Quarkyonic matter suppresses neutron-star modes and reverses their mass trend
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि क्वार्कीओनिक पदार्थ न्यूट्रॉन-तारा -मोड आवृत्तियों को लगभग एक परिमाण (order of magnitude) तक कम कर देता है और मानक न्यूक्लियोनिक मॉडलों की तुलना में उनके द्रव्यमान निर्भरता को उलट देता है, क्योंकि प्रबल-परस्परक्रिया द्वारा बनाए रखा गया रासायनिक संतुलन क्वार्क ऊष्मागतिक स्वतंत्रता को समाप्त कर देता है और कोर स्तरीकरण को अत्यधिक कम कर देता है।
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एक न्यूट्रॉन तारे के हृदय की गहराइयों में, जहाँ पदार्थ को ऐसे घनत्व तक कुचला जाता है जो रोजमर्रा की सहज बुद्धि को चुनौती देता है, भौतिकी के नियम इस तरह व्यवहार करते हैं जो विचित्र और सटीक दोनों हैं। ये तारकीय अवशेष, विशाल तारों के ढहे हुए कोर, ब्रह्मांड के सबसे घने पदार्थ के लिए प्रयोगशालाएँ हैं। दशकों से, खगोलशास्त्री यह समझने की कोशिश कर रहे हैं कि उनके भीतर क्या है। वे जानते हैं कि जैसे-जैसे आप गहराई में जाते हैं, दबाव बढ़ता है, और पदार्थ अधिक सख्त हो जाता है, जो आगे के संपीड़न का विरोध करता है। लेकिन वे ठीक से नहीं जानते कि वह पदार्थ वास्तव में किस चीज़ से बना है। क्या यह प्रोटॉन और न्यूट्रॉन का एक सूप है, या यह अपने मौलिक निर्माण खंडों, क्वार्क्स (quarks) में टूट जाता है? उत्तर महत्वपूर्ण है क्योंकि तारे की संरचना यह निर्धारित करती है कि वह कैसे कंपन करता है। जिस तरह एक घंटी अपनी आकृति और पदार्थ के आधार पर एक विशिष्ट स्वर के साथ बजती है, एक न्यूट्रॉन तारा उन आवृत्तियों पर दोलन करता है जो इसकी आंतरिक संरचना को प्रकट करती हैं। इन कंपनों के बीच, 'ग्रेविटी मोड' (gravity mode) नामक एक विशेष प्रकार अद्वितीय है। अन्य कंपनों के विपरीत, जो इस बात पर निर्भर करते हैं कि तारा कितना सख्त है, ग्रेविटी मोड पूरी तरह से इस बात पर निर्भर करता है कि गहराई के साथ तारे की संरचना कैसे बदलती है। यदि तारे की परतें अलग-अलग हैं, तो यह मोड स्पष्ट रूप से गूँजता है; यदि परतें मिश्रित या एकसमान हैं, तो ध्वनि फीकी पड़ जाती है।
भारत की एक शोध टीम ने अब इस सिद्धांत का उपयोग 'क्वार्कीयोनिक मैटर' (quarkyonic matter) नामक एक विशिष्ट, सैद्धांतिक पदार्थ के स्वरूप को खोजने के लिए किया है। यह विचार सुझाव देता है कि एक न्यूट्रॉन तारे के भीतर, क्वार्क्स एक समुद्र में मौजूद होते हैं, लेकिन प्रोटॉन और न्यूट्रॉन इसमें घुलते नहीं हैं। इसके बजाय, उन्हें एक पतली परत में धकेल दिया जाता है, जैसे किसी तरल गेंद पर एक क्रस्ट (crust) होता है। यह व्यवस्था एक ऐसा तारा बनाती है जो अविश्वसनीय रूप से सख्त है और बहुत अधिक द्रव्यमान को सहारा दे सकता है, जिससे इस पहेली का समाधान होता है कि कैसे कुछ न्यूट्रॉन तारे बिना ढहे इतने विशाल हो सकते हैं। हालाँकि, शोधकर्ताओं ने पाया कि इस विशिष्ट व्यवस्था का तारे के कंपनों पर नाटकीय प्रभाव पड़ता है। इन तारों के दस अलग-अलग मॉडलों का अनुकरण करके, उन्होंने खोजा कि इस क्वार्कीयोनिक कोर की उपस्थिति मूल रूप से ग्रेविटी मोड को शांत कर देती है। कंपन की आवृत्ति काफी कम हो जाती है, और अधिक आश्चर्यजनक रूप से, जिस तरह से तारा भारी होने पर कंपन बदलता है, वह सामान्य तारों में होने वाली प्रक्रिया के बिल्कुल विपरीत होता है।
इस निष्कर्ष तक पहुँचने के लिए, वैज्ञानिकों ने न्यूट्रॉन तारों के विस्तृत कंप्यूटर मॉडल बनाए। उन्होंने प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के ज्ञात भौतिकी से शुरुआत की और फिर क्वार्कीयोनिक पदार्थ के नियमों को जोड़ा, जहाँ क्वार्क्स और न्यूक्लियॉन (nucleons) एक मजबूत परमाणु बल द्वारा लागू निरंतर, तीव्र रासायनिक संतुलन में होते हैं। यह संतुलन इतनी तेज़ी से होता है कि तारे के कंपन के संक्षिप्त क्षण के दौरान, क्वार्क्स स्वतंत्र रूप से गति नहीं कर सकते; वे प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के साथ तालमेल में बंधे होते हैं। शोधकर्ताओं ने गणना की कि इस पदार्थ के माध्यम से ध्वनि की गति कैसे यात्रा करती है। एक सामान्य तारे में, ध्वनि की गति इस बात पर निर्भर करती है कि आप पदार्थ को धीरे से दबाते हैं या तेज़ी से, और यह अंतर एक पुनर्स्थापना बल (restoring force) बनाता है जो ग्रेविटी मोड को अस्तित्व में रखने की अनुमति देता है। उनके क्वार्कीयोनिक मॉडलों में, यह अंतर लगभग समाप्त हो गया। क्वार्क्स ने एक बफर की तरह काम किया, उन रासायनिक असंतुलनों को सोख लिया जो सामान्यतः कंपन पैदा करते। परिणामस्वरूप, तारे का कोर अपनी संरचना में लगभग एकसमान हो गया, जिससे ग्रेविटी मोड को सहारा देने के लिए आवश्यक स्तरीकरण (stratification) खो गया।
इसका प्रभाव गहरा था। सामान्य न्यूट्रॉन तारा मॉडलों में, ग्रेविटी मोड 158 और 522 हर्ट्ज़ के बीच की आवृत्तियों पर कंपन करता है। क्वार्कीयोनिक मॉडलों में, यह आवृत्ति गिरकर 81 से 254 हर्ट्ज़ की सीमा में आ गई। लेकिन सबसे उल्लेखनीय खोज यह थी कि तारे का द्रव्यमान बढ़ने पर आवृत्ति कैसे व्यवहार करती है। एक सामान्य तारे में, जैसे-जैसे आप अधिक द्रव्यमान जोड़ते हैं, तारा अधिक सघन हो जाता है और ग्रेविटी मोड तेज़ी से कंपन करता है। क्वार्कीयोनिक मॉडलों में, इसके विपरीत हुआ: जैसे-जैसे तारा भारी होता गया, कंपन धीमा होता गया। यह उलटफेर इसलिए होता है क्योंकि भारी द्रव्यमान क्वार्कीयोनिक पदार्थ के संक्रमण को बाहर की ओर धकेलता है, जिससे कंपन बाहरी हिस्से में एक पतली और पतली होती परत में फंस जाता है। कोर, जो अब विशाल और असतरीकृत है, एक ठोस ब्लॉक की तरह चलता है, जबकि कंपन इसके चारों ओर की संकीर्ण परत तक सीमित रहता है।
शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि ये तारे गुरुत्वाकर्षण तरंगों के रूप में ऊर्जा को कैसे विकीर्ण करते हैं। चूँकि क्वार्कीयोनिक तारे का कोर कंपन में भाग नहीं लेता है, इसलिए यह ऊर्जा को कुशलतापूर्वक विकीर्ण नहीं करता है। डैम्पिंग टाइम (damping time), या वह समय जब तक कंपन बना रहता है, बहुत लंबा हो जाता है, और पृथ्वी तक पहुँचने वाला संकेत बहुत कमजोर होगा। यह ऐसे तारे का पता लगाना कठिन बनाता है, लेकिन यह एक स्पष्ट पहचान भी प्रदान करता है। यदि खगोलशास्त्री न्यूट्रॉन तारे के कंपन की आवृत्ति को माप सकते हैं और देख सकते हैं कि द्रव्यमान बदलने पर यह कैसे बदलती है, तो वे एक सामान्य तारे और क्वार्कीयोनिक कोर वाले तारे के बीच अंतर कर सकते हैं। एक सामान्य तारा द्रव्यमान के साथ बढ़ती आवृत्ति दिखाएगा; एक क्वार्कीयोनिक तारा घटती हुई आवृत्ति दिखाएगा।
यह कार्य यह सिद्ध नहीं करता है कि ब्रह्मांड में क्वार्कीयोनिक पदार्थ मौजूद है, लेकिन यह इसे परीक्षण करने का एक ठोस तरीका प्रदान करता है। यह अध्ययन इस विचार को खारिज करता है कि एक सरल चरण संक्रमण (phase transition), जहाँ पदार्थ एक अवस्था से दूसरी अवस्था में अचानक बदल जाता है, समान परिणाम उत्पन्न करेगा। उन परिदृश्यों में, कंपन की आवृत्ति ऊपर जाएगी, न कि नीचे। यहाँ पाई गई विशिष्ट व्यवहार—आवृत्ति में गिरावट और द्रव्यमान के रुझान का उलटा होना—क्वार्कीयोनिक पदार्थ की निरंतर, खोल जैसी संरचना के लिए अद्वितीय है। हालाँकि गणनाएँ कंप्यूटर सिमुलेशन पर निर्भर करती हैं और कुछ सरलीकृत धारणाएँ बनाती हैं, जैसे कि तारे के घूर्णन और चुंबकीय क्षेत्रों को अनदेखा करना, फिर भी मुख्य निष्कर्ष सुदृढ़ है। रुझान का चिह्न, वह दिशा जिसमें आवृत्ति चलती है, मॉडल में संभावित त्रुटियों को ध्यान में रखने पर भी स्पष्ट रहती है।
अंततः, यह शोध पत्र ब्रह्मांड के सबसे घने पदार्थ को देखने के लिए एक नया दृष्टिकोण प्रदान करता है। यह सुझाव देता है कि ग्रेविटी मोड की चुप्पी, या उसकी अजीब, धीमी लय, एक क्वार्कीयोनिक कोर का संकेत हो सकती है। जैसे-जैसे गुरुत्वाकर्षण तरंग डिटेक्टर अधिक संवेदनशील होते जा रहे हैं, वे जल्द ही इन दूरस्थ तारों के कंपनों को सुन सकेंगे। यदि वे एक ऐसी आवृत्ति सुनते हैं जो तारा भारी होने पर घटती है, तो यह इस बात की शक्तिशाली पुष्टि होगी कि न्यूट्रॉन तारे का आंतरिक भाग केवल कणों का सूप नहीं है, बल्कि एक जटिल, स्तरित संरचना है जहाँ क्वार्क्स और न्यूक्लियॉन एक नाजुक, मौन संतुलन में नृत्य करते हैं।
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