Nonlinear evolution of the ergoregion instability: Turbulence, bursts of radiation, and black hole formation

ब्रह्मांड के इस विशाल रंगमंच में, गुरुत्वाकर्षण वह निर्देशक है जो मंच को आकार देता है। जब वस्तुएं घूमती हैं, तो वे केवल एक स्थान पर नहीं घूमतीं; वे अपने चारों ओर अंतरिक्ष और समय के ताने-बाने को मरोड़ देती हैं, जैसे कोई चम्मच शहद को मथ रहा हो। उन वस्तुओं के लिए जो अविश्वसनीय रूप से सघन और तेजी से घूम रही हैं, यह मरोड़ इतनी चरम हो जाती है कि यह एक 'एर्गोरिगियन' (ergoregion) नामक क्षेत्र बना देती है। इस क्षेत्र के भीतर, अंतरिक्ष स्वयं एक दूरस्थ पर्यवेक्षक के सापेक्ष प्रकाश से भी तेज गति से चलता है, जिससे किसी भी चीज़ के लिए स्थिर रहना असंभव हो जाता है। हालांकि ब्लैक होल के आसपास इस घटना को अच्छी तरह से समझा गया है, जहाँ 'इवेंट होराइजन' (घटना क्षितिज) नामक एक बिंदु जिसे वापस न लौटने का बिंदु कहा जाता है, गिरने वाली किसी भी चीज़ को निगल लेता है, भौतिकविदों लंबे समय से यह सोच रहे थे कि क्या होगा यदि ऐसा क्षेत्र बिना उस सुरक्षा जाल के मौजूद हो। यदि कोई सघन वस्तु इतनी तेजी से घूमती है कि वह एक एर्गोरिगियन बना सके लेकिन उसमें अवशोषित करने के लिए कोई क्षितिज (horizon) न हो, तो भौतिकी के नियम बताते हैं कि यह स्वाभाविक रूप से अस्थिर होगी, जो खुद को छिन्न-भिन्न करने या ढह जाने के प्रति संवेदनशील होगी।

यह स्थिरता का प्रश्न केवल एक सैद्धांतिक जिज्ञासा नहीं है; यह ब्रह्मांड की सबसे चरम वस्तुओं की प्रकृति को छूता है। यदि ऐसी वस्तुएं जो ब्लैक होल जैसी दिखती हैं लेकिन उनमें ब्लैक होल का परिभाषित इवेंट होराइजन नहीं है, अस्तित्व में रह सकती हैं, तो वे गुरुत्वाकर्षण के बारे में हमारी समझ को मौलिक रूप से बदल देंगी। हालाँकि, जबकि वैज्ञानिक दशकों से जानते हैं कि ये "क्षितिजहीन" (horizonless) वस्तुएं एक सरल, रैखिक अर्थ में अस्थिर होनी चाहिए, लेकिन पूरी कहानी क्या है जब वह अस्थिरता अपने क्रम को पूरा करती है, यह एक रहस्य बना हुआ है। क्या वह वस्तु बस शांत हो जाती है, या अस्थिरता तब तक बढ़ती है जब जब तक कि वह तारे को नष्ट न कर दे? नील्स सियामोंसेन और विलियम ई. ईस्ट के एक नए अध्ययन ने अंततः इस हिंसक प्रक्रिया का अनुकरण (simulation) किया है, जिसने एक नाटकीय घटनाक्रम का खुलासा किया है जो एक शांत धुंधलेपन में नहीं, बल्कि एक विनाशकारी पतन (collapse) में समाप्त होता है।

शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट प्रकार की सैद्धांतिक वस्तु पर ध्यान केंद्रित किया जिसे 'बोसॉन स्टार' (boson star) कहा जाता है। ये कणों के बादलों से बने सघन, घूमते हुए गोले हैं जो केवल गुरुत्वाकर्षण के माध्यम से परस्पर क्रिया करते हैं, जो चरम भौतिकी के अध्ययन के लिए एक आदर्श परीक्षण स्थल के रूप में कार्य करते हैं। उन्होंने तारे के एर्गोरिगियन में एक छोटा सा विक्षोभ—एक द्रव्यमान रहित बल क्षेत्र, जो प्रकाश के समान है लेकिन फोटॉन की कण प्रकृति के बिना है—प्रविष्ट कराया। रैखिक शासन (linear regime) में, जहाँ विक्षोभ छोटे होते हैं, यह क्षेत्र ज्ञात रूप से तेजी से (exponentially) बढ़ता है, जो तारे के घूर्णन से ऊर्जा खींचता है। टीम ने इस प्रणाली को समय के साथ विकसित करने के लिए शक्तिशाली सुपर कंप्यूटरों का उपयोग किया, और यह देखा कि जब वह वृद्धि इतनी बड़ी हो गई कि तारे को महत्वपूर्ण रूप से बदलने लगे तो क्या हुआ।

सिमुलेशन ने खुलासा किया कि अस्थिरता केवल संतृप्त (saturate) होकर नहीं रुकती है। इसके बजाय, जैसे-जैसे क्षेत्र बढ़ता है, यह तारे पर दबाव डालता है, जिससे वस्तु अपने स्वयं के गुरुत्वाकर्षण द्वारा अधिक मजबूती से बंधी हुई महसूस होती है। यह बढ़ी हुई सघनता एक फीडबैक लूप की तरह कार्य करती है, जो अस्थिरता को और अधिक तेज करती है। तारा हिंसक रूप से दोलन (oscillate) करने लगता है, लयबद्ध स्पंदन के साथ फूलता और सिकुड़ता है। ये बड़े पैमाने के दोलन विकिरण (radiation) के तीव्र विस्फोटों की एक श्रृंखला को सक्रिय करते हैं, जो ब्रह्मांड में ऊर्जा की लहरें भेजते हैं। शोधकर्ताओं ने देखा कि जैसे-जैसे तारा अपने अंतिम क्षणों के करीब पहुंचा, ये विस्फोट और अधिक शक्तिशाली और बार-बार होने लगे, जिसमें विकिरण ऊर्जा और कोणीय संवेग (angular momentum) को एक अराजक, विक्षुब्ध प्रवाह (turbulent cascade) में बाहर ले गया।

इस प्रक्रिया में एक प्रमुख खोज विकिरण के भीतर एक विक्षुब्ध प्रवाह (turbulent flow) का उदय था। जैसे-जैसे अस्थिरता तीव्र हुई, ऊर्जा केवल एक सरल, सुचारू लहर के रूप में बाहर नहीं निकली। इसके बजाय, गैर-रैखिक गुरुत्वाकर्षण अंतःक्रियाओं ने ऊर्जा को बड़े, सरल पैटर्न से धीरे-धीरे अधिक जटिल, छोटे पैमाने की लहरों में स्थानांतरित कर दिया। समतल अंतरिक्ष के सिमुलेशन में शायद ही कभी देखी जाने वाली ऊर्जा का सूक्ष्म स्तरों पर यह सीधा स्थानांतरण, उत्सर्जित तरंगों पर एक विशिष्ट छाप छोड़ गया। संकेत तरंगों के तीव्र, बढ़ते हुए विस्फोटों की एक श्रृंखला बन गया, जिसमें आवृत्तियों का एक स्पेक्ट्रम था जो तेजी से व्यापक और सपाट होता गया, जो इस विक्षोभ (turbulence) के टूटने का एक लक्षण है।

तारे का अंतिम भाग्य अपरिहार्य था। हिंसक दोलनों और विकिरण के माध्यम से ऊर्जा की हानि ने तारे को उस समर्थन से वंचित कर दिया जिसकी उसे अपने स्वयं के गुरुत्वाकर्षण के विरुद्ध खुद को थामे रखने के लिए आवश्यकता थी। सिमुलेशन ने दिखाया कि तारा तेजी से घूमते हुए ब्लैक होल में ढह गया। परिणामी ब्लैक होल का द्रव्यमान मूल तारे का लगभग 94 प्रतिशत था और यह भौतिकी द्वारा अनुमत अधिकतम गति के करीब घूम रहा था। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि पतन से ठीक पहले उत्सर्जित विकिरण ब्लैक होल के "रिंगिंग" स्वरों (quasi-normal modes) के समान था, जो यह सुझाव देता है कि अस्थिर तारा अनिवार्य रूप से उस ब्लैक होल के व्यवहार की नकल कर रहा था जो वह बनने वाला था।

इस निष्कर्ष के ब्रह्मांड में विलक्षण वस्तुओं की खोज के लिए गहरे निहितार्थ हैं। यदि बोसॉन स्टार जैसी क्षितिजहीन वस्तुएं वास्तव में इस तरह अस्थिर हैं, तो वे लंबे समय तक अस्तित्व में नहीं रह सकतीं। वे या तो ब्लैक होल में ढह जाएंगी या जल्दी ही बिखर जाएंगी, जिसका अर्थ है कि ऐसी वस्तुओं की आबादी जिसे हम खोजने की आशा कर सकते हैं, बहुत कम या गैर-मौजूद है। इसके अलावा, विकिरण का विशिष्ट हस्ताक्षर—तरंगों के वे बढ़ते हुए विस्फोट जिनमें विक्षुब्ध विशेषताएं हैं—इन वस्तुओं की पहचान करने का एक संभावित तरीका है यदि वे वास्तव में मौजूद हैं। अध्ययन बताता है कि यदि हम कभी ऐसा गुरुत्वाकर्षण तरंग संकेत देखते हैं जो ब्लैक होल की रिंग जैसा दिखता है लेकिन उससे पहले एक अराजक, विक्षुब्ध विस्फोट होता है, तो यह एक क्षितिजहीन वस्तु के अंतिम, हिंसक पतन का निर्णायक प्रमाण हो सकता है।

यह कार्य यह भी स्पष्ट करता है कि ब्लैक होल और ये क्षितिजहीन तारे अस्थिरता को कैसे संभालते हैं। एक ब्लैक होल में, इवेंट होराइजन एक नाली (drain) के रूप में कार्य करता है, जो उस नकारात्मक ऊर्जा और कोणीय संवेग को सोख लेता है जो अस्थिरता को ईंधन देते हैं, जिससे ब्लैक होल धीरे-धीरे अपनी गति कम कर पाता है। इस नाली के बिना, बोसॉन स्टार के पास अतिरिक्त ऊर्जा को नष्ट करने का कोई तरीका नहीं था। इसके बजाय, अस्थिरता ने तारे को अधिक सघन बना दिया, जिससे वह उस बिंदु की ओर बढ़ गया जहाँ गुरुत्वाकर्षण का प्रतिरोध करना असंभव हो गया। सिमुलेशन पुष्टि करता है कि बिना किसी तंत्र के इस प्रक्रिया को रोकने के, एर्गोरिगियन अस्थिरता एकतरफा रास्ता है जो ब्लैक होल के निर्माण की ओर ले जाता है।

गुरुत्वाकर्षण और पदार्थ को नियंत्रित करने वाले जटिल समीकरणों को पूर्ण विवरण के साथ हल करके, शोधकर्ताओं ने सरल अनुमानों से आगे बढ़कर इस प्रक्रिया के वास्तविक गतिशील विकास को दिखाया है। उन्होंने पाया कि अस्थिरता एक सौम्य बदलाव नहीं बल्कि एक अनियंत्रित घटना है जो तारे को भीतर से नया आकार देती है। विकिरण में देखी गई विक्षुब्धता (turbulence), हालांकि गैर-रैखिक भौतिकी की एक आकर्षक विशेषता है, स्वयं पतन में एक माध्यमिक भूमिका निभाती है; मुख्य चालक बड़े पैमाने के, निम्न-आवृत्ति वाले दोलन थे जो तारे को छिन्न-भिन्न कर रहे थे। यह अंतर महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह सुझाव देता है कि अंतिम परिणाम मजबूत है और सिस्टम की मौलिक ज्यामिति द्वारा निर्धारित है, न कि विक्षुब्धता के सूक्ष्म विवरणों द्वारा।

अध्ययन यह प्रश्न खुला छोड़ देता है कि क्या अन्य प्रकार की क्षितिजहीन वस्तुएं भी इसी तरह व्यवहार करेंगी, लेकिन परिणाम दृढ़ता से संकेत देते हैं कि परिणाम सामान्य (generic) है। यदि कोई वस्तु इतनी सघन है कि उसमें एक एर्गोरिगियन है लेकिन क्षितिज नहीं है, तो अस्थिरता एक सार्वभौमिक तंत्र प्रतीत होती है जो इसे पतन की ओर ले जाती है। यह ब्रह्मांड में "ब्लैक होल मिमिकर्स" (black hole mimickers) के दीर्घकालिक अस्तित्व के विरुद्ध एक शक्तिशाली तर्क प्रदान करता है। जब तक कि कोई अज्ञात, गैर-शास्त्रीय बल इवेंट होराइजन के निर्माण को रोकने वाला न हो, ये वस्तुएं क्षणिक हैं, जिनका भाग्य उन्हीं ब्लैक होल के रूप में समाप्त होना है जिनकी वे नकल करने के लिए बनाई गई थीं।

अंत में, सिमुलेशन एक ब्रह्मांडीय नाटक की तस्वीर पेश करता है जहाँ गुरुत्वाकर्षण के नियम यह सुनिश्चित करते हैं कि प्रकृति एक क्षितिजहीन एर्गोरिगियन को स्वीकार नहीं करती। तारा, अपने स्वयं के बनाए गए फीडबैक लूप में फंसा हुआ, खुद को एक ऐसे कोने में घुमाता है जहाँ वह और आगे नहीं जा सकता। परिणामी पतन ऊर्जा का एक हिंसक विमोचन है, विकिरण का एक अंतिम विस्फोट, जो एक ब्लैक होल के जन्म की गूँज है। पहली बार, हमारे पास इस प्रक्रिया का एक स्पष्ट, संख्यात्मक दृश्य है, जो एक सैद्धांतिक अस्थिरता को ब्रह्मांडीय विकास की एक ठोस, अवलोकन योग्य कहानी में बदल देता है। ब्रह्मांड, ऐसा प्रतीत होता है, एक सख्त नियम रखता है: यदि आप अंतरिक्ष को मरोड़ने के लिए पर्याप्त तेजी से घूमते हैं, तो आपको अंततः ब्लैक होल के सामने आत्मसमर्पण करना ही होगा।