Primordial Black Hole Seeds for Little Red Dots in $f(R)$ Gravity

ब्रह्मांड के शुरुआती दौर में, बिग बैंग के कुछ सौ मिलियन वर्षों के भीतर ही, कुछ अजीब हो रहा था। जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप का उपयोग करने वाले खगोलविदों ने आकाश में बिखरे हुए छोटे, अविश्वसनीय रूप से चमकीले लाल बिंदुओं की एक विशाल आबादी की खोज की है। ये वस्तुएं, जिन्हें 'लिटिल रेड डॉट्स' (छोटे लाल बिंदु) के रूप में जाना जाता है, सक्रिय ब्लैक होल हैं जो आश्चर्यजनक रूप से विशाल हैं, जिनका वजन हमारे सूर्य के द्रव्यमान से एक मिलियन से एक बिलियन गुना के बीच है। उनका अस्तित्व वैज्ञानिकों के लिए एक गंभीर पहेली पेश करता है। ब्रह्मांड कैसे काम करता है, इसकी मानक कहानी में, ब्लैक होल गैस और सितारों को खाकर धीरे-धीरे बढ़ते हैं, एक ऐसी प्रक्रिया जो उनके द्वारा उत्सर्जित प्रकाश के दबाव द्वारा सीमित होती है। भले ही एक ब्लैक होल एक मृत तारे के छोटे अवशेष के रूप में शुरू हुआ हो और भौतिक रूप से जितना संभव हो सके उतनी तेजी से खाया हो, फिर भी ब्रह्मांड इतना युवा होने तक इन दिग्गजों के रूप में विकसित होने के लिए उसके पास पर्याप्त समय नहीं होता। समय का तालमेल नहीं बैठता।

इस रहस्य को सुलझाने के लिए, सईद फखरी नामक एक शोधकर्ता ने इन शुरुआती दिग्गजों को बनाने का एक नया तरीका प्रस्तावित किया है, जो दो अलग-अलग विचारों को जोड़ता है: आदिम ब्लैक होल (प्रिमॉर्डियल ब्लैक होल्स) का अस्तित्व और गुरुत्वाकर्षण के नियमों में एक मामूली बदलाव। आदिम ब्लैक होल काल्पनिक प्रकार के ब्लैक होल हैं जो मरते हुए सितारों से नहीं बने, बल्कि स्वयं प्रारंभिक ब्रह्मांड के अराजक घनत्व से उत्पन्न हुए थे। वे बहुत पहले बन सकते थे और पहले के स्टेलर ब्लैक होल्स की तुलना में बहुत भारी हो सकते थे। फखरी का काम बताता है कि ये आदिम ब्लैक होल घने समूहों में एकत्र हो सकते थे, जहाँ वे एक-दूसरे से टकराए और विलीन हो गए, जिससे ब्रह्मांड में पहले सितारों के बनने से पहले ही वे तेजी से बढ़े। हालाँकि, इसके काम करने के लिए, ब्रह्मांड को उस रूप में थोड़ा अलग होना होगा जैसा कि हम आमतौर पर मानते हैं। यह अध्ययन गुरुत्वाकर्षण के एक संस्करण, f(R) ग्रेविटी का अन्वेषण करता है, जहाँ गुरुत्वाकर्षण का बल स्थिर नहीं है बल्कि कुछ वातावरणों में मजबूत हो सकता है, जो एक छिपे हुए 'पांचवें बल' की तरह कार्य करता है जो चीजों को अधिक मजबूती से खींचता है।

शोधकर्ता ने इस विचार का परीक्षण करने के लिए एक विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन बनाया। उन्होंने एक घना क्लस्टर (समूह) की कल्पना की जो हजारों इन आदिम ब्लैक होलों से भरा था, जिनमें से प्रत्येक का द्रव्यमान सूर्य के द्रव्यमान का लगभग तीस गुना था। गुरुत्वाकर्षण के मानक दृष्टिकोण में, ये ब्लैक होल तैरते रहेंगे और कभी-कभी विलीन होंगे, लेकिन यह प्रक्रिया धीमी होगी। संशोधित गुरुत्वाकर्षण परिदृश्य में, पांचवें बल के अतिरिक्त खिंचाव ने ब्लैक होलों को तेजी से चलने और अधिक बार टकराने के लिए प्रेरित किया। सिमुलेशन ने दिखाया कि इस बढ़ी हुई गुरुत्वाकर्षण ने एक उत्प्रेरक के रूप में कार्य किया, जिससे ब्लैक होल सामान्य से कहीं अधिक तेज़ी से बड़े-बड़े ढेलों में विलीन होने लगे। 'कोएगुलेशन' (संलयन) के रूप में जानी जाने वाली इस प्रक्रिया ने ब्लैक होलों को उनके प्रारंभिक आकार से बढ़कर सैकड़ों सौर द्रव्यमान के 'इंटरमीडिएट-मास सीड्स' (मध्यवर्ती द्रव्यमान के बीजों) में विकसित होने की अनुमति दी, और यह सब ब्रह्मांड के पहले एक अरब वर्षों के भीतर हुआ।

एक बार जब ये भारी बीज बन गए, तो सिमुलेशन दूसरे चरण में चला गया: गैस अभिवृद्धि (गैस एक्रेशन)। यह वह प्रक्रिया है जहाँ एक ब्लैक होल आसपास की गैस को निगल लेता है, जिससे वह और भी बड़ा हो जाता है। अध्ययन में पाया गया कि चूंकि बीज पहले से ही तीव्र विलय चरण के कारण बहुत भारी थे, इसलिए उन्हें एक बड़ी बढ़त मिली थी। जब इन भारी बीजों ने गैस खाना शुरू किया, तो उन्हें टेलीस्कोप द्वारा देखे गए आकार तक पहुँचने के लिए मानक मॉडलों की तरह बहुत अधिक उन्मत्त होकर खाने की आवश्यकता नहीं पड़ी। शुरुआती विलय से प्राप्त अतिरिक्त द्रव्यमान को ब्लैक होल के बढ़ने के दौरान संरक्षित और गुणा किया गया। परिणामों ने दिखाया कि यदि ब्रह्मांड के डार्क मैटर का एक छोटा हिस्सा इन आदिम ब्लैक होलों से बना हो, और ब्लैक होलों की गतिविधि की एक यथार्थवादी दर हो, तो यह मॉडल स्वाभाविक रूप से उस प्रारंभिक समय में देखे गए विशाल ब्लैक होलों की संख्या उत्पन्न कर सकता है। यह समाधान भौतिकी के अन्य ज्ञात नियमों, जैसे कि पृथ्वी पर ग्रेविटेशनल वेव डिटेक्टरों द्वारा निर्धारित सीमाओं का उल्लंघन किए बिना, डेटा में फिट बैठता है।

अध्ययन ने यह जांचने के लिए भी तरीके खोजे कि क्या यह विचार केवल एक गणितीय संभावना है या सही है। शोधकर्ता ने तीन विशिष्ट संकेतों की पहचान की जिन्हें भविष्य में इस विशिष्ट विकास के इतिहास की पुष्टि करने के लिए पहचाना जा सकता है। पहला, ब्लैक होलों का स्पिन (घूर्णन) इस बात पर निर्भर करेगा कि वे कैसे बढ़े। यदि वे मुख्य रूप से विलय से बढ़े हैं, तो उनका स्पिन एक विशिष्ट, मध्यम मान पर स्थिर होगा। यदि वे अराजक तरीके से गैस खाकर बढ़े हैं, तो उनका स्पिन कम और यादृच्छिक होगा। यदि उन्होंने एक सुव्यवस्थित डिस्क के माध्यम से गैस खाई है, तो उनका स्पिन बहुत उच्च होगा। सिमुलेशन ने दिखाया कि विलय-प्रधान पथ एक अनूठे स्पिन सिग्नेचर की ओर ले जाता है जो अन्य तरीकों से अलग है। दूसरा, इन ब्लैक होलों के निरंतर टकराने से गुरुत्वाकर्षण तरंगों की एक मंद, अनसुलझी गूँज (हम्) पैदा होगी, एक बैकग्राउंड शोर जिसे भविष्य के अंतरिक्ष-आधारित डिटेक्टर सुन सकते हैं। इस गूँज की आवृत्ति में एक विशिष्ट कट-ऑफ बिंदु होगा, जो प्रारंभिक विलय दर के 'फिंगरप्रिंट' के रूप में कार्य करेगा। अंत में, इन ब्लैक होलों का क्लस्टरिंग (समूहन) पैटर्न एक अनूठा स्वरूप दिखाएगा। संशोधित गुरुत्वाकर्षण उन्हें इस तरह से समूहबद्ध करेगा जो मानक गुरुत्वाकर्षण से भिन्न है, जिससे उनके वितरण में एक विशिष्ट पैटर्न बनेगा जिसे इन प्रारंभिक आकाशगंगाओं की स्थिति का अवलोकन करके मापा जा सकता है।

निष्कर्ष बताते हैं कि ब्रह्मांड ने अपने पहले दिग्गजों को बनाने के लिए एक शॉर्टकट का उपयोग किया होगा। धीमी, स्थिर वृद्धि की प्रतीक्षा करने के बजाय, प्रारंभिक ब्रह्मांड एक व्यस्त निर्माण स्थल रहा होगा जहाँ भारी बीजों को घने समूहों में बनाया गया था, जिसे थोड़े मजबूत गुरुत्वाकर्षण खिंचाव द्वारा त्वरित किया गया था। यह तंत्र उस समय संबंधी समस्या को हल करता है जिसने लंबे समय से खगोलविदों को परेशान किया है, जो कि इन विशाल ब्लैक होलों को उनके जन्म के इतने कम समय के भीतर कैसे बनाया जा सकता है, इसका एक संभावित मार्ग प्रदान करता है। हालांकि यह विचार गुरुत्वाकर्षण के एक विशिष्ट संस्करण पर निर्भर करता है जो अभी तक सिद्ध नहीं हुआ है, यह मॉडल वर्तमान सभी अवलोकनों के अनुरूप है और भविष्य के टेलीस्कोपों तथा ग्रेविटेशनल वेव डिटेक्टरों के लिए स्पष्ट, परीक्षण योग्य भविष्यवाणियाँ प्रदान करता है। यदि भविष्य के अवलोकन इस कार्य द्वारा अनुमानित विशिष्ट स्पिन पैटर्न, ग्रेविटेशनल वेव बैकग्राउंड, या स्थानिक क्लस्टरिंग की पुष्टि करते हैं, तो यह ब्रह्मांड की सबसे विशाल वस्तुओं के अस्तित्व में आने के तरीके के बारे में हमारी समझ को फिर से लिख देगा।