Magnus mountains on spinning neutron stars

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल, ब्रह्मांडीय खेल का मैदान है जहाँ भौतिकी के नियम अपनी चरम सीमाओं तक खिंच जाते हैं। इस खेल के मैदान में, न्यूट्रॉन तारे जैसी वस्तुएं हैं। ये मृत सितारों के ढह चुके कोर (केंद्र) हैं, जो इतने अविश्वसनीय रूप से घने हैं कि उनके पदार्थ का एक चम्मच वजन एक पहाड़ के बराबर होगा। क्योंकि वे इतने घने हैं, उनके अंदर का पदार्थ उन तरीकों से व्यवहार करता है जिन्हें हम पृथ्वी पर किसी भी लैब में फिर से नहीं बना सकते। वैज्ञानिकों का मानना है कि इन सितारों के गहरे भीतर, न्यूट्रॉन एक सुपरफ्लुइड (superfluid) की तरह बहते हैं—एक ऐसा तरल जिसमें शून्य घर्षण होता है और जो बिना धीमे हुए हमेशा के लिए घूम सकता है।

अब, कल्पना कीजिए कि यह सुपरफ्लuid एक ठोस खोल के भीतर घूम रहा है, जैसे एक सख्त कैंडी शेल के अंदर जेली की एक परत। जैसे-जैसे तारा घूमता है, सुपरफ्लuid घूमते रहना चाहता है, लेकिन ठोस खोल (क्रस्ट) चुंबकीय बलों के कारण धीमा हो रहा है। यह एक खींचतान की स्थिति पैदा करता है। सुपरफ्लuid छोटे, अदृश्य स्थानों पर क्रस्ट से "चिपक" जाता है, जिससे एक अंतराल (lag) पैदा होता। यह शोध इस बात की जांच करता है कि क्या होता है जब वह चिपका हुआ सुपरफ्लuid क्रस्ट के खिलाफ धक्का देता है, और तारे के आकार को विकृत करने की कोशिश करता है। यदि तारा पर्याप्त रूप से ऊबड़-खाबड़ हो जाता है, तो यह एक ब्रह्मांडीय लाइटहाउस की तरह कार्य कर सकता है, जो स्पेस-टाइम में लहरों के रूप में तरंगें (gravitational waves) उत्सर्जित करता है। इन तरंगों का पता लगाना ब्रह्मांड की धड़कन को सुनने जैसा होगा, जो हमें अत्यधिक दबाव के तहत पदार्थ के बारे में रहस्य बताएगा।

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द कॉस्मिक "मैग्नस माउंटेन" (The Cosmic "Magnus Mountain")

इस अध्ययन में, साउथेम्प्टन विश्वविद्यालय के शोधकर्ता यशस्वी गंगवार और डी.आई. जोन्स एक मजेदार, भौतिक प्रश्न पूछते हैं: क्या एक घूमते हुए न्यूट्रॉन तारे के भीतर अदृश्य बल एक पहाड़ बना सकते हैं?

वे चट्टान और मिट्टी से बने पहाड़ की बात नहीं कर रहे हैं। वे एक "मैग्नस माउंटेन" की बात कर रहे हैं। इसे समझने के लिए, एक घूमती हुई बेसबॉल के बारे में सोचें। जब एक पिचर कर्वबॉल फेंकता है, तो घूमती हुई गेंद अपने चारों ओर की हवा को खींचती है, जिससे एक बल पैदा होता है जो गेंद को बगल की ओर धकेलता है। इसे मैग्नस प्रभाव (Magnus effect) कहा जाता है। न्यूट्रॉन तारे के भीतर, "गेंद" सुपरफ्लuid है, और "हवा" ठोस क्रस्ट है। जब सुपरफ्लuid असमान और अव्यवस्थित तरीके से क्रस्ट से चिपक (pin) जाता है, तो यह एक पार्श्व धक्का—एक मैग्नस बल—पैदा करता है, जो तारे के क्रस्ट को कुचलने और खींचने की कोशिश करता है।

लेखकों ने यह देखने के लिए एक कंप्यूटर मॉडल बनाया कि क्या यह बल वास्तव में तारे को विकृत करने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली है। उन्होंने समस्या को सरल बनाने के लिए तारे को एक गोले के रूप में नहीं, बल्कि एक अनंत रूप से लंबे सिलेंडर (एक विशाल, ब्रह्मांडीय सोडा कैन की तरह) के रूप में कल्पित किया। इस कैन के भीतर, उन्होंने दो तरल पदार्थों का मॉडल बनाया: एक सुपरफ्लuid न्यूट्रॉन घटक और एक आवेशित (charged) घटक (प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉन) जो ठोस क्रस्ट बनाता है।

उन्होंने क्या पाया

टीम ने सिमुलेशन चलाए यह देखने के लिए कि जब सुपरफ्लuid क्रस्ट के खिलाफ धक्का देता है तो क्रस्ट कैसी प्रतिक्रिया देगा। उनके "कॉस्मिक सोडा कैन" ने क्या खुलासा किया:

• बल वास्तविक और शक्तिशाली है: सिमुलेशन ने दिखाया कि मैग्नस बल तारे की सतह पर एक महत्वपूर्ण उभार बनाने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली है। उन्होंने गणना की कि यह "पहाड़" इतना बड़ा हो सकता है कि एक द्रव्यमान क्वाड्रूपोल (mass quadrupole - यह मापने का तरीका कि तारा कितना ऊबड़-खाबड़ है) 10⁻⁵ जितना बड़ा बना सके। इसे समझने के लिए, यह लगभग 100,000 में से एक भाग के बराबर विरूपण है। हालांकि यह छोटा लग सकता है, लेकिन एक शहर के आकार के तारे के लिए, यह एक विशाल, ऊबड़-खाबड़ शिखर है।
• कोई "करंट" पर्वत नहीं: दिलचस्प बात यह है कि उन्होंने पाया कि जबकि तारे का द्रव्यमान ऊबड़-खाबड़ हो जाता है, तारे के भीतर का विद्युत करंट समान उभार पैदा नहीं करता है। उनके मॉडल में "करंट क्वाड्रूपोल" शून्य था।
• सीमा क्रस्ट की है: पहाड़ का आकार सुपरफ्लuid के धक्के की ताकत से सीमित नहीं है, बल्कि इस बात से सीमित है कि क्रस्ट स्वयं कितना मजबूत है। पहाड़ तब तक बढ़ता रहेगा जब तक कि क्रस्ट या तो टूट न जाए या सुपरफ्लuid अन-स्टिक (unpin) होकर तारे को धीमा होने न दे दे। लेखकों का सुझाव है कि यदि क्रस्ट पर्याप्त मजबूत है, तो ये पहाड़ वर्तमान और भविष्य के गुरुत्वाकर्षण तरंग डिटेक्टरों द्वारा पहचाने जाने योग्य रूप से बड़े हो सकते हैं।

उन्होंने यह कैसे किया

शोधकर्ताओं ने केवल अनुमान नहीं लगाया; उन्होंने समीकरणों के एक जटिल सेट को हल किया जो यह वर्णन करते हैं कि तरल कैसे चलता है और लचीला क्रस्ट कैसे खिंचता है। उन्होंने गणित को प्रबंधनीय बनाने के लिए तारे को एक सिलेंडर के रूप में माना, और एक विशिष्ट प्रकार के डगमगाहट (जिसे m=2 मोड कहा जाता है) पर ध्यान केंद्रित किया जो क्वाड्रूपोल आकार बनाता है।

उन्होंने अपने परिणामों का परीक्षण "बैक-ऑफ-द-एनवेलप" अनुमानों (रफ, त्वरित गणनाओं) के विरुद्ध किया और पाया कि उनके विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन अच्छी तरह से मेल खाते हैं। उन्होंने यह भी जांचा कि क्या तनाव के तहत क्रस्ट टूट जाएगा। वॉन मिसेस मानदंड (von Mises criterion) नामक एक मानक इंजीनियरिंग नियम का उपयोग करते हुए, उन्होंने पाया कि यदि तारा बहुत तेजी से नहीं घूम रहा है या क्रस्ट बहुत कमजोर नहीं है, तो क्रस्ट संभवतः पहाड़ को बिना टूटे थाम सकता है।

निष्कर्ष

यह शोध पत्र सुझाव देता है कि घूमते हुए न्यूटन तारों पर "मैग्नस माउंटेन" एक बहुत ही वास्तविक संभावना है। यदि ये पहाड़ मौजूद हैं, तो वे निरंतर गुरुत्वाकर्षण तरंगों का स्रोत हो सकते हैं जिन्हें हमारे डिटेक्टर वर्तमान में खोज रहे हैं। लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि यह एक सरलीकृत मॉडल है (गोले के बजाय सिलेंडर का उपयोग करके), लेकिन यह सिद्ध करता है कि भौतिकी काम करती है। यह समझने की दिशा में एक उत्साहजनक कदम है कि कैसे इन मृत सितारों के भीतर सुपरफ्लुइड्स का अदृश्य नृत्य स्पेस-टाइम की लहरों के माध्यम से बाकी ब्रह्मांड को अपनी उपस्थिति की घोषणा कर सकता है।