Multi-messenger and multi-band signal from first-order phase transitions in proto-neutron stars

ब्रह्मांड की सबसे चरम वस्तुओं के गहरे भीतर, पदार्थ को ऐसे घनत्व तक कुचला जाता है जिसे पृथ्वी पर किसी भी प्रयोगशाला में निर्मित नहीं किया जा सकता। ये न्यूट्रॉन तारे हैं, जो विशाल तारों के फटने के बाद बचे हुए अत्यंत सघन अवशेष हैं। दशकों से, भौतिक विज्ञानी इस बात पर बहस कर रहे हैं कि इन तारों के बिल्कुल केंद्र में क्या स्थित है। जबकि बाहरी परतें परिचित परमाणु नाभिकों से बनी होती हैं, कोर इतना संकुचित हो सकता है कि प्रोटॉन और न्यूट्रॉन उनके घटक भागों, जिन्हें क्वार्क कहा जाता है, के एक सूप में घुल मिल जाएं। साधारण परमाणु पदार्थ से क्वार्क कोर में इस बदलाव को 'फेज ट्रांजिशन' (अवस्था परिवर्तन) कहा जाता है, जो बिल्कुल वैसा ही है जैसे पानी बर्फ में बदल जाता है, लेकिन यह अत्यधिक दबाव और गुरुत्वाकर्षण की स्थितियों में घटित होता है। यह घटना वास्तव में होती है या नहीं, और कैसे होती है, इसे समझना महत्वपूर्ण है क्योंकि यह उन मौलिक नियमों को प्रकट करेगा जो यह नियंत्रित करते हैं कि जब पदार्थ को उसकी अंतिम सीमा तक दबाया जाता है तो वह कैसा व्यवहार करता है।

जर्मनी और आयरलैंड के शोधकर्ताओं द्वारा किया गया एक नया अध्ययन इस बात की खोज करता है कि क्या होगा यदि ऐसा संक्रमण एक युवा, गर्म न्यूट्रॉन तारे के भीतर होता है, जिसे 'प्रोटो-न्यूट्रॉन स्टार' कहा जाता है। ये तारे सुपरनोवा विस्फोट के हिंसक परिणाम के रूप में जन्म लेते हैं और अपने परिवेश से अधिक सामग्री को निगलते हुए अभी भी ठंडे हो रहे होते हैं। शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट परिदृश्य की जांच की जहाँ तारे का कोर अचानक सामान्य पदार्थ से क्वार्क पदार्थ में बदल जाता है। उन्होंने पाया कि यह घटना केवल एक शांत आंतरिक बदलाव नहीं होगी; यह एक नाटकीय, दो-भाग वाले संकेत को ट्रिगर करेगी जिसे भविष्य के उपकरणों द्वारा पहचाना जा सकता है। यह घटना अंतरिक्ष-समय में लहरें उत्पन्न करेगी, जिन्हें गुरुत्वाकर्षण तरंगें (gravitational waves) कहा जाता है, जो एक ही समय में दो बहुत अलग गतियों पर होंगी, और साथ ही यह भूतिया कणों की एक बौछार भी छोड़ेगी जिन्हें न्यूट्रिनो कहा जाता है।

शोधकर्ताओं ने इस प्रक्रिया का अनुकरण करने के लिए कंप्यूटर मॉडलों का एक विशाल संग्रह बनाया। पदार्थ कैसे व्यवहार करता है इसके लिए एक एकल उत्तर का अनुमान लगाने के बजाय, उन्होंने न्यूट्रॉन तारे की आंतरिक संरचना के हजारों संभावित संस्करण बनाए, जो सभी ज्ञात भौतिक नियमों और वास्तविक तारों के प्रेक्षणों के अनुरूप थे। फिर उन्होंने देखा कि जैसे-जैसे ये सिम्युलेटेड तारे अधिक द्रव्यमान एकत्र करते हैं, वे कैसे विकसित होते हैं। इनमें से कई मॉडलों में, बढ़ते हुए भार ने अंततः कोर को एक निर्णायक बिंदु (tipping point) के पार धकेल दिया, जिससे क्वार्क पदार्थ में अचानक रूपांतरण हुआ। टीम ने गणना की कि इस रूपांतरण से किस प्रकार का संकेत उत्पन्न होगा। उन्होंने पाया कि यह घटना दो अलग-अलग प्रकार की गुरुत्वाकर्षण तरंगें पैदा करती है। पहला एक कम-आवृत्ति वाला गूंज (rumble) है, जो किलोहर्ट्ज़ रेंज में होता है, जो तारे के पूरे आकार के समायोजन के कारण होता है क्योंकि कोर सिकुड़ता है और अधिक सघन हो जाता है। दूसरा एक बहुत उच्च-आवृत्ति वाला विस्फोट है, जो मेगाहर्ट्ज़ रेंज में होता है, जो नए क्वार्क पदार्थ के छोटे बुलबुलों के बनने और फैलने के दौरान उनके सूक्ष्म टकराव के कारण होता है।

ये दोनों संकेत एक इस तरह से जुड़े हुए हैं जो वैज्ञानिकों को संक्रमण के भौतिकी को डिकोड करने में मदद कर सकते हैं। कम-आवृत्ति वाली तरंग हमें तारे के समग्र आकार और संरचना के बारे में बताती है, जबकि उच्च-आवृत्ति वाला विस्फोट बुलबुलों के बनने और टकराने की सूक्ष्म प्रक्रिया के विवरण को प्रकट करता है। अध्ययन से पता चलता है कि यदि हम एक ही घटना से दोनों संकेतों को पकड़ सकें, तो हम निम्न-आवृत्ति वाली तरंग से उच्च-आवृत्ति वाली तरंग के लिए संभावनाओं को सीमित करने के लिए जानकारी का उपयोग कर सकते हैं। इससे हम उन गुणों को मापने में सक्षम होंगे जिन्हें निर्धारित करना वर्तमान में असंभव है, जैसे कि दो प्रकार के पदार्थों के बीच की सीमा का सतही तनाव (surface tension)। शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि इस घटना के साथ न्यूट्रिनो की एक दूसरी बौछार भी होगी, जो प्रारंभिक विस्फोट के कुछ सौ मिलीसेकंड से लेकर दो सेकंड के बाद आएगी। यह विलंब इस बात से निर्धारित होता है कि संक्रमण को ट्रिगर करने के लिए तारे को पर्याप्त द्रव्यमान एकत्र करने में कितना समय लगता है।

निष्कर्ष बताते हैं कि इस 'मल्टी-मैसेंजर सिग्नल' को पकड़ना एक बड़ी सफलता होगी। हालांकि वर्तमान गुरुत्वाकर्षण तरंग डिटेक्टर कम-आवृत्ति वाली गूंज को सुनने के लिए पर्याप्त संवेदनशील हैं, लेकिन वे अभी तक उच्च-आवृत्ति वाले मेगाहर्ट्ज़ विस्फोट को सुनने में सक्षम नहीं हैं। फिर भी, अध्ययन इंगित करता है कि अगली पीढ़ी के डिटेक्टर, जिनकी वर्तमान में योजना बनाई जा रही है, संभावित रूप से दोनों को सुन सकते हैं। यदि कोई भविष्य का वेधशाला (observatory) निम्न-आवृत्ति वाली तरंग को पकड़ लेता है और एक विशेष उच्च-आवृत्ति वाला उपकरण साथ ही चल रहे उच्च-आवृत्ति वाले विस्फोट को पकड़ लेता है, साथ ही विलंबित न्यूट्रिनो सिग्नल को भी पकड़ लेता है, तो यह फेज ट्रांजिशन की एक पूर्ण तस्वीर प्रदान करेगा। यह पुष्टि करेगा कि न्यूट्रॉन तारों के कोर में क्वार्क पदार्थ मौजूद है और हमें ब्रह्मांड की सबसे चरम स्थितियों में पदार्थ कैसे व्यवहार करता है, इसकी पहली प्रत्यक्ष झलक देगा। यह शोध यह दावा नहीं करता है कि इसने यह संकेत ढूंढ लिया है, बल्कि यह बताता है कि क्या देखना है और जब तकनीक विकसित हो जाए तो इसकी व्याख्या कैसे करनी है, इसके लिए एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करता है।