Cosmological implications for hairy black holes via spontaneous symmetry breaking: Are Hairy Black Holes Primordial?
यह शोध पत्र आइंस्टीन-स्केलर-गॉस-बोनट सिद्धांत में स्वतः सममिति भंग (spontaneous symmetry breaking) के माध्यम से निर्मित 'हेयरी ब्लैक होल्स' की ब्रह्माण्ड संबंधी व्यवहार्यता की जांच करता है और यह निष्कर्ष निकालता है कि, पोस्ट-इन्फ्लेशनरी चरण के दौरान टेकीओनिक अस्थिरताओं (tachyonic instabilities) से बचने के लिए, केवल कुछ ग्राम द्रव्यमान वाले अति-हल्के प्राइमोर्डियल ब्लैक होल्स ही सफलतापूर्वक स्केलर हेयर विकसित कर सकते हैं।
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दशकों से, ब्लैक होलों के बारे में प्रचलित दृष्टिकोण यह रहा है कि वे परम सरल वस्तुएं हैं। भौतिक विज्ञान के मानक नियमों के अनुसार, एक ब्लैक होल को केवल तीन चीजों द्वारा परिभाषित किया जाता है: इसका द्रव्यमान, इसके घूमने की गति, और इसका विद्युत आवेश। बाकी सब कुछ—वह पदार्थ जो इसमें गिरा, वे तारे जिन्हें इसने निगल लिया, इसके निर्माण का जटिल इतिहास—मिटा दिया जाता है। यह विचार, जिसे "नो-हेयर" (no-hair) प्रमेय के रूप में जाना जाता है, यह सुझाव देता है कि एक बार ब्लैक होल बनने के बाद, यह अपनी सभी अतिरिक्त विशेषताओं को त्याग देता है, जिससे पीछे गुरुत्वाकर्षण का एक पूर्णतः चिकना, विशेषताहीन गोला रह जाता है। हालाँकि, यह चित्र इस धारणा पर आधारित है कि गुरुत्वाकर्षण के नियम बिल्कुल वैसे ही हैं जैसा अल्बर्ट आइंस्टीन ने एक सदी पहले वर्णित किया था। यदि चरम स्थितियों में गुरुत्वाकर्षण अलग तरह से व्यवहार करता है, या यदि ऊर्जा के नए क्षेत्र मौजूद हैं जो अप्रत्याशित तरीकों से गुरुत्वाकर्षण के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, तो ब्लैक होल अपने इतिहास का एक हिस्सा सुरक्षित रखने में सक्षम हो सकते हैं, और अपने चारों ओर अतिरिक्त ऊर्जा का एक "कोट" (coat) विकसित कर सकते हैं। इस अतिरिक्त ऊर्जा को भौतिक विज्ञानी "हेयर" (बाल/केश) कहते हैं।
गुरुत्वाकर्षण तरंगों के हालिया अवलोकनों ने, जो ब्लैक होल के टकराने से उत्पन्न होने वाली स्पेसटाइम की लहरें हैं, इन विचारों का परीक्षण करने के लिए एक नया द्वार खोल दिया है। ब्लैक होल के विलय के बाद उसके अंतिम कंपनों—जिसे 'रिंगडाउन' (ringdown) कहा जाता है—को सुनकर, वैज्ञानिक यह जांच सकते हैं कि क्या वह वस्तु ठीक वैसा ही व्यवहार करती है जैसा आइंस्टीन ने भविष्यवाणी की थी, या क्या वह इन रहस्यमय अतिरिक्त विशेषताओं को धारण करती है। ऐसी विशेषताओं की अनुमति देने वाला एक आशाजनक सिद्धांत गुरुत्वाकर्षण और एक नए प्रकार के ऊर्जा क्षेत्र के बीच एक जटिल परस्पर क्रिया से जुड़ा है। इस परिदृश्य में, एक ब्लैक होल अपने चारों ओर इस ऊर्जा का एक बादल स्वतः विकसित कर सकता है, जो प्रभावी रूप से निर्वात (vacuum) की समरूपता को तोड़ता है और अपना स्वयं का 'हेयर' विकसित करता है। लेकिन हमारे ब्रह्मांड में इसकी एक वास्तविक संभावना होने के लिए, इसे केवल एक अकेले ब्लैक होल के शांत, एकांत स्थान में ही नहीं काम करना चाहिए; इसे ब्रह्मांड के हिंसक, विस्तारवादी इतिहास में भी जीवित रहना चाहिए।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस बात की जांच की है कि क्या ऐसे 'हेयरी' (hairy) ब्लैक होल बिना हमारे ज्ञात ब्रह्मांड को नष्ट किए अस्तित्व में रह सकते हैं। उन्होंने एक विशिष्ट सिद्धांत पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ एक ब्लैक होल 'स्केलर फील्ड' (एक प्रकार का ऊर्जा क्षेत्र जो अंतरिक्ष में व्याप्त रहता है) के माध्यम से 'स्पोंटेनियस सिमिट्री ब्रेकिंग' (spontaneous symmetry breaking) नामक प्रक्रिया के जरिए विकसित हो सकता है। एक अकेले ब्लैक होल के शांत वातावरण में, यह प्रक्रिया खूबसूरती से काम करती है: ब्लैक होल अस्थिर हो जाता है, अपनी 'बाल्ड' (bald/गंजा) अवस्था को त्याग देता है, और एक नई, 'हेरी' संरचना में स्थिर हो जाता है। हालाँकि, ब्रह्मांड एक शांत, स्थिर स्थान नहीं है। इसकी शुरुआत 'इन्फ्लेशन' (inflation) नामक तीव्र विस्तार के दौर से हुई थी, जिसके बाद मंदित विस्तार का एक लंबा युग आया। शोधकर्ताओं ने एक महत्वपूर्ण प्रश्न पूछा: यदि ब्लैक होल को 'हेयर' उगाने की स्थितियाँ प्रारंभिक ब्रह्मांड में भी मौजूद थीं, तो क्या पूरा ब्रह्मांड अस्थिर हो जाता?
टीम ने पाया कि उत्तर पूरी तरह से ब्रह्मांड के समय और पैमाने पर निर्भर करता है। बहुत शुरुआती ब्रह्मांड में, इन्फ्लेशन के तीव्र विस्तार के दौरान, ब्लैक होल को 'हेयर' उगाने के लिए स्थितियाँ अनुकूल होती हैं। ऊर्जा क्षेत्र एक स्थिर अवस्था में बस जाता है, और ब्लैक होल अपना स्केलर कोट विकसित कर सकता है। लेकिन जैसे ही इन्फ्लेशन समाप्त होता है और ब्रह्मांड अपने विस्तार को धीमा करना शुरू करता है, नियम बदल जाते हैं। वह गणितीय शब्द जो 'हेयर' के विकास को संचालित करता है, अपना चिह्न (sign) बदल देता है। अचानक, वह ऊर्जा क्षेत्र जो स्थिर था, अस्थिर हो जाता है, और ब्रह्मांड के सामने एक खतरनाक संभावना खड़ी हो जाती है: ऊर्जा क्षेत्र अनियंत्रित रूप से बढ़ सकता है, जिससे एक 'रनवे इफेक्ट' (runaway effect) पैदा हो सकता है जो तारों, आकाशगंगाओं और जीवन के निर्माण को बाधित कर देगा।
इस आपदा से बचने के लिए, शोधकर्ताओं ने पाया कि ब्रह्मांड को उन ब्लैक होल के आकार के बारे में बहुत विशिष्ट होना चाहिए जो 'हेयर' विकसित करने की अनुमति देते हैं। यदि ब्लैक होल बहुत भारी हैं, जैसे कि आज आकाशगंगाओं के केंद्रों में पाए जाने वाले विशाल ब्लैक होल, तो ऊर्जा क्षेत्र का अनियंत्रित विकास बहुत कुशल होगा, और ब्रह्मांड नष्ट हो जाएगा। ब्रह्मांड को सुरक्षित रखने और साथ ही ब्लैक होल को 'हेयर' विकसित करने की अनुमति देने का एकमात्र तरीका यह है कि वे ब्लैक होल अविश्वसनीय रूप से छोटे हों। अध्ययन से पता चलता है कि केवल अति-हल्के (ultralight) ब्लैक होल, जिनका द्रव्यमान मात्र कुछ ग्राम होता है, इस ब्रह्मांडीय आपदा को सक्रिय किए बिना यह स्केलर 'हेयर' विकसित कर सकते हैं। ये वस्तुएं 'प्राइमॉर्डियल' (आद्य) होंगी, जो बिग बैंग के पहले क्षणों में बनी थीं, और वे इतनी हल्की होंगी कि 'हॉकिंग रेडिएशन' की एक प्रक्रिया के माध्यम से बहुत पहले ही वाष्पित हो चुकी होंगी।
शोधकर्ताओं ने फिर उन सटीक स्थितियों का मानचित्र तैयार किया जो इन छोटे, 'हेरी' ब्लैक होल के अस्तित्व के लिए आवश्यक हैं। उन्होंने गणना की कि गुरुत्वाकर्षण और स्केलर फील्ड के बीच परस्पर क्रिया को नियंत्रित करने वाला ऊर्जा पैमाना एक बहुत ही विशिष्ट मान (value) पर सेट होना चाहिए। यदि यह पैमाना बहुत कम है, तो ब्रह्मांड अस्थिर हो जाएगा; यदि यह बहुत अधिक है, तो ब्लैक होल 'हेयर' विकसित नहीं कर पाएंगे। इन मापदंडों को सीमित करके, उन्होंने एक संकीर्ण खिड़की (window) की पहचान की जहाँ ब्रह्मांड स्थिर रहता है, और ब्लैक होल सुरक्षित रूप से अपने 'हेयर' विकसित कर सकते हैं। इस खिड़की में, ब्लैक होल इतने छोटे होते हैं कि उनके 'इवेंट होराइजन' सूक्ष्म होते हैं, फिर भी उनके पास एक अनूठी संरचना होती है जो उन्हें साधारण ब्लैक होल से अलग करती है।
टीम ने यह भी देखा कि ये 'हेरी' ब्लैक होल वाष्पित होते समय कैसा व्यवहार करेंगे। भले ही वे छोटे और अल्पकालिक हैं, लेकिन उनके वाष्पीकरण ने प्रारंभिक ब्रह्मांड में महत्वपूर्ण निशान छोड़े होंगे, जो संभावित रूप से डार्क मैटर के निर्माण या पदार्थ और प्रति-पदार्थ (matter and antimatter) के बीच असंतुलन को प्रभावित कर सकते हैं। यह समझने के लिए कि वे ऊर्जा कैसे मुक्त करते हैं, शोधकर्ताओं ने "ग्रेबॉडी फैक्टर" (greybody factor) की गणना की, जो यह मापता है कि विकिरण कितनी आसानी से ब्लैक होल के गुरुत्वाकर्षण से बाहर निकल सकता है। उन्होंने पाया कि हालांकि 'हेयर' की उपस्थिति विकिरण के बाहर निकलने के तरीके को बदल देती है, लेकिन यह अंतर सूक्ष्म है। विकिरण के सबसे बुनियादी प्रकारों के लिए, 'हेरी' ब्लैक होल एक सामान्य ब्लैक होल की तरह ही दिखता है, लेकिन विकिरण के अधिक जटिल पैटर्न के लिए, 'हेयर' एक छोटा, पता लगाने योग्य निशान छोड़ता है।
अंततः, यह कार्य सुझाव देता है कि ब्रह्मांड अपने शैशव काल में छोटे, 'हेरी' ब्लैक होल की एक आबादी का स्वागत कर सकता था बिना भौतिकी के नियमों को तोड़े। ये वस्तुएं पैदा हुई होंगी, ऊर्जा का एक कोट विकसित किया होगा, और फिर लुप्त हो गई होंगी, पीछे केवल उनके अस्तित्व की अत्यंत मंद गूँज छोड़ गई होंगी। भले ही हम आज उन्हें सीधे नहीं देख सकते, लेकिन उनका संभावित अस्तित्व प्रारंभिक ब्रह्मांड और गुरुत्वाकर्षण की प्रकृति के बारे में सोचने का एक नया तरीका प्रदान करता है। यह अध्ययन यह सिद्ध नहीं करता है कि ये ब्लैक होल निश्चित रूप से अस्तित्व में थे, बल्कि यह दर्शाता है कि वे भौतिकी के एक सुसंगत ढांचे के भीतर एक व्यवहार्य संभावना हैं। यह दिखाता है कि ब्रह्मांड इतना लचीला है कि वह विलक्षण वस्तुओं की अनुमति दे सकता है, बशर्ते वे ब्रह्मांडीय व्यवस्था को बनाए रखने के लिए पर्याप्त छोटे हों। यह खोज भविष्य के अनुसंधान के लिए एक नया मार्ग खोलती है, जो वैज्ञानिकों को प्रारंभिक ब्रह्मांड के डेटा में इन प्राचीन, सूक्ष्म दिग्गजों के सूक्ष्म संकेतों को खोजने के लिए आमंत्रित करती है।
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