभव की सीमाओं को आगे धकेल सकता है। GW231123 संभवतः पहली बार है जब हमने एक ऐसे ब्लैक होल को देखा है जिसने अपनी स्पिन के दम पर अस्तित्व बचाने के लिए पुराने नियमों को तोड़ दिया।

यहाँ क्रून एट अल. के शोध पत्र "Can GW231123 have a stellar origin?" का विस्तृत तकनीकी सारांश दिया गया है।

1. समस्या का विवरण (Problem Statement)

LIGO द्वारा पता लगाया गया गुरुत्वाकर्षण तरंग घटना GW231123, एक बाइनरी ब्लैक होल विलय (binary black hole merger) से संबंधित है, जिसमें सोर्स-फ्रेम द्रव्यमान $m_1 \approx 137^{+23}_{-18} M_\odot$ और $m_2 \approx 101^{+22}_{-50} M_\odot$ है। प्राथमिक ब्लैक होल ( $m_1$ ) अब तक का सबसे भारी स्टेलर-मास ब्लैक होल है और यह अनुमानित पेयर-इन्स्टेबिलिटी ब्लैक होल मास गैप (BHMG) (आमतौर पर $60\text{--}130 M_\odot$ ) के भीतर आता है। इसके अतिरिक्त, दोनों ब्लैक होल अत्यधिक उच्च स्पिन ( $\chi_1 \approx 0.9, \chi_2 \approx 0.8$ ) प्रदर्शित करते हैं।

मुख्य खगोलीय चुनौती इतनी विशाल, तेजी से घूमने वाली वस्तु की उत्पत्ति को समझाने की है:

हायरार्किकल मर्जर्स (Hierarchical Mergers): हालांकि अक्सर विशाल ब्लैक होल के लिए प्रस्तावित किया जाता है, लेकिन सघन तारकीय वातावरण में मानक हायरार्किकल मर्जर मॉडल आमतौर पर $\chi \sim 0.7$ के आसपास केंद्रित स्पिन उत्पन्न करते हैं। $\chi \approx 0.9$ प्राप्त करने के लिए पूर्वज द्रव्यमान अनुपात (progenitor mass ratios) और स्पिन संरेखण (spin alignments) के अत्यधिक फाइन-ट्यूनिंग की आवश्यकता होती है।
प्रत्यक्ष तारकीय पतन (Direct Stellar Collapse): मानक तारकीय विकास सिद्धांत भविष्यवाणी करता है कि $\sim 65$ से $\sim 135 M_\odot$ के हीलियम कोर द्रव्यमान वाले तारे पेयर-इन्स्टेबिलिटी सुपरनोवा (PISN) या पल्सेशनल PISN से गुजरते हैं, जिससे तारा पूरी तरह से नष्ट हो जाता है या एक हल्का अवशेष छोड़ देता है, जिससे एक 'मास गैप' बन जाता है। इसके अलावा, कुशल कोणीय संवेग परिवहन (जैसे स्प्रुट-टेलर डायनेमो) वाले मानक मॉडल भविष्यवाणी करते हैं कि विशाल तारे अपनी अधिकांश कोर रोटेशन खो देते हैं, जिसके परिणामस्वरूप गैर-स्पिनिंग ब्लैक होल बनते हैं।

लेखक इस बात की जांच करते हैं कि क्या GW231123 का प्राथमिक ब्लैक होल एक एकल घूमते हुए विशाल तारे के प्रत्यक्ष कोर पतन (direct core collapse) के माध्यम से बन सकता है, विशेष रूप से फोटोडिसइंटीग्रेशन अस्थिरता (मास गैप का ऊपरी किनारा) के शासन (regime) की खोज करते हुए, साथ ही अत्यधिक स्पिन को भी ध्यान में रखते हुए।

2. कार्यप्रणाली (Methodology)

लेखकों ने MESA (Modules for Experiments in Stellar Astrophysics) कोड (v15140) का उपयोग करके स्टेलर इवोल्यूशन सिमुलेशन का एक ग्रिड निष्पादित किया।

प्रारंभिक स्थितियाँ (Initial Conditions):
- प्रोजेनिटर (Progenitor): $160 M_\odot$ हीलियम कोर (हाइड्रोजन आवरण हटा हुआ), जो GW231123 में $m_1$ के 90% क्रेडिबल इंटरवल के ऊपरी किनारे का प्रतिनिधित्व करता है।
- धातुता (Metallicity): $Z = 10^{-5}$ (निम्न धातुता)।
- घूर्णन (Rotation): प्रारंभिक घूर्णन दरें ( $\Omega/\Omega_{crit}$ ) 0 से 1 तक भिन्न थीं। अध्ययन ने स्पष्ट रूप से स्प्रुट-टेलर (ST) डायनेमो को बाहर रखा ताकि कमजोर कोणीय संवेग परिवहन (डिफरेंशियल रोटेशन) के परिदृश्य को मॉडल किया जा सके, जिससे कोर पतन तक पर्याप्त स्पिन बनाए रख सके।
परमाणु भौतिकी (Nuclear Physics):
- अध्ययन ने $^{12}\text{C}(\alpha, \gamma)^{16}\text{O}$ अभिक्रिया दर को इसके माध्य मान (median value) के $\pm 3\sigma$ की सीमा में बदलकर देखा। यह दर पेयर-इन्स्टेबिलिटी मास गैप की सीमाओं को निर्धारित करने में प्रमुख अनिश्चितता है।
सिमुलेशन का दायरा (Simulation Scope):
- सिमुलेशन ने जीरो-एज हॉरिजॉन्टल ब्रांच (ZAHB) से लेकर कोर पतन या पूर्ण विनाश (PISN) तक के विकास को ट्रैक किया।
- स्पिन अनुमान: अंतिम ब्लैक होल स्पिन का अनुमान लगाने के लिए बट्टा और रामिरेज़-रुइज़ (2019) पर आधारित एक मॉडल का उपयोग किया गया, यह मानते हुए कि आंतरिक $3 M_\odot$ तुरंत एक मैक्सिमली स्पिनिंग BH में बदल जाता है, और शेष भाग डिस्क के माध्यम से अभिवृद्धि (accretion) या सीधे पतन के माध्यम से जुड़ता है, जिसे $\chi \leq 1$ सुनिश्चित करने के लिए फीडबैक द्वारा नियंत्रित किया जाता है।

3. मुख्य योगदान (Key Contributions)

घूर्णन फोटोडिसइंटीग्रेशन पतन की पहली जांच: यह अध्ययन तेजी से घूमते हुए तारों और $^{12}\text{C}(\alpha, \gamma)^{16}\text{O}$ अभिक्रिया दर के परिवर्तनों के प्रभावों को पेयर-इन्स्टेबिलिटी मास गैप के ऊपरी किनारे (फोटोडिसइंटीग्रेशन शासन) पर एक साथ मॉडल करने वाला पहला अध्ययन है।
मास गैप का पुनर्मूल्यांकन: लेखक प्रदर्शित करते हैं कि घूर्णन मौलिक रूप से विशाल तारों के स्थिरता मानदंडों को बदल देता है, जिससे मास गैप की सीमाएं स्थानांतरित हो जाती हैं।
GW231123 के लिए तारकीय मूल: वे GW231123 के प्राथमिक ब्लैक होल के निर्माण के लिए प्रत्यक्ष तारकीय पतन के माध्यम से एक व्यवहार्य खगोलीय मार्ग प्रदान करते हैं, जो इस विशिष्ट घटना के लिए हायरार्किकल मर्जर की आवश्यकता को चुनौती देता है।

4. मुख्य परिणाम (Key Results)

घूर्णन मास गैप को स्थानांतरित करता है:
- तेजी से घूमते तारों में अपकेंद्रीय समर्थन (centrifugal support) एक निश्चित घनत्व के लिए कोर तापमान को कम कर देता है। यह विस्फोटक ऑक्सीजन दहन और फोटोडिसइंटीग्रेशन की शुरुआत में देरी करता है।
- फलस्वरूप, मास गैप का ऊपरी किनारा उच्च द्रव्यमान की ओर स्थानांतरित हो जाता है। जो तारे गैर-घूर्णन मॉडलों में PISN से गुजर सकते हैं, वे यदि तेजी से घूमते हैं तो सीधे ब्लैक होल में गिरने के लिए जीवित रह सकते हैं।
- माध्य $^{12}\text{C}(\alpha, \gamma)^{16}\text{O}$ दर के लिए, पेयर-इन्स्टेबिलिटी विघटन ( $\Omega_{PISN}$ ) की दहलीज $\sim 0.1 \Omega_{crit}$ (गैर-घूर्णन) से बढ़कर $+3\sigma$ अभिक्रिया दर के लिए $\sim 0.5 \Omega_{crit}$ हो जाती है।
उच्च-स्पिन, उच्च-द्रव्यमान ब्लैक होल का निर्माण:
- कमजोर कोणीय संवेग परिवहन शासन में, लेखकों ने पाया कि $160 M_\odot$ हीलियम कोर के सीधे पतन से $m \gtrsim 150 M_\odot$ और $\chi \approx 0.8\text{--}0.9$ स्पिन वाले ब्लैक होल बन सकते हैं।
- ये परिणाम GW231123 के प्राथमिक घटक के द्रव्यमान और स्पिन के 90% क्रेडिबल इंटरवल के अनुरूप हैं।
अभिक्रिया दरों पर निर्भरता:
- उच्च स्पिन के साथ $\sim 137 M_\odot$ का ब्लैक होल बनना संभव है यदि $^{12}\text{C}(\alpha, \gamma)^{16}\text{O}$ की दर इसकी अनिश्चितता सीमा के माध्य और $+3\sigma$ के बीच है।
- यदि अभिक्रिया दर माध्य से काफी कम होती, तो तारा संभवतः PISN से गुजरता और इस द्रव्यमान सीमा में ब्लैक होल नहीं बनाता।
द्वितीयक घटक (Secondary Component):
- द्वितीयक ब्लैक होल ( $m_2$ ) मास गैप से नीचे बनने के अनुकूल है। लेखक सुझाव देते हैं कि GW231123 गैप को "स्प्रेडल" (straddle) कर सकता है, जो उच्च-द्रव्यमान वाली घटनाओं में द्रव्यमान मापन के प्रति-सहसंबंध (anti-correlation) द्वारा समर्थित है।

5. महत्व (Significance)

मास गैप कटऑफ को चुनौती देना: परिणाम बताते हैं कि पेयर-इन्स्टेबिलिटी मास गैप एक कठोर कटऑफ नहीं है, बल्कि एक ऐसा क्षेत्र है जिसकी सीमाएं तारकीय घूर्णन और परमाणु भौतिकी के प्रति संवेदनशील हैं। भविष्य के गुरुत्वाकर्षण तरंग जनसंख्या विश्लेषणों को $\sim 130 M_\odot$ पर एक कठोर कटऑफ नहीं लगाना चाहिए, बल्कि फोटोडिसइंटीग्रेशन पतन के माध्यम से बने "गैप-क्रॉसिंग" सिस्टम की अनुमति देनी चाहिए।
तारकीय विकास के लिए निहितार्थ: यह अध्ययन बहुत महत्वपूर्ण है कि बहुत विशाल तारों में कोणीय संवेग परिवहन को समझना आवश्यक है। यदि इस शासन में (जैसा कि GW231123 से संकेत मिलता है) ST डायनेमो अक्षम है, तो विशाल तारे पर्याप्त कोणीय संवेग बनाए रख सकते हैं ताकि तेजी से घूमने वाले, विशाल ब्लैक होल उत्पन्न हो सकें।
जनसंख्या संबंधी प्रतिबंध: GW231123, अपने अत्यधिक द्रव्यमान और स्पिन के साथ, $^{12}\text{C}(\alpha, \gamma)^{16}\text{O}$ अभिक्रिया दर और विशाल तारों में आंतरिक कोणीय संवेग परिवहन की दक्षता को सीमित करने के लिए एक प्रमुख डेटा बिंदु के रूप में कार्य करता है।
हायरार्किकल मर्जर्स का विकल्प: यह शोध पत्र GW231123 के लिए हायरार्किकल मर्जर परिकल्पना के लिए एक मजबूत विकल्प प्रदान करता है, जो एक एकल-तारा निर्माण चैनल पेश करता है जो बिना किसी सूक्ष्म-ट्यून किए गए मर्जर इतिहास के उच्च द्रव्यमान और उच्च स्पिन दोनों की स्वाभाविक रूप से व्याख्या करता है।