Dark-to-black super-accretion as a spin-imprinting mechanism for supermassive Kerr black holes

ब्रह्मांड के शुरुआती दौर के विशाल, अंधेरे विस्तार में, खगोलविदों ने एक ऐसी पहेली पाई है जो सरल स्पष्टीकरण को चुनौती देती है। ब्रह्मांड के बहुत पुराने समय में, जब ब्रह्मांड एक अरब वर्ष से भी कम उम्र का था, तब ऐसे ब्लैक होल (कृष्ण विवर) मौजूद थे जो इतने विशाल थे कि उनका वजन हमारे सूर्य के द्रव्यमान के अरबों गुना था। तारों और आकाशगंगाओं के बनने के मानक सिद्धांतों के अनुसार, उन्हें इतनी विशालता तक पहुँचने में बहुत अधिक समय लगना चाहिए था। वे बीज जिनसे वे अंकुरित हुए थे—जो कि सबसे पहले तारों के अवशेष थे—संभवतः इतने विशाल आकार तक पहुँचने के लिए बहुत छोटे थे, जब तक कि उन्होंने पदार्थ को एक उन्मत, लगभग असंभव गति से न खाया हो। जो हम देखते हैं और जो हम उम्मीद करते हैं, उनके बीच का यह तनाव भौतिकी के नियमों को तोड़े बिना विकास को तेज करने वाले एक तंत्र या 'मिसिंग इंग्रीडिएंट' की खोज में खगोलविदों को छोड़ गया है। इस लापता कड़ी के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार डार्क मैटर (अंधक द्रव्य) है, वह अदृश्य पदार्थ जो ब्रह्मांड के अधिकांश द्रव्यमान का निर्माण करता है। हालांकि हम इसे देख नहीं सकते, लेकिन हम जानते हैं कि यह अपने गुरुत्वाकर्षण खिंचाव के कारण मौजूद है। एक विशिष्ट सिद्धांत सुझाव देता है कि इस डार्क मैटर का कुछ हिस्सा अविश्वसनीय रूप से हल्के कणों से बना हो सकता है, जो इतने हल्के हैं कि वे रेत के व्यक्तिगत दानों की तरह कम और एक विशाल, घूमती हुई लहर की तरह अधिक व्यवहार करते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब यह पता लगाने के लिए अन्वेषण किया है कि ये तरंग-रूपी डार्क मैटर बादल एक नवजात ब्लैक होल के साथ कैसे परस्पर क्रिया कर सकते हैं ताकि इसके तीव्र विकास और इसके अंतिम स्पिन (घूर्णन) के रहस्य को सुलझाया जा सके। उन्होंने एक ऐसी स्थिति पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ एक ब्लैक होल इस अति-हल्के डार्क मैटर के दो अलग-अलग बादलों से घिरा हुआ है, जिनमें से प्रत्येक ऊर्जा और घूर्णन की एक अलग अवस्था में है। विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, उन्होंने देखा कि कैसे ब्लैक होल और ये बादल करोड़ों वर्षों में एक साथ विकसित होते हैं। उन्होंने पाया कि यह एक दो-चरणीय प्रक्रिया है जो एक 'कॉस्स्मिक रीसेट बटन' की तरह कार्य करती है, जो ब्लैक होल के मूल इतिहास को मिटा देती है और उस पर एक नया, अनुमानित स्पिन अंकित कर देती है।

कहानी एक छोटे ब्लैक होल से शुरू होती है, जो शायद सूर्य के द्रव्यमान से कुछ हजार गुना बड़ा है, और इस तरंग-रूपी डार्क मैटर के एक विशाल हेलो (आभामंडल) के भीतर स्थित है। इस प्रक्रिया का पहला चरण इस तरंग-रूपी डार्क मैटर के एक गोलाकार बादल से संबंधित है जिसमें कोई स्पिन (घूर्णन) नहीं है। जैसे ही ब्लैक होल इस बादल को निगलता है, वह अपनी घूर्णन गति प्राप्त नहीं करता है; इसके बजाय, वह केवल द्रव्यमान प्राप्त करता है। क्योंकि ब्लैक होल जिस दर से इस पदार्थ को खाता है वह ब्लैक होल के भारी होने के साथ बढ़ती जाती है, इसलिए यह प्रक्रिया एक अनियंत्रित घटना बन जाती है। ब्लैक होल एक मामूली बीज से एक सुपरमैसिव (अतिविशाल) दिग्गज तक बढ़ता है, जिसका वजन सौर द्रव्यमान के लाखों गुना होता है, और यह एक अपेक्षाकृत छोटे ब्रह्मांडीय क्षण में होता है। महत्वपूर्ण रूप से, क्योंकि खाया जाने वाला पदार्थ अपने साथ कोई स्पिन नहीं लाता, इसलिए ब्लैक होल का घूर्णन नाटकीय रूप से धीमा हो जाता है। शुरुआत में ब्लैक होल चाहे कितनी भी तेजी से घूम रहा हो, जब तक वह इस पहले बादल को खाना समाप्त कर लेता है, वह लगभग बिना किसी घूर्णन के रह जाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस चरण में सैकड़ों मिलियन वर्ष लगते हैं, जो हमारे लिए एक लंबा समय है, लेकिन एक आकाशगंगा के जीवन में एक संक्षिप्त क्षण है।

एक बार जब पहला बादल समाप्त हो जाता है, तो दूसरा चरण शुरू होता है, और भौतिकी बदल जाती है। ब्लैक होल अब एक विशाल, लगभग स्थिर वस्तु है, लेकिन वह अभी भी डार्क मैटर के दूसरे बादल से घिरा हुआ है। यह दूसरा बादल अलग है: यह एक वलय (रिंग) के आकार का है और इसमें कोणीय संवेग, या स्पिन की एक विशिष्ट मात्रा है। पहले बादल के विपरीत, यह ब्लैक होल के साथ इस तरह से परस्पर क्रिया करता है जिससे यह अपना स्पिन ब्लैक होल को हस्तांतरित कर सके। ब्लैक होल इस वलयनुमा पदार्थ को सोखना शुरू करता है, और जैसे-जैसे वह ऐसा करता है, वह घूमने लगता है। शोधकर्ताओं ने देखा कि यह 'स्पिन-अप' (घूर्णन बढ़ना) बहुत तेजी से होता है, मात्र कुछ हज़ार वर्षों में। जैसे-जैसे ब्लैक होल तेजी से घूमता है, वह अंततः उस बिंदु पर पहुँच जाता है जहाँ वह बादल को कुशलतापूर्वक अवशोषित नहीं कर पाता। इस विशिष्ट गति पर, ब्लैक होल का घूर्णन डार्क मैटर की प्राकृतिक आवृत्ति (फ्रीक्वेंसी) से मेल खाता है, और ऊर्जा तथा पदार्थ का प्रवाह रुक जाता है। ब्लैक होल एक स्थिर अवस्था में बस जाता है, जो केवल ब्लैक होल के द्रव्यमान और डार्क मैटर के कणों के द्रव्यमान पर निर्भर करता है, न कि इस पर कि वह शुरुआत में कितनी तेजी से घूम रहा था।

यह खोज एक ठोस स्पष्टीकरण प्रदान करती है कि हमें प्रारंभिक ब्रह्मांड में इतने सारे तेजी से घूमने वाले सुपरमैसिव ब्लैक होल क्यों दिखाई देते हैं। मॉडल का सुझाव है कि उनका अंतिम स्पिन उनके अराजक जन्म या उनके विशिष्ट आहार इतिहास का यादृच्छिक परिणाम नहीं है। इसके बजाय, यह डार्क मैटर द्वारा छोड़ा गया एक "फिंगरप्रिंट" (छाप) है। खाने के पहले चरण द्वारा ब्लैक होल के प्रारंभिक स्पिन को पूरी तरह से मिटा दिया जाता है, और अंतिम स्पिन को डार्क मैटर कणों के गुणों द्वारा निर्धारित एक मान पर रीसेट कर दिया जाता है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि उनके द्वारा परीक्षण किए गए डार्क मैटर कणों के विशिष्ट द्रव्यमान के लिए, अंतिम स्पिन लगभग 0.52 के मान पर स्थिर होगा, जो ब्लैक होल के अधिकतम संभव स्पिन का लगभग आधा है। यह भविष्यवाणी वास्तविक आकाशगंगाओं में सक्रिय ब्लैक होल्स के अवलोकनों के साथ अच्छी तरह मेल खाती है, जिनमें से कई समान उच्च गति पर घूमते हुए पाए जाते हैं।

अध्ययन में यह भी देखा गया कि क्या ब्लैक होल और भी बड़ा हो जाता है या यदि डार्क मैटर के कणों का द्रव्यमान भिन्न होता है तो क्या होता है। उन्होंने पाया कि यह प्रक्रिया सुदृढ़ है: ब्लैक होल हमेशा एक ऐसी गति पर घूमता है जो डार्क मैटर की आवृत्ति से मेल खाती है। हालांकि, उन्होंने एक सीमा की पहचान भी की। यदि ब्लैक होल दिए गए डार्क मैटर द्रव्यमान के लिए बहुत अधिक विशाल हो जाता है, तो यह तंत्र काम करना बंद कर देता है, और ब्लैक होल किसी अन्य अवस्था में रह सकता है। इसके अलावा, उन्होंने जांच की कि क्या अन्य प्रकार के डार्क मैटर तरंगें इस स्थिर अवस्था को बाधित कर सकती हैं। उन्होंने पाया कि प्रासंगिक सीमा के अधिकांश भाग के लिए, प्रणाली ब्रह्मांड की आयु तक स्थिर रहती है, जिसका अर्थ है कि स्पिन की यह छाप स्थायी है।

यह कार्य एक स्पष्ट, चरण-दर-चरण चित्र प्रदान करता है कि कैसे एक ब्लैक होल एक छोटे बीज से एक सुपरमैसिव दिग्गज के रूप में बढ़ सकता है और साथ ही एक विशिष्ट, अनुमानित स्पिन प्राप्त कर सकता है। यह सुझाव देता है कि इन वस्तुओं के आसपास का डार्क मैटर केवल एक निष्क्रिय पृष्ठभूमि नहीं है बल्कि ब्लैक होल्स को आकार देने में एक सक्रिय भागीदार है। अतीत को मिटाकर और भविष्य के लिए एक नया मानक निर्धारित करके, यह 'डार्क-टू-ब्लैक सुपर-एक्रीशन' तंत्र आधुनिक खगोल भौतिकी के सबसे महत्वपूर्ण प्रश्नों में से एक का समाधान प्रदान करता है: ब्रह्मांड के सबसे बड़े ब्लैक होल्स इतने बड़े और इतने तेज कैसे बने। निष्कर्ष यह दावा नहीं करते कि यह अंतिम शब्द है, क्योंकि वास्तविक आकाशगंगाएँ जटिल स्थान हैं जहाँ कई अन्य बल भी काम कर रहे हैं, लेकिन वे प्रदर्शित करते हैं कि एक तरंग-रूपी डार्क मैटर क्षेत्र के साथ सरल परस्पर क्रिया इन ब्रह्मांडीय दिग्गजों के रहस्य को खोलने की कुंजी हो सकती है।