Accretion dynamics of thin and thick disks in charged Kalb-Ramond black holes

ब्रह्मांड के इस विशाल, अंधकारमय रंगमंच में, ब्लैक होल (कृष्ण विवर) परम लंगर हैं, जो अंतरिक्ष और समय को इतनी तीव्रता से मोड़ देते हैं कि प्रकाश भी उनकी पकड़ से बच नहीं पाता। दशकों से, इस चरम गुरुत्वाकर्षण का हमारा सबसे अच्छा मानचित्र आइंस्टीन का सामान्य सापेक्षता (जनरल रिलेटिविटी) का सिद्धांत रहा है, जिसने टकराते हुए सितारों की लहरों से लेकर ब्लैक होल की छाया की पहली प्रत्यक्ष छवियों तक, हर परीक्षण को सफलतापूर्वक पास किया है। फिर भी, वैज्ञानिक जानते हैं कि यह मानचित्र अधूरा है। यह इस बात की व्याख्या नहीं कर सकता कि ब्लैक होल के बिल्कुल केंद्र में क्या होता है, जहाँ भौतिकी के नियम टूटते हुए प्रतीत होते हैं, और न ही यह आसानी से क्वांटम दुनिया के नियमों के साथ एकजुट हो सकता है। इसे ठीक करने के लिए, शोधकर्ता गुरुत्वाकर्षण के "संशोधित" सिद्धांतों की खोज करते हैं, यह सवाल उठाते हुए कि क्या होगा यदि हमारे ब्रह्मांड की मौलिक समरूपता—लोरेंट्ज़ इनवेरिएंस (Lorentz invariance), जो यह सुनिश्चित करती है कि भौतिकी के नियम इस बात पर निर्भर नहीं करते कि आप कैसे चल रहे हैं या किस दिशा में उन्मुख हैं—थोड़ी सी टूट जाए। ऐसा ही एक सिद्धांत एक छिपे हुए क्षेत्र (फील्ड) से संबंधित है जिसे 'कालब-रामंडर फील्ड' (Kalb-Ramond field) कहा जाता है, जो यदि अस्तित्व में है, तो स्पेसटाइम के ताने-बाने पर एक सूक्ष्म छाप छोड़ देगा।

भौतिकविदों की एक टीम ने हाल ही में यह देखने के लिए प्रयास किया कि क्या इस छिपे हुए क्षेत्र का पता ब्लैक होल के चारों ओर घूमते पदार्थ को देखकर लगाया जा सकता है। उन्होंने इस संशोधित गुरुत्वाकर्षण ढांचे के भीतर एक विशिष्ट, विद्युत आवेशित ब्लैक होल समाधान पर ध्यान केंद्रित किया। उनका लक्ष्य दोहरा था: पहला, यह देखना कि क्या यह अजीब ब्लैक होल उन ब्लैक होल जैसा दिख सकता है जिन्हें हमने पहले ही चित्रित किया है, और दूसरा, यह भविष्यवाणी करना कि इस तरह के ब्लैक होल में गिरने वाली अत्यधिक गर्म गैस मानक आइंस्टीनियन गुरुत्वाकर्षण की तुलना में अलग तरह से व्यवहार करेगी। अपने सैद्धांतिक मॉडलों की तुलना हमारी आकाशगंगा के केंद्र में स्थित ब्लैक होल, सैजिटेरियस ए* (Sagittarius A*), द्वारा ईवेंट होराइजन टेलीस्कोप द्वारा ली गई वास्तविक छवियों से करके, वे इस छिपे हुए क्षेत्र के संभावित गुणों को सीमित करने और यह प्रकट करने में सक्षम हुए कि यह ब्लैक होल के अभिवसन डिस्क (accretion disk)—जो ब्लैक होल को खिलाने वाले अत्यधिक गर्म पदार्थ का छल्ला है—की चमक को कैसे बदल देगा।

शोधकर्ताओं ने यह परीक्षण करने से शुरुआत की कि क्या उनका सैद्धांतिक ब्लैक होल वास्तविक चीज़ की नकल कर सकता है। उन्होंने उस "छाया" के आकार की गणना की जो एक ब्लैक होल आसपास की गैस की चमकदार पृष्ठभूमि के विरुद्ध बनाता है, एक ऐसी विशेषता जो ब्लैक होल के द्रव्यमान, इसके विद्युत आवेश और लोरेंट्ज़ समरूपता-भंग प्रभाव की शक्ति पर बहुत अधिक निर्भर करती है। इस सिद्धांत के मानक, अनावेशित संस्करण में, समरूपता-भंग पैरामीटर की अनुमत सीमा पहले से ही काफी सीमित थी। हालाँकि, टीम ने पाया कि इसमें एक विद्युत आवेश जोड़ने से एक प्रकार का 'कॉस्मिक कैमफ्लाज' (ब्रह्मांडीय छलावरण) पैदा हो गया। आवेश और समरूपता-भंग प्रभाव एक-दूसरे को संतुलित कर सकते हैं, जिससे इस छिपे हुए क्षेत्र के मानों की एक बहुत विस्तृत श्रृंखला अभी भी सैजिटेरियस ए* के अवलोकनों से मेल खाने वाली छाया का आकार बना सकती है। इस खोज ने समरूपता-भंग पैरामीटर के संभावित मानों को महत्वपूर्ण रूप से विस्तारित कर दिया, जिससे यह संकेत मिला कि यदि यह क्षेत्र मौजूद है, तो यह पहले की तुलना में अधिक या कम शक्तिशाली हो सकता है, और इनमें से कुछ विन्यास पारंपरिक घटना क्षितिज (इवेंट होराइजन) के बिना भी अस्तित्व में हो सकते हैं, जो इसके बजाय एक 'नेकेड सिंगुलैरिटी' (नग्न विलक्षणता) के रूप में दिखाई देंगे।

इन नए प्रतिबंधों के साथ, टीम ने अभिवसन डिस्क (accretion disk) की ओर अपना ध्यान केंद्रित किया, जिसमें उन्होंने गैस के प्रवाह के दो अलग-अलग प्रकारों का मॉडल तैयार किया: एक पतला, सपाट डिस्क और एक मोटा, डोनट के आकार का टॉरस (torus)। पतली डिस्क के लिए, उन्होंने यह गणना की कि गैस अंदर की ओर घूमते समय कितनी ऊर्जा उत्सर्जित करेगी, जो घर्षण और गुरुत्वाकर्षण के कारण गर्म हो जाती है। उन्होंने पाया कि समरूपता-भंग क्षेत्र की उपस्थिति ब्लैक होल की चमक के लिए एक 'डिमर स्विच' (dimmer switch) की तरह कार्य करती है। जब क्षेत्र का मान धनात्मक होता है, तो डिस्क अधिक गर्म और चमकदार हो जाती है, जिससे अधिक ऊर्जा उत्सर्जित होती है, विशेष रूप से उच्च-आवृत्ति वाले पराबैंगनी (ultraviolet) रेंज में। जब मान ऋणात्मक होता है, तो डिस्क ठंडी और मंद हो जाती है। यह प्रभाव तब और बढ़ जाता है जब ब्लैक होल विद्युत आवेशित भी होता है, जिससे आवेश और छिपे हुए क्षेत्र का संयुक्त प्रभाव डिस्क की चमक का एक शक्तिशाली चालक बन जाता है। वह दक्षता जिसके साथ ब्लैक होल गिरते हुए पदार्थ को प्रकाश में परिवर्तित करता है, भी बदल जाती है, जिसमें क्षेत्र के धनात्मक मान इस रूपांतरण को अधिक कुशल बनाते हैं।

मोटी, डोनट के आकार की डिस्क को देखते हुए कहानी और भी जटिल हो जाती है, जो अक्सर ब्लैक होल के भोजन के शुरुआती चरणों में या उन प्रणालियों में पाई जाती हैं जहाँ गैस इतनी गर्म होती है कि वह चपटी नहीं हो पाती। यहाँ, शोधकर्ताओं ने पाया कि समरूपता-भंग क्षेत्र गैस के बादल की ज्यामिति को ही नया आकार दे देता है। यह उन महत्वपूर्ण कक्षाओं (critical orbits) को स्थानांतरित कर देता है जहाँ गैस ब्लैक होल के चारों ओर स्थिर रूप से घूम सकती है, जिससे प्रभावी रूप से उस क्षेत्र को संकुचित कर दिया जाता है जहाँ एक स्थिर, सीमित डिस्क अस्तित्व में रह सकती है। मानक आइंस्टीनियन मॉडल में, कोणीय संवेग (angular momentum) की एक विशिष्ट सीमा होती है जो गैस को एक स्पष्ट आंतरिक किनारे और बाहरी सीमा के साथ एक स्थिर, स्व-निहित टॉरस बनाने की अनुमति देती है। कालब-रामंडर क्षेत्र की उपस्थिति इस सुरक्षित क्षेत्र को संकुचित कर देती है। यदि गैस इस नए, तंग दायरे से बाहर गिरती है, तो वह एक साथ नहीं रह सकती; एक व्यवस्थित डोनट बनाने के बजाय, गैस अनियंत्रित हो जाती है, जो अंतरिक्ष में फैल जाती है या सीधे ब्लैक होल में गिर जाती है।

अंततः, यह अध्ययन प्रकट करता है कि छिपा हुआ कालब-रामंडर क्षेत्र केवल गुरुत्वाकर्षण के नियमों में एक मामूली बदलाव नहीं है, बल्कि एक ऐसा बल है जो ब्लैक होल के अभिवसन प्रवाह (accretion flows) के स्वरूप और व्यवहार को मौलिक रूप से बदलने में सक्षम है। यह डिस्क की चमक, इसकी गर्मी और यहाँ तक कि गैस के बादल के आकार को भी बदल देता है। जबकि ब्लैक होल की छाया वैसी ही दिख सकती है जैसी हम मानक भौतिकी से अपेक्षा करते हैं, घूमती हुई गैस से निकलने वाला प्रकाश इस समरूपता-भंग का एक विशिष्ट हस्ताक्षर (signature) वहन करता है। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि इन डिस्क के प्रकाश के स्पेक्ट्रम का सावधानीपूर्वक अवलोकन करके—विशेष रूप से उच्च-आवृत्ति उत्सर्जन और गैस प्रवाह की सटीक संरचना को देखकर—खगोलशास्त्री एक दिन एक मानक ब्लैक होल और इस विलक्षण क्षेत्र से प्रभावित ब्लैक होल के बीच अंतर करने में सक्षम हो सकते हैं। यह कार्य यह सिद्ध नहीं करता है कि यह क्षेत्र मौजूद है, लेकिन यह इसे खोजने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है, जो ब्लैक होल के चारों ओर के हिंसक, घूमते हुए अराजक परिवेश को ब्रह्मांड के गहरे नियमों के परीक्षण के लिए एक प्रयोगशाला में बदल देता है।