Shadow of rotating black hole surrounded by dark matter
यह शोध पत्र घूमते हुए केर ब्लैक होल (Kerr black holes) की छाया पर डार्क मैटर के प्रभाव की जांच करता है, जिससे यह पता चलता है कि जबकि एक महत्वपूर्ण द्रव्यमान सीमा से नीचे डार्क मैटर का प्रभाव नगण्य होता है, इस सीमा को पार करने से महत्वपूर्ण संरचनात्मक विस्तार होता है जो वर्तमान अवलोकन संबंधी बाधाओं को चुनौती देता है, जिससे यह सुझाव मिलता है कि ब्लैक होल के पास डार्क मैटर का अनुपस्थित या न्यूनतम होना आवश्यक है।
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ब्रह्मांड के ताने-बाने में गहराई में, जहाँ गुरुत्वाकर्षण इतना तीव्र है कि प्रकाश भी बाहर नहीं निकल सकता, वहाँ ब्लैक होल स्थित हैं। दशकों से, इन ब्रह्मांडीय दिग्गजों को एक एकल, सुरुचिपूर्ण सिद्धांत के माध्यम से समझा जाता था: कि एक घूमता हुआ ब्लैक होल एक पूर्ण, पृथक वस्तु है, जो केवल अपने द्रव्यमान और घूर्णन से आकार लेती है। लेकिन ब्रह्मांड शायद ही कभी खाली होता है। इन दिग्गजों के चारों ओर डार्क मैटर (dark matter) का एक विशाल, अदृश्य जाल है, एक रहस्यमय पदार्थ जो ब्रह्मांड के अधिकांश द्रव्यमान का निर्माण करता है फिर भी प्रकाश के साथ परस्पर क्रिया करने से इनकार करता है। हालाँकि हम इस डार्क मैटर को सीधे नहीं देख सकते, लेकिन इसका अत्यधिक भार ब्लैक होल के आसपास के स्थान पर खिंचाव डालना चाहिए, जो संभावित रूप से ब्लैक होल के स्वयं के आकार को विकृत कर सकता है। वह प्रश्न जिसने लंबे समय से भौतिकविदों को मंत्रमुग्ध किया है, यह है कि क्या यह छिपा हुआ भार ब्लैक होल की छाया पर कोई दृश्य निशान छोड़ता है, जो पास में घूमती चमकदार गैस के विरुद्ध एक काला साया बनाता है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस उत्तर की ओर एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है, जिसमें उन्होंने यह मॉडल किया है कि एक घूमता हुआ ब्लैक होल कैसा व्यवहार करता है जब वह अकेला नहीं, बल्कि डार्क मैटर के एक खोल (shell) में लिपटा होता है। एक गणितीय तकनीक का उपयोग करते हुए जो उन्हें एक स्थिर मॉडल को घूमने वाले मॉडल में बदलने की अनुमति देती है, उन्होंने एक विस्तृत चित्र बनाया कि क्या होता है जब एक ब्लैक होल इस अदृश्य द्रव्यमान से घिरा होता है। उन्होंने पाया कि उत्तर पूरी तरह से इस बात पर निर्भर करता है कि डार्क मैटर की मात्रा कितनी है। यदि डार्क मैटर की मात्रा कम है, तो ब्लैक होल लगभग वैसा ही दिखता है जैसा कि वह निर्वात (vacuum) में होगा, जिसमें इसकी छाया में केवल एक सूक्ष्म, लगभग नगण्य परिवर्तन होता है। हालाँकि, एक बार जब डार्क मैटर एक विशिष्ट द्रव्यमान सीमा (threshold) को पार कर जाता है, तो ब्लैक होल की पूरी संरचना एक नाटकीय परिवर्तन से गुजरती है। इवेंट होराइजन (event horizon), यानी वापसी का बिंदु, और आसपास का वह क्षेत्र जहाँ अंतरिक्ष स्वयं घूर्णन के साथ खिंचता है, दोनों बहुत बड़े पैमाने पर बाहर की ओर फैल जाते हैं, और खाली स्थान में समान द्रव्यमान वाले ब्लैक होल की तुलना में कहीं अधिक बड़े आकार के हो जाते हैं।
शायद सबसे आश्चर्यजनक खोज यह है कि यह अतिरिक्त द्रव्यमान छाया के आकार को कैसे बदलता है। निर्वात में एक घूमता हुआ ब्लैक होल आमतौर पर एक ऐसी छाया बनाता है जो थोड़ा चपटा या 'D' आकार का होता है, जो इसके तीव्र घूर्णन के कारण होने वाला विरूपण है। शोधकर्ताओं ने पाया कि भारी डार्क मैटर के खोल की उपस्थिति इस विरूपण को कम करने का कार्य करती है। जैसे-जैसे डार्क मैटर का द्रव्यमान महत्वपूर्ण सीमा से ऊपर बढ़ता है, छाया फिर से लगभग पूरी तरह से गोलाकार हो जाती है, जो प्रभावी रूप से ब्लैक होल के घूर्णन को दृष्टि से छिपा देती है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि डार्क मैटर का अतिरिक्त भार इतना प्रभावी हो जाता है कि घूर्णन के सूक्ष्म प्रभाव उसके सामने नगण्य हो जाते हैं। छाया इतनी बड़ी और इतनी गोल हो जाती है कि यह अकेले घूमते हुए ब्लैक होल के लिए अनुमानित परिचित, थोड़े दबे हुए आकार के समान नहीं रहती।
टीम ने यह भी देखा कि यह परिदृश्य ब्लैक होल द्वारा उत्सर्जित ऊर्जा को कैसे प्रभावित करता है। उन्होंने गणना की कि जैसे-जैसे डार्क मैटर का द्रव्यमान बढ़ता है और ब्लैक होल की संरचना का विस्तार होता है, ब्लैक होल का तापमान काफी गिर जाता है। यह शीतलन प्रभाव (cooling effect) का अर्थ है कि ब्लैक होल बहुत कम ऊर्जा उत्सर्emit करेगा, और यदि डार्क मैटर का खोल पर्याप्त विशाल है, तो यह इसकी थर्मल रेडिएशन को शून्य के करीब तक कम कर देगा। यह निष्कर्ष बताता है कि यदि हम एक विशाल डार्क मैटर हेलो (halo) वाले ब्लैक होल को देखते हैं, तो यह मानक मॉडलों की तुलना में बहुत अधिक ठंडा और बड़ा दिखाई देगा।
यह परीक्षण करने के लिए कि क्या उनका मॉडल वास्तविकता से मेल खाता है, शोधकर्ताओं ने अपने परिणामों की तुलना इवेंट होराइजन टेलीस्कोप द्वारा कैप्चर की गई वास्तविक छवियों से की, जिसने हमारी अपनी आकाशगंगा के केंद्र में स्थित सैजिटेरियस ए* (Sagittarius A*) और गैलेक्सी M87 के ब्लैक होल की छाया की तस्वीरें ली हैं। उन्होंने पाया कि M87 के ब्लैक होल के लिए, डार्क मैटर की मात्रा अपेक्षाकृत कम होनी चाहिए, जो उस महत्वपूर्ण सीमा से काफी नीचे है जो बड़े विस्तार का कारण बनती है। हमारी अपनी आकाशगंगा के ब्लैक होल के लिए, प्रतिबंध और भी कड़े हैं; 0.9 के स्पिन पैरामीटर के लिए, ड laक मैटर का द्रव्यमान ब्लैक होल के अपने द्रव्यमान के लगभग 22.4% से कम होना चाहिए ताकि वह देखी गई छाया के आकार में फिट हो सके। यदि डार्क मैटर इससे अधिक भारी होता, तो छाया देखी गई छाया की तुलना में बहुत बड़ी होती।
ये निष्कर्ष ब्रह्मांड के बारे में हमारी समझ का परीक्षण करने का एक नया तरीका प्रदान करते हैं। वे सुझाव देते हैं कि हालांकि डार्क मैटर ब्रह्मांड का एक मौलिक हिस्सा है, लेकिन यह संभवतः सुपरमैसिव ब्लैक होल के ठीक आसपास अत्यधिक, सघन खोलों के रूप में जमा नहीं होता है। यदि ऐसा होता, तो जो छाया हम देखते हैं वह बहुत अलग होती—कहीं अधिक बड़ी और अधिक पूर्णतः गोल। यह अध्ययन एक स्पष्ट, अवलोकन संबंधी सीमा प्रदान करता है: डार्क मैटर जो इन ब्रह्मांडीय दिग्गजों के चारों ओर है, उसे एक विशिष्ट वजन सीमा के नीचे रहना चाहिए, अन्यथा ब्रह्मांड के प्रति हमारे वर्तमान दृष्टिकोण को फिर से लिखने की आवश्यकता होगी। ब्लैक होल की छाया के दृश्य आकार को डार्क मैटर के अदृश्य भार से जोड़कर, शोधकर्ताओं ने एक सैद्धांतिक पहेली को एक परीक्षण योग्य भविष्यवाणी में बदल दिया है, जिसका उपयोग वे आकाश के सबसे काले पिंडों का उपयोग करके ब्रह्मांड के सबसे रहस्यमय पदार्थ को तौलने के लिए कर रहे हैं।
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