Shock acceleration in vortex driven magnetic fields of black holes

ब्रह्मांडीय कणों का चिड़ियाघर और महान दौड़

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल, अराजक खेल का मैदान है जहाँ अदृश्य धावक लगातार गति के रिकॉर्ड तोड़ने की कोशिश कर रहे हैं। ये धावक उप-परमाणु कण (subatomic particles) हैं—पदार्थ के नन्हे कण जैसे प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉन—जो अंतरिक्ष में प्रकाश की गति के करीब दौड़ते हैं। वैज्ञानिक इन उच्च-गति वाले यात्रियों को "कॉस्मिक रेज़" (cosmic rays) कहते हैं। लंबे समय से, इस ब्रह्मांडीय खेल के मैदान में सबसे बड़ा रहस्य यह रहा है: ये नन्हे कण इतने तेज़ कैसे हो जाते हैं? इतनी अविश्वसनीय गति तक पहुँचने के लिए उन्हें ऊर्जा प्राप्त करने की आवश्यकता होती है, लेकिन अंतरिक्ष ज्यादातर खाली और शांत है। आमतौर पर, हम सोचते हैं कि उन्हें शॉक वेव्स (shock waves) से बढ़ावा मिलता है, जैसे कोई सर्फर एक विशाल लहर को पकड़ता है, या घूमते हुए चुंबकीय क्षेत्रों से, जो ब्रह्मांडीय गोफन (slingshots) की तरह काम करते हैं।

यह विशिष्ट कहानी ब्रह्मांड के सबसे चरम पड़ोस में से एक में घटित होती है: एक सुपरमैसिव ब्लैक होल (supermassive black hole) के तत्काल परिवेश में। ये गुरुत्वाकर्षण के भारी वजन वाले चैंपियन हैं, जिनका द्रव्यमान हमारे सूर्य से लाखों या अरबों गुना अधिक है। वे केवल वहाँ बैठे नहीं रहते; वे अक्सर गर्म गैस के घूमते हुए डिस्क और शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्रों से घिरे होते हैं। इस शोध पत्र में, लेखक एक बहुत ही विशिष्ट प्रश्न पूछ रहे हैं: यदि एक ब्लैक होल के पास एक विशेष प्रकार का चुंबकीय क्षेत्र है—एक ऐसा जो एक भंवर की तरह घूमता है, एक विशाल ब्रह्मांडीय बवंडर की तरह मुड़ता और घूमता है—तो क्या यह परम कण त्वरक (particle accelerator) के रूप में कार्य कर सकता है? वे जानना चाहते हैं कि क्या यह "भंवर-संचालित" (vortex-driven) सेटअप कणों को ऐसी ऊर्जा तक धकेल सकता है जो हमने पहले कभी नहीं देखी है, या क्या कण एक दीवार से टकराकर रुक जाते हैं।

ब्रह्मांडीय बवंडर और गति की सीमा

इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं, ज़ेड.एन. ओस्मानोव और ई. खाराज़े ने एक साहसी विचार का परीक्षण करने का निर्णय लिया। उन्होंने एक सुपरमैसिव ब्लैक होल की कल्पना की, विशेष रूप से एक ऐसा जिसका द्रव्यमान हमारे सूर्य के द्रव्यमान का $10^{8}$ गुना है, जो एक ऐसे चुंबकीय क्षेत्र से घिरा हुआ है जो केवल स्थिर नहीं है, बल्कि एक शक्तिशाली भंवर द्वारा घुमाया जा रहा है। इस चुंबकीय क्षेत्र को एक विशाल, अदृश्य रबर बैंड की तरह समझें जिसे इतनी तेज़ी से घुमाया जा रहा है कि वह एक बवंडर बना देता है।

लेखकों ने देखा कि कण, विशेष रूप से प्रोटॉन (भारी वजन वाले) और इलेक्ट्रॉन (हल्के और तेज़), इस वातावरण में कैसा व्यवहार करेंगे। उन्होंने "शॉक एक्सेलरेशन" (shock acceleration) नामक एक प्रक्रिया पर ध्यान केंद्रित किया। एक सर्फर की कल्पना करें जो लहर पकड़ने की कोशिश कर रहा है; यदि लहर सर्फर से तेज़ चल रही है, तो सर्फर शॉक फ्रंट की सवारी करके गति का एक बड़ा उछाल प्राप्त कर सकता है। ब्लैक होल के मैग्नेटोस्फीयर में, प्लाज्मा (एक अत्यंत गर्म, विद्युत रूप से आवेशित गैस) इतनी तेज़ी से बहता है कि यह ये शॉक वेव्स बनाता है। कण इन शॉक वेव्स के आर-पार आगे-पीछे उछलते हैं, हर उछाल के साथ थोड़ी गति प्राप्त करते हैं, ठीक वैसे ही जैसे दो बंद होती दीवारों के बीच एक गेंद तेज़ होती जाती है।

हालाँकि, इसमें एक पेंच है। जैसे-जैसे ये कण तेज़ होते जाते हैं, वे ऊर्जा खोने लगते हैं। यह एक ऐसे धावक की तरह है जो इतना पसीना बहाने लगता है कि वह अपनी गति बनाए नहीं रख पाता। अंतरिक्ष में, यह "पसीना आना" दो तरीकों से होता है:

1. सिनक्रोट्रॉन रेडिएशन (Synchrotron Radiation): जब एक आवेशित कण एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र से होकर गुजरता है, तो वह चमकने लगता है और ऊर्जा खो देता है, ठीक वैसे ही जैसे कार का इंजन अत्यधिक गर्म हो जाता है।
2. इनवर्स कॉम्प्टन स्कैटरिंग (Inverse Compton Scattering): यह तब होता है जब एक कण एक फोटॉन (प्रकाश का कण) से टकराता है और उसे दूर उछाल देता है, जिससे वह अपनी ऊर्जा का कुछ हिस्सा खो देता है।

लेखकों ने गणना की यह देखने के लिए कि इनमें से कौन सा "कूलिंग" प्रभाव कणों को पहले रोक देगा। उन्होंने पाया कि प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉन दोनों के लिए, सिनक्रोट्रॉन रेडिएशन ही मुख्य बाधा है। यही वह चीज़ है जो त्वरण पर ब्रेक लगाती है। इनवर्स कॉम्प्टन स्कैटरिंग, जिसे कुछ लोग एक प्रमुख खिलाड़ी मान सकते हैं, इस विशिष्ट परिदृश्य में बहुत कमजोर साबित हुई।

परिणाम: वे कितनी तेज़ जा सकते हैं?

तो, जब आप एक कण को इस भंवर-संचालित ब्लैक होल त्वरक में डालते हैं तो क्या होता है? परिणाम आश्चर्यजनक हैं, लेकिन उनकी एक सख्त गति सीमा भी है।

भारी कणों, यानी प्रोटॉन के लिए, त्वरण अविश्वसनीय रूप से शक्तिशाली है। लेखकों ने पाया कि ये प्रोटॉन 100 TeV और 400 PeV के बीच की ऊर्जा तक पहुँच सकते हैं। इसे समझने के लिए, एक PeV एक क्वाड्रिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट है। ये प्रोटॉन ऐसी ऊर्जा तक पहुँच रहे हैं जो वास्तव में ब्रह्मांडीय है, जो संभावित रूप से यह समझा सकती है कि ब्रह्मांड के सबसे ऊर्जावान कॉस्मिक रेज़ कहाँ से आते हैं।

हल्के कणों, यानी इलेक्ट्रॉन के लिए, कहानी थोड़ी अलग है। क्योंकि वे बहुत हल्के होते हैं, वे भारी प्रोटॉन की तुलना में सिनक्रोट्रॉन रेडिएशन के कारण ऊर्जा बहुत तेज़ी से खो देते हैं। भले ही चुंबकीय क्षेत्र उन्हें तेज़ करने की कोशिश कर रहा हो, "ओवरहीटिंग" का प्रभाव जल्दी शुरू हो जाता है। लेखकों ने गणना की कि इलेक्ट्रॉन 40 MeV और 120 GeV के बीच की ऊर्जा तक पहुँच सकते हैं। हालाँकि 120 GeV अभी भी बहुत उच्च ऊर्जा है, लेकिन यह प्रोटॉन द्वारा प्राप्त ऊर्जा से बहुत कम है।

अध्ययन ने चुंबकीय क्षेत्र के बारे में भी कुछ दिलचस्प दिखाया। चुंबकीय क्षेत्र जितना मजबूत होगा (जिसे $\alpha$ नामक कारक द्वारा दर्शाया गया है), कण उतनी ही तेज़ी से त्वरित होंगे, लेकिन वे सिनक्रोट्रॉन रेडिएशन के कारण उतनी ही तेज़ी से ऊर्जा भी खोएंगे। यह एक खींचतान (tug-of-war) है। क्योंकि ऊर्जा का नुकसान चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति के साथ बहुत तेज़ी से बढ़ता है, इसलिए एक कण द्वारा प्राप्त की जाने वाली अधिकतम ऊर्जा वास्तव में कम हो जाती है यदि चुंबकीय क्षेत्र बहुत मजबूत हो जाता है। यह एक ऐसी ट्रेडमिल पर दौड़ने की कोशिश करने जैसा है जो आपके ज़ोर लगाने पर और तेज़ होती जाती है; अंततः, आप तेज़ दौड़ने से पहले ही लड़खड़ाकर गिर जाते हैं।

आगे क्या?

लेखक इस बारे में बहुत स्पष्ट हैं कि उनका काम क्या सिद्ध करता है और क्या खुला छोड़ देता है। उन्होंने प्रदर्शित किया है कि इस विशिष्ट "भंवर-संचालित" चुंबकीय सेटअप में, शॉक एक्सेलरेशन प्रोटॉन को अति-उच्च ऊर्जा तक पहुँचाने का एक बहुत ही कुशल तरीका है, लेकिन यह सिनक्रोट्रॉन रेडिएशन द्वारा सख्ती से सीमित है। उन्होंने स्पष्ट रूप से इस विचार को खारिज कर दिया कि इनवर्स कॉम्प्टन स्कैटरिंग इन कणों के लिए एक प्रमुख सीमित कारक है।

हालाँकि, वे यह भी बताते हैं कि चूंकि सिनक्रोट्रॉन रेडिएशन एक बहुत ही सख्त गति सीमा है, इसलिए कणों को त्वरित करने के अन्य तरीके भी हो सकते हैं जिनमें यह समस्या न हो। वे एक अलग तंत्र का सुझाव देते हैं, जिसे "मैग्नेटोसेंट्रीफ्यूगल एक्सेलरेशन" (magnetocentrifugal acceleration) कहा जाता है (जो एक घूमते हुए हिंडोले से बाहर फेंके जाने जैसा है), जो समान ऊर्जा हानि के बिना कणों को और भी आगे तक धकेल सकता है। वे अपने अगले अध्ययन में इस विचार की जांच करने की योजना बना रहे हैं।

संक्षेप में, यह शोध पत्र एक सुपरमैसिव ब्लैक होल की तस्वीर पेश करता है जो एक ब्रह्मांडीय कण त्वरक के रूप में कार्य करता है, जो प्रोटॉन को सैकड़ों PeV तक लॉन्च करने में सक्षम है, लेकिन हमें याद दिलाता है कि ब्रह्मांड के सबसे चरम स्थानों में भी, हमेशा भौतिकी के नियम होते हैं जो चीजों को नियंत्रण में रखते हैं।