Signatures of charged rotating regular black holes: quasinormal modes, grey-body factors and shadows

द दशकों से, हमारे ब्रह्मांड में एक ब्लैक होल की प्रचलित तस्वीर एक एकल, भयानक दोष द्वारा परिभाषित रही है: इसके बिल्कुल केंद्र में एक बिंदु जहाँ भौतिकी के नियम टूट जाते हैं। गुरुत्वाकर्षण के मानक मॉडलों में, यह बिंदु, जिसे विलक्षणता (singularity) कहा जाता है, एक ऐसी जगह है जहाँ घनत्व अनंत हो जाता है और स्पेस-टाइम (देश-काल) छिन्न-भिन्न हो जाता है। जबकि यह गणितीय विचित्रता एक इवेंट होराइजन (घटना क्षितिज) के पीछे छिपी होती है, जो शेष ब्रह्मांड को इसके कोलाहल से बचाती है, कई भौतिकविदों ने लंबे समय से संदेह किया है कि प्रकृति वास्तव में ऐसे अनंतों की अनुमति नहीं देती है। उन्होंने "रेगुलर" (नियमित) ब्लैक होल का प्रस्ताव दिया है, जो सैद्धांतिक वस्तुएं हैं जिनमें एक इवेंट होराइजन और गुरुत्वाकर्षण का परिचित खिंचाव तो होता है, लेकिन वे उस विनाशकारी केंद्रीय बिंदु को एक सुचारू, परिमित कोर (finite core) से बदल देते हैं। प्रश्न जो लंबे समय से बना हुआ था वह यह था कि क्या ब्लैक होल के ये अधिक सुचारू संस्करण उन मानक मॉडलों से अलग दिखेंगे या व्यवहार करेंगे जिनकी हम अपेक्षा करते हैं, या क्या वे क्लासिक मॉडलों से अभिन्न होंगे।

भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान खड़गपुर के अभिषेक बरमन माजी द्वारा किया गया एक हालिया अध्ययन इन दो विशिष्ट प्रकार के नियमित ब्लैक होल के विस्तृत सिमुलेशन बनाकर इसका उत्तर देने का प्रयास करता है, जिन्हें अब घूर्णन (rotation) की स्थिति में रखा गया है। वास्तविक ब्रह्मांड में, ब्लैक होल लगभग हमेशा घूमते हैं, और यह घूर्णन अपने साथ अंतरिक्ष के ताने-बाने को भी खींचता है, जिससे एक जटिल वातावरण बनता है जिसे स्थिर मॉडल नहीं पकड़ सकते। शोधकर्ता ने दो सैद्धांतिक मॉडलों, जिन्हें अयों-बियाटो-गार्सिया (ABG) और बालर्ट-पैनोटोपुलोस-रिनकॉन (BPR) ब्लैक होल के रूप में जाना जाता है, के घूर्णन संस्करणों का निर्माण किया, और फिर उन्हें यह देखने के लिए परीक्षणों की एक श्रृंखला के अधीन किया कि वे अपने आसपास की दुनिया के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। लक्ष्य यह निर्धारित करना था कि क्या हम आधुनिक खगोल विज्ञान के उपकरणों का उपयोग करके इन सुचारू, नियमित वस्तुओं को मानक, विलक्षण ब्लैक होल से अलग पहचान सकते हैं, जैसे कि टकरावों के कारण स्पेस-टाइम में उत्पन्न होने वाली लहरें या चमकती गैस के विरुद्ध बनने वाली गहरी छाया (silhouettes)।

इन सिमुलेशन से क्या पता चलता है, इसे समझने के लिए, पहले उन उपकरणों को समझना होगा जिनका उपयोग उन्हें जांचने के लिए किया जाता है। जब एक ब्लैक होल विचलित होता है, शायद किसी गुजरते तारे या दूसरे ब्लैक होल के साथ टकराव के कारण, तो वह तुरंत शांत नहीं होता है। इसके बजाय, वह एक प्रहार किए गए घंटे की तरह गूंजता है, विशिष्ट आवृत्तियों पर गुरुत्वाकर्षण तरंगें उत्सर्जित करता है जो समय के साथ फीकी पड़ती जाती हैं। इन्हें क्वासिनॉर्मल मोड्स (quasinormal modes) कहा जाता है, और उनकी पिच और उनके फीके पड़ने की दर पूरी तरह से ब्लैक होल के आकार और संरचना पर निर्भर करती है। अध्ययन ने इन घूर्णित नियमित ब्लैक होलों के लिए इन "गूंजने वाली" आवृत्तियों की गणना की और उनकी तुलना आवेशित (charge) घूमने वाले मानक ब्लैक होल, जिसे केर-न्यूमैन (Kerr–Newman) ब्लैक होल के रूप में जाना जाता है, से की। परिणामों ने एक आश्चर्यजनक पैटर्न दिखाया: घूमता हुआ BPR ब्लैक होल लगभग बिल्कुल केर-न्यूमन मॉडल की तरह व्यवहार करता है। उनकी गूंजने वाली आवृत्तियाँ इतनी समान थीं कि, व्यावहारिक उद्देश्यों के लिए, वे जुड़वां थे। हालांकि, घूमता हुआ ABG ब्लैक होल एक अलग कहानी बताता है। इसकी कंपन विशिष्ट थी, जो इस तरह से बदलती थी जो इसे मानक मॉडल से स्पष्ट रूप से अलग करती थी, विशेष रूप से तब जब ब्लैक होल तेजी से घूम रहा हो या उसमें महत्वपूर्ण विद्युत आवेश हो।

जांच केवल ध्वनि तक ही सीमित नहीं रही; इसने यह भी देखा कि ये वस्तुएं प्रकाश और ऊर्जा को कैसे बिखेरती (scatter) हैं। शोधकर्ताओं ने "ग्रे-बॉडी फैक्टर्स" (grey-body factors) की गणना की, जो यह वर्णन करते हैं कि ब्लैक होल की ओर आने वाली कितनी तरंग ब्लैक होल द्वारा निगल ली जाती है बनाम कितनी वापस लौट आती है। इस परीक्षण में, BPR मॉडल ने फिर से मानक केर-न्यूमन ब्लैक होल के लगभग समान व्यवहार किया, तरंगों को उसी तरह अवशोषित और परावर्तित किया। हालांकि, ABG मॉडल एक मजबूत अवरोधक के रूप में कार्य करता है, कुछ आवृत्तियों पर अधिक ऊर्जा को परावर्तित करता है और पूर्ण अवशोषण की ओर संक्रमण को विलंबित करता है। यह सुझाव देता है कि यदि हम अत्यधिक सटीकता के साथ तरंगों के बिखराव को माप सकें, तो हम ABG ज्यामिति के अनूठे हस्ताक्षर को पहचान सकते हैं। अध्ययन ने सुपररेडिएंस (superradiance) नामक एक घटना का भी परीक्षण किया, जहाँ एक घूमता हुआ ब्लैक होल वास्तव में आने वाली तरंगों को प्रवर्धित (amplify) कर सकता है, अपने स्वयं के घूर्णन से ऊर्जा चुरा सकता है। यहाँ भी, ABG मॉडल ने अन्यों की तुलना में इस प्रवर्धन के लिए एक अलग सीमा दिखाई, जिसे प्रभाव को ट्रिगर करने के लिए उच्च आवृत्ति की आवश्यकता थी।

शायद अध्ययन का सबसे दृश्य रूप से सम्मोहक हिस्सा ब्लैक होल की "छाया" (shadow) से संबंधित था। जब एक ब्लैक होल एक चमकीले बैकग्राउंड के सामने होता है, तो वह प्रकाश को रोकता है, जिससे एक गहरा सिलुएट (silhouette) बनता है जो इवेंट होराइजन से थोड़ा बड़ा होता है। यह छाया फोटॉन के अस्थिर कक्षों (orbits) द्वारा आकार लेती है, जो प्रकाश के कण हैं जो ब्लैक होल के चारों ओर चक्कर लगाते हैं, इससे पहले कि वे या तो अंदर गिर जाएं या बाहर निकल जाएं। शोधकर्ताओं ने अपने घूर्णित मॉडलों के लिए इन छायाओं को मैप किया और उनकी तुलना इवेंट होराइजन टेलीस्कोप द्वारा किए गए प्रेक्षणों से की, जो उस उपकरण के रूप में प्रसिद्ध है जिसने ब्लैक होल की छाया की पहली छवि को कैद किया था। सिमुलेशन ने खुलासा किया कि घूमता हुआ BPR ब्लैक होल का छाया, मानक केर-न्यूमन छाया से लगभग अभिन्न था। घूमता हुआ ABG मॉडल, हालांकि, एक स्पष्ट रूप से भिन्न आकार उत्पन्न करता था। इन सैद्धांतिक छायाओं की वास्तविक मापों, जैसे कि सुपरमैसिव ब्लैक होल M87* और Sgr A*, के साथ तुलना करके, अध्ययन ने यह निर्धारित करने के लिए सख्त सीमाएँ लगाईं कि ये नियमित ब्लैक होल कितनी तेजी से घूम सकते हैं और उनमें कितना आवेश हो सकता है ताकि वे आकाश में जो हम देखते हैं उसके विपरीत न हों।

इस कार्य का व्यापक निष्कर्ष दो अलग-अलग परिणामों की एक कहानी है। यह सुझाव देता है कि सभी नियमित ब्लैक होल अवलोकन के मामले में समान नहीं होते हैं। परीक्षण किए गए मॉडलों में से एक, BPR, मानक घूमते हुए ब्लैक होल के इतना समान है कि वर्तमान या निकट भविष्य की तकनीक का उपयोग करके उन्हें अलग करना अविश्वसनीय रूप से कठिन होगा। वे एक ही तरह से गूंजेंगे, एक ही तरह की छाया बनाएंगे, और प्रकाश को एक ही तरह से बिखेरेंगे। दूसरा मॉडल, ABG, ब्रह्मांड के सामने एक बहुत ही अलग चेहरा प्रस्तुत करता है, जिसमें अनूठी कंपन और एक अलग छाया है जिसे संभावित रूप से पहचाना जा सकता है। यह निष्कर्ष इंगित करता है कि विलक्षणता को हटाने के लिए उपयोग किए जाने वाले विशिष्ट गणितीय विवरण अत्यंत महत्वपूर्ण हैं। हालांकि एक ब्लैक होल का "नियमित" होना एक शक्तिशाली प्रतिबंध है, लेकिन यह सभी ऐसे पिंडों को एक जैसा दिखने के लिए मजबूर नहीं करता है। इसके बजाय, कोर को सुचारू करने का विशिष्ट तरीका ब्लैक होल के व्यवहार पर एक 'फिंगरप्रिंट' छोड़ देता है, जो खगोलविदों को भविष्य में गुरुत्वाकर्षण के विभिन्न सिद्धांतों के बीच अंतर करने के लिए एक संभावित मार्ग प्रदान करता है, बशर्ते वे इन विशाल ब्रह्मांडीय दिग्गजों के कंपन करने और प्रकाश को रोकने के सूक्ष्म अंतर को माप सकें।