Analysis of radial and quasiradial oscillations in quark stars for different equations of state

ब्रह्मांड की सबसे चरम वस्तुओं के भीतर, पदार्थ उन तरीकों से व्यवहार करता है जो हमारे रोजमर्रा के अनुभव को चुनौती देते हैं। न्यूट्रॉन तारे, जो फटने वाले विशाल सितारों के घने अवशेष होते हैं, कुछ किलोमीटर चौड़े गोले में हमारे सूर्य से अधिक द्रव्यमान समेटे होते हैं। ऐसे अत्यधिक दबाव के तहत, सामान्य पदार्थ बनाने वाले प्रोटॉन और न्यूटोन्स टूट सकते हैं, और अपने घटक भागों: क्वार्क्स (quarks) के एक सूप में घुल मिल सकते हैं। यदि यह संक्रमण पूरी तरह से होता है, तो वह तारा एक क्वार्क तारा बन जाता है, जो पूरी तरह से इस विलक्षण तरल से बनी एक काल्पनिक वस्तु है। हालांकि हमारे पास पृथ्वी पर उच्च-ऊर्जा टकरावों में क्वार्क्स के अस्तित्व के पुख्ता सबूत हैं, लेकिन एक तारे के भीतर उनकी उपस्थिति की पुष्टि करना खगोल विज्ञान की बड़ी चुनौतियों में से एक बना हुआ है। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिकों को यह अनुमान लगाना होगा कि यदि इन विचित्र तारों को विचलित किया जाए तो वे कैसे व्यवहार करेंगे, और वे विशिष्ट संकेतों की तलाश करेंगे जो उन्हें साधारण न्यूट्रॉन तारों से अलग कर सकें। किसी तारे द्वारा किसी झटके पर प्रतिक्रिया देने का सबसे मुखर तरीका इसके कंपन करना है, ठीक वैसे ही जैसे टकराने के बाद एक घंटी बजती है। ये कंपन तारे की आंतरिक संरचना का एक अद्वितीय हस्ताक्षर (fingerprint) ले जाते हैं, जो पदार्थ के सबसे चरम भौतिकी में झाँकने के लिए एक संभावित खिड़की प्रदान करते हैं।

हाल ही में किए गए एक अध्ययन में, भारत के दिब्रুগढ़ विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने इन क्वार्क तारों के कंपनों को मॉडल करने का प्रयास किया, विशेष रूप से इस बात पर ध्यान केंद्रित किया कि तारे का घूर्णन (rotation) उसके बजने के तरीके को कैसे बदलता है। उन्होंने वास्तव में किसी वास्तविक तारे का अवलोकन नहीं किया, बल्कि क्वार्क पदार्थ के व्यवहार के बारे में तीन अलग-अलग सिद्धांतों के आधार पर विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन बनाए। पहले सिद्धांत ने क्वार्क्स को ऐसे माना जैसे कि उनका कोई द्रव्यमान न हो, दूसरे ने उन्हें एक यथार्थवादी द्रव्यमान दिया, और तीसरे ने गर्मी की जटिलता को जोड़ा, यह स्वीकार करते हुए कि तारे का आंतरिक भाग अविश्वसनीय रूप से गर्म हो सकता है। इन मॉडलों को सामान्य सापेक्षता (general relativity) के समीकरणों के माध्यम से चलाकर, टीम ने गणना की कि तारे कैसे दोलन या स्पंदन (pulse) करेंगे, जब वे स्थिर हों और जब वे धीरे-धीरे घूम रहे हों। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या घूर्णन, गर्मी, या क्वार्क्स का द्रव्यमान तारे की लय पर एक विशिष्ट छाप छोड़ता है, जिससे खगोलशास्त्री संभावित रूप से एक क्वार्क तारे को उसके 'गीत' को सुनकर पहचान सकें।

शोधकर्ताओं ने पाया कि तारे की आंतरिक संरचना उसके संगीत के सुरों (notes) को निर्धारित करती है। एक गैर-घूर्णन वाले तारे के लिए, कंपन शुद्ध रूप से लयबद्ध होते हैं, लेकिन जैसे ही तारा घूमना शुरू करता है, भौतिकी बदल जाती है। घूर्णन तारे के चारों ओर स्पेस-टाइम (space-time) के ताने-बाने पर एक सूक्ष्म खिंचाव पैदा करता है, एक ऐसी घटना जहाँ घूमता हुआ द्रव्यमान स्थानीय वातावरण को मरोड़ देता है। यह मोड़ तारे के दोलन आवृत्तियों (oscillation frequencies) को बदल देता है, जिससे वे उनके गैर-घूर्णन मानों से थोड़ा विचलित हो जाते हैं। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि घूर्णन के कारण कंपन समय के साथ फीके पड़ जाते हैं। टीम ने गणना की कि ये फीके पड़ते कंपन, जिन्हें डैम्पिंग (damping) कहा जाता है, बहुत कम अवधि के लिए रहेंगे, जो लगभग एक मिलीसेकंड से लेकर लगभग तैंतीस मिलीसेकंड तक होंगे, जो तारे के विशिष्ट मॉडल पर निर्भर करता है। इस क्षणिक प्रकृति का अर्थ है कि यदि ऐसा तारा कंपन करता है, तो संकेत संक्षिप्त होगा और उसे पकड़ना कठिन होगा, जिसके लिए इसे गायब होने से पहले सुनने के लिए अत्यंत संवेदनशील डिटेक्टरों की आवश्यकता होगी।

अध्ययन से पता चला कि तारे के भीतर का तापमान इन कंपनों में आश्चर्यजनक रूप से महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। जब शोधकर्ताओं ने गर्म, भारी क्वार्क्स वाले तारों का मॉडल बनाया, तो उन्होंने पाया कि ठंडे या द्रव्यमान रहित क्वार्क्स वाले तारों की तुलना में इन तारों के कंपन अधिक समय तक रहे। विशेष रूप से, उनके मॉडलों में सबसे भारी और बड़े तारों ने, जिनमें गर्म क्वार्क्स थे, सबसे लंबे समय तक चलने वाले कंपन दिखाए, जो तैंतीस मिलीसेकंड तक बने रहे। इसके विपरीत, द्रव्यमान रहित क्वार्क्स वाले मॉडलों ने सबसे कम समय तक चलने वाले संकेत उत्पन्न किए, जो केवल एक मिलीसेकंड से कुछ अधिक में फीके पड़ गए। यह सुझाव देता है कि यदि खगोलशास्त्री यह माप सकें कि तारे का कंपन कितने समय तक रहता है, तो वे यह अनुमान लगा सकते हैं कि तारा गर्म और विशाल है या ठंडा और छोटा। टीम ने यह भी खोजा कि घूर्णन के तहत तारे का विरूपण (deformation) उसकी सघनता (compactness) पर निर्भर करता है। विरोधाभासी रूप से, सबसे भारी और घने तारे, जिन्हें लोग उम्मीद कर सकते हैं कि अपनी स्पिन के कारण सबसे आसानी से पिचक जाएंगे, वास्तव में आकार बदलने के प्रति सबसे अधिक प्रतिरोधी थे। उनके विशाल गुरुत्वाकर्षण ने उन्हें इतनी मजबूती से बांध रखा था कि वे अपने छोटे, हल्के समकक्षों की तुलना में कम विकृत हुए, भले ही वे समान गति से घूम रहे थे।

भविष्य के पर्यवेक्षकों के लिए सबसे व्यावहारिक निष्कर्ष इन ध्वनियों की आवृत्ति (frequency) से संबंधित है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि इन क्वार्क तारों के मौलिक कंपन प्रति सेकंड 2,000 चक्रों से कम की आवृत्ति पर होंगे। यह सीमा वर्तमान गुरुत्वाकर्षण तरंग डिटेक्टरों (gravitational wave detectors) की क्षमताओं के भीतर है, जो स्पेस-टाइम की लहरों को सुनने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। हालाँकि, संकेत की छोटी अवधि एक बाधा बनी हुई है। टीम ने उल्लेख किया कि जबकि कंपन सैद्धांतिक रूप से पता लगाने योग्य हैं, उनका संक्षिप्त अस्तित्व उन्हें एक चुनौतीपूर्ण लक्ष्य बनाता है। अध्ययन ने यह भी पुष्टि की कि तारे के स्पिन, उसके आकार और उसके आंतरिक घनत्व के बीच का संबंध एक सार्वभौमिक पैटर्न का पालन करता है, जिसका अर्थ है कि कुछ प्रमुख गुणों को मापकर, वैज्ञानिक संभावित रूप से इस बारे में कुछ सिद्धांतों को खारिज कर सकते हैं कि क्वार्क पदार्थ किससे बना है।

अंततः, यह कार्य अगली पीढ़ी के खगोलीय अवलोकनों के लिए एक महत्वपूर्ण रोडमैप प्रदान करता है। यह सिमुलेशन करके कि क्वार्क तारे विभिन्न स्थितियों में कैसे गूंजेंगे, शोधकर्ताओं ने यह परिभाषित किया है कि क्या देखना है और किसे अनदेखा करना है। उन्होंने दिखाया है कि हालांकि कंपन वास्तविक और गणनीय हैं, वे क्षणिक घटनाएं हैं जिनके लिए सटीक समय की आवश्यकता होती है। यदि कोई गुरुत्वाकर्षण तरंग डिटेक्टर कभी ऐसा संकेत सुनता है जो इन विशिष्ट आवृत्तियों से मेल खाता है और अनुमानित समय सीमा के भीतर क्षय (decay) होता है, तो यह प्रत्यक्ष प्रमाण हो सकता है कि क्वार्क तारे मौजूद हैं। तब तक, ये सिमुलेशन सैद्धांतिक भौतिकी की शक्ति के प्रमाण के रूप में खड़े हैं, जो हमें ब्रह्मांड की सबसे घनी वस्तुओं के मौन संगीत को सुनने के लिए आवश्यक उपकरणों के आने से पहले ही उसे सुनने की अनुमति देते हैं।