Evolution of Cosmic String Loops under Gravitational Backreaction

ब्रह्मांड के शुरुआती क्षणों में, बिग बैंग के एक सेकंड के कुछ ही अंशों के बाद, प्रकृति के मौलिक बल एक-दूसरे से अलग हो गए होंगे, जिसे 'सिमेट्री ब्रेकिंग' (सममिति भंग) नामक प्रक्रिया के रूप में जाना जाता है। यह घटना, बिल्कुल वैसे ही जैसे पानी जम कर बर्फ बन जाता है, अंतरिक्ष के ताने-बाने में स्थायी निशान छोड़ सकती है। ये निशान 'कॉस्मिक स्ट्रिंग्स' (ब्रह्मांडीय तार) हैं: ऊर्जा की अनंत रूप से पतली, अविश्वसनीय रूप से भारी रेखाएं जो ब्रह्मांड में फैली हुई हैं। हालांकि वे उच्च-ऊर्जा भौतिकी के कई मॉडलों द्वारा अनुमानित सैद्धांतिक वस्तुएं हैं, उन्हें कभी सीधे तौर पर देखा नहीं गया है। यदि वे अस्तित्व में हैं, तो वे अपने आकार के सापेक्ष ब्रह्मांड की सबसे विशाल वस्तुएं होंगी, और उनकी गति अंतरिक्ष-समय (स्पेस-टाइम) में लहरें पैदा करेगी, जिससे गुरुत्वाकर्षण तरंगें उत्पन्न होंगी जिन्हें हम एक दिन शायद पकड़ सकें।

इन स्ट्रिंग्स की सबसे नाटकीय विशेषताएं 'कस्प्स' (cusps) कहलाती हैं। जैसे ही कॉस्मिक स्ट्रिंग का एक लूप अपने स्वयं के तनाव के कारण कंपन करता है और मुड़ता है, ऐसे क्षण आते हैं जब उसका एक छोटा सा हिस्सा तब तक त्वरित होता है जब तक कि वह क्षण भर के लिए प्रकाश की गति तक नहीं पहुँच जाता। इस सटीक क्षण में, स्ट्रिंग एक ब्रह्मांडीय लाइटहाउस (प्रकाश स्तंभ) की तरह कार्य करती है, जो अंतरिक्ष में गुरुत्वाकर्षण विकिरण की एक शक्तिशाली, संकीर्ण किरण छोड़ती है। दशकों से, वैज्ञानिकों का मानना रहा है कि ये विस्फोट कॉस्मिक स्ट्रिंग्स को खोजने का सबसे आसान तरीका होंगे, क्योंकि इनका संकेत अविश्वसनीय रूप से मजबूत और विशिष्ट होने का अनुमान है। हालांकि, इस चित्र ने यह माना था कि स्ट्रिंग्स एक पूरी तरह से खाली, अपरिवर्तित शून्य में घूम रही हैं। वास्तव में, स्ट्रिंग्स इतनी विशाल होती हैं कि वे अपने चारों ओर के स्थान को मोड़ देती हैं, और वह मुड़ा हुआ स्थान स्ट्रिंग्स पर वापस दबाव डालता है, जिससे उनकी गति बदल जाती है। यह शोध पत्र ठीक इसी बात की जांच करता है कि वह 'पुश-बैक' (वापसी दबाव) कस्प के विवरण को कैसे बदल देता है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन स्ट्रिंग्स को सिम्युलेट करने का एक नया तरीका विकसित किया है, जिससे वे स्ट्रिंग्स के अपने गुरुत्वाकर्षण प्रभाव को ध्यान में रखते हुए उनके निरंतर विकास को देख सकते हैं। पिछले तरीकों में स्ट्रिंग्स को इस तरह माना जाता था जैसे वे कंपन के एक पूर्ण चक्र के लिए एक सीधी रेखा में चलती हैं और फिर उनके गुरुत्वाकर्षण के प्रभावों को एक सुधार (करेक्शन) के रूप में लागू किया जाता है। यह नया दृष्टिकोण एक हाई-स्पीड कैमरे की तरह है जो स्ट्रिंग की गति के हर पल को कैद करता है, जिसमें वह क्षण भी शामिल है जब वह प्रकाश की गति तक पहुँचती है। इन विस्तृत सिमुलेशन को चलाने के माध्यम से, टीम ने पाया कि कस्प गायब नहीं होते हैं। स्ट्रिंग अभी भी प्रकाश की गति तक पहुँचती है, और कस्प अभी भी बनता है, जैसा कि पुराने सिद्धांतों ने भविष्यवाणी की थी। नाटकीय घटना गुरुत्वाकर्षण के 'पुश-बैक' के बावजूद जीवित रहती है।

हालांकि, दूर स्थित प्रेक्षक तक पहुँचने वाला संकेत वैसा नहीं है जैसा अपेक्षित था। जबकि कस्प स्ट्रिंग पर अभी भी होता है, इसके द्वारा भेजी जाने वाली गुरुत्वाकर्षण तरंग काफी हद रूप से परिवर्तित हो जाती है। संकेत में वह तीखी, सुई जैसी चोटी (पीक) जिसे वैज्ञानिक देखने की उम्मीद कर रहे थे, अब चिकनी (स्मूथ) हो गई है। एक अचानक, हिंसक उछाल के बजाय, तरंग अधिक गोल हो जाती है। यह स्मूथिंग प्रभाव संकेत की आवृत्ति (फ्रीक्वेंसी) कितनी ऊँची जा सकती है, इस पर एक सीमा लगा देता है। स्ट्रिंग्स के एक निश्चित तनाव के लिए, संकेत एक विशिष्ट आवृत्ति के ऊपर तेजी से गिर जाता है, जो प्रभावी रूप से उच्च-आवृत्ति वाले हिस्से को काट देता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह कटऑफ फ्रीक्वेंसी स्ट्रिंग के तनाव पर निर्भर करती है; स्ट्रिंग जितनी भारी होगी, वह आवृत्ति उतनी ही कम होगी जिस पर संकेत गायब हो जाता है।

यह खोज इन ब्रह्मांडीय वस्तुओं को खोजने के दृष्टिकोण को बदल देती है। नए सिमुलेशन दिखाते हैं कि वर्तमान में संचालित सबसे संवेदनशील जमीनी डिटेक्टरों के लिए, कस्प विस्फोट से अपेक्षित संकेत संभवतः बहुत कमजोर होने की संभावना है क्योंकि संकेत के उच्च-आवृत्ति वाले हिस्से को दबा दिया गया है। वह 'तेज' हिस्सा जो इन डिटेक्टरों को चाहिए होता है, गायब है। अंतरिक्ष-आधारित वेधशाला, LISA के लिए स्थिति अलग है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि LISA अभी भी इन विस्फोटों का पता लगाने में सक्षम हो सकता है, लेकिन केवल तभी जब स्ट्रिंग्स का तनाव एक बहुत ही विशिष्ट सीमा के भीतर हो। यदि स्ट्रिंग्स बहुत भारी हैं, तो संकेत डिटेक्टर की फ्रीक्वेंसी बैंड तक पहुँचने से पहले ही कट जाता है; यदि वे बहुत हल्की हैं, तो संकेत सुनने के लिए बहुत धीमा होता है।

यह कार्य कॉस्मिक स्ट्रिंग्स के व्यवहार का अधिक यथार्थवादी दृश्य प्रदान करता है, जो उनके अपने गुरुत्वाकर्षण के जटिल फीडबैक को शामिल करते हुए आदर्श मॉडलों से आगे बढ़ता है। टीम ने पुष्टि की कि स्ट्रिंग्स द्वारा खोई गई ऊर्जा उस ऊर्जा के बराबर है जो गुरुत्वाकर्षण तरंगों के रूप में उत्सर्जित होने की भविष्यवाणी की गई थी, जो उनके नए तरीके को प्रमाणित करती है। उन्होंने यह भी दिखाया कि संकेत का स्मूथिंग होना सीधे तौर पर स्ट्रिंग की गति के थोड़ा धीमे होने का परिणाम है, जो ठीक उसी समय होता है जब वह प्रकाश की गति तक पहुँचती है। हालांकि नाटकीय कस्प घटना अभी भी होती है, ब्रह्मांड का अपना गुरुत्वाकर्षण एक फिल्टर के रूप में कार्य करता है, जो संकेत को मंद कर देता है और इन कॉस्मिक अवशेषों की खोज को पहले की तुलना में अधिक चुनौतीपूर्ण बना देता है। कॉस्मिक स्ट्रिंग्स की खोज जारी है, लेकिन कहाँ देखना है और क्या उम्मीद करनी है, इसका मानचित्र फिर से तैयार किया गया है।