Static Spherically Symmetric Solutions in Nonconservative Unimodular Gravity
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि गैर-रूढ़िवादी यूनिमॉडुलर गुरुत्वाकर्षण (nonconservative unimodular gravity) में, पदार्थ और निर्वात के बीच पुनर्निर्माण की स्वतंत्रता के तहत शून्य ऊर्जा स्थिति (null energy condition) के संबंध में निष्कर्ष अपरिवर्तित रहते हैं, जबकि प्रबल या प्रमुख ऊर्जा स्थितियों (strong or dominant energy conditions) पर आधारित निष्कर्ष अपरिवर्तित नहीं रहते हैं, जिससे ब्लैक होल और वॉर्महोल्स के विश्लेषण के लिए एक विशिष्ट मानदंड प्राप्त होता है जो स्ट्रॉन्ग-फील्ड अवलोकनों (strong-field observables) के माध्यम से एक ट्रेस-सेक्टर पैरामीटर को अलग करता है।
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ब्रह्मांड की विशाल वास्तुकला में, गुरुत्वाकर्षण वह बल है जो स्थान और समय को आकार देता है। एक सदी से अधिक समय से, भौतिकविदों ने सामान्य सापेक्षता (जनरल रिलेटिविटी) के रूप में ज्ञात नियमों के एक विशिष्ट सेट पर भरोसा किया है, जो यह वर्णन करता है कि कैसे तारे और ब्लैक होल जैसी विशाल वस्तुएं वास्तविकता के ताने-बाने को मोड़ती हैं। ये नियम आश्चर्यजनक सटीकता के साथ काम करते हैं, ग्रहों की कक्षाओं और दूरस्थ आकाशगंगाओं के टकराव की भविष्यवाणी करते हैं। हालाँकि, जब वैज्ञानिक इन सिद्धांतों के किनारों पर बारीकी से देखते हैं, विशेष रूप से ब्रह्मांड की सबसे चरम वस्तुओं के आसपास, तो वे सोचने लगते हैं कि क्या नियमों में थोड़े समायोजन की आवश्यकता हो सकती है। ऐसा ही एक समायोजन 'यूनिमॉडुलर ग्रेविटी' नामक एक सिद्धांत है। यह मानक नियमों का एक रूपांतरण है जो स्थान के आयतन (वॉल्यूम) को अलग तरह से मानता है, जिससे ऊर्जा और पदार्थ के हिसाब-किताब में एक सूक्ष्म स्वतंत्रता मिलती है। इस ढांचे में, किसी क्षेत्र में ऊर्जा की कुल मात्रा केवल स्थान की ज्यामिति द्वारा सख्ती से निर्धारित नहीं होती है; इसके बजाय, इस बारे में एक विकल्प चुनने की स्वतंत्रता होती है कि देखा गया प्रभाव वास्तव में पदार्थ से आता है और कितना अंतरिक्ष के निर्वात (वैक्यूम) से आता है। यह स्वतंत्रता एक पहेली पैदा करती है: यदि हम ब्लैक होल के चारों ओर स्थान का एक विशिष्ट आकार देखते हैं, तो क्या हम सुनिश्चित हो सकते हैं कि इसका कारण क्या है?
शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक विशिष्ट, थोड़े विकृत ब्लैक होल का परीक्षण करके इस पहेली को सुलझाने का प्रयास किया है। उन्होंने स्थान के एक ऐसे गणितीय विवरण पर ध्यान केंद्रित किया जिसमें एक छोटा, असामान्य पद (टर्म) शामिल है जो केंद्र से दूर जाने पर बहुत तेजी से घट जाता है। मानक दृष्टिकोण में, यह पद एक विशिष्ट प्रकार के पदार्थ या आवेश (चार्ज) के कारण होगा। लेकिन यूनिमॉडलर ग्रेविटी की लचीली दुनिया में, उसी पद की व्याख्या दो बहुत अलग तरीकों से की जा सकती है। शोधकर्ताओं ने यह निर्धारित करने का प्रयास किया कि यह पद वास्तव में क्या दर्शाता है और क्या विभिन्न व्याख्याएं अलग-अलग भौतिक वास्तविकताओं की ओर ले जाती हैं। उन्होंने पाया कि उत्तर पूरी तरह से इस बात पर निर्भर करता है कि प्रभावों को पदार्थ और निर्वात के बीच कैसे विभाजित किया जाता है। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने पाया कि जबकि ब्लैक होल के बारें में कुछ निष्कर्ष इस चुनाव के बावजूद समान रहते हैं, अन्य पूरी तरह से बदल जाते हैं। इसका अर्थ यह है कि ब्लैक होल के बारे में कुछ विचार, जिन्हें पहले असंभव माना जाता था, वास्तव में संभव हो सकते हैं यदि ब्रह्मांड इन विशिष्ट नियमों के तहत कार्य करता है।
यह अध्ययन एक ब्लैक होल पर केंद्रित है जो पूरी तरह से सरल नहीं है बल्कि इसमें एक हल्का सा घुमाव (ट्विस्ट) है, जिसे दूरी के घन (क्यूब) के रूप में घटने वाले एक पद द्वारा वर्णित किया गया है। गुरुत्वाकर्षण के मानक सिद्धांत में, यह घुमाव किसी विशिष्ट प्रकार के पदार्थ की सीधी छाप होगा। हालांकि, यूनिमॉडलर ग्रेविटी में, समीकरण एक "पुनर्निर्माण स्वतंत्रता" (रिकंस्ट्रक्शन फ्रीडम) की अनुमति देते हैं। इसका अर्थ है कि एक ही स्थान के आकार के लिए, व्यक्ति यह चुन सकता है कि घुमाव साधारण पदार्थ के कारण है, या वह यह चुन सकता है कि यह पदार्थ और निर्वात के बीच ऊर्जा के गैर-संरक्षी विनिमय (नॉन-कंजर्वेटिव एक्सचेंज) के कारण है। शोधकर्ताओं ने इस चुनाव को करने के हर संभावित तरीके का मानचित्र तैयार किया। उन्होंने पाया कि घुमाव वह कुंजी है जो इस सिद्धांत के गैर-संरक्षी हिस्से को खोलती है। यदि घुमाव शून्य है, तो सिद्धांत बिल्कुल मानक गुरुत्वाकर्षण की तरह व्यवहार करता है। लेकिन यदि घुमाव मौजूद है, तो यह एक डायल की तरह कार्य करता है जो यह नियंत्रित करता है कि पदार्थ और खाली स्थान के बीच कितनी ऊर्जा का आदान-प्रदान हो रहा है।
सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्षों में से एक उन नियमों से संबंधित है जिनका पालन पदार्थ को "सामान्य" माने जाने के लिए करना चाहिए। भौतिकविविद ऊर्जा की स्थितियों (एनर्जी कंडीशंस) के एक सेट का उपयोग करते हैं ताकि यह तय किया जा सके कि गुरुत्वाकर्षण का स्रोत साधारण सामग्री से बना है या कुछ विदेशी और विचित्र चीज़ से। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि कुछ नियम सुदृढ़ (रोबस्ट) हैं, जिसका अर्थ है कि वे इस बात पर ध्यान दिए बिना सत्य रहते हैं कि आप प्रभावों को पदार्थ और निर्वात के बीच कैसे विभाजित करते हैं। ये वे नियम हैं जो अंतरिक्ष के माध्यम से चलते प्रकाश पर लागू होते हैं। हालांकि, अन्य नियम, जो पदार्थ के घनत्व और दबाव पर लागू होते हैं, नाजुक हैं। वे उस चुनाव के आधार पर बदलते हैं जो डेटा की व्याख्या करने के लिए किया जाता है। यह अंतर महत्वपूर्ण है क्योंकि इसका अर्थ है कि यह दावा कि एक ब्लैक होल के अस्तित्व के लिए "विदेशी" (एक्सोटिक) पदार्थ की आवश्यकता है, डेटा की व्याख्या करने के एक विशिष्ट चुनाव से उत्पन्न एक भ्रम हो सकता है। यदि कोई सबसे स्वाभाविक विभाजन चुनता है, जहाँ पदार्थ का शुद्ध ट्रेस (नेट ट्रेस) शून्य है, तो ब्लैक होल को साधारण विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों द्वारा समर्थित किया जा सकता है, ठीक वैसे ही जैसे एक मानक आवेशित कण, बिना किसी अजीब, विदेशी सामग्री की आवश्यकता के।
टीम ने इस घुमाव के अवलोकन योग्य परिणामों को भी देखा। उन्होंने गणना की कि ऐसा ब्लैक होल के चारों ओर प्रकाश कैसे मुड़ेगा और तारों तथा गैस के स्थिर कक्षों (ऑर्बिट्स) का व्यवहार कैसा होगा। उन्होंने पाया कि घुमाव फोटॉन स्फीयर (प्रकाश का क्षेत्र जहाँ प्रकाश ब्लैक होल की कक्षा में घूमता है) और सबसे आंतरिक स्थिर कक्षा (जहाँ पदार्थ बिना गिरे चक्कर लगा सकता है) की स्थिति को प्रभावित करता है। इन स्थितियों के बदलावों को मापकर, खगोलशास्त्री सिद्धांत रूप में इस घुमाव की उपस्थिति का पता लगा सकते हैं। शोधकर्ताओं ने मापों के एक विशिष्ट संयोजन की पहचान की जो इस घुमाव को अन्य कारकों, जैसे कि विद्युत आवेश, से अलग कर सकता है। यह संयोजन सिद्धांत के गैर-संरक्षी क्षेत्र के लिए एक स्वच्छ परीक्षण के रूप में कार्य करेगा। हालांकि, उन्होंने यह भी नोट किया कि वर्तमान टेलीस्कोप अभी इस प्रभाव का पता लगाने के लिए पर्याप्त सटीक नहीं हैं। संकेत बहुत छोटा है, और आवश्यक माप हमारी वर्तमान क्षमताओं से कहीं परे हैं। इसके अलावा, वास्तविक ब्लैक होल का घूर्णन (रोटेशन) इन मापों को जटिल बना देगा, जिसका अर्थ है कि इस परीक्षण को आकाश में देखे जाने वाले घूमते हुए ब्लैक होल पर तब तक लागू नहीं किया जा सकता जब तक कि सिद्धांत को घूर्णन को शामिल करने के लिए विस्तारित न किया जाए।
शायद सबसे आश्चर्यजनक परिणाम ब्लैक होल के चारों ओर प्रकाश के कई छल्लों (रिंग्स) के अस्तित्व से संबंधित है। मानक गुरुत्वाकर्षण में, यदि किसी ब्लैक होल के इवेंट होराइजन के बाहर तीन अलग-अलग प्रकाश छल्ले हैं, तो यह आमतौर पर यह संकेत देता है कि उसके आसपास का पदार्थ सामान्य भौतिकी के नियमों का उल्लंघन करता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि उनके ढांचे में, यह आवश्यक रूप से सत्य नहीं है। पदार्थ और निर्वात के बीच इष्टतम विभाजन चुनकर, एक ऐसा ब्लैक होल होना संभव है जिसमें तीन प्रकाश छल्ले हों और फिर भी वह सामान्य पदार्थ के सभी नियमों का पालन करता हो। इसका मतलब यह नहीं है कि ऐसे ब्लैक होल आम हैं; उनके लिए आवश्यक गणितीय स्थितियाँ अत्यंत विशिष्ट हैं और उन वस्तुओं के अनुरूप हैं जो ज्ञात ब्लैक होल की तुलना में बहुत अधिक आवेशित हैं। फिर भी, यह परिणाम सिद्ध करता है कि ऐसी संरचनाओं को रोकने वाला अवरोध ज्यामिति का मौलिक नियम नहीं है, बल्कि यह इस बात का परिणाम है कि हम गुरुत्वाकर्षण के स्रोत की व्याख्या कैसे करते हैं।
अध्ययन ने एक संभावित आपत्ति को भी संबोधित किया: क्या यह असामान्य पद केवल दूरी मापने के तरीके का एक प्रभाव (आर्टिफैक्ट) है? शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि यह पद स्थान के एक मौलिक गुण 'वक्रता' (कर्वेचर) से जुड़ा है, जिसे निर्देशांक बदलने से हटाया नहीं जा सकता है। यह एक वास्तविक, भौतिक विशेषता है। उन्होंने यह भी पता लगाया कि यदि कॉस्मोलॉजिकल कांस्टेंट (ब्रह्मांडीय स्थिरांक) को शामिल किया जाता है—जो खाली स्थान की ऊर्जा का प्रतिनिधित्व करता है—तो क्या होता है। उन्होंने पाया कि जबकि यह स्थिरांक इवेंट होराइजन के स्थान को बदल देता है, यह घुमाव की मौलिक प्रकृति या इसे सहारा देने के लिए आवश्यक पदार्थ को नहीं बदलता है। घुमाव गैर-संरक्षी क्षेत्र का वाहक बना रहता है, और सामान्य पदार्थ की स्थितियों को संतुष्ट करने की क्षमता बरकरार रहती है।
अंत में, यह कार्य यूनिमॉडुलर ग्रेविटी के भीतर संभावनाओं का एक स्पष्ट मानचित्र प्रदान करता है। यह दिखाता है कि यदि हम ऊर्जा के गैर-संरक्षी विनिमय की अनुमति देते हैं, तो ब्रह्मांड में इस विशिष्ट घुमाव वाले ब्लैक होल हो सकते हैं, जो साधारण पदार्थ द्वारा समर्थित हैं। यह स्पष्ट करता है कि ब्लैक होल के बारे में कौन से कथन ज्यामिति के पूर्ण सत्य हैं और कौन से केवल एक विशिष्ट व्याख्या के कृत्रिम परिणाम हैं। हालांकि हम अभी इन प्रभावों को माप नहीं सकते, लेकिन सैद्धांतिक आधार तैयार किया जा रहा है। शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि इन विलक्षण संभावनाओं का दरवाजा भौतिकी के नियमों द्वारा बंद नहीं है, बल्कि हमारे उपकरणों की सटीकता और ब्रह्मांड की सामग्री को परिभाषित करने के लिए हमारे द्वारा किए गए विशिष्ट विकल्पों द्वारा है। आगे का मार्ग इन सूक्ष्म परिवर्तनों को मापने वाले उपकरण बनाने और सिद्धांत को उन घूमते हुए ब्लैक होल तक विस्तारित करने की आवश्यकता है जो हमारे आकाश में व्याप्त हैं, लेकिन सैद्धांतिक परिदृश्य को काफी स्पष्ट कर दिया गया है।
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