Ultra-compact twin stars with hybrid equations of state from bosonic dark matter

ब्रह्मांड के हृदय में बहुत गहराई में, जहाँ गुरुत्वाकर्षण इतना तीव्र है कि वह पदार्थ को पृथ्वी पर मौजूद किसी भी सामग्री से अधिक सघन अवस्था में कुचल देता है, मृत सितारों के अवशेष मौजूद हैं। ये न्यूट्रॉन तारे हैं, जो विशाल सूर्यों के ब्रह्मांडीय अवशेष हैं जो अपने ही भार के नीचे ढह गए हैं। हालाँकि हम इन वस्तुओं की बाहरी परतों को समझते हैं, लेकिन उनके कोर (केंद्र) एक गहरा रहस्य बने हुए हैं। इनके भीतर का दबाव इतना अत्यधिक है कि यह प्रोटॉन और न्यूट्रॉन को उनके घटक भागों के 'सूप' में घुलने के लिए मजबूर कर सकता है, जिसे क्वार्क मैटर (quark matter) के रूप में जाना जाता है। साथ ही, ब्रह्मांड अदृश्य डार्क मैटर से भरा हुआ है, एक ऐसा पदार्थ जो प्रकाश उत्सर्जित नहीं करता है लेकिन गुरुत्वाकर्षण का प्रभाव डालता है। दशकों से, वैज्ञानिक आश्चर्य करते रहे हैं कि यदि ये दो ब्रह्मांडीय पहेलियाँ आपस में टकरा जाएँ तो क्या होगा: क्या होगा यदि एक न्यूट्रॉन तारा न केवल साधारण पदार्थ से बना हो, बल्कि उसके कोर के भीतर महत्वपूर्ण मात्रा में डार्क मैटर भी फंसा हुआ हो?

फ्रैंकफर्ट में गोएथे यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस संभावना पर एक नया दृष्टिकोण अपनाया है, जिसमें उन्होंने क्वार्क मैटर के भौतिकी को डार्क मैटर के भौतिकी के साथ जोड़कर यह देखा है कि वे एक न्यूट्रॉन तारे के जीवन को कैसे नया रूप देते हैं। उन्होंने एक विशिष्ट परिदृश्य पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ सामान्य पदार्थ से क्वार्क मैटर में संक्रमण क्रमिक होने के बजाय अचानक और हिंसक होता है। सिंगल-फ्लुइड (एकल-द्रव) सितारों की दुनिया में, ऐसा अचानक बदलाव आमतौर पर स्थिरता में एक अंतराल पैदा करता है, जिसका अर्थ है कि कुछ द्रव्यमान वाले तारे अस्तित्व में नहीं रह सकते। हालाँकि, शोधकर्ताओं ने पाया कि डार्क मैटर के दूसरे द्रव को जोड़ने से नियम पूरी तरह से बदल जाते हैं। इन हाइब्रिड सितारों का अनुकरण करके, उन्होंने खोजा कि डार्क मैटर एक स्थिरीकरण एजेंट के रूप में कार्य कर सकता है, जो अंतरालों को सुचारू बनाता है और उन नए प्रकार के सितारों की अनुमति देता है जिन्हें पहले असंभव माना जाता था।

अध्ययन से पता चलता है कि जब डार्क मैटर मौजूद होता है, तो यह दो बहुत अलग तरीकों से एक न्यूट्रॉन तारे की संरचना को बदल सकता है, जिससे अति-सघन (ultra-compact) वस्तुओं के दो विशिष्ट परिवार बनते हैं। एक परिदृश्य में, डार्क मैटर तारे के गहरे भीतर छिपे एक घने कोर का निर्माण करता है, जो सामान्य पदार्थ के एक आवरण (shell) से घिरा होता है। दूसरे में, डार्क मैटर एक विशाल, विसरित हेलो (halo) बनाता है जो पूरे तारे को घेर लेता है, जो सामान्य पदार्थ की दृश्य सतह से कहीं आगे तक फैला होता है। उल्लेखनीय रूप से, दोनों प्रकार के तारे अविश्वसनीय रूप से छोटे और भारी हो सकते हैं, जो इतने कम स्थान में इतना अधिक द्रव्यमान समाहित करते हैं कि वे भौतिकी की सीमाओं के करीब पहुँच जाते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि इन अति-सघन सितारों का कॉम्पैक्टनेस (compactness) मान कम से कम एक-तिहाई हो सकता है, एक ऐसी सीमा जहाँ तारा इतना घना होता है कि प्रकाश इसकी परिक्रमा कर सकता है, जो एक ऐसी विशेषता है जो आमतौर पर ब्लैक होल से जुड़ी होती है।

इस खोज को जो बात विशेष रूप से प्रभावशाली बनाती है, वह यह है कि डार्क मैटर एक तारे के द्रव्यमान और उसके आकार के बीच के संबंध को कैसे बदल देता है। एक मानक न्यूट्रॉन तारे में, यदि आप अधिक द्रव्यमान जोड़ते हैं, तो तारा सिकुड़ जाता है। लेकिन डार्क मैटर के शामिल होने के साथ, शोधकर्ताओं ने पाया कि तारे का दृश्य आकार नाटकीय रूप रूप से सिकुड़ सकता है जबकि उसका कुल द्रव्यमान उच्च रहता है, या इसके विपरीत, तारा काफी भिन्न मात्रा में डार्क मैटर ले जाने के बावजूद एक समान दृश्य आकार बनाए रख सकता है। यह एक ऐसी घटना की ओर ले जाता है जिसे लेखक "अल्टीमेट ट्विन्स" (ultimate twins) कहते हैं। ये सितारों के ऐसे जोड़े हैं जो हमारे दूरबीनों को समान दिखाई देते हैं—जिनका द्रव्यमान और दृश्य त्रिज्या समान होती है—लेकिन वे आंतरिक रूप से मौलिक रूप से भिन्न होते हैं। एक शुद्ध हाइब्रिड तारा हो सकता है जिसमें क्वार्क कोर हो, जबकि उसका जुड़वां एक भारी डार्क मैटर हेलो वाला हाइब्रिड तारा हो सकता है। एक पर्यवेक्षक के लिए जो केवल तारे के आकार और वजन को मापता है, वे एक ही वस्तु प्रतीत होंगे, फिर भी उनकी आंतरिक संरचना और गुरुत्वाकर्षण बलों के प्रति उनकी प्रतिक्रिया पूरी तरह से अलग होगी।

शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि यदि ये तारे आपस में टकराते हैं या किसी साथी तारे के गुरुत्वाकर्षण द्वारा खींचे जाते हैं तो वे कैसा व्यवहार करेंगे। उन्होंने पाया कि डार्क मैटर की उपस्थिति गुरुत्वाकर्षण तरंगों के रूप में एक स्पष्ट छाप छोड़ती है। उनके द्वारा पहचाने गए "अल्टीमेट ट्विन्स" अन्य सितारों के साथ परस्पर क्रिया करते समय अलग-अलग संकेत उत्पन्न करेंगे, भले ही वे दृश्य प्रकाश में समान दिखते हों। इसके अलावा, अध्ययन ने इन सितारों की सतह से निकलने वाले प्रकाश का परीक्षण किया। क्योंकि गुरुत्वाकर्षण प्रकाश को मोड़ देता है, इसलिए एक बहुत घने तारे से निकलने वाला प्रकाश जब हम तक पहुँचता है तो खिंच जाता है, या रेडशिफ्ट (redshift) हो जाता है। टीम ने पाया कि दो प्रकार के अति-सघन तारे बहुत अलग रेडशिफ्ट उत्पन्न करते हैं। डार्क मैटर कोर वाले तारे उच्च रेडशिफ्ट दिखाते हैं, जैसा कि हम सबसे घने सामान्य सितारों से उम्मीद करते हैं। इसके विपरीत, डार्क मैटर हेलो वाले तारे आश्चर्यजनक रूप से कम रेडशिफ्ट दिखाते हैं, जबकि वे उतने ही सघन हैं। यह विरोधाभासी परिणाम इसलिए होता है क्योंकि हेलो संस्करण में तारे का अधिकांश द्रव्यमान उस सतह के बाहर स्थित होता है जहाँ से प्रकाश उत्सर्जित होता है, इसलिए प्रकाश को उम्मीद के अनुसार इतने गहरे गुरुत्वाकर्षण कुएं से बाहर नहीं निकलना पड़ता।

ये निष्कर्ष सुझाव देते हैं कि ब्रह्मांड में अभी तक हमने पहचाने नहीं गए विलक्षण (exotic) सितारों का एक 'चिड़ियाघर' छिपा हो सकता है। शोधकर्ता प्रस्ताव देते हैं कि भविष्य की दूरबीनें, जो वर्तमान उपकरणों की तुलना में बहुत अधिक सटीकता के साथ न्यूट्रॉन सितारों के आकार और द्रव्यमान को माप सकेंगी, इन विसंगतियों को पहचान सकती हैं। यदि कोई दूरबीन एक ऐसे तारे का पता लगाती है जो अविश्वसनीय रूप से छोटा और भारी है, या यदि गुरुत्वाकर्षण तरंग डिटेक्टर एक ऐसा संकेत सुनते हैं जो तारे के दृश्य आकार से मेल नहीं खाता है, तो यह न्यूट्रॉन तारे के भीतर डार्क मैटर रहने का पहला प्रमाण हो सकता है। अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि उन्होंने अभी इन सितारों को खोज लिया है, लेकिन यह एक विस्तृत मानचित्र प्रदान करता है कि कहाँ देखना है और क्या उम्मीद करनी है। यह दिखाता है कि क्वार्क मैटर के अचानक संक्रमण और डार्क मैटर की उपस्थिति के बीच का तालमेल संभावनाओं का एक समृद्ध परिदृश्य बनाता है, जो न्यूट्रॉन तारे को एक प्रयोगशाला में बदल देता है जहाँ गुरुत्वाकर्षण और कण भौतिकी के नियमों का सबसे चरम स्थितियों में परीक्षण किया जाता है।

यह कार्य इन सितारों की स्थिरता से जुड़े एक लंबे समय से चले आ रहे प्रश्न को भी स्पष्ट करता है। पिछले मॉडलों में, सामान्य पदार्थ से क्वार्क मैटर में अचानक परिवर्तन को एक अस्थिर क्षेत्र के रूप में माना जाता था जहाँ तारे अस्तित्व में नहीं रह सकते थे। शोधकर्ताओं ने पाया कि डार्क मैटर का जुड़ना इस अस्थिरता को हटा देता है। संभावित सितारों के क्रम में एक अंतराल के बजाय, डार्क मैटर की उपस्थिति एक निरंतर पथ बनाती है, जिससे तारे बिना ढहे एक अवस्था से दूसरी अवस्था में सुचारू रूप से परिवर्तित हो सकते हैं। इसका अर्थ यह है कि पहले के सिद्धांतों द्वारा अनुमानित "जुड़वां तारे" शायद उतने दुर्लभ या विशिष्ट नहीं हैं जितना कि एक बार सोचा गया था; वे सितारों के एक निरंतर परिवार का हिस्सा हो सकते हैं जो बस अलग-अलग मात्रा में डार्क मैटर ले जाते हैं। अध्ययन इस निष्कर्ष के साथ समाप्त होता है कि डार्क मैटर की खोज के लिए आकाशगंगाओं के बीच खाली स्थानों को देखने की आवश्यकता नहीं हो सकती है, बल्कि ब्रह्मांड के सबसे घने, सबसे सघन पिंडों को देखने की आवश्यकता है, जहाँ अदृश्य और दृश्य एक गुरुत्वाकर्षण आलिंगन में एक साथ बंधे हुए हैं।