Metastable cosmic strings are broken at the start

ब्रह्मांड की कल्पना एक विशाल, फैलते हुए गुब्बारे के रूप में करें। अब, कल्पना करें कि जैसे-जैसे यह गुब्बारा फूलता है, अंतरिक्ष का ताना-बाना खुद खिंचता और मुड़ता जाता है, जिससे पीछे सूक्ष्म, अदृश्य निशान छूट जाते हैं। उच्च-ऊर्जा भौतिकी (high-energy physics) की दुनिया में, इन निशानों को कॉस्मिक स्ट्रिंग्स (cosmic strings) कहा जाता है। ये कपास या स्टील से नहीं बने हैं; ये ऊर्जा की अविश्वसनीय रूप से पतली, अत्यंत भारी रेखाएं हैं जो बिग बैंग के ठीक बाद के पहले सेकंड के अवशेष हैं, जब प्रकृति के मौलिक बल एक-दूसरे से अलग हो रहे थे। इन्हें एक जमते हुए तालाब की दरारों की तरह समझें, लेकिन पानी के बजाय, यह वास्तविकता का ताना-बाना है।

वैज्ञानिक इन स्ट्रिंग्स को लेकर जुनूनी हैं क्योंकि यदि वे मौजूद हैं, तो वे ब्रह्मांडीय राक्षसों की तरह होंगे, जो विशाल रबर बैंड की तरह कंपन करेंगे और टूटेंगे। जब वे ऐसा करते हैं, तो वे स्पेस-टाइम (space-time) में लहरें भेजते हैं जिन्हें गुरुत्वाकर्षण तरंगें (gravitational waves) कहा जाता है। ये तरंगें ब्रह्मांड में बजने वाली एक घंटी की ध्वनि की तरह हैं, और यदि हम उन्हें पकड़ पाते हैं, तो वे हमें ऊर्जा के उन स्तरों के बारे में बता सकती हैं जो हमारे वर्तमान कण त्वरकों (particle accelerators) के लिए कभी भी पहुंच से बाहर हैं। लंबे समय तक, भौतिकविदों ने सोचा कि ये स्ट्रिंग्स अटूट स्टील के केबलों की तरह थीं जो हमेशा बनी रहेंगी, जो धीरे-धीरे ब्रह्मांड की ऊर्जा को कम करती रहेंगी। लेकिन एक नया विचार सुझाव देता है कि वे भंगुर कांच या गीले स्पैगेटी की तरह हो सकते हैं—जो हमारी सोच से कहीं अधिक जल्दी टूटने के प्रति संवेदनशील हैं, जो उस गीत को बदल देता है जिसे वे हमारे सुनने के लिए गाते हैं।

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द ग्रेट कॉस्मिक स्नैप: क्यों स्ट्रिंग्स हमेशा के लिए नहीं टिकतीं

इस शोध पत्र में, ऑक्सफोर्ड यूनिवर्सिटी के भौतिकविदों की एक टीम तर्क देती है कि कॉस्मिक स्ट्रिंग्स की कहानी को फिर से लिखने की आवश्यकता है। वर्षों से, मानक चित्र यह था कि ये स्ट्रिंग्स एक विशाल, उलझे हुए जाल का निर्माण करती हैं जो ब्रह्मांड में फैला हुआ है। उन्हें "मेटास्टेबल" (metastable) माना जाता था, जिसका अर्थ है कि वे इतने स्थिर हैं कि लंबे समय तक टिकी रह सकें, लेकिन अंततः, वे "टनलिंग" (tunnelling) नामक एक धीमी, क्वांटम मैकेनिकल प्रक्रिया के कारण टूट जाएंगी। यह माना जाता था कि यह टूटना ब्रह्मांड के इतिहास में बहुत देर से होगा, शायद हाल ही में इतना कि रेडियो टेलीस्कोप द्वारा पकड़े गए कुछ रहस्यमय संकेतों की व्याख्या की जा सके।

हालाँकि, इस पेपर के लेखक सुझाव देते हैं कि यह "देर रात वाला" टूटना एक मिथक है। इसके बजाय, वे दिखाते हैं कि ये स्ट्रिंग्स उनके जन्म के तुरंत बाद, ब्रह्मांड के जीवन की शुरुआत में ही टूटने की संभावना है। वे इस शुरुआती टूटने के लिए दो मुख्य कारणों का प्रस्ताव करते हैं, जो इस बात पर निर्भर करता है कि स्ट्रिंग्स कैसे बनी थीं।

द हॉट ब्रेक-अप (थर्मल प्रभाव)
प्रारंभिक ब्रह्मांड की कल्पना एक अत्यधिक गर्म स्नान के रूप में करें। जब तापमान उच्च होता है, तो स्ट्रिंग्स को एक साथ रखने वाला "गोंद" डगमगाने लगता है। लेखक दिखाते हैं कि यदि ब्रह्मांड तब पर्याप्त गर्म था जब स्ट्रिंग्स बनी थीं, तो गर्मी स्वयं कैंची की तरह काम करती है, जो स्ट्रिंग्स को लगभग तुरंत टुकड़ों में काट देती है। यह एक धीमी, शांत कटाई नहीं है; यह प्रारंभिक ब्रह्мंड की थर्मल ऊर्जा के कारण होने वाला एक हिंसक टूटना है।

द मोनोपोल ट्रैप (पूर्व-मौजूद दोष)
दूसरा कारण थोड़ा 'टैग' (पकड़म-पकड़ाई) के खेल जैसा है। कॉस्मिक स्ट्रिंग्स अक्सर अन्य कॉस्मिक दोषों के साथ बनती हैं जिन्हें मोनोपोल (monopoles) कहा जाता है (इन्हें चुंबकीय उत्तर ध्रुव की तरह समझें जिसमें दक्षिण ध्रुव नहीं होता)। लेखक तर्क देते हैं कि जैसे ही स्ट्रिंग्स बढ़ने और एक विशाल जाल बनाने की कोशिश करती हैं, वे अनिवार्य रूप से इन मोनोपोल्स से टकराती हैं। जब एक स्ट्रिंग एक मोनोपोल से टकराती है, तो वह बढ़ना बंद कर देती है और कट जाती है। परिणाम? एक विशाल, अनंत स्ट्रिंग के बजाय जो पूरे ब्रह्मांड में फैली हुई है, आपको छोटे, सीमित खंड प्राप्त होते हैं।

द "सुपर-होरिज़न" इल्यूजन (क्षितिज से परे का भ्रम)
यहाँ वह पेचीदा हिस्सा है जो इसे इतना दिलचस्प बनाता है। भले ही ये स्ट्रिंग्स टूटी हुई हों, लेकिन इनके टुकड़े विशाल हो सकते हैं। लेखक समझाते हैं कि ये टूटे हुए खंड "क्षितिज" (horizon - वह दूरी जो प्रकाश एक दिए गए समय में तय कर सकता है) से भी बड़े हो सकते हैं। दूर से देखने पर, वे अभी भी अनंत स्ट्रिंग्स की तरह ही दिखेंगे क्योंकि उनके सिरे इतनी दूर हैं कि वे अभी तक "मिले" नहीं हैं। वे लंबे समय तक एक सामान्य स्ट्रिंग नेटवर्क की तरह व्यवहार करेंगे, कंपन करेंगे और गुरुत्वाकर्षण तरंगें उत्पन्न करेंगे। लेकिन अंततः, इन खंडों के सिरे एक-दूसरे के करीब पहुँच जाएंगे, स्ट्रिंग पूरी तरह से टूट जाएगी, और नेटवर्क गायब हो जाएगा।

द नंबर्स गेम: हमें पैमाने के बारे में क्यों पुनर्विचार करने की आवश्यकता है

इस पेपर का सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्ष वह विशाल बदलाव है जो इस सिद्धांत को काम करने के लिए आवश्यक संख्याओं में आया है। पहले, आज के गुरुत्वाकर्षण तरंग संकेतों (विशेष रूप से NANOGrav प्रयोग से प्राप्त संभावित संकेत) को समझाने के लिए, भौतिकविदों को लगा कि मोनोपोल्स के द्रव्यमान और स्ट्रिंग्स के तनाव के बीच का अनुपात लगभग 60 होना चाहिए।

लेकिन क्योंकि ये स्ट्रिंग्स इतनी जल्दी टूट जाती हैं, लेखक गणना करते हैं कि इस अनुपात को वास्तव में बहुत, बहुत अधिक होना चाहिए—विशेष रूप से, कम से कम 1,000 (या $10^3$)। यह एक बहुत बड़ी छलांग है। इसका अर्थ है कि स्ट्रिंग्स को हमारे टेलीस्कोप द्वारा देखे जाने के लिए पर्याप्त समय तक जीवित रहने के लिए, "काटने" वाला तंत्र हमारी सोच से बहुत कमजोर होना चाहिए, या मोनोपोल्स के सापेक्ष स्ट्रिंग्स बहुत अधिक "भारी" होनी चाहिए।

द "वीक लिंक" सरप्राइज: सभी स्ट्रिंग्स एक जैसी नहीं होतीं

यह पेपर उस "लेट-टाइम" टूटने पर भी एक नई दृष्टि डालता जो क्वांटम टनलिंग के माध्यम से होने के रूप में सोचा गया था। पुराने विचार ने माना था कि स्ट्रिंग एक पूरी तरह से समान तार है, जैसे तांबे का एक सीधा टुकड़ा। लेकिन लेखकों ने यह देखने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन चलाए कि एक अव्यवस्थित, वास्तविक नेटवर्क में क्या होता है।

उन्होंने पाया कि स्ट्रिंग्स समान नहीं होती हैं। उनमें मोड़ (kinks), उभार और तीखे कोने होते हैं जहाँ ऊर्जा केंद्रित होती है। यह एक रबड़ बैंड की तरह है जिसे मरोड़ा गया हो; मरोड़ा हुआ हिस्सा बाकी हिस्से की तुलना में बहुत अधिक तनाव में होता है। लेखकों ने पाया कि स्ट्रिंग सबसे अधिक संभावना उन दुर्लभ, उच्च-तनाव वाले "मोड़ों" (kinks) पर टूटने की होती है, न कि चिकने, सीधे हिस्सों पर। क्योंकि टूटने की दर तनाव पर बहुत अधिक निर्भर करती है, ये दुर्लभ, ऊबड़-खाबड़ स्थान पुराने, चिकने-तार वाले गणनाओं की तुलना में स्ट्रिंग को बहुत तेज़ी से तोड़ देते हैं। यह सुझाव देता है कि गर्मी या मोनोपोल्स के बिना भी, स्ट्रिंग्स शायद उतनी लंबी नहीं टिकेंगी जितनी हमने उम्मीद की थी, क्योंकि वे बहुत अधिक ऊबड़-खाबड़ हैं।

यह हमारे लिए क्या मायने रखता है

तो, कॉस्मिक स्ट्रिंग्स की खोज के लिए इसका क्या अर्थ है?

1. संकेत बदल जाता है: यदि स्ट्रिंग्स जल्दी टूट जाती हैं, तो उनका "गीत" (गुरुत्वाकर्षण तरंग स्पेक्ट्रम) बदल जाता है। सिग्नल का निम्न-आवृत्ति वाला हिस्सा पहले ही कट जाता है।
2. उच्च दांव: आज के संकेतों से मेल खाने के लिए, हमें मोनोपोल द्रव्यमान और स्ट्रिंग तनाव के बीच पहले की तुलना में बहुत बड़ा अंतर चाहिए।
3. छिपे हुए रहस्य: पेपर यह भी उल्लेख करता है कि यह तर्क ब्रह्मांड के "डार्क" क्षेत्रों (dark sectors) पर भी लागू हो सकता है—भौतिकी की वे छिपी हुई दुनिया जिन्हें हम अभी तक देख नहीं पा रहे हैं। यदि इन छिपी हुई दुनियाओं के अपने "फ्लक्स ट्यूब्स" (स्ट्रिंग्स के समान) हैं, तो वे भी जल्दी टूट रहे हो सकते हैं, जो उनके संकेतों को हमसे छिपा रहे हैं।

संक्षेप में, लेखक सुझाव देते हैं कि कॉस्मिक स्ट्रिंग नेटवर्क एक लंबे समय तक चलने वाला, अटूट जाल नहीं है, बल्कि एक नाजुक संरचना है जो ब्रह्मांड के जीवन के शुरुआती चरणों में ही बिखर जाती है। हालांकि यह काम को कठिन बनाता है (क्योंकि वे हमारे देखने से पहले ही खत्म हो सकते हैं), यह हमें प्रारंभिक ब्रह्मांड की चरम भौतिकी को समझने के नए तरीके भी खोलता है। लेखक सावधानी बरतते हुए कहते हैं कि उन्होंने यह सिद्ध नहीं किया है कि स्ट्रिंग के लूप फिर से जुड़कर बड़े स्ट्रिंग्स नहीं बना सकते, लेकिन उनके सिमुलेशन और तर्क बताते हैं कि इसकी संभावना कम है। कॉस्मिक स्ट्रिंग्स की कहानी अब एक धीमी, स्थिर गिरावट के बारे में नहीं है; यह एक नाटकीय, शुरुआती पतन के बारे में है जो ब्रह्मांड को सुनने के हमारे तरीके को नया आकार देता है।