Universal Relations for Elastic Hybrid Stars and Quark Stars
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि जड़त्व आघूर्ण (moment of inertia), ज्वारीय विरूपणीयता (tidal deformability) और स्पिन-प्रेरित चतुर्ध्रुवीय आघूर्ण (spin-induced quadrupole moment) को जोड़ने वाले सार्वभौमिक संबंध यथार्थवादी क्रिस्टलीय रंग अतिचालक चरणों (crystalline color superconducting phases) वाले लोचदार हाइब्रिड और क्वार्क सितारों के लिए भी मान्य रहते हैं, जो विशिष्ट तरल सितारों में देखे गए परिवर्तनों की तुलना में केवल थोड़े बड़े उतार-चढ़ाव प्रदर्शित करते हैं।
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ब्रह्मांड की गहराइयों में, दूर स्थित आकाशगंगाओं की चमक के पीछे छिपे हुए हैं, ब्रह्मांड के सबसे चरम पड़ोस: सघन तारे (compact stars)। ये आपके औसत सूर्य नहीं हैं; ये विशाल तारों के ढह चुके, अत्यंत सघन अवशेष हैं, जो इतने कसकर भरे हुए हैं कि उनके पदार्थ का एक चम्मच वजन एक पहाड़ के बराबर होगा। दशकों से, वैज्ञानिकों ने इन ब्रह्मांडीय दिग्गजों के साथ ऐसा व्यवहार किया है जैसे वे एक आदर्श, लचीले तरल (fluid) से बने हों, जैसे शहद की एक विशाल गेंद जो बिना किसी आंतरिक संरचना के बहती और बदलती रहती है। यह "तरल" विचार अविश्वसनीय रूप से उपयोगी रहा है, जिससे "सार्वभौमिक संबंधों" (universal relations) की खोज हुई—गुप्त गणितीय शॉर्टकट जो एक तारे के आकार, उसके घूमने की गति और दबाव में उसके पिचकने की क्षमता को जोड़ते हैं, चाहे वह वास्तव में किस चीज से बना हो। यह ऐसा ही है जैसे यह पता लगाना कि हर कार, एक छोटी हैचबैक से लेकर एक विशाल ट्रक तक, इस नियम का पालन करती है कि वह कितनी तेजी से मुड़ सकती है, चाहे उसका ब्रांड कुछ भी हो। लेकिन क्या होगा अगर ये तारे केवल लचीले शहद की तरह नहीं हैं? क्या होगा अगर, उनके भीतर गहराई में, वे वास्तव में किसी कठोर, लोचदार चीज़, जैसे कि एक ब्रह्मांडीय क्रिस्टल से बने हों? यह वह सवाल है जो खगोल भौतिकविदों (astrophysicists) को रात भर जगाए रखता है: यदि इन तारों में एक सख्त, लोचदार कोर (elastic core) है, तो क्या वे उपयोगी गणितीय शॉर्टकट अभी भी काम करते हैं, या ब्रह्मांड अचानक अलग नियमों के अनुसार खेलने का निर्णय लेता है?
जिस शोध पत्र की आप अब खोज करने जा रहे हैं, वह इसी रहस्य पर ध्यान केंद्रित करते हुए, एक विशेष प्रकार के तारे पर गहराई से उतरता है जिसमें "क्वार्क पदार्थ" (quark matter) हो सकता है—पदार्थ की एक ऐसी अवस्था जो इतनी सघन है कि परमाणुओं के भीतर के प्रोटॉन और न्यूट्रॉन भी अपने छोटे निर्माण खंडों में टूट जाते हैं। इनमें से कुछ तारों में, यह क्वार्क पदार्थ केवल एक तरल सूप नहीं हो सकता; यह एक कठोर, क्रिस्टलीय संरचना बना सकता है, जैसे शुद्ध ऊर्जा से बना हीरा जाली (diamond lattice)। लेखकों, चन-मिंग यिप, शू यान लौ, और केंट यागी ने एक सरल लेकिन महत्वपूर्ण प्रश्न पूछा: यदि इन तारों में एक सख्त, लोचदार कोर है जो दबने का विरोध करता है (एक गुण जिसे 'शियर मॉड्यूलस' कहा जाता है), तो क्या वे सार्वभौमिक संबंध, जिन पर हम भरोसा करते हैं, अभी भी कायम रहते हैं?
इसका उत्तर देने के लिए, टीम ने एक नए प्रकार का ब्रह्मांडीय मॉडल बनाया। कल्पना कीजिए कि आप एक ट्रैम्पोलिन के उछाल की भविष्यवाणी करने की कोशिश कर रहे हैं। यदि ट्रैम्पोलिन केवल कपड़े की एक नरम शीट (एक तरल तारा) है, तो गणित सीधा है। लेकिन यदि आप कपड़े को एक सख्त, बुने हुए जाल से बदल देते हैं जो खिंच सकता है और वापस अपनी स्थिति में आ सकता है (एक लोचदार तारा), तो उछाल बदल जाता है। शोधकर्ताओं ने जटिल कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके "लोचदार हाइब्रिड तारे" और "क्वार्क तारे" बनाए जहाँ कोर यह सख्त, क्रिस्टलीय सामग्री है। फिर उन्होंने प्रसिद्ध सार्वभौमिक संबंधों का परीक्षण किया—विशेष रूप से जड़त्व आघूर्ण (moment of inertia - घूमना कितना कठिन है), ज्वारीय विरूपता (tidal deformability - दूसरे तारे के खिंचाव से कितना पिचकता है), और इसके आकार (quadrupole moment) के बीच के संबंधों का—यह देखने के लिए कि क्या कठोरता ने नियमों को तोड़ दिया।
परिणाम थोड़े बहुत टेढ़े रूलर (मापने वाले पैमाने) को खोजने जैसे हैं। टीम ने पाया कि सार्वभौमिक संबंध इन लोचदार तारों के लिए अभी भी काम करते हैं, लेकिन वे तरल वाले तारों की तुलना में उतने सटीक नहीं हैं। जब क्वार्क पदार्थ अपने सबसे सख्त स्तर पर होता है (पिछले अध्ययनों से प्राप्त वास्तविक गणनाओं के आधार पर), तो गणितीय शॉर्टकट सामान्य से थोड़ा अधिक डगमगाने लगते हैं। हाइब्रिड तारों (जिनमें एक तरल बाहरी परत और एक सख्त कोर होता है) के लिए, संबंध लगभग 3% के अंतर के साथ वैध रहते हैं। शुद्ध क्वार्क तारों (पूरी तरह से सख्त पदार्थ से बने) के लिए, भिन्नता थोड़ी अधिक, लगभग 4% है।
यह सुनने में बहुत बड़ी बात लग सकती है, लेकिन खगोल भौतिकी की दुनिया में, यह वास्तव में एक छोटी जीत है। लेखकों ने पाया कि हालांकि तारे के कोर की कठोरता संख्याओं को थोड़ा बदल देती है, लेकिन यह पैटर्न को पूरी तरह से नहीं तोड़ती है। इन तारों के लिए "सड़क के नियम" अभी भी मौजूद हैं; बस उनमें थोड़ी अधिक गुंजाइश है। अध्ययन स्पष्ट रूप से इस विचार को खारिज करता है कि ये तारे अराजक या पूरी तरह से अप्रत्याशित होंगे। इसके बजाय, कठोरता एक व्यवस्थित बदलाव पैदा करती है, जैसे कि एक कार जो गति सीमा से लगातार 3% धीमी चलती है, न कि एक कार जो बेतरतीब ढंग से तेज या धीमी होती है। शोध पत्र यह भी स्पष्ट करता है कि पिछले अध्ययन जिन्होंने माना था कि तारे कठोर लेकिन 'अनशियर्ड' (unsheared - जिसका अर्थ है कि उन्होंने सामग्री के आंतरिक तनाव का हिसाब नहीं रखा) थे, उन्होंने संबंधों के टूटने की मात्रा का अधिक आकलन किया होगा। तारे के कोर को एक वास्तविक, तनावपूर्ण सामग्री के रूप में मानकर, लेखकों ने दिखाया कि सार्वभौमिक संबंध आश्चर्यजनक रूप से मजबूत हैं।
तो, इसका हमारे लिए क्या अर्थ है? इसका अर्थ यह है कि भले ही इन ब्रह्मांडीय दिग्गजों के हृदय एक अजीब, अति-कठोर क्रिस्टल से बने हों, फिर भी हम उन्हें समझने के लिए अपने भरोसेमंद गणितीय शॉर्टकट का उपयोग कर सकते हैं। ब्रह्मांड ने कोई अप्रत्याशित मोड़ (curveball) नहीं फेंका है; इसने बस गेंद में थोड़ा सा स्पिन जोड़ दिया है। लेखक सुझाव देते हैं कि यदि भविष्य के अध्ययन वर्तमान में अनुमानित क्वर्क पदार्थ से भी अधिक सख्त पदार्थ पाते हैं, तो संबंध थोड़ा अधिक डगमगा सकते हैं, लेकिन फिलहाल, इन तारों की "सार्वभौमिक" प्रकृति, थोड़ी लोच के साथ भी बनी हुई है। यह एक याद दिलाता है कि ब्रह्मांड आश्चर्यों से भरा है, लेकिन यहाँ तक कि सबसे कठोर संरचनाएँ भी अभी भी उन्हीं मौलिक नियमों का पालन करती हैं।
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