Geometry-Induced Termination of the Repetitive Penrose Process in Rotating Simpson-Visser Black Holes

ब्रह्मांड की कल्पना एक भव्य ब्रह्मांडीय खेल के मैदान के रूप में करें, जहाँ सबसे चरम उपकरण एक ब्लैक होल है। दशकों से, भौतिकविदों ब्लैक होल के घूमने (spinning) से मंत्रमुग्ध रहे हैं, न केवल इसलिए कि वे डरावने रूप से भारी हैं, बल्कि इसलिए भी क्योंकि वे ब्रह्मांडीय बैटरी की तरह हैं। 1960 के दशक में, रोजर पेनरोस नामक एक भौतिक विज्ञानी ने एक चतुर तरकीब खोजी: यदि आप एक घूमते हुए ब्लैक होल के ठीक बाहर (जिसे एर्गोस्फीयर कहा जाता है) के चारों ओर घूमते हुए "डांस फ्लोर" में एक पत्थर फेंकते हैं, और वह पत्थर टूट जाता है, तो एक टुकड़ा "ऋणात्मक ऊर्जा" (negative energy) के साथ अंदर गिर सकता है जबकि दूसरा टुकड़ा मूल पत्थर की तुलना में अधिक ऊर्जा के साथ बाहर उड़ जाता है। यह एक घूमते हुए हिंडोले (carousel) में गेंद फेंकने जैसा है, जिसमें गेंद टूट जाती है, और आप देखते हैं कि एक टुकड़ा उतनी ही तेजी से बाहर निकलता है जितनी तेजी से आपने उसे फेंका था, जबकि दूसरा टुकड़ा केंद्र में खिंच जाता है, जिससे हिंडोला धीमा हो जाता है। यह "पेनरोस प्रक्रिया" (Penrose Process) है, जो ब्लैक होल से घूर्णन ऊर्जा चुराने का एक तरीका है।

लेकिन क्या होगा यदि आप इसे करते रहें? क्या होगा यदि आपके पास कणों की एक सेना हो, एक के बाद एक, टूटते हुए और ऊर्जा चुराते हुए, जब तक कि ब्लैक होल पूरी तरह से घूमना बंद न कर दे? लंबे समय तक, वैज्ञानिकों ने सोचा कि यह प्रक्रिया तब तक चलती रहेगी जब तक कि स्पिन खत्म न हो जाए। हालांकि, वास्तविक भौतिकी शायद इतनी सरल नहीं होती। यह नया अध्ययन एक नया प्रश्न पूछता है: क्या होगा यदि ब्लैक होल मानक, पाठ्यपुस्तकीय प्रकार का नहीं है? क्या होगा यदि इसके आसपास का स्थान (space) थोड़ा "नियमित" (regularized) हो—अर्थात, इसे इस तरह सुधारा गया है कि केंद्र में कोई कुचलने वाला, अनंत बिंदु होने के बजाय एक कोमल उछाल (bounce) हो? शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि क्या अंतरिक्ष का यह चिकना, अजीब आकार खेल के नियमों को बदल देगा, जो ऊर्जा की इस चोरी को उस तरह से रोक देगा जैसे मानक ब्लैक होल कभी नहीं रोक पाते।

चिकना ब्लैक होल और ऊर्जा की डकैती

इस अध्ययन में, लेखकों मोहम्मद अली एस. अफशार, मोहम्मदreza अलीपुर, सईद नूरी गाशती और जे. सादेगी ने एक विशिष्ट, सैद्धांतिक प्रकार के ब्लैक होल के भीतर ब्रह्मांडीय "डकैती" का खेल खेलने का निर्णय लिया, जिसे रोटेटिंग सिम्पसन-विस्सर (R-S-V) ब्लैक होल कहा जाता है। एक मानक ब्लैक होल (जैसे प्रसिद्ध केर ब्लैक होल) को एक गहरे, अनंत गड्ढे के रूप में सोचें जिसके नीचे एक विलक्षणता (singularity) है—एक ऐसी जगह जहाँ भौतिकी टूट जाती है। सिम्पसन-विस्सर मॉडल एक "ब्लैक-बाउंस" या वर्महोल की तरह है। एक अंतहीन गड्ढे के बजाय, कल्पना करें कि केंद्र एक चिकना, घुमावदार सुरंग है। यदि आप अंदर गिरते हैं, तो आप कुचले नहीं जाते; आप एक "बाउंस" से टकराते हैं और दूसरी तरफ या अंतरिक्ष के दूसरे क्षेत्र में फिसल जाते हैं।

शोधकर्ताओं ने माना कि जबकि ब्लैक होल ऊर्जा खोता है और धीमा होता है (इसका द्रव्यमान और स्पिन बदलता है), यह "चिकनापन" पैरामीटर ($\xi$) स्थिर रहता है। यह एक कार की तरह है जो आपकी गति कम होने पर धीमी हो जाती है, लेकिन सड़क का आकार बिल्कुल वैसा ही रहता है। उन्होंने पेनरोस प्रक्रिया के एक आवर्ती संस्करण का अनुकरण किया: एक कण अंदर गिरता है, विभाजित होता है, "बुरा" टुकड़ा ब्लैक होल द्वारा खा लिया जाता है (इसे धीमा करते हुए), और "अच्छा" टुकड़ा अतिरिक्त ऊर्जा के साथ बाहर निकल जाता है। उन्होंने पूछा: हम इसे कितनी बार कर सकते हैं इससे पहले कि यह प्रक्रिया रुक जाए?

पार्टी रुकने के दो तरीके

टीम ने पाया कि "डकैती" दो बहुत अलग कारणों से रुक सकती है, और कौन सा जीतता है यह पूरी तरह से इस बात पर निर्भर करता है कि ब्लैक होल कितना "चिकना" है।

1. सामान्य संदिग्ध: स्पिन का खत्म होना
एक सामान्य ब्लैक होल में, प्रक्रिया तब रुक जाती है जब ब्लैक होल बहुत धीरे घूमता है। इस चाल को अंजाम देने के लिए, ब्लैक होल को पर्याप्त तेजी से घूमना चाहिए ताकि "ऋणात्मक ऊर्जा" वाले कणों के लिए स्थितियाँ पैदा की जा सकें। एक बार जब ब्लैक होल एक निश्चित बिंदु से नीचे धीमा हो जाता है, तो यह चाल अब काम नहीं करती है। यह बैटरी के चार्ज खत्म होने जैसा है; आप अब और ऊर्जा नहीं निकाल सकते। यह "गतिक समाप्ति" (dynamical termination) है।

2. नया मोड़: ज्यामिति का जाल
यहाँ इस शोध का बड़ा आश्चर्य है। चिकने, उछलने वाले ब्लैक होल्स में, प्रक्रिया ब्लैक होल के स्पिन खत्म होने से पहले ही रुक सकती है। लेखकों ने पाया कि जैसे-जैसे ब्लैक होल द्रव्यमान और स्पिन खोता है, यह एक "दो-क्षितिज वाले ब्लैक होल" (two-horizon black hole) के "सुरक्षित क्षेत्र" से बाहर निकल सकता है।

कल्पमान करें कि ब्लैक होल के गुणों (द्रव्यमान और स्पिन) को एक मानचित्र पर चलती हुई कार के रूप में देखें। "दो-क्षितिज वाला ब्लैक होल" उस मानचित्र पर एक विशिष्ट पड़ोस है। जैसे-जैसे पेनरोस प्रक्रिया दोहराई जाती है, कार (ब्लैक होल) इस पड़ोस से गुजरती है। यदि सड़क का "चिकनापन" (पैरामीटर $\xi$) पर्याप्त रूप से अधिक है, तो कार इंजन (स्पिन) खत्म होने से पहले ही "ब्लैक होल" पड़ोस के किनारे से बाहर निकलकर "वर्महोल" पड़ोस में जा सकती है।

लेखक इसे ज्यामिति-प्रेरित समाप्ति (geometry-induced termination) कहते हैं। प्रक्रिया इसलिए नहीं रुकती क्योंकि ब्लैक होल बहुत धीमा है, बल्कि इसलिए रुकती है क्योंकि उस वस्तु का प्रकार ही बदल गया है। ऊर्जा डकैती के नियम एक "दो-क्षितिज वाले ब्लैक होल" के लिए लिखे गए थे, लेकिन अब वह वस्तु वह नहीं रही; वह कुछ और है। सिमुलेशन को रुकना पड़ता है क्योंकि मूल नियम अब लागू नहीं होते।

परिणाम: चिकनी सड़कें मतलब कम लूट**

शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए संख्याएँ चलाईं कि यह कैसे काम करता है। उन्होंने चिकनापन पैरामीटर ($\xi$) के विभिन्न मानों को देखा:

• कम चिकनापन (एक सामान्य ब्लैक होल की तरह): यदि चिकनापन कम है (छोटा $\xi$), तो व्यवहार बिल्कुल मानक केर ब्लैक होल जैसा दिखता है। ब्लैक होल धीमा होता है, और प्रक्रिया तब रुक जाती है जब स्पिन बहुत कम हो जाता है। आप काफी मात्रा में ऊर्जा निकाल सकते हैं, और दक्षता उच्च होती है।
• मध्यम चिकनापन: जैसे-जैसे चिकनापन बढ़ता है, मानचित्र पर "सुरक्षित क्षेत्र" छोटा होता जाता है। ब्लैक होल "दो-क्षितिज" वाले पड़ोस से तेजी से बाहर निकल जाता है। प्रक्रिया पहले समाप्त हो जाती है, जिसका अर्थ है कि आप कुल मिलाकर कम ऊर्जा प्राप्त करते हैं।
• उच्च चिकनापन (बड़ा जाल): जब चिकनापन बहुत अधिक होता है (विशेष रूप से, जब आयामहीन पैरामीटर $\xi$ लगभग 0.88 या उससे अधिक होता है), तो प्रभाव नाटकीय होता है। सिमुलेशन दिखाता है कि ब्लैक होल केवल एक या बहुत कम पेनरोस घटनाओं के बाद "दो-क्षितिज" शाखा को छोड़ देता है। भले ही ब्लैक होल के पास अभी भी पर्याप्त स्पिन बचा हो, ज्यामिति इतनी बदल गई है कि प्रक्रिया मूल धारणाओं के तहत जारी नहीं रह सकती।

पेपर ने यह भी देखा कि कण कहाँ टूटते हैं (क्षय त्रिज्या/decay radius)। उन्होंने पाया कि क्षितिज के करीब टूटना ऊर्जा प्राप्त करने के लिए हमेशा बेहतर होता है, लेकिन जैसे-जैसे चिकनापन बढ़ता है, मिलने वाली कुल ऊर्जा काफी कम हो जाती है। "ऊर्जा निवेश पर प्रतिफल" (ROI - आपने जो डाला उसके मुकाबले कितना वापस मिला) जैसे-जैसे ब्लैक होल चिकना होता जाता है, लगातार गिरता जाता है।

ब्रह्मांड के लिए इसका क्या अर्थ है?

लेखक सावधानी से यह स्पष्ट करते हैं कि इसका मतलब यह नहीं है कि ऊर्जा निष्कर्षण हमेशा के लिए असंभव है। इसका मतलब सिर्फ यह है कि इस विशिष्ट मॉडल में, जैसा कि उन्होंने परिभाषित किया है, आवर्ती प्रक्रिया एक दीवार से टकरा जाती है। यदि ब्लैक होल एक वर्महोल या किसी अन्य प्रकार की वस्तु में परिवर्तित हो जाता है, तो आपको यह देखने के लिए नए नियम लिखने होंगे कि क्या अभी भी ऊर्जा निकाली जा सकती है। लेकिन "दो-क्षितिज वाले ब्लैक होल" के ढांचे के भीतर, ज्यामिति स्वयं एक गति सीमा (speed limit) के रूप में कार्य करती है।

यह अध्ययन बताता है कि स्पेसटाइम का आकार केवल एक निष्क्रिय पृष्ठभूमि मंच नहीं है; यह सक्रिय रूप से यह निर्धारित करता है कि कोई प्रक्रिया कितने समय तक चल सकती है। यदि ब्रह्मांड इन "चिकने" ब्लैक होल्स से भरा है, तो हम सैद्धांतिक रूप से उनसे कितनी ऊर्जा चुरा सकते हैं, वह हमारी सोच से बहुत कम हो सकती है, और प्रक्रिया ईंधन की कमी के बजाय वस्तु की पहचान में बदलाव के कारण अचानक समाप्त हो सकती है।

संक्षेप में, पेपर दिखाता है कि नियमित ब्लैक होल्स की दुनिया में, अंतरिक्ष की ज्यामिति एक सख्त बाउंसर है। यह केवल आपको अंदर नहीं आने देती; यह आपका आईडी (स्पिन) भी चेक करती है और यह भी सुनिश्चित करती है कि आपने अपना ड्रिंक खत्म करने से पहले क्लब (पैरामीटर स्पेस) से बाहर कदम न रख दिया हो। यदि आप अंदर होने के दौरान क्लब का नाम बदल देते हैं, तो पार्टी खत्म हो जाती है, भले ही आपके टैंक में अभी भी ऊर्जा बची हो।