Regular Black Hole Formation and Gamma-Ray Burst from Matter Conversion

ब्रह्मांडीय निर्माण स्थल: जब तारे ढहते हैं और गाते हैं

ब्रह्मांड की कल्पना एक विशाल, ब्रह्मांडीय निर्माण स्थल (construction site) के रूप में करें जहाँ गुरुत्वाकर्षण अंतिम फोरमैन है। कभी-कभी, एक विशाल तारा अपना ईंधन समाप्त कर देता है और अपने स्वयं के भार के विरुद्ध खुद को थामे रखने में असमर्थ हो जाता है। यह अंदर की ओर ढहना शुरू कर देता है, छोटा और छोटा होता जाता है। भौतिकी की मानक कहानी में, यह पतन अनंत काल तक चलता है, उस समस्त पदार्थ को एक एकल, अनंत रूप से सघन बिंदु में कुचल देता है जिसे "सिंगुलैरिटी" (singularity) कहा जाता है। इसे एक ऐसी इमारत के ढहने की तरह समझें जो धूल के एक ऐसे कण में बदल जाती है जो इतना छोटा है कि भौतिकी के नियमों को तोड़ देता है, जिससे एक ऐसी जगह बन जाती है जहाँ हमारे वर्तमान नियम काम करना बंद कर देते हैं। यह वही "ब्लैक होल" है जिसके बारे में हम आमतौर पर सुनते हैं—एक ऐसा अंतरिक्ष क्षेत्र जो इतना भारी है कि प्रकाश भी उससे बच नहीं सकता।

हालाँकि, कई वैज्ञानिकों को संदेह है कि प्रकृति के पास शायद कोई 'सेफ्टी स्विच' (सुरक्षा स्विच) हो सकता है। वे सोचते हैं कि, चीजों के उस असंभव कण में कुचलने से ठीक पहले, क्या उसके भीतर का पदार्थ अपना व्यक्तित्व बदल सकता है। एक गणितीय त्रुटि बनने के बजाय, यह एक नए, विलक्षण (exotic) अवस्था में बदल सकता है जो गुरुत्वाकर्षण के विरुद्ध दबाव डालता है, जिससे एक "नियमित" (regular) ब्लैक होल बनता है जिसका केंद्र टूटा हुआ बिंदु होने के बजाय एक चिकना, सघन कोर होता है। बड़ा सवाल यह है: यदि यह परिवर्तन होता है, तो क्या यह बस अंधेरे में चुपचाप होता है, या यह एक तमाशा करता है? यदि एक तारा इस नए प्रकार के पदार्थ में बदल रहा है, तो उसे कुछ ऊर्जा बाहर निकालनी ही होगी। क्या वह ऊर्जा प्रकाश की एक चमक के रूप में ब्रह्मांड में बाहर निकल सकती है? यह रहस्य एक नया शोध पत्र है जिसे विटालियस वर्टोग्राडोव, झन्ना कुज़नेत्सोवा और यू शी ने हल करने का प्रयास किया है। वे पूछ रहे हैं कि क्या इन "सुरक्षित" ब्लैक होल्स का जन्म इन सबसे चमकदार विस्फोटों के पीछे का गुप्त इंजन हो सकता है: गामा-रे बर्स्ट (Gamma-Ray Bursts)।

शोध पत्र की कहानी: एक तारे का बड़ा रूपांतरण

इस शोध पत्र के लेखक एक नाटकीय परिदृश्य प्रस्तावित करते हैं कि क्या होता है जब एक विशाल तारा मरता है। वे सुझाव देते हैं कि जैसे-जैसे तारा ढहता है, वह साधारण चीज़ जिससे वह बना है (बैरियोनिक मैटर), केवल एक सिंगुलैरिटी में नहीं कुचला जाता। इसके बजाय, एक महत्वपूर्ण क्षण पर, यह एक चरण संक्रमण (phase transition) से गुजरता है—जैसे पानी अचानक बर्फ में बदल जाता है, लेकिन बहुत अधिक चरम रूप में। यह एक नए प्रकार के "विलक्षण" (exotic) पदार्थ में बदल जाता है जो एक वैक्यूम की तरह कार्य करता है, जो एक खतरनाक सिंगुलैरिटी के निर्माण को रोकने के लिए गुरुत्वाकर्षण के विरुद्ध दबाव डालता है।

यहाँ पेच यह है: आप बिना परिणामों के पदार्थ को बदल नहीं सकते। जब यह परिवर्तन होता है, तो ऊर्जा को कहीं न कहीं जाना ही होगा। लेखक गणना करते हैं कि यह बदलाव विकिरण (radiation) के रूप में एक विशाल मात्रा में ऊर्जा मुक्त करता है। यदि यह ब्लैक होल के "इवेंट होराइजन" (वापसी न होने वाला बिंदु) के पूरी तरह से बंद होने से पहले होता है, तो इस ऊर्जा का कुछ हिस्सा बाहर निकल सकता है। शोध पत्र का सुझाव है कि यह निकलती हुई ऊर्जा बिल्कुल एक गामा-रे बर्स्ट (GRB) की तरह दिख सकती है—उच्च-ऊर्जा प्रकाश की एक अंधा कर देने वाली चमक जो ब्रह्मांड की सबसे चमकदार घटनाओं में से एक है।

इस विचार का परीक्षण करने के लिए, टीम ने इन "नियमित" ब्लैक होल्स के लिए तीन प्रसिद्ध गणितीय मॉडलों का अध्ययन किया: डिमनिका (Dymnikova), हेवर्ड (Hayward), और बार्डिन (Bardeen) मॉडल। उन्होंने ढहते हुए तारे को एक सैंडविच की तरह माना। इसके अंदर नया, विलक्षण पदार्थ है जो सिंगुलैरिटी को रोक रहा है, और इसके बाहर साधारण पदार्थ है जो अभी भी ढह रहा है। उन्होंने ठीक से पता लगाया कि कहाँ "फिलिंग" (नया पदार्थ) "ब्रेड" (पुराना पदार्थ) से मिलती है और उस संक्रमण क्षेत्र में कितनी विकिरण मुक्त होती है।

उन्होंने क्या पाया:
टीम ने पाया कि गणित काम करता है। साधारण पदार्थ से इस नए, सिंगुलैरिटी-बचाव वाले पदार्थ में संक्रमण वास्तव में विकिरण का एक बड़ा विस्फोट उत्पन्न करता है। वास्तव में, मुक्त की गई ऊर्जा की मात्रा हमारे द्वारा देखे गए सबसे शक्तिशाली गामा-रे बर्स्ट के बराबर है, जो लगभग $10^{55}$ erg s$^{-1}$ की चमक तक पहुँच सकती है।

हालाँकि, इसके काम करने के लिए एक सख्त शर्त है। विकिरण को आकाश में दिखने वाली चमक के बराबर होने के लिए, "नया" ब्लैक होल अपने सतह के पास मानक ब्लैक होल से बहुत अलग नहीं होना चाहिए। लेखक दिखाते हैं कि "रेगुलराइजिंग" प्रभाव—वे अजीब भौतिकी जो सिंगुलैरिटी को रोकते हैं—ब्लैक होल के बाहरी किनारे के पास बहुत कमजोर होने चाहिए। यदि ये प्रभाव बहुत मजबूत होते, तो ब्लैक होल मानक प्रकार से बहुत अलग दिखता, और ऊर्जा का उत्सर्जन अवलोकनों से मेल नहीं खाता।

"स्वीट स्पॉट" के अंक:
शोध पत्र यह देखने के लिए आंकड़े जुटाता है कि ये ब्लैक होल डेटा के अनुकूल होने तक कितने "नियमित" हो सकते हैं। उन्होंने पाया कि डिमनिका मॉडल के लिए, उस पैरामीटर का वर्णन करने वाला जो नए कोर के आकार को बताता है, ब्लैक होल के द्रव्यमान का लगभग $5.747 \times 10^{-1}$ गुना होना चाहिए। हेवर्ड और बार्डिन मॉडल के लिए, यह पैरामीटर और भी छोटा, द्रव्यमान का लगभग $1.633 \times 10^{-2}$ गुना होना चाहिए।

साधारण अंग्रेजी में इसका क्या अर्थ है? इसका मतलब है कि यदि ये नियमित ब्लैक होल मौजूद हैं, तो वे लगभग बिल्कुल वैसे ही दिखते हैं जैसे कि ब्लैक होल जिन्हें हम पहले से जानते हैं। उनका बाहरी किनारा (इवेंट होराइजन) मानक भविष्यवाणी से केवल थोड़ा सा भिन्न है। उदाहरण के लिए, 10 सूर्यों ($10 M_{\odot}$) के द्रव्यमान वाले ब्लैक होल के लिए, बाहरी क्षितिज मानक श्वार्ज़चाइल्ड त्रिज्या (Schwarzschild radius) का लगभग $1.9999$गुना होगा, जो कि लगभग$29.53$ किलोमीटर है। अंतर इतना कम है कि यह एक बास्केटबॉल पर बाल की मोटाई मापने जैसा है।

यह क्या खारिज करता है:
शोध पत्र स्पष्ट रूप से इस विचार के विरुद्ध तर्क देता है कि ये नियमित ब्लैक होल मानक ब्लैक होल्स से बहुत अलग होकर भी देखे गए GRBs को उत्पन्न कर सकते हैं। यदि "रेगुलराइजिंग" प्रभाव बहुत मजबूत होते (अर्थात ब्लैक होल मानक प्रकार से बहुत अलग दिखता), तो गणित कहता है कि विकिरण इतना चमकीला नहीं होता कि देखे गए गामा-रे बर्स्ट से मेल खा सके। इसलिए, यदि यह सिद्धांत सही है, तो ब्रह्मांड इन विलक्षण कोरों को एक बहुत ही पतली परत के पीछे छिपा रहा है जो एक सामान्य ब्लैक होल के समान ही दिखाई देती है।

वे कितने आश्वस्त हैं?
लेखक इसे एक "संभावित तंत्र" (possible mechanism) कहने में सावधानी बरतते हैं। उन्होंने प्रत्यक्ष रूप से किसी नियमित ब्लैक होल का अवलोकन नहीं किया है, न ही उन्होंने हर विवरण के साथ सुपरकंप्यूटर में पूरे पतन का अनुकरण (simulation) किया है। इसके बजाय, उन्होंने गणितीय मॉडलों का उपयोग यह दिखाने के लिए किया है कि ऊर्जा का उत्सर्जन हो सकता है और यह ज्ञात विस्फोटों की चमक से मेल खा सकता है। वे सुझाव देते हैं कि यह प्रक्रिया GRBs के लिए एक प्रशंसनीय स्पष्टीकरण है, लेकिन यह एक परिकल्पना बनी हुई है जिस पर और काम करने की आवश्यकता है। वे स्वीकार करते हैं कि उनका मॉडल एक "पहला कदम" है और उन्होंने अभी तक प्रकाश के सटीक रंग स्पेक्ट्रम या तारे के घूमने से चीजें कैसे बदल सकती हैं, इसका पता नहीं लगाया है।

संक्षेप में, शोध पत्र एक जीवंत चित्र खींचता है: एक मरता हुआ तारा खुद को टूटी हुई सिंगुलैरिटी बनने से बचाने के लिए एक नए प्रकार के पदार्थ में बदलकर खुद को बचा सकता है, और ऐसा करने में, वह एक ऐसा ब्रह्मांडीय उत्सव मनाता है जो एक पल के लिए ब्रह्मांड को रोशन कर देता है। लेकिन साक्ष्यों के फिट होने के लिए, पार्टी को एक ऐसे कमरे में आयोजित किया जाना चाहिए जो लगभग बिल्कुल वैसा ही दिखता हो जैसा कि हम हमेशा से जानते आए हैं।