The effect of pressure confinement on the maximum mass of rapidly accreting supermassive stars

ब्रह्मांड के शुरुआती दौर में, बिग बैंग के कुछ सौ मिलियन वर्षों के भीतर ही, पहले अतिविशाल ब्लैक होल (supermassive black holes) प्रकट होने लगे थे। ये ब्रह्मांडीय दिग्गज, जिनका वजन हमारे सूर्य से लाखों या अरबों गुना अधिक है, आज लगभग हर बड़ी आकाशगंगा के केंद्र में पाए जाते हैं। फिर भी, उनकी उत्पत्ति खगोल विज्ञान की सबसे कठिन पहेलियों में से एक बनी हुई है। इतनी जल्दी इतना बड़ा होने के लिए, उन्हें विशाल 'बीजों' (seeds) के रूप में शुरू होना चाहिए था, लेकिन इन बीजों के निर्माण की भौतिकी को गुरुत्वाकर्षण के ज्ञात नियमों के साथ तालमेल बिठाना कठिन है। एक प्रमुख सिद्धांत सुझाव देता है कि ये बीज अतिविशाल तारों (supermassive stars) के रूप में शुरू हुए थे—गैस के विशाल, फूले हुए गोले जो ब्लैक होल में बदलने से पहले सूर्य के द्रव्यमान से सैकड़ों-हजारों गुना तक बढ़ गए थे। हालांकि, इसमें एक पेच है: जैसे-जैसे ये तारे बढ़ते हैं, वे अस्थिर हो जाते हैं। भौतिकी के मानक नियमों के अनुसार, इस आकार का एक तारा उस द्रव्यमान तक पहुँचने से बहुत पहले ही अपने स्वयं के भार के नीचे ढह जाना चाहिए, जो आज हमें दिखने वाले विशाल ब्लैक होलों की व्याख्या करने के लिए आवश्यक है।

लोरेन्ज़ ज़्विक, क्रिस्टोफर टिएडे और ज़ोल्टान हाइमैन का एक नया अध्ययन इन सितारों के जन्म लेने वाले वातावरण को देखकर इस लंबे समय से चली आ रही धारणा को चुनौती देता है। दशकों से, वैज्ञानिकों ने इन सितारों की स्थिरता की गणना उन्हें खाली स्थान में तैरती हुई अलग-थलग वस्तुओं के रूप में करके की थी, जिन पर बाहर से कोई बल नहीं पड़ रहा था। लेकिन वास्तव में, एक अतिविशाल तारा निर्वात (vacuum) में नहीं बनता है। इसे आसपास की आकाशगंगा से गिरने वाली गैस की एक निरंतर, उच्च-गति वाली नदी द्वारा बनाया जा रहा है। यह शोध पत्र तर्क देता है कि यह आने वाला प्रवाह केवल द्रव्यमान ही नहीं जोड़ता; बल्कि यह तारे की सतह पर दबाव भी डालता है, जो एक सुरक्षात्मक कवच की तरह कार्य करता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह बाहरी दबाव, जो गिरती हुई गैस के 'रैम फोर्स' (ram force) और इसके साथ बहने वाले चुंबकीय क्षेत्रों द्वारा उत्पन्न होता है, तारे को महत्वपूर्ण रूप रूप से स्थिर कर सकता है। यह अतिरिक्त सहारा तारे को ब्लैक होल में बदलने से पहले पहले के अनुमान से कहीं अधिक बड़ा और भारी होने की अनुमति देता है।

शोधकर्ताओं ने 'हाइलोट्रोप' (hylotrope) नामक एक विशिष्ट प्रकार के सैद्धांतिक तारे पर ध्यान केंद्रित किया, जो यह मॉडल करता है कि एक अतिविशाल तारा गैस को तेजी से निगलते हुए कैसे विकसित होता है। अपनी गणनाओं में, उन्होंने भौतिक विज्ञानी सुब्रमण्यन चंद्रशेखर द्वारा 1960 के दशक में विकसित शास्त्रीय स्थिरता नियमों का विस्तार किया। चंद्रशेखर के कार्य ने दिखाया था कि जैसे-जैसे एक तारा अत्यंत विशाल होता जाता है, आइंस्टीन के सामान्य सापेक्षता (general relativity) के प्रभाव इसे अस्थिर बना देते हैं, जिससे यह ढह जाता है। नया अध्ययन इस समीकरण में एक महत्वपूर्ण लुप्त कड़ी जोड़ता है: बाहरी दुनिया का दबाव। टीम ने एक नया गणितीय मानदंड निकाला जो इस तथ्य को ध्यान में रखता है कि तारे को उसी गैस द्वारा दबाया जा रहा है जो उसे खिला रही है। उन्होंने पाया कि जब बाहरी दबाव तारे के अपने आंतरिक दबाव के मात्र एक अंश—लग लगभग एक-हजारवें हिस्से—तक पहुँच जाता है, तो यह सापेक्षता के अस्थिर करने वाले प्रभावों का मुकाबला करना शुरू कर देता है।

इस छोटे से बाहरी दबाव का तारे के संभावित आकार पर बहुत बड़ा प्रभाव पड़ता है। अध्ययन दिखाता है कि एक बार जब यह दबाव सीमा पार हो जाती है, तो ढहने से पहले एक तारा जो अधिकतम द्रव्यमान प्राप्त कर सकता है, वह नाटकीय रूप से बढ़ जाता है। सूर्य के द्रव्यमान के कुछ सौ हजार गुना तक सीमित होने के बजाय, बाहरी दबाव से घिरा एक तारा संभावित रूप से लाखों सौर द्रव्यमान तक बढ़ सकता है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि इस असाधारण आकार तक पहुँचने के लिए, आसपास की गैस के गिरने की दर लगभग एक सौ सौर द्रव्यमान प्रति वर्ष होनी चाहिए, और उस गैस में मौजूद चुंबकीय क्षेत्र पर्याप्त मजबूत होने चाहिए ताकि अतिरिक्त घेरा (confinement) प्रदान किया जा सके। इन परिस्थितियों में, तारा अपने अपरिहार्य पतन को टाल सकता है, और उन 'भारी बीजों' से कहीं अधिक बड़ा हो सकता है जिनकी भविष्यवाणी उन मॉडलों द्वारा की जाती है जो आसपास के वातावरण को अनदेखा करते हैं।

इस निष्कर्ष के निहितार्थ केवल तारकीय पतन के गणित तक ही सीमित नहीं हैं। यह प्रारंभिक ब्रह्मांड में देखे गए सबसे विशाल ब्लैक होल के अस्तित्व के लिए एक संभावित स्पष्टीकरण प्रदान करता है, जो मानक, छोटे बीजों से बनने के लिए बहुत बड़े प्रतीत होते हैं। यह जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप के हालिया अवलोकनों पर भी एक नया दृष्टिकोण प्रदान करता, जिसने प्रारंभिक ब्रह्मांड में रहस्यमय, लाल और बहुत चमकीली वस्तुओं का पता लगाया है। कुछ खगोलविदों का मानना है कि ये वस्तुएं इस शोध पत्र में वर्णित अतिविशाल तारे हो सकते हैं। मानक मॉडल यह समझाने में संघर्ष करते हैं कि ऐसे तारे बिना ढहे कैसे अस्तित्व में रह सकते हैं, लेकिन नए परिणाम बताते हैं कि उनके अपने संचय प्रवाह (accretion flows) का तीव्र दबाव उन्हें आवश्यक विशाल आकार पर स्थिर रख सकता है।

लेखक सावधानीपूर्वक यह उल्लेख करते हैं कि ये परिणाम वास्तविक तारे के प्रत्यक्ष मापन पर आधारित नहीं हैं, बल्कि सैद्धांतिक मॉडलों और सिमुलेशन पर आधारित हैं, क्योंकि इतने विवरण में वास्तविक तारे का अवलोकन करना असंभव होगा। वे स्वीकार करते हैं कि वास्तविक ब्रह्मांड जटिल है, जहाँ तारे संभवतः घूम रहे हैं और गैस को जटिल, असमान तरीकों से ग्रहण कर रहे हैं, जिसे उनके सरल, गोलाकार मॉडल पूरी तरह से नहीं पकड़ पाते। हालाँकि, मुख्य निष्कर्ष—कि वातावरण मायने रखता है—मजबूत है। अध्ययन बताता है कि जो प्रक्रिया तारे का निर्माण करती है, वही उसे थामे रखने में भी मदद करती है। वह गैस जो तारे को खिलाती है, उसी पर दबाव भी डालती है, और उस प्रवाह द्वारा उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र एक स्थिर पकड़ प्रदान करते हैं। यह परस्पर क्रिया का अर्थ है कि बनने वाले ब्लैक होल का अंतिम द्रव्यमान केवल तारे का गुण नहीं है, बल्कि उस हिंसक, उच्च-दबाव वाले वातावरण का परिणाम है जिसमें वह पैदा हुआ था।

अंततः, यह कार्य तारे को एक अलग वस्तु के बजाय एक गतिशील प्रणाली के हिस्से के रूप में देखने के दृष्टिकोण को बदल देता है। यह सुझाव देता है कि ब्रह्मांड के सबसे चरम ब्लैक होल सबसे चरम वातावरण में बने होंगे, जहाँ गैस का प्रवाह इतना शक्तिशाली था कि उसने तारकीय स्थिरता के नियमों को मौलिक रूप से बदल दिया। संचय प्रवाह (accretion flow) के दबाव को ध्यान में रखकर, शोधकर्ताओं ने एक नया द्वार खोला है कि ब्रह्मांड के पहले दिग्गजों का विकास कैसे हुआ होगा, जिससे एक संभावित मार्ग मिला है कि प्रकृति कैसे उन अतिविशाल ब्लैक होल के बीजों का उत्पादन कर सकती है जो आज हमारे ब्रह्मांड पर हावी हैं।