Hyperonic compact stars with vector portal dark matter

ब्रह्मांड के सबसे चरम वातावरणों के भीतर, जहाँ गुरुत्वाकर्षण पदार्थ को उस अवस्था में कुचल देता है जो पृथ्वी पर किसी भी प्रयोगशाला द्वारा निर्मित घनत्व से कहीं अधिक सघन है, एक लंबे समय से चला आ रहा रहस्य दशकों से खगोल भौतिकविदों को उलझाए हुए है। ये वातावरण न्यूट्रॉन सितारों के कोर (केंद्र) हैं, जो विशाल सितारों के फटने के बाद बचे हुए ढहे हुए अवशेष हैं। उनके केंद्रों में, दबाव इतना अत्यधिक होता है कि पदार्थ के सामान्य निर्माण खंड, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन, टूटकर भारी, विचित्र 'हाइपरऑन' (hyperons) नामक चचेरे भाइयों में बदल जाते हैं, ऐसा माना जाता है। लंबे समय तक, वैज्ञानिकों का मानना था कि इन हाइपरऑन की उपस्थिति एक संरचनात्मक कमजोरी के रूप में कार्य करेगी, जो तारे के आंतरिक दबाव को नरम कर देगी और उसे अपने स्वयं के भार के नीचे ढह जाने के लिए मजबूर कर देगी, इससे पहले कि वह हमारे सूर्य के द्रव्यमान के दो गुने तक पहुँच सके। फिर भी, दूरबीनों ने ऐसे न्यूट्रॉन सितारों को देखा है जो ठीक उतने ही भारी हैं, जो एक विरोधाभास पैदा करता है जिसे "हाइपरऑन पहेली" (hyperon puzzle) के रूप में जाना जाता है। ये तारे कैसे स्थिर रह सकते हैं यदि उनके कोर में ऐसे घटक मौजूद हैं जो उन्हें ढह जाने के लिए मजबूर कर सकते हैं?

भारत और पुर्तगाल के शोधकर्ताओं द्वारा किया गया एक नया अध्ययन दृश्य ब्रह्मांड से परे देखकर एक संभावित समाधान प्रस्तावित करता है। वे प्रस्ताव देते हैं कि डार्क मैटर (dark matter), एक अदृश्य पदार्थ जो ब्रह्मांड के अधिकांश द्रव्यमान का निर्माण करता है, इन सितारों के भीतर जमा हो सकता है। विशेष रूप से, उन्होंने एक ऐसी स्थिति की जांच की जहाँ यह डार्क मैटर एक बल-वाहक कण के माध्यम से सामान्य पदार्थ के साथ परस्पर क्रिया करता है, जो एक छिपे हुए स्प्रिंग की तरह कार्य करता है जो गुरुत्वाकर्षण के विरुद्ध पीछे धकेलता है। इस विशिष्ट प्रकार के डार्क मैटर और हाइपरऑन दोनों को शामिल करते हुए एक न्यूट्रॉन तारे का विस्तृत कंप्यूटर मॉडल बनाकर, शोधकर्ताओं ने पाया कि डार्क सेक्टर से उत्पन्न अदृश्य प्रतिकर्षण बल (repulsive force) हाइपरऑन के नरम करने वाले प्रभाव का मुकाबला करने के लिए पर्याप्त मजबूत हो सकता है। उनके गणनाओं से पता चलता है कि यह छिपा हुआ संपर्क सितारों को आकाश में देखे गए विशाल भार को सहारा देने की अनुमति देता है, जिससे सिद्धांत और अवलोकन के बीच का तनाव हल हो जाता है।

शोधकर्ताओं ने एक परिष्कृत मॉडल का निर्माण करके अपना कार्य शुरू किया जो एक न्यूट्रॉन तारे के भीतर के पदार्थ का वर्णन करता है। उन्होंने तारे के कोर को केवल प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के सूप के रूप में नहीं, बल्कि एक ऐसी प्रणाली के रूप में माना जहाँ ये कण छोटे घटकों से बने होते हैं जिन्हें क्वार्क (quarks) कहा जाता है। अपने मॉडल में, ये क्वार्क एक विशिष्ट प्रकार के बल द्वारा कणों के भीतर सीमित हैं, और वे उन क्षेत्रों (fields) के माध्यम से एक-दूसरे के साथ परस्पर क्रिया करते हैं जो तारे में व्याप्त हैं। इस दृष्टिकोण ने उन्हें यह वर्णन करने की अनुमति दी कि जब कणों को सामान्य परमाणु नाभिकों से कहीं अधिक घनत्व पर दबाया जाता है, तो वे कैसे व्यवहार करते हैं। उन्होंने हाइपरऑन (जो स्ट्रेंज क्वार्क वाले प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के भारी संस्करण हैं) के प्रकट होने की संभावना पेश की, जो तब होता है जब दबाव पर्याप्त उच्च हो जाता है। जैसा कि अपेक्षित था, उनके मॉडल ने पुष्टि की कि इन हाइपरऑन को जोड़ने से तारे का आंतरिक दबाव कम हो जाता है, जो सामान्य रूप से तारे के अधिकतम द्रव्यमान को दो सौर द्रव्यमान से काफी नीचे सीमित कर देगा।

इस समस्या को संबोधित करने के लिए, टीम ने दूसरा घटक पेश किया: फर्मिओनिक डार्क मैटर (fermionic dark matter)। इस प्रकार के डार्क मैटर के विपरीत जो केवल गुरुत्वाकर्षण के माध्यम से परस्पर क्रिया करता है, यह प्रस्तावित है कि यह सामान्य पदार्थ के साथ एक नए, अदृश्य बल के माध्यम से परस्पर क्रिया करता है जिसे 'वेक्टर मीडिएटर' (vector mediator) नामक एक कण द्वारा ले जाया जाता है। शोधकर्ताओं ने एक ऐसी स्थिति की कल्पना की जहाँ यह डार्क मैटर तारे के कोर में जमा होता है, हाइपरऑन के साथ एक घने बादल के रूप में। महत्वपूर्ण रूप से, डार्क मैटर और सामान्य पदार्थ के बीच की परस्पर क्रिया प्रतिकर्षण वाली है, जिसका अर्थ है कि यह कणों को एक साथ खींचने के बजाय उन्हें एक दूसरे से दूर धकेलती है। यह प्रतिकर्षण एक अतिरिक्त दबाव का स्रोत उत्पन्न करता है जो तारे की आंतरिक संरचना को सख्त (stiffen) बनाता है। टीम ने 'फर्मी मोमेंटम' (Fermi momentum) नामक एक पैरामीटर का उपयोग करके विभिन्न मात्रा में इस डार्क मैटर के साथ सिमुलेशन चलाए, जो मूल रूप से यह मापता है कि डार्क मैटर के कण कितने घने रूप से पैक हैं।

इन सिमुलेशन के परिणामों ने एक स्पष्ट रुझान का खुलासा किया। जब शोधकर्ताओं ने इस प्रतिकर्षण डार्क मैटर की एक महत्वपूर्ण मात्रा को शामिल किया, तो 'इक्वेशन ऑफ स्टेट' (equation of state), जो घनत्व के साथ तारे के दबाव में परिवर्तन का वर्णन करता है, बहुत अधिक सख्त हो गया। इस अतिरिक्त कठोरता ने सितारों को बिना ढहे बहुत अधिक द्रव्यमान का समर्थन करने की अनुमति दी। उनके सिमुलेशन में, बिना डार्क मैटर और हाइपरऑन वाला एक तारा केवल सूर्य के द्रव्यमान के लगभग 1.96 गुना तक ही पहुँच सका। हालाँकि, जैसे-जैसे उन्होंने डार्क मैटर के घनत्व को बढ़ाया, वह द्रव्यमान जिसे तारा सहारा दे सकता था, लगातार बढ़ता गया। डार्क मैटर के उच्चतम घनत्व के साथ, तारा लगभग 2.15 सौर द्रव्यमान का भार सह सकता था। यह एक महत्वपूर्ण खोज है क्योंकि यह सैद्धांतिक भविष्यवाणियों को वास्तविक दुनिया के भारी पल्सर, जैसे कि PSR J0740 + 6620, के साथ लाता है, जिसका मापा गया द्रव्यमान लगभग 2.08 सौर द्रव्यमान है।

द्रव्यमान के अलावा, अध्ययन ने यह भी देखा कि ये तारे कैसे व्यवहार करेंगे यदि वे एक बाइनरी सिस्टम (binary system) का हिस्सा हों, जहाँ दो तारे एक-दूसरे की परिक्रमा करते हैं और अंततः आपस में टकराते हैं। जब ऐसे तारे अंदर की ओर आते हैं, तो वे ज्वारीय बलों (tidal forces) के कारण एक-दूसरे के आकार को विकृत कर देते हैं, जिसे 'टाइडल डिफॉर्मेबिलिटी' (tidal deformability) नामक घटना कहा जाता है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि डार्क मैटर और हाइपरऑन की उपस्थिति इस विरूपण को कैसे बदलती है। उन्होंने पाया कि डार्क मैटर की परस्पर क्रिया न केवल अधिकतम द्रव्यमान को बदलती है, बल्कि सितारों के आकार और आंतरिक संरचना को भी इस तरह से बदलती है जो ज्वारीय बलों के प्रति उनकी प्रतिक्रिया को प्रभावित करती है। इसी तरह, उन्होंने 'मोमेंट ऑफ इनेर्शिया' (moment of inertia) की गणना की, जो यह बताता है कि तारे को घुमाना कितना कठिन है। उन्होंने पाया कि डार्क मैटर तारे के भीतर द्रव्यमान के वितरण को बदल देता है, जिससे बिना डार्क मैटर वाले सितारों की तुलना में अलग घूर्णन व्यवहार होता है। आकार, आकृति और स्पिन में ये अंतर अद्वितीय संकेत प्रदान करते हैं जिन्हें भविष्य के गुरुत्वाकर्षण-तरंग वेधशालाओं द्वारा पकड़ा जा सकता है।

अध्ययन ने डार्क मैटर के विशिष्ट गुणों, जैसे कि डार्क मैटर कण का द्रव्यमान और इसकी परस्पर क्रिया की शक्ति, को तारे को कैसे प्रभावित करते हैं, इसका भी पता लगाया। शोधकर्ताओं ने एक अपेक्षाकृत हल्के डार्क मैटर कण और एक हल्के बल-वाहक मीडिएटर का उपयोग किया, जो गैलेक्सी के निर्माण और विकास के संबंध में अन्य ब्रह्मांड विज्ञान संबंधी समस्याओं से प्रेरित है। उन्होंने पाया कि इन विशिष्ट मापदंडों के साथ भी, डार्क मैटर का तारे की संरचना पर गहरा प्रभाव हो सकता है। डार्क मैटर द्वारा उत्पन्न प्रतिकर्षण बल हाइपरऑन द्वारा किए गए नरम प्रभाव के विरुद्ध एक काउंटरवेट (counterweight) के रूप में कार्य करता है। इस अतिरिक्त धक्के के बिना, हाइपरऑन कम द्रव्यमान पर तारे को ढहने का कारण बनते। इसके साथ, तारा आकाश में देखे जाने वाले उच्च द्रव्यमान पर स्थिर रहता है। यह सुझाव देता है कि "हाइपरऑन पहेली" परमाणु भौतिकी की हमारी समझ की विफलता नहीं हो सकती है, बल्कि यह इस बात का संकेत है कि हम ब्रह्मांड के एक हिस्से को भूल रहे हैं: इन अवशेषों के भीतर डार्क मैटर की उपस्थिति।

अंततः, यह कार्य न्यूट्रॉन सितारों के कोर में डार्क मैटर के अस्तित्व का परीक्षण करने के लिए एक ठोस ढांचा प्रदान करता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यदि डार्क मैटर इस विशिष्ट वेक्टर पोर्टल के माध्यम से सामान्य पदार्थ के साथ परस्पर क्रिया करता है, तो यह तारे के द्रव्यमान, त्रिज्या और ज्वारीय व्यवहार पर एक विशिष्ट छाप छोड़ता है। ये छाप केवल सैद्धांतिक जिज्ञासाएँ नहीं हैं; ये वे मात्राएँ हैं जिन्हें खगोलशास्त्री सक्रिय रूप से माप रहे हैं। इस डार्क मैटर इंटरैक्शन वाले मॉडलों की भविष्यवाणियों के साथ देखे गए भारी न्यूट्रॉन सितारों के गुणों की तुलना करके, वैज्ञानिक डार्क मैटर कि कैसे व्यवहार करता है, इस पर कड़े प्रतिबंध लगा सकते हैं। यदि भविष्य के न्यूट्रॉन स्टार विलय अवलोकन ज्वारीय विकृति या द्रव्यमान को इस मॉडल की भविष्यवाणियों के अनुरूप प्रकट करते हैं, तो यह ब्रह्मांड के इस छिपे हुए क्षेत्र के अस्तित्व का पुख्ता प्रमाण प्रदान करेगा। इसके विपरीत, यदि अवलोकन इस प्रकार के इंटरैक्शन वाले मॉडलों के साथ असंगत बने रहते हैं, तो यह इस विशिष्ट प्रकार की परस्पर क्रिया को खारिज करने में मदद करेगा। इस प्रकार, यह अध्ययन सूक्ष्म कण भौतिकी की दुनिया और स्थूल खगोल भौतिकी की दुनिया के बीच के अंतर को पाटता है, जो ब्रह्मांड के सबसे चरम प्रयोगशालाओं का उपयोग करके डार्क मैटर की प्रकृति की जांच करने का एक नया तरीका प्रदान करता है।