Impact of Bubble Nucleation History and Friction on Primordial Black Hole Formation

ब्रह्मांड के शुरुआती क्षणों में, बिग बैंग के एक सेकंड के कुछ अंशों के भीतर, अंतरिक्ष वैसा चिकना और फैलता हुआ शून्य नहीं था जैसा आज हम देखते हैं। यह एक उथल-पुथल भरा, उच्च-ऊर्जा वाला वातावरण था जहाँ प्रकृति के मौलिक बल एक नाटकीय परिवर्तन से गुजर रहे थे। भौतिकविदों का मानना है कि इस युग के दौरान, ब्रह्मांड ने एक "प्रथम-क्रम चरण संक्रमण" (first-order phase transition) का अनुभव किया होगा, जो पानी के भाप में उबलने जैसी प्रक्रिया है, लेकिन यह ब्रह्मांडीय पैमाने पर हुई थी। एक सौम्य बदलाव के बजाय, यह संक्रमण पुराने, उच्च-ऊर्जा वाले राज्य के समुद्र के भीतर एक नए, निम्न-ऊर्जा वाले राज्य के बुलबुलों के अचानक प्रकट होने के माध्यम से हुआ। ये बुलबुले फैलते, आपस में टकराते और अंततः ब्रह्मांड को नए राज्य से भरने के लिए आपस में मिल जाते। क्योंकि यह प्रक्रिया स्वाभाविक रूप से यादृच्छिक (random) थी, इसलिए अंतरिक्ष के कुछ हिस्से पीछे छूट गए होंगे, जो अपने पड़ोसियों के आगे बढ़ जाने के बहुत बाद तक पुराने राज्य में ही फंसे रहे। जब ये विलंबित हिस्से अंततः परिवर्तित हुए, तो ऊर्जा के अचानक उत्सर्जन से पदार्थ के घने गुच्छे बन सकते थे। यदि ये गुच्छे पर्याप्त घने होते, तो वे अपने स्वयं के गुरुत्वाकर्षण के कारण ढह जाते और आदिम ब्लैक होल (primordial black holes) बनाते—छोटे, प्राचीन ब्लैक होल जो आज भी अस्तित्व में हो सकते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इन विलंबित पैच (delayed pockets) के व्यवहार पर बारीकी से नज़र डाली है, विशेष रूप से दो कारकों पर ध्यान केंद्रित किया है जिन्हें पिछले अध्ययनों में अक्सर अलग-अलग माना गया था: बुलबुलों के फैलने की गति और प्रारंभिक ब्रह्मांड के गर्म प्लाज्मा में उनके चलते समय उन्हें होने वाला घर्षण। वैज्ञानिकों ने इन बुलबुलों के बढ़ने और उनके भीतर फंसी ऊर्जा के कैसे मुक्त होने के तरीके को ट्रैक करने के लिए एक विस्तृत सिमुलेशन बनाया। वे यह समझना चाहते थे कि बुलबुले के निर्माण का "इतिहास"—चाहे वह एक स्थिर, घातांकीय (exponential) रश में हुआ हो या अधिक क्रमिक, बेल-कर्व पैटर्न में—और आसपास के प्लाज्मा के प्रतिरोध ने अंतिम परिणाम को आकार देने में कैसे योगदान दिया। उनका कार्य बताता है कि फैलते हुए बुलबुलों की दीवारों और आसपास के कणों के बीच का घर्षण बुलबुला गतिशीलता (bubble dynamics) को महत्वपूर्ण रूप से संशोधित करता है, जिससे उन ब्लैक होल के आकार और समय में बड़े बदलाव आते हैं जो बन सकते हैं।

शोधकर्ताओं ने ब्रह्मांड को दो अलग-अलग क्षेत्रों के संग्रह के रूप में मॉडल करके शुरुआत की: एक पृष्ठभूमि क्षेत्र जहाँ चरण संक्रमण निर्धारित समय पर हुआ, और एक "विलंबित पैच" जहाँ संक्रमण देर से हुआ। पृष्ठभूमि में, पुराने राज्य की ऊर्जा सुचारू रूप से विकिरण (radiation) में परिवर्तित हो गई, जो ब्रह्मांड के विस्तार के साथ ठंडी होती गई। हालाँकि, विलंबित पैच में, ऊर्जा लंबे समय तक पुराने राज्य में फंसी रही। जब इस विलंबित क्षेत्र में संक्रमण अंततः हुआ, तो इसने एक ऐसे स्थान में ऊर्जा का एक विशाल विस्फोट किया जो आसपास की पृष्ठभूमि की तुलना में पहले से ही ठंडा और कम घना था। इसने एक तीव्र विषमता (contrast), एक स्थानीय अति-घनता (local overdensity) पैदा की, जो ब्लैक होल बनने के लिए आवश्यक स्थिति है। टीम ने गणना की कि यदि यह घनत्व विषमता एक विशिष्ट महत्वपूर्ण सीमा तक पहुँच जाती, तो वह क्षेत्र ब्लैक होल में ढह जाता।

उनके कार्य की एक प्रमुख खोज घर्षण का गहरा प्रभाव है। जैसे-जैसे इन बुलबुलों की दीवारें फैलती हैं, वे खाली स्थान में नहीं चलतीं; वे कणों के एक गर्म सूप के माध्यम से रास्ता बनाती हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह परस्पर क्रिया एक ड्रैग फोर्स (drag force) पैदा करती है, ठीक वैसे ही जैसे गाढ़े पानी के माध्यम से हाथ हिलाना। कई पिछले मॉडलों में, वैज्ञानिकों ने माना था कि ये बुलबुले की दीवारें बिना किसी बाधा के लगभग प्रकाश की गति तक तुरंत त्वरित हो जाएंगी। हालाँकि, यह नया विश्लेषण दिखाता है कि घर्षण बल की ताकत के आधार पर, दीवार की गति या तो एक 'रनवे परिदृश्य' (runaway scenario) से गुजर सकती है या एक टर्मिनल वेलोसिटी (अंतिम वेग) तक पहुँचने के लिए विनियमित की जा सकती है। अध्ययन किए गए विशिष्ट बेंचमार्क परिदृश्यों के लिए, बुलबुले की दीवार का वेग निर्माण के तुरंत बाद संतृप्त (saturate) हो जाता है, न कि केवल धीमा होता है। यह प्रतिरोध घटना के पूरे ऊर्जा बजट को बदल देता है। इसके बजाय कि बुलबुला दीवार अधिकांश ऊर्जा ले जाए, ऊर्जा का एक महत्वपूर्ण हिस्सा घर्षण के कारण नष्ट हो जाता है, जिससे आसपास का प्लाज्मा गर्म हो जाता है।

ऊर्जा का यह नुकसान ब्लैक होल के बनने पर एक प्रति-सहज (counterintuitive) प्रभाव डालता है। क्योंकि घर्षण द्वारा इतनी अधिक ऊर्जा नष्ट हो जाती है, इसलिए जब विलंबित पैच अंततः परिवर्तित होता है, तो निकलने वाला विकिरण विस्फोट उम्मीद से कम होता है। विरोधाभासी रूप से, यह कमजोर विस्फोट बड़े ब्लैक होल के निर्माण की ओर ले जाता है। घर्षण रहित परिदृश्य में, संक्रमण तेजी से होता है, और परिणामी ब्लैक होल अपेक्षाकृत छोटा होता है। लेकिन जब घर्षण को शामिल किया जाता है, तो संक्रमण पूरा होने में अधिक समय लगता है, और जो ऊर्जा निकलती है वह अलग तरह से फैल जाती है। सिमुलेशन ने दिखाया कि जब घर्षण को ध्यान में रखा जाता है, तो परिणामी ब्लैक होल का प्रारंभिक द्रव्यमान घर्षण-रहित मामले की तुलना में 100 प्रतिशत से अधिक बढ़ सकता है। कुछ परिदृश्यों में जहाँ घर्षण विशेष रूप से मजबूत होता है, ब्लैक होल का द्रव्यमान तीन गुना से भी अधिक हो सकता है।

शोधकर्ताओं ने यह भी जांचा कि बुलबुला निर्माण का पैटर्न इन परिणामों को कैसे प्रभावित करता है। उन्होंने दो अलग-अलग इतिहासों की तुलना की: एक जहाँ बुलबुले निरंतर बढ़ती दर से प्रकट होते हैं, और दूसरा जहाँ प्रकट होने की दर एक शिखर तक बढ़ती है और फिर गिर जाती है, जो एक बेल-कर्व जैसा दिखता है। उन्होंने पाया कि बुलबुला निर्माण का इतिहास घर्षण जितना ही महत्वपूर्ण है। जब बुलबुले बेल-कर्व पैटर्न में बनते हैं, तो विलंबित पैच को आवश्यक घनत्व उत्पन्न करने के लिए और भी लंबे इंतजार की आवश्यकता होती है। घर्षण के प्रभावों के साथ मिलकर, यह विशिष्ट न्यूक्लिएशन इतिहास सबसे बड़े ब्लैक होल बनाता है, जिसमें सरल, घर्षण-रहित मॉडलों की तुलना में प्रारंभिक द्रव्यमान 300 प्रतिशत से अधिक बढ़ जाता है।

ब्लैक होल के अलावा, यह अध्ययन गुरुत्वाकर्षण तरंगों (gravitational waves) का उपयोग करके इन विचारों का परीक्षण करने का एक तरीका प्रदान करता है। जब बुलबुले टकराते और फैलते हैं, तो वे स्पेसटाइम में लहरें पैदा करते हैं। टीम ने पाया कि घर्षण की उपस्थिति इन लहरों के चरित्र को बदल देती है। घर्षण-रहित दुनिया में, बुलबुले प्रकाश की गति की ओर दौड़ेंगे, और गुरुत्वाकर्षण तरंगें मुख्य रूप से बुलबुले की दीवारों के हिंसक टकराव से आएंगी। लेकिन घर्षण के साथ, दीवारें धीमी गति से चलती हैं, और ऊर्जा ब्रह्मांड के तरल पदार्थ (fluid) में स्थानांतरित हो जाती है, जिससे ध्वनि तरंगें और विक्षोभ (turbulence) पैदा होता है। ये तरल गतियाँ गुरुत्वाकर्षण तरंगों का एक अलग, संभावित रूप से अधिक शक्तिशाली संकेत उत्पन्न करती हैं। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि इन तरंगों की विशिष्ट "गूँज" को भविष्य के डिटेक्टरों के साथ सुनकर, वैज्ञानिक घर्षण-रहित ब्रह्मांड और एक ऐसे ब्रह्मांड के बीच अंतर कर सकते हैं जहाँ घर्षण ने प्रमुख भूमिका निभाई थी। यह हमें ब्रह्मांड के पहले क्षणों में झांकने और यह निर्धारित करने की अनुमति देगा कि ब्रह्मांड वास्तव में कैसे ठंडा हुआ और अपने वर्तमान रूप में स्थिर हुआ, जो इन प्राचीन, छिपे हुए ब्लैक होल के अस्तित्व को प्रकट कर सकता है।