Constraining primordial black holes and primordial curvature power spectrum with extragalactic muon neutrino

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल, अदृश्य महासागर है जो "डार्क मैटर" से बना है, एक रहस्यमय पदार्थ जो आकाशगंगाओं को एक साथ थामे रखता है लेकिन अपना चेहरा दिखाने से इनकार कर देता है। लंबे समय तक, वैज्ञानिकों ने सोचा कि यह महासागर एक ही चीज़ से बना है: WIMPs (वीकली इंटरैक्टिंग मैसिव पार्टिकल्स) नामक सूक्ष्म, भूतिया कण। लेकिन उन्हें खोजने के लिए विशाल डिटेक्टरों का उपयोग करने के बावजूद, आज तक कोई भी WIMP को रंगे हाथों पकड़ नहीं पाया है।

फिर, एक नया विचार सामने आया: शायद यह महासागर केवल भूतों से नहीं बना है। शायद यह भूतों और "प्राइमॉर्डियल ब्लैक होल्स" (PBHs) का मिश्रण है—छोटे, प्राचीन ब्लैक होल्स जो बिग बैंग के शुरुआती अराजक सेकंडों में पैदा हुए थे, तारों के अस्तित्व में आने से बहुत पहले।

युपेंग यांग का यह शोध पत्र एक सरल, चंचल प्रश्न पूछता है: यदि ये दो प्रकार के डार्क मैटर एक साथ रह रहे हैं, तो वे किस तरह का शोर करेंगे?

कॉस्मिक स्नोबॉल प्रभाव (The Cosmic Snowball Effect)

यहाँ सेटअप दिया गया है। जब एक प्राइमॉर्डल ब्लैक होल बनता है, तो वह एक ब्रह्मांडीय वैक्यूम क्लीनर की तरह काम करता है। वह अपने आस-पास के WIMPs को खींचना शुरू कर देता है। क्योंकि ब्लैक होल इतना सघन है, वह इन कणों को इतनी मजबूती से अपनी ओर खींचता है कि वे इसके चारों ओर एक अत्यंत सघन "स्नोबॉल" बना लेते हैं, जिसे अल्ट्राकॉम्पैक्ट मिनीहेलो (UCMH) कहा जाता है।

एक सामान्य डार्क मैटर हेलो को कपास के कैंडी (cotton candy) के एक फुफ्फुसीय बादल के रूप में सोचें। अब, एक UCMH को उसी कपास के कैंडी के एक पत्थर जैसे सख्त, संकुचित गोले के रूप में कल्पना करें। इसके अंदर के कण इतने कसकर भरे हुए हैं कि वे व्यावहारिक रूप से एक-दूसरे से टकरा रहे हैं।

जब WIMPs आपस में टकराते हैं, तो वे विलीन हो जाते हैं—पफ! वे गायब हो जाते हैं और ऊर्जा छोड़ते हैं। चूंकि UCMH में कण इतने घने होते हैं, इसलिए यह "पफ" एक सामान्य बादल की तुलना में बहुत अधिक बार होता है। ऊर्जा का यह विस्फोट एक संकेत भेजेगा।

जासूसी कार्य: न्यूट्रिनो की आवाज़ सुनना

पिछले जासूसों ने इस संकेत को गामा किरणों (उच्च-ऊर्जा प्रकाश) के रूप में खोजा था। लेकिन यह शोध पत्र कुछ और सुनने का निर्णय लेता है: म्यूऑन न्यूट्रिनो (muon neutrinos)। ये भूतिया कण हैं जो लगभग हर चीज़ के माध्यम से गुजर सकते हैं, जिसमें पूरी पृथ्वी भी शामिल है।

लेखक IceCube प्रयोग की कल्पना करते हैं, जो दक्षिण ध्रुव में बर्फ की गहराई में दबा हुआ एक विशाल टेलीस्कोप है। IceCube एक विशाल, पारदर्शी जेलीफ़िश की तरह है जो न्यूट्रिनों को पकड़ने के लिए इंतज़ार कर रहा है। जब एक न्यूट्रिनो बर्फ से टकराता है, तो वह एक म्यूऑन (इलेक्ट्रॉन का भारी चचेरा भाई) बनाता है जो बर्फ के माध्यम से तेज़ी से दौड़ता है, जिससे नीली रोशनी (चेरेनकोव रेडिएशन) की एक लकीर छूटती है जिसे IceCube देख सकता है।

शोध पत्र IceCube द्वारा इन म्यूऑनों को पकड़ने के दो तरीकों को देखता है:

1. कंटेनड इवेंट्स (Contained Events): म्यूऑन डिटेक्टर के अंदर पैदा होता है।
2. अपवर्ड इवेंट्स (Upward Events): म्यूऑन डिटेक्टर के बाहर, पृथ्वी के दूसरी ओर, पैदा होता है और डिटेक्टर से टकराने के लिए ग्रह के ऊपर की ओर यात्रा करता है।

बड़ी खोज: "नो-गो" ज़ोन (The "No-Go" Zone)

लेखक गणना चलाते हैं कि यदि ब्रह्मांड इन WIMP-ब्लैक होल स्नोबॉल्स से भरा है, तो हमें कितने न्यूट्रिनो दिखने चाहिए। फिर, वे इसकी तुलना "बैकग्राउंड नॉइज़" से करते हैं—वायुमंडल से पृथ्वी पर बरसने वाले प्राकृतिक न्यूट्रिनो (जैसे कॉस्मिक स्टैटिक) से।

परिणाम: शोध पत्र पाता है कि यदि इन ब्लैक होल्स की संख्या बहुत अधिक होती, तो न्यूट्रिनो का संकेत इतना तेज़ होता कि वह वायुमंडलीय शोर को दबा देता। चूंकि IceCube ने अभी तक कोई गर्जना नहीं सुनी है, इसलिए लेखक रेत में एक रेखा खींच सकते हैं।

वे गणना करते हैं कि डार्क मैटर की कितनी अधिकतम मात्रा प्राइमॉर्डल ब्लैक होल्स से बनी हो सकती है बिना ब्रह्मांड के नियमों को तोड़े।

• 10³ GeV के WIMP द्रव्यमान और 10³ M⊙ (सौर द्रव्यमान) के ब्लैक होल द्रव्यमान के लिए, ब्लैक होल वाला डार्क मैटर का अंश (fPBH) कंटेनड इवेंट्स के लिए 10⁻⁴ से कम होना चाहिए।
• अपवर्ड इवेंट्स के लिए, सीमा और भी सख्त है: fPBH को 4 × 10⁻⁵ से कम होना चाहिए।

साधारण शब्दों में: यदि प्राइमॉर्डल ब्लैक होल्स कुल डार्क मैटर का 0.01% (या 0.004%) से अधिक हिस्सा बनाते, तो अब तक हमने न्यूट्रिनो का एक बड़ा उछाल देखा होता। हमने ऐसा नहीं देखा। इसलिए, वे इतने आम नहीं हो सकते।

यह हमें क्या बताता है

यह अध्ययन डार्क मैटर के हिस्से पर सख्त ऊपरी सीमाएं (upper limits) स्थापित करता है। यह सुझाव देता है कि भले ही ब्लैक होल्स मौजूद हो सकते हैं, लेकिन वे संभवतः डार्क मैटर के सूप में केवल एक छोटी सी छिड़काव की तरह हैं, न कि पूरा भोजन, कम से कम उन द्रव्यमान श्रेणियों के भीतर जिनका परीक्षण किया गया है (विशेष रूप से 10³ M⊙ के आसपास)।

महत्वपूर्ण रूप से, यह शोध पत्र इन खोजों को करने के लिए "मिश्रित" परिदृश्य (WIMPs + Black Holes) पर निर्भर करता है। यह इस विचार का खंडन नहीं करता कि वे सह-अस्तित्व में हैं; बल्कि, यह उनके बीच की अनूठी, तेज़ सिग्नेचर का उपयोग करके यह निर्धारित करने के लिए करता है कि कितने ब्लैक होल्स मौजूद हो सकते हैं।

प्रभाव की लहर: स्पेसटाइम में लहरें (The Ripple Effect)

यहाँ दिलचस्प बात है। इन ब्लैक होल्स का निर्माण इस बात पर निर्भर करता है कि ब्रह्मांड अपने बचपन में कितना "उबड़-खाबब" (bumpy) था। वैज्ञानिक इसे प्राइमॉर्डियल कर्वेचर पावर स्पेक्ट्रम (PR) कहते हैं। यह प्रारंभिक ब्रह्मांड के महासागर में लहरों के आकार को मापने जैसा है।

यह कहकर कि "बहुत अधिक ब्लैक होल्स नहीं हो सकते," शोध पत्र प्रभावी रूप से कहता है कि "प्रारंभिक ब्रह्मांड में लहरें बहुत बड़ी नहीं रही होंगी।"

• अपने सबसे मजबूत सीमा के आधार पर, लेखक सुझाव देते हैं कि एक विशिष्ट पैमाने (k ∼ 3 × 10¹² Mpc⁻¹) पर, इन लहरों की शक्ति (PR) 10⁻¹.⁶⁵ से कम होनी चाहिए।

यह प्रारंभिक ब्रह्मांड के लिए एक नया, सख्त नियम है। यह कहने जैसा है, "हम जानते हैं कि प्रारंभिक ब्रह्मांड की लहरें 5 फीट से अधिक ऊँची नहीं हो सकती थीं, क्योंकि यदि वे होतीं, तो ब्लैक होल्स (नावों) ने पूरे बेड़े को पलट दिया होता।"

वे कितने आश्वस्त हैं?

लेखक सावधान हैं। उन्होंने ब्लैक होल्स को खोजा नहीं है; उन्होंने WIMPs को भी नहीं खोजा है। इसके बजाय, उन्होंने सिमुलेशन और सैद्धांतिक गणनाओं का उपयोग यह कहने के लिए किया है कि, "यदि ये चीज़ें बड़ी संख्या में मौजूद होतीं, तो हम X देखते। चूंकि हमने X नहीं देखा, इसलिए वे शायद उतने बड़े नहीं हैं।"

वे अपने गणित और IceCube के डेटा को लेकर आश्वस्त हैं, लेकिन वे ऊपरी सीमाएं (एक "सीलिंग" कि ये चीज़ें कितनी बड़ी हो सकती हैं) प्रस्तुत कर रहे हैं, न कि कोई खोज। वे अनिवार्य रूप से हमें बता रहे हैं कि ब्रह्मांड क्या नहीं है, जो कि यह जानने जितना ही महत्वपूर्ण है कि वह क्या है।

तो, अगली बार जब आप सितारों की ओर देखें, तो याद रखें: ब्रह्मांड संभवतः एक शांत जगह है जहाँ डार्क मैटर मुख्य रूप से भूतों से बना है, जिसमें केवल प्राचीन ब्लैक होल्स की एक बहुत छोटी, बहुत छोटी छिड़काव अंधेरे में छिपी हुई है, जो अपना शोर कम रख रहे हैं ताकि हम उन्हें सुन न सकें।