Kerr-Degenerate Shadows and Distinct Strong-Deflection Lensing in Rotating Hayward-like and Bardeen-like Geometries
यह शोध पत्र यह प्रदर्शित करता है कि जहाँ घूमते हुए हेयरवर्ड-जैसे (Hayward-like) और बार्डिन-जैसे (Bardeen-like) नियमित ब्लैक होल ज्यामिति समान केर-जैसे (Kerr-like) शैडो बाउंड्रीज़ साझा करते हैं, वहीं वे अपने विशिष्ट क्षेत्र-त्रिज्या प्रोफाइल (areal-radius profiles) पर निर्भर विशिष्ट स्ट्रॉन्ग-डेफ्लेक्शन लेंसिंग हस्ताक्षरों को प्रदर्शित करते हैं, जो उन्हें मानक केर ब्लैक होल से अलग करने के लिए एक संभावित अवलोकन संबंधी मार्ग प्रदान करता है।
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ब्रह्मांड की गहराइयों में, गुरुत्वाकर्षण केवल चीजों को एक साथ खींचने वाला बल नहीं है; यह स्वयं स्थान और समय का एक झुकाव (warping) है। जब पदार्थ को एक अविश्वसनीय रूप से छोटे, सघन बिंदु में कुचला जाता है, तो यह झुकाव इतना चरम हो जाता है कि यह एक ब्लैक होल बना देता है। दशकों से, इन वस्तुओं का मानक विवरण 'केर समाधान' (Kerr solution) रहा है, जो एक गणितीय मॉडल है जो भविष्यवाणी करता है कि ब्लैक होल केवल अपने द्रव्यमान और इसके घूमने की गति से परिभाषित होता है। हालाँकि, इस मॉडल में एक परेशान करने वाला दोष है: इसके बिल्कुल केंद्र में, गणित विफल हो जाता है, जो अनंत घनत्व के एक बिंदु और अनंत वक्रता (curvature) के एक वलय (ring) की भविष्यवाणी करता है जहाँ भौतिकी के नियम काम करना बंद कर देते हैं। कई भौतिकविदों का मानना है कि यह "विलक्षणता" (singularity) इस बात का संकेत है कि मॉडल अधूरा है, जो यह सुझाव देता है कि प्रकृति का अधिक यथार्थवादी विवरण इस केंद्र को सुचारू बना देगा, इस अनंत बिंदु को एक सघन, नियमित कोर (core) से बदल देगा। इस विचार का परीक्षण करने के लिए, वैज्ञानिक देखते हैं कि प्रकाश इन वस्तुओं के चारों ओर कैसे झुकता है। जैसे ही दूर के तारों से आने वाला प्रकाश एक ब्लैक होल के पास से गुजरता है, तीव्र गुरुत्वाकर्षण एक लेंस की तरह कार्य करता है, छवि को विकृत करता है और एक गहरा छायाचित्र (silhouette) बनाता है जिसे 'शैडो' (shadow) कहा जाता है। इस छाया के आकार और प्रकाश द्वारा वस्तु के चारों ओर चक्कर लगाने के सटीक पथों का अध्ययन करके, खगोलविद यह देखने की आशा करते हैं कि क्या वास्तविक ब्रह्मांड मानक मॉडल से मेल खाता है या यह नए सिद्धांतों द्वारा अनुमानित सुचारू, नियमित कोर को प्रकट करता है।
शंघाई में फुदान विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में दो विशिष्ट सिद्धांतों की तुलना करने का प्रयास किया जो ऐसे सुचारू कोर का प्रस्ताव करते हैं, जिन्हें 'हेवर्ड-लाइक' (Hayward-like) और 'बार्डिन-लाइक' (Bardeen-like) ज्यामिति के रूप में जाना जाता है। वे यह देखना चाहते थे कि क्या इन दो अलग-अलग विचारों को उनके द्वारा मोड़े गए प्रकाश को देखकर एक-दूसरे से और मानक ब्लैक होल मॉडल से अलग पहचाना जा सकता है। वैज्ञानिकों ने एक गणितीय ढांचा बनाया जिसने उन्हें इन स्थिर, गैर-घूमने वाले मॉडलों को घुमाने की अनुमति दी, जिससे घूमने वाले संस्करण तैयार हुए जिन्हें सीधे तुलना किया जा सके। उन्होंने पाया कि, उल्लेखनीय रूप से, यदि आप केवल ब्लैक होल की छाया के समग्र आकार और आकार को देखते हैं, तो ये नए मॉडल मानक मॉडल से अभिन्न (indistinguishable) हैं। चाहे ब्लैक होल का केंद्र सुचारू और नियमित हो या पारंपरिक अनंत वलय, यह जो गहरा छायाचित्र पृष्ठभूमि के विरुद्ध बनाता है, वह एक दूरस्थ पर्यवेक्षक के लिए बिल्कुल वैसा ही दिखता है, बशर्ते द्रव्यमान, स्पिन और देखने का कोण समान हो। इसका अर्थ यह है कि केवल छाया की तस्वीर लेना, जैसे कि M87 और हमारी अपनी आकाशगंगा के ब्लैक होल की प्रसिद्ध छवियां, हमें यह नहीं बता सकता कि केंद्र सुचारू है या विलक्षण।
हालाँकि, कहानी तब बदल जाती है जब शोधकर्ताओं ने छाया के किनारे से आगे, प्रकाश के यात्रा करने के सूक्ष्म विवरणों में गहराई से देखा। जबकि छाया की सीमा समान है, वहां तक पहुँचने के लिए प्रकाश की यात्रा भिन्न है। टीम ने गणना की कि क्या होता है जब प्रकाश की किरणें ब्लैक होल के बहुत करीब से गुजरती हैं, जो पर्यवेक्षक तक पहुँचने से पहले इसके चारों ओर कई बार चक्कर लगाती हैं। उन्होंने पाया कि इन प्रकाश किरणों के अपने चक्करों को पूरा करने में लगने वाला समय, और उनके द्वारा बनाई गई कई छवियों के बीच का सटीक अंतराल, वस्तु की विशिष्ट संरचना पर बहुत अधिक निर्भर करता है। उनके द्वारा अध्ययन किए गए दो सुचारू-कोर मॉडलों के लिए, ये विवरण एक-दूसरे से और मानक मॉडल से भिन्न होते हैं। विशेष रूप से, प्रकाश के पहले और दूसरे चक्कर के बीच का समय विलंब (time delay), और इन छवियों के बीच चमक का अनुपात, मापने योग्य रूप से भिन्न होगा यदि ब्लैक होल का केंद्र एक विलक्षण केंद्र के बजाय एक सुचारू कोर रखता है।
शोधकर्ताओं ने इन गणनाओं को दो ब्लैक होल पर लागू किया जिन्हें हम सबसे अच्छी तरह जानते हैं: आकाशगंगा M87 के केंद्र में स्थित सुपरमैसिव ब्लैक होल, और हमारे अपने मिल्की वे के केंद्र में स्थित ब्लैक होल, जिसे सैजिटेरियस ए* (Sagittarius A*) के रूप में जाना जाता है। उन्होंने निर्धारित किया कि वर्तमान अवलोकन, जो छाया के समग्र आकार को मापते हैं, तीनों मॉडलों—मानक वाले और दो सुचारू-कोर संस्करणों—के अनुरूप हैं। डेटा सुचारू केंद्र के विचार को खारिज नहीं करता है, लेकिन यह इसे सिद्ध भी नहीं करता है। अध्ययन इस निष्कर्ष पर पहुँचता है कि वास्तव में इन सिद्धांतों के बीच अंतर करने के लिए, हमें छाया के आकार के अलावा अन्य चीजों को मापने की आवश्यकता है। हमें उन सूक्ष्म अंतरों को मापने की आवश्यकता होगी जो ब्लैक होल के चारों ओर घूमने में प्रकाश को लगने वाले समय में होते हैं या कई छवियों की चमक में सूक्ष्म बदलावों में होते हैं। यद्यपि वर्तमान दूरबीनें अभी इतनी संवेदनशील नहीं हैं कि आवश्यक सटीकता के साथ इन सूक्ष्म समय विलंब या चमक के अंतर को माप सकें, फिर भी यह अध्ययन एक स्पष्ट मार्गदर्शिका प्रदान करता है कि भविष्य के उपकरणों को क्या मापना चाहिए। यदि हम अंततः उच्च सटीकता के साथ इन विशिष्ट विवरणों को माप सकते हैं, तो हम अंततः देख पाएंगे कि क्या ब्लैक होल का हृदय एक ऐसी जगह है जहाँ भौतिकी विफल हो जाती है, या एक सुचारू, सघन क्षेत्र है जहाँ प्रकृति के नियम मजबूती से कायम रहते हैं।
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