Defrosting the Born-Infeld dyonic frozen star with tachyon matter: spectrum of oscillations

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल, ब्रह्मांडीय मंच है जहाँ ब्लैक होल सबसे नाटकीय अभिनेता हैं। दशकों से, वैज्ञानिक यह समझने की कोशिश कर रहे हैं कि इन रहस्यमय दिग्गजों के अंदर वास्तव में क्या होता है। सामान्य सापेक्षता (General Relativity) के मानक नियमों के अनुसार, एक ब्लैक होल का केंद्र एक "सिंगुलैरिटी" (singularity) होता है—एक ऐसा बिंदु जहाँ पदार्थ इतना कसकर दब जाता है कि भौतिकी के नियम टूट जाते हैं, और गणित का कोई अर्थ नहीं रह जाता। यह एक फिल्म के 'प्लॉट होल' की तरह है जहाँ कहानी अचानक समाप्त हो जाती है। लेकिन कई भौतिक विज्ञानी 'प्लॉट होल' से नफरत करते हैं। उन्हें संदेह है कि यदि हम करीब से देखें, तो अंदर एक वास्तविक, भौतिक वस्तु छिपी हुई है, जो नियमों को तोड़ती नहीं है बल्कि उनके एक अलग सेट के अनुसार खेलती है। यहीं पर "फ्रोजन स्टार" (frozen star) का विचार आता है। सिंगुलैरिटी के बजाय, एक ऐसे तारे की कल्पना करें जो इतना अधिक ढह गया है कि बाहर से देखने पर समय उसके लिए रुकता हुआ प्रतीत होता है, जिससे वह बिल्कुल एक ब्लैक होल जैसा दिखता है, लेकिन अंदर से, वह एक ठोस, स्थिर वस्तु है जिसमें विनाशकारी बिंदु (crushing point) नहीं है।

बड़ा सवाल यह है: यदि ये फ्रोजन स्टार असली हैं, तो हम उन्हें आइंस्टीन द्वारा अनुमानित "असली" ब्लैक होल से कैसे अलग पहचानेंगे? यदि वे बाहर से एक जैसे दिखते हैं, तो हम कैसे साबित कर सकते हैं कि वे अस्तित्व में हैं? उत्तर यह हो सकता है कि वे कैसे "गुनगुनाते" हैं। ठीक वैसे ही जैसे किसी तार को छेड़ने पर गिटार का तार कंपन करता है, इन ब्रह्मांडीय पिंडों के अपने आंतरिक गीत हो सकते हैं। यदि एक फ्रोजन स्टार वास्तव में एक ठोस वस्तु है, तो उसे केवल चुपचाप नहीं बैठना चाहिए; उसमें हिलने, धड़कने और घंटी की तरह बजने की क्षमता होनी चाहिए। चुनौती यह है कि फ्रोजन स्टार का मानक मॉडल इतना पूर्ण रूप से कठोर है कि वह बिल्कुल भी कंपन नहीं कर सकता—वह अपनी जगह पर "जमा हुआ" (frozen) है। इसके गीत को सुनने के लिए, वैज्ञानिकों को इसे बस इतना "पिघलाना" (defrost) होगा कि यह भौतिकी के नियमों को तोड़े बिना कंपन कर सके। यही वह पहेली थी जिसे हल करने के लिए शोधकर्ताओं की एक टीम निकल पड़ी।

द कॉस्मिक आइस क्यूब एंड द मैजिक मेल्टिंग पॉट

इस नए अध्ययन में, भौतिक विज्ञानी राम ब्रुस्टीन, ए.जे.एम. मेदवेट और तामर सिमोन "फ्रोजन स्टार" पर करीब से नज़र डालते हैं। एक फ्रोजन स्टार को अत्यधिक कसी हुई चुंबकीय और विद्युत नलिकाओं से बने एक ब्रह्मांडीय आइस क्यूब के रूप में सोचें। अपनी मूल, "जमी हुई" अवस्था में, ये नलिकाएं इतनी कठोर होती हैं कि तारा लगभग अचल होता है। यह हीरे की बनी एक मूर्ति की तरह है; यदि आप इसे थपथपाते हैं, तो यह कंपन नहीं करता क्योंकि यह बहुत सख्त है। यह कठोरता एक विशेष प्रकार के पदार्थ (जिसे बोर्न-इन्फेल्ड लैग्रेंजियन कहा जाता है, जो केवल एक फैंसी गणितीय विधि है कि यह ब्रह्मांडीय तरल कैसे व्यवहार करता है) से आती है जो तारे को पूरी तरह से स्थिर रखती है।

लेकिन यहाँ एक पेच है: यदि तारा बहुत अधिक स्थिर है, तो वह हमें कुछ भी नया नहीं बता सकता। इसे दिलचस्प बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को इसे "पिघलाना" (defrost) आवश्यक था। वे देखना चाहते थे कि क्या होता है यदि तारा पहले जितना सख्त नहीं है, जिससे इसमें थोड़ी आंतरिक गति या "स्पंदन" (pulsation) हो सके। ऐसा करने के लिए, उन्हें अपनी ब्रह्मांडीय रेसिपी में कुछ नए घटक जोड़ने पड़े। उन्होंने थोड़ा सा "मैग्नेटिक मोनोपोल" चार्ज (एक चुंबकीय कण जो एक एकल उत्तर या दक्षिण ध्रुव की तरह कार्य करता है, जो हमारे ब्रह्मेल में दुर्लभ है) और कुछ "टैच्योन मैटर" (एक प्रकार की विलक्षण ऊर्जा जो नलिकाओं को खींचने और दबाने में मदद करती है) पेश किया।

इन घटकों को जोड़कर, उन्होंने कठोर "फ्रोजन स्टार" को एक "डिफ्रॉस्टेड स्टार" में बदल दिया, जिसे वे मजाक में "डायन" (DIon - इलेक्ट्रिक और मैग्नेटिक चार्ज का मिश्रण) कहते हैं। कल्पना कीजिए कि आप उस हीरे की मूर्ति में थोड़ा सा रबर मिला रहे हैं। अब, एक ठोस ब्लॉक होने के बजाय, यह उछल और हिल सकता है।

डिफ्रॉस्टेड स्टार का गीत

इस पेपर की मुख्य खोज यह है कि एक बार जब उन्होंने तारे को "पिघला" दिया, तो वे अंततः उसका गीत निकाल सके। उन्होंने पाया कि तारा केवल बेतरतीब ढंग से कंपन नहीं करता है; इसके पास बहुत विशिष्ट स्वर, या "ऑसिलेशन मोड्स" (oscillation modes) हैं।

यहाँ दिलचस्प बात यह है: इन तारों के कंपन करने का तरीका सामान्य ब्लैक होल के व्यवहार से बहुत अलग है।

• सामान्य ब्लैक होल: यदि आप एक मानक ब्लैक होल से टकराते हैं, तो यह एक ऐसी घंटी की तरह बजता है जो जल्दी ही अपनी आवाज़ खो देती है। कंपन बहुत तेज़ी से खत्म हो जाते हैं। इन्हें "क्वासी-नॉर्मल मोड्स" (quasi-normal modes) कहा जाता है, और ये लगभग तुरंत ही फीके पड़ जाते हैं।
• डिफ्रॉस्टेड स्टार्स: हालांकि, डिफ्रॉस्टेड स्टार्स एक बहुत अलग धुन गाते हैं। उनके कंपन "नॉन-रिलेटिविस्टिक" (non-relativistic) होते हैं, जो एक फैंसी तरीका है यह कहने का कि वे प्रकाश की गति से बहुत धीमी गति से चलते हैं। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि उनकी जीवन अवधि (lifetimes) अत्यंत लंबी होती है।

शोधकर्ताओं ने पाया कि तारे के भीतर इन ध्वनि तरंगों की गति बहुत धीमी है, जो $\gamma$ (गामा) नामक एक छोटी संख्या के साथ स्केल करती है। क्योंकि तारा इतना "कठोर" (केवल थोड़ा सा डिफ्रस्ड) है, इसलिए कंपन को खत्म होने में बहुत लंबा समय लगता है। इन कंपनों की जीवन अवधि $1/\gamma^2$ के रूप में स्केल करती है।

इसे समझने के लिए: यदि $\gamma$ एक बहुत छोटी संख्या है (जैसे 0.01), तो $1/\gamma^2$ एक बहुत बड़ी संख्या है (10,000)। इसका अर्थ है कि एक सामान्य ब्लैक होल की तुलना में तारा बहुत, बहुत लंबे समय तक बज सकता है। यह एक ऐसी घंटी के बीच का अंतर है जो एक सेकंड में रुक जाती है और एक ऐसी घंटी के बीच जो घंटों तक गुनगुनाती रहती है।

यह क्यों मायने रखता है

टीम ने केवल अनुमान नहीं लगाया; उन्होंने एक कठोर गणितीय ढांचे का उपयोग किया जो "लैग्रेंजियन" (एक मास्टर समीकरण जो ऊर्जा और पदार्थ के संचलन का वर्णन करता है) पर आधारित है। इस पद्धति का उपयोग करके, उन्होंने सिद्ध किया कि उनके परिणाम सुसंगत और स्थिर हैं, भले ही तारा पूरी तरह से गोल न हो। यह एक बड़ी बात है क्योंकि पिछले अध्ययनों को कुछ सरलीकृत धारणाओं को मानना पड़ा था जो वास्तविक दुनिया में लागू नहीं हो सकती हैं।

यह पेपर स्पष्ट रूप से इस विचार को खारिज करता है कि फ्रोजन स्टार पूरी तरह से कठोर और शांत है। यह तर्क देता है कि किसी भी आंतरिक गति को होने के लिए, आपके पास वह अतिरिक्त चुंबकीय चार्ज और टैच्योन ऊर्जा होनी ही चाहिए। उनके बिना, तारा जमा हुआ और शांत रहता है।

लेखक अपने गणित को लेकर आश्वस्त हैं। उन्होंने उन सटीक समीकरणों को प्राप्त किया है जो इन कंपनों का वर्णन करते हैं और दिखाया है कि वे पहले के अधिक जटिल गणनाओं के साथ मेल खाते हैं। उन्होंने अभी तक इन तारों का अवलोकन नहीं किया है (क्योंकि हम ब्लैक होल के अंदर नहीं देख सकते), लेकिन उन्होंने एक स्पष्ट "फिंगरप्रिंट" प्रदान किया है कि क्या देखना है। यदि हम कभी एक ऐसा गुरुत्वाकर्षण तरंग (space-time में लहर) का पता लगाते जो असामान्य रूप से लंबे समय तक बजता है और जिसकी गति बहुत धीमी (non-relativistic) है, तो यह एक मानक ब्लैक होल के बजाय एक डिफ्रॉस्टेड स्टार का संकेत हो सकता है।

संक्षेप में, यह पेपर हमें ब्रह्मांड को सुनने का एक नया तरीका देता है। यह सुझाव देता है कि यदि ब्लैक होल वास्तव में ये "फ्रोजन स्टार" हैं, तो वे मौन, मृत अंत नहीं हैं। वे ब्रह्मांडीय घंटियाँ हैं जो बहुत लंबे समय तक बज सकती हैं, और हमारे द्वारा अंततः उनके गीत को सुनने के लिए ट्यून होने की प्रतीक्षा कर रही हैं।