Astrophysical viability of extremal black holes
यह शोध पत्र यह तर्क देता है कि चरम (extremal) ब्लैक होल हमारे ब्रह्मांड में खगोलीय रूप से अकल्पनीय हैं, यह प्रदर्शित करते हुए कि श्वािंगर डिस्चार्ज (Schwinger discharge) आवेशित ब्लैक होल्स के लिए से अधिक की द्रव्यमान सीमा आरोपित करता है, ली-नेयर-वेनबर्ग अस्थिरताएं (Lee-Nair-Weinberg instabilities) और संवर्धित युग्म उत्पादन (enhanced pair production) चुंबकीय आवेशों को ब्रह्मांडीय रूप से अव्यवहार्य बनाते हैं, और सुपररेडिएंट स्कैटरिंग (superradiant scattering) संभवतः चरम केर ब्लैक होल्स (extremal Kerr black holes) से कोणीय संवेग को कम कर देती है।
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ब्लैक होल हमारे ब्रह्मांड की सबसे चरम वस्तुएं हैं, ऐसे क्षेत्र जहाँ गुरुत्वाकर्षण इतना मजबूत होता है कि कुछ भी, यहाँ तक कि प्रकाश भी, उससे बच नहीं सकता। दशकों से, भौतिकविदों एक सैद्धांतिक संस्करण से मंत्रमुग्ध रहे हैं जिसे "एक्स्ट्रीमल" (extremal) ब्लैक होल कहा जाता है। ये कोई साधारण ब्लैक होल नहीं हैं; ये एक ब्लैक होल होने की परम सीमा हैं। एक ऐसे ब्लैक होल की कल्पना करें जो भौतिकी द्वारा अनुमत जितनी भी बिजली से आवेशित (charged) हो सकता है, या जो टूटने से पहले जितनी भी तेजी से घूम सकता है। इन चरम अवस्थाओं में, ब्लैक होल की आंतरिक और बाहरी सीमाएं एक एकल सतह में विलीन हो जाती हैं, और यह वस्तु पूर्ण शून्य के तापमान तक पहुँच जाती है। जबकि ये वस्तुएं गणितीय रूप से सुंदर हैं और इस बारे में सिद्धांतों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती हैं कि गुरुत्वाकर्षण और क्वांटम यांत्रिकी कैसे एक साथ फिट हो सकते हैं, एक मौलिक प्रश्न अनसुलझा रहा है: क्या वे वास्तव में हमारे वास्तविक ब्रह्मांड में मौजूद हैं, या वे केवल गणितीय भूत हैं जो प्रकृति में जीवित नहीं रह सकते?
शोधकर्ता चियारा कोविएलो और रूथ ग्रेगरी का एक नया अध्ययन इस प्रश्न पर एक नया दृष्टिकोण लेता है, जो यह पूछता है कि क्या एक एक्स्ट्रीमल ब्लैक होल हमारे वास्तविक ब्रह्मांड के अव्यवस्थित, भौतिक वातावरण में बना रह सकता है। शोधकर्ता तर्क देते हैं कि जबकि ये वस्तुएं एक आदर्श निर्वात (vacuum) में अस्तित्व में हो सकती हैं, हमारे ब्रह्मांड की वास्तविकता उनके अस्तित्व को असंभव बनाती है। वे दिखाते हैं कि वे बल जो ऐसे ब्लैक होल का निर्माण करेंगे, उनमें ही उन्हें लगभग तुरंत नष्ट करने वाले या कम से कम उन्हें कभी बनने से रोकने वाले तंत्र भी शामिल हैं। उनका कार्य बताता है कि यदि आप अपने ब्रह्मांड में एक ब्लैक होल पाते हैं, तो वह निश्चित रूप से अधिकतम संभव आवेश या स्पिन से थोड़ा कम होगा, और कभी भी उस पूर्ण, जमे हुए एक्स्ट्रीमल अवस्था तक नहीं पहुँचेगा।
यह समझने के लिए कि ये वस्तुएं इतनी कठिन क्यों हैं, सबसे पहले यह विचार करना चाहिए कि एक आवेशित ब्लैक होल अपने परिवेश के साथ कैसे परस्पर क्रिया करता है। गहरे अंतरिक्ष के निर्वात में, एक विशाल विद्युत आवेश वाला ब्लैक होल स्थिर लग सकता है। हालाँकि, हमारा ब्रह्मांड खाली नहीं है; यह कणों और क्षेत्रों (fields) के समुद्र से भरा हुआ है। शोधकर्ताओं ने 'श्विंगर डिस्चार्ज' (Schwinger discharge) नामक एक प्रक्रिया पर ध्यान केंद्रित किया, जो एक क्वांटम प्रभाव है जहाँ एक मजबूत विद्युत क्षेत्र स्वतः ही निर्वात से कणों के जोड़े को बाहर निकाल सकता है। एक आवेशित ब्लैक होल के चारों ओर के विद्युत क्षेत्र को एक कसकर खींचे गए रबर बैंड की तरह समझें; यदि इसे पर्याप्त जोर से खींचा जाता है, तो यह अंततः टूट जाएगा, जिससे कणों का एक जोड़ा बनेगा जो अलग-अलग दिशाओं में उड़ जाएगा। इनमें से एक कण ब्लैक होल के आवेश को ले जाता है, जिससे वह प्रभावी रूप से उदासीन (neutralize) हो जाता है।
लंबे समय तक, भौतिकविदों का मानना था कि यह डिस्चार्ज प्रक्रिया केवल बहुत छोटे ब्लैक होल के लिए ही होगी, जहाँ विद्युत क्षेत्र अविश्वसनीय रूप से तीव्र होता है। उन्होंने माना कि विशाल ब्लैक होल, जैसे कि आकाशगंगाओं के केंद्रों में पाए जाने वाले सुपरमैसिव ब्लैक होल, के विद्युत क्षेत्र इतने कमजोर होंगे कि वे इस प्रभाव को सक्रिय नहीं कर पाएंगे। कोविएलो और ग्रेगर ने इस गणना का अधिक सावधानी से पुनर्मूल्यांकन किया। उन्होंने महसूस किया कि पिछले अनुमानों ने एक महत्वपूर्ण कारक की अनदेखी की थी: ब्लैक होल के आसपास के स्थान का विशाल आयतन (volume) जहाँ यह डिस्चार्ज हो सकता है। भले ही किसी एक स्थान पर कण निर्माण की दर धीमी हो, एक विशाल ब्लैक होल के आसपास का विस्तृत क्षेत्र यह सुनिश्चित करता है कि उत्पन्न कणों की कुल संख्या बहुत अधिक है। जब उन्होंने इस आयतन और घटना के घटित होने की विशिष्ट संभावना को ध्यान में रखा, तो उन्होंने पाया कि डिस्चार्ज पहले की तुलना में कहीं अधिक कुशल है।
उनकी गणनाओं ने एक चौंकाने वाली सीमा प्रकट की। एक विद्युत आवेशित ब्लैक होल के जीवित रहने के लिए, उसे अविश्वसनीय रूप से विशाल होना होगा—हमारे सूर्य के द्रव्यमान से 100 ट्रिलियन गुना अधिक। इसे समझने के लिए, अब तक देखे गए सबसे बड़े ब्लैक होल केवल सूर्य के द्रव्यमान से 36 बिलियन गुना ही हैं। इसका अर्थ है कि हमारे ब्रह्मांड के सबसे विशाल ब्लैक होल भी इस डिस्चार्ज प्रक्रिया से बचने के लिए बहुत छोटे हैं। यदि कोई ब्लैक होल किसी तरह सटीक मात्रा में आवेश के साथ बनाया भी जाता, तो विद्युत क्षेत्र तुरंत निर्वात से इलेक्ट्रॉन-पॉजिट्रॉन जोड़े बनाकर उस आवेश को छीनना शुरू कर देता, और ब्लैक होल को देखे जाने से बहुत पहले ही उसे एक उदासीन अवस्था में वापस ला देता।
शोधकर्ताओं ने एक दूसरे, और भी अधिक शक्तिशाली डिस्चार्ज तंत्र पर भी विचार किया जो एक आकाशगंगा के वास्तविक वातावरण में होता है। ब्लैक होल शायद ही कभी शुद्ध निर्वात से घिरे होते हैं; वे अक्सर गैस और धूल के बादलों में समाए होते हैं, जो मुख्य रूप से हाइड्रोजन से बने होते हैं। एक आवेशित ब्लैक होल का विद्युत क्षेत्र तटस्थ हाइड्रोजन परमाणुओं से इलेक्ट्रॉनों को खींच लेने के लिए पर्याप्त मजबूत होता है, जिसे आयनीकरण (ionization) कहा जाता है। एक बार जब परमाणु आयनित हो जाते हैं, तो आवेशित कणों का परिणामी प्लाज्मा ब्लैक होल की ओर दौड़ पड़ता है, जो इसके आवेश को निर्वात प्रक्रिया की तुलना में और भी तेजी से उदासीन कर देता है। जब टीम ने इस गणना की कि एक ब्लैक होल को आयनीकरण के माध्यम से अपना आवेश खोने में कितना समय लगेगा, तो उन्होंने पाया कि स्थिरता के लिए आवश्यक द्रव्यमान निर्वात सीमा से भी अधिक था। निष्कर्ष अकाट्य है: हमारे ब्रह्मांड में कोई भी विद्युत आवेशित ब्लैक होल, चाहे वह कितना भी बड़ा क्यों न हो, जल्दी ही अपना आवेश खो देगा और एक्स्ट्रीमल होना बंद कर देगा।
अध्ययन ने चुंबकीय ब्लैक होल की संभावना की भी जांच की। विद्युत आवेशों के विपरीत, जो सामान्य हैं, चुंबकीय आवेश (या चुंबकीय मोनोपोल) सीधे कभी नहीं देखे गए हैं, हालांकि प्रारंभिक ब्रह्मांड के कई सिद्धांत भविष्यवाणी करते हैं कि उन्हें मौजूद होना चाहिए। यदि कोई ब्लैक होल इन चुंबकीय मोनोपोल्स की एक विशाल संख्या को पकड़ लेता है, तो वह सैद्धांतिक रूप से एक चुंबकीय रूप से आवेशित एक्स्ट्रीमल ब्लैक होल बन सकता है। शोधकर्ताओं ने जांच की कि क्या ऐसा पिंड स्थिर होगा। उन्होंने पाया कि जबकि चुंबकीय क्षेत्र विद्युत क्षेत्रों की तरह तीव्र डिस्चार्ज को प्रेरित नहीं करते हैं, ये ब्लैक होल एक अलग तरीके से अस्थिर होते हैं। यदि ब्लैक होल बहुत छोटा है, तो मोनोपोल्स से निकलने वाली चुंबकीय क्षेत्र रेखाएं इवेंट होराइजन (event horizon) के माध्यम से लीक हो जाएंगी, जिससे ब्लैक होल अपना आवेश खो देगा।
एक स्थिर चुंबकीय ब्लैक होल बनाने के लिए, वस्तु को इतने विशाल संख्या में मोनोपोल्स को समाहित करने के लिए पर्याप्त विशाल होना चाहिए—शायद दस लाख या उससे अधिक। शोधकर्ताओं ने फिर यह देखा कि ऐसा ब्लैक होल कैसे बन सकता है। उन्होंने प्रारंभिक ब्रह्मांड की स्थितियों का विश्लेषण किया, विशेष रूप से तीव्र विस्तार के काल, जिसे मुद्रास्फीति (inflation) कहा जाता है। उनकी गणनाओं ने दिखाया कि एक ब्लैक होल के आवश्यक संख्या में मोनोपोल्स को पकड़ने के लिए पर्याप्त आयतन के साथ स्वतः प्रकट होने की संभावना अत्यंत कम है। ब्रह्मांड इन पिंडों को उन मात्राओं या आकारों में उत्पन्न नहीं करता है जो उन्हें स्थिर बनाने के लिए आवश्यक हैं। यदि वे बनते भी हैं, तो उन्हें बनाने के लिए आवश्यक स्थितियाँ संभवतः ब्रह्मांड के विस्तार द्वारा मिटा दी गई होंगी।
अंत में, टीम ने घूमते हुए (rotating) ब्लैक होल की ओर अपना ध्यान केंद्रित किया। आवेशित ब्लैक होल के विपरीत, जो प्रकृति में दुर्लभ हैं, लगभग सभी देखे गए ब्लैक होल तेजी से घूमते हैं। प्रश्न यहाँ यह है कि क्या एक ब्लैक होल एक्स्ट्रीमल सीमा तक पहुँचने के लिए पर्याप्त तेजी से घूम सकता है। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि भले ही एक ब्लैक होल इस सीमा के बहुत करीब पहुँच जाए, वह समय के साथ अपना स्पिन खो देगा। वे प्रस्ताव करते हैं कि ब्रह्त्व में लहरों की तरह बहने वाली गुरुत्वाकर्षण तरंगों की पृष्ठभूमि की गूँज एक घूमते हुए ब्लैक होल के साथ परस्पर क्रिया कर सकती है, जिससे उसके कोणीय संवेग (angular momentum) को कम किया जा सकता है। हालांकि यह प्रक्रिया धीमी होगी, लेकिन यह एक निरंतर ब्रेक की तरह कार्य करती है, जो ब्लैक होल को उस पूर्ण, जमे हुए एक्स्ट्रीमल अवस्था तक पहुँचने या बनाए रखने से रोकती है।
इस शोध द्वारा प्रस्तुत समग्र चित्र एक ऐसे ब्रह्मांड का है जो स्वाभाविक रूप से एक्स्ट्रीमल ब्लैक होल के निर्माण का विरोध करता है। चाहे वह विद्युत आवेश के तीव्र डिस्चार्ज के माध्यम से हो, चुंबकीय क्षेत्रों की अस्थिरता के माध्यम से, या स्पिन के धीरे-धीरे कम होने के माध्यम से, भौतिकी के नियम ऐसा प्रतीत होता है कि वे ब्लैक होल को चरम सीमा से बस एक कदम दूर रखने की साजिश रचते हैं। इसका मतलब यह नहीं है कि वे गणितीय अर्थ में एक्स्ट्रीमल ब्लैक होल असंभव हैं, लेकिन यह दृढ़ता से संकेत देता है कि वे हमारी भौतिक वास्तविकता की विशेषता नहीं हैं। उन वैज्ञानिकों के लिए जो इन पिंडों को क्वांटम गुरुत्वाकर्षण के गहरे नियमों के परीक्षण के लिए एक आधार के रूप में उपयोग करने की आशा करते हैं, यह समाचार निराशाजनक है: पूर्ण एक्स्ट्रीमल ब्लैक होल एक सुंदर विचार हो सकता है, लेकिन यह संभवतः एक ऐसी वस्तु है जिसे हम आकाश में कभी नहीं देख पाएंगे। जो ब्लैक होल हम देखते हैं वे संभवतः 'नियर-एक्स्ट्रीमल' (near-extremal) हैं, लेकिन कभी पूरी तरह से नहीं, जो हमेशा पूर्णता की दहलीज से ठीक नीचे मंडराते रहते हैं।
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