Crudely Estimated Maximum Mass for a Cosmological Black Hole

ब्रह्मांड की विशाल, अंधकारमय वास्तुकला में, गुरुत्वाकर्षण एक परम मूर्तिकार के रूप में कार्य करता है, जो तारों, आकाशगंगाओं और ज्ञात सबसे चरम वस्तुओं: ब्लैक होल को बनाने के लिए पदार्थ को एक साथ खींचता है। ये अंतरिक्ष के ऐसे क्षेत्र हैं जो इतने घने हैं कि कुछ भी, यहाँ तक कि प्रकाश भी, उनके खिंचाव से बच नहीं सकता। जब दो आकाशगंगाएँ आपस में टकराती हैं, तो उनके केंद्रीय ब्लैक होल अक्सर एक धीमी, ब्रह्मांडीय वाल्ट्ज़ (waltz) में बंधे हुए, एक-दूसरे की परिक्रमा करते हुए पाए जाते हैं। दशकों से, खगोलविदों ने यह समझा है कि जैसे-जैसे ये जोड़े अंदर की ओर सर्पिल (spiral) गति करते हैं, उन्हें अंततः एक साथ टकरा जाना चाहिए, जिससे स्पेस-टाइम (space-time) में तरंगों का एक जबरदस्त विस्फोट उत्पन्न होता है जिसे गुरुत्वाकर्षण तरंगें (gravitational waves) कहा जाता है। हालाँकि, एक निरंतर पहेली बनी हुई है: सिमुलेशन सुझाव देते हैं कि सबसे विशाल ब्लैक होल जोड़ों के लिए, वे बल जो आमतौर पर उन्हें एक साथ लाने के लिए प्रेरित करते हैं—जैसे कि आसपास के सितारों या गैस का घर्षण—इतने मजबूत नहीं हो सकते जो उन्हें अंतिम, विस्फोटक विलय होने के लिए पर्याप्त करीब धकेल सकें, और यह प्रक्रिया ब्रह्मांड की वर्तमान आयु के भीतर पूरी न हो सके। यदि यह सच है, तो एक सीमा होनी चाहिए कि एक ब्लैक होल दूसरे के साथ विलय करके कितना बड़ा हो सकता है, इससे पहले कि ब्रह्मांड का समय ही समाप्त हो जाए।

अल्बर्टा विश्वविद्यालय के सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी डॉन एन. पेज द्वारा किया गया एक हालिया अध्ययन इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए ब्लैक होल जोड़ों के उस धीमे, निरंतर बहाव को देखता है जो उनके महत्वपूर्ण गुरुत्वाकर्षण तरंगें उत्सर्जित करने से पहले शुरू होता है। यह शोध पिछले कंप्यूटर सिमुलेशन पर आधारित है जिन्होंने ट्रैक किया कि आकाशगंगाओं के केंद्रों में स्थित तारे घूमते हुए ब्लैक होल जोड़ों के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। इन सिमुलेशन ने दिखाया कि पास के सितारों का गुरुत्वाकर्षण खिंचाव ब्लैक होल्स को ऊर्जा खोने और एक निश्चित दर से करीब आने के लिए मजबूर करता है, जो आश्चर्यजनक रूप से स्थिर है, चाहे ब्लैक होल्स कितने भी विशाल क्यों न हों। यह प्रक्रिया धीमी है, जिसमें जोड़े को अंतिम छलांग लगाने के लिए पर्याप्त करीब लाने में सैकड़ों अरबों वर्ष लग जाते हैं, जो कि लगभग 14 अरब वर्षों की अब तक की ब्रह्मांड की आयु से कहीं अधिक लंबा समय है। पेज का कार्य एक सरल लेकिन गहन प्रश्न पूछता है: यदि हम इस धीमी तारकीय गति (stellar drift) में गुरुत्वाकर्षण तरंगों का अतिरिक्त धक्का जोड़ दें, तो क्या हमारे ब्रह्मांड के जीवनकाल के भीतर विलय होने वाले ब्लैक होल के लिए एक अधिकतम द्रव्यमान (mass) है?

शोध पत्र सुझाव देता है कि वास्तव में एक सीमा (ceiling) है। सितारों के कारण होने वाले धीमे बहाव को गुरुत्वाकर्षण विकिरण के कारण होने वाले तेज़ सर्पिल (inspiral) के साथ जोड़कर, लेखक ने गणना की है कि ब्लैक होल बाइनरी केवल तभी विलय कर सकते हैं जब उनका संयुक्त द्रव्यमान एक निश्चित सीमा से नीचे हो। यदि जोड़ा बहुत भारी है, तो ब्रह्मांड के पास उन्हें एक साथ लाने के लिए पर्याप्त समय नहीं होगा। गणना दर्शाती है कि इस विलय अनुक्रम के माध्यम से बनने वाले ब्लैक होल के लिए अधिकतम द्रव्यमान हमारे सूर्य के द्रव्यमान का लगभग 140 ट्रिलियन गुना है। यह आंकड़ा सबसे कुशल परिदृश्य को मानकर निकाला गया है: एक समान आकार के ब्लैक होल्स के बीच विलय की एक श्रृंखला, जो समय की शुरुआत से निरंतर होती आ रही है। इन आदर्श स्थितियों के तहत भी, इस सीमा से भारी कोई भी ब्लैक होल आज तक आपस में मिलने के लिए बहुत दूर होगा।

इस निष्कर्ष का हमारे ब्रह्मांड को सुनने के तरीके पर सीधा प्रभाव पड़ता है। खगोलविद इन विलय होते दिग्गजों से निकलने वाली गुरुत्वाकर्षण तरंगों की खोज के लिए डिटेक्टरों का उपयोग करते हैं। अध्ययन भविष्यवाणी करता है कि इन घटनाओं से उत्पन्न होने वाला संकेत तब मजबूत नहीं होगा जब तरंगों की आवृत्ति कम हो जाती है, एक बार जब तरंगें लगभग 100,000 वर्षों के कालखंडों के अनुरूप लंबी हो जाती हैं। दूसरे शब्दों में, एक कट-ऑफ पॉइंट (cutoff point) है। एक निश्चित पिच से नीचे, सुपरमैसिव ब्लैक होल बाइनरी से निकलने वाली गुरुत्वाकर्षण तरंगों की तीव्रता बढ़ना बंद हो जानी चाहिए क्योंकि सबसे भारी जोड़ों के पास विलय करने के लिए पर्याप्त समय नहीं था। यह भविष्य के अवलोकनों के लिए एक स्पष्ट, परीक्षण योग्य भविष्यवाणी प्रदान करता है: यदि हम बहुत लंबी अवधि के संकेतों की तलाश करते हैं, तो हमें सबसे विशाल ब्लैक होल्स से अपेक्षित शक्ति में वृद्धि नहीं मिलेगी, जो इस बात की पुष्टि करेगा कि उनके विकास के लिए एक ब्रह्मांडीय गति सीमा (cosmic speed limit) मौजूद है।

लेखक सावधानीपूर्वक नोट करते हैं कि यह एक मोटा अनुमान (crude estimate) है, एक सटीक माप के बजाय एक अनुमानित ऊपरी सीमा। यह इस बारे में विशिष्ट धारणाओं पर निर्भर करता है कि ब्लैक होल्स एक अनुक्रम में कैसे विलय होते हैं और आसपास के तारे उनकी गति को कैसे प्रभावित करते हैं। पेपर यह दावा नहीं करता है कि उसने ब्लैक होल निर्माण के रहस्य को निर्णायक रूप से हल कर लिया है, बल्कि यह भौतिकी की वर्तमान समझ और ब्रह्मांड की आयु के आधार पर एक संभावित सीमा प्रस्तुत करता है। यह सुझाव देता है कि यद्यपि ब्रह्मांड विशाल और पुराना है, फिर भी यह इस गणना की गई सीमा से काफी बड़े ब्लैक होल्स के निर्माण के लिए मानक बाइनरी विलय प्रक्रिया के माध्यम से पर्याप्त पुराना नहीं है। यह कार्य ब्रह्मांडीय विकास की पहेली में एक महत्वपूर्ण हिस्सा जोड़ता है, जो अस्तित्व की सबसे विशाल वस्तुओं के लिए संभव सीमाओं को परिभाषित करता है।