Black objects in a five-dimensional swirling spacetime

आधुनिक भौतिकी के विशाल रंगमंच में, गुरुत्वाकर्षण को अक्सर केवल उस बल के रूप में नहीं देखा जाता है जो हमारे पैरों को जमीन पर टिकाए रखता है, बल्कि अंतरिक्ष और समय के एक ज्यामितीय गुण के रूप में अध्ययन किया जाता है। एक सदी से अधिक समय से, इस बल का मानक मॉडल आइंस्टीन का सामान्य सापेक्षता का सिद्धांत रहा है, जो हमारे ब्रह्मांड को चार आयामों के रूप में वर्णित करता है: तीन स्थान (space) के और एक समय (time) का। हालाँकि, गुरुत्वाकर्षण को क्वांटम मैकेनिक्स के साथ एकीकृत करने का प्रयास करने वाले कई सबसे आशाजनक सिद्धांत, जैसे कि स्ट्रिंग थ्योरी, यह सुझाव देते हैं कि ब्रह्मांड वास्तव में हमारे बोध से अधिक आयामों को धारण कर सकता है। माना जाता है कि ये अतिरिक्त आयाम इतने कसकर लिपटे हुए हैं कि हम उन्हें देख नहीं सकते, लेकिन उनका अस्तित्व गुरुत्वाकर्षण के व्यवहार को मौलिक रूप से बदल देगा। जब भौतिक विज्ञानी इन उच्च-आयामी दुनियाओं का अन्वेषण करते हैं, तो वे पाते हैं कि ब्लैक होल (ब्लैक होल—ऐसे अंतरिक्ष क्षेत्र जो इतने घने हैं कि कुछ भी उनसे बचकर नहीं निकल सकता) को नियंत्रित करने वाले नियम हमारे परिचित चार-आयामी वास्तविकता की तुलना में कहीं अधिक जटिल और विविध हो जाते हैं। एक एकल, सरल आकार के बजाय, उच्च आयामों में ब्लैक होल विभिन्न रूपों की एक "जूलॉजी" (प्राणी-विज्ञान) ले सकते हैं, जिसमें रिंग और अन्य विलक्षण टोपोलॉजी शामिल हैं, जो इन ब्रह्मांडीय वस्तुओं के जन्म और उनके व्यवहार के बारे में हमारी समझ को चुनौती देते हैं।

इस आधार पर आगे बढ़ते हुए, मिलान में इस्तितुटो नैज़ियोनाले डी फिज़िका न्युक्लियरे के एड्रियानो विगानो द्वारा किए गए एक हालिया अध्ययन ने पांच आयामों में एक नए प्रकार के ब्रह्मांडीय वातावरण का निर्माण करके और उसमें ब्लैक होल रखकर एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। शोधकर्ताओं ने एक सैद्धांतिक पृष्ठभूमि पर ध्यान केंद्रित किया जिसे "स्वर्लिंग यूनिवर्स" (भंवरदार ब्रह्मांड) के रूप में जाना जाता है। एक ऐसे ब्रह्मांड की कल्पना करें जो स्थिर नहीं है, बल्कि जिसमें एक अंतर्निहित घूर्णन है, एक ब्रह्मांडीय भंवर जो स्वयं स्पेस-टाइम की वक्रता द्वारा उत्पन्न होता है। इस वातावरण में, अंतरिक्ष का ताना-बाना पर्यवेक्षकों को अपने साथ खींचता है, ठीक वैसे ही जैसे नदी की धारा एक नाव को बहा ले जाती है, चाहे नाव में इंजन हो या न हो। इस अवधारणा का पहले चार आयामों में अन्वेषण किया गया था, लेकिन विगानो का कार्य इसे पांच आयामों तक विस्तारित करता है, जिससे एक ऐसा मंच तैयार होता है जिस पर जटिल ब्लैक ऑब्जेक्ट्स के व्यवहार का परीक्षण किया जा सके। लक्ष्य यह देखना था कि क्या ये स्वर्लिंग स्थितियाँ स्थिर ब्लैक होल और रिंग्स का समर्थन कर सकती हैं, और यह समझना कि ब्रह्मांड का स्वयं का घूर्णन इन विशाल पिंडों के गुणों को कैसे बदलता है।

इसे प्राप्त करने के लिए, टीम ने एक गणितीय तकनीक का उपयोग किया जो आइंस्टीन के समीकरणों के ज्ञात समाधानों को नए समाधानों में बदलने की अनुमति देती है। उन्होंने सबसे सरल संभव पृष्ठभूमि, एक सपाट पांच-आयामी स्थान से शुरुआत की, और एक विशिष्ट रूपांतरण लागू किया जिसने स्वर्लिंग गति को पेश किया। इससे एक नया, घूमता हुआ ब्रह्मांड बना जो एक पृष्ठभूमि के रूप में कार्य करता है। फिर उन्होंने पांच-आयामी ब्लैक ऑब्जेक्ट्स के दो प्रसिद्ध प्रकारों को लिया: मायर्स-पेरी ब्लैक होल, जो एक घूमता हुआ गोलाकार पिंड है, और एक घूमती हुई ब्लैक रिंग, जो एक डोनट के आकार का क्षितिज (horizon) है। इन पिंडों को अपने स्वर्लिंग ब्रह्मांड में समाहित करके, उन्होंने पूरी तरह से नए समाधान उत्पन्न किए जो वर्णन करते हैं कि ये ब्लैक होल कैसे अस्तित्व में होंगे यदि संपूर्ण ब्रह्मांड उनके चारों ओर घूम रहा हो।

ऐसे अध्ययन में सबसे महत्वपूर्ण जांचों में से एक यह सुनिश्चित करना है कि समाधान भौतिक रूप से यथार्थवादी हों और गणितीय दोषों से मुक्त हों। सैद्धांतिक भौतिकी की दुनिया में, निर्मित समाधानों के साथ एक सामान्य समस्या "कोनिकल सिंगुलैरिटीज़" (शंकुवत विलक्षणता) का दिखना है। ये ब्लैक होल के केंद्र की तरह अनंत घनत्व के बिंदु नहीं हैं, बल्कि अंतरिक्ष के ताने-बाने में ज्यामितीय दोष हैं, जो एक शंकु के शीर्ष की तीखी नोक के समान हैं जहाँ सतह ठीक से चिकनी नहीं होती है। ऐसे दोष समाधान को भौतिक रूप से असंभव बना देंगे। शोधकर्ताओं ने सिद्ध किया कि स्वर्लिंग ब्लैक होल और स्वर्लिंग ब्लैक रिंग दोनों इन दोषों से मुक्त हैं। उन्होंने प्रदर्शित किया कि कोणीय निर्देशांकों (angular coordinates) की आवधिकता को सावधानीपूर्वक समायोजित करके—अनिवार्य रूप से यह परिभाषित करके कि अंतरिक्ष अपने आप में कैसे लिपटता है—ज्यामिति पूरी तरह से चिकनी हो जाती है। यह एक उल्लेखनीय उपलब्धि है क्योंकि, समान चार-आयामी परिदृश्यों में, ऐसे दोष अक्सर अपरिहार्य होते हैं, जो पांच-आयामी परिणामों को विशेष रूप से सुदृढ़ और नियमित बनाते हैं।

अध्ययन ने इन नए पिंडों के भौतिक गुणों का विश्लेषण करने के लिए उनके द्रव्यमान (mass) और कोणीय संवेग (angular momentum) की गणना की। परिणामों ने दिखाया कि स्वर्लिंग पृष्ठभूमि इन मूल्यों को महत्वपूर्ण रूप से बदल देती है। ब्लैक होल और ब्लैक रिंग दोनों के लिए, स्वर्लिंग पैरामीटर की उपस्थिति ने गैर-घूर्णन, सपाट ब्रह्मांड की तुलना में उनके द्रव्यमान और कोणीय संवेग को बढ़ा दिया। शोधकर्ताओं ने पाया कि स्वर्लिंग गति पिंड के अपने स्पिन और ब्रह्मांड के स्पिन के बीच एक प्रकार की प्रतिस्पर्धा पैदा करती है। यह परस्पर क्रिया पिंड के कोणीय संवेग की सीमा पर सख्त प्रतिबंध लगाती है। मानक सपाट ब्रह्मांड में, एक ब्लैक होल का स्पिन उसके द्रव्यमान द्वारा सीमित होता है, लेकिन इस स्वर्लिंग वातावरण में, यह सीमा और भी कड़ी हो जाती है। जैसे-जैसे स्वर्लिंग पैरामीटर बढ़ता है, ब्लैक होल के लिए अधिकतम संभव स्पिन कम होता जाता है, जो यह सुझाव देता है कि ब्रह्मांडीय भंवर पिंड की स्वतंत्र रूप से घूमने की क्षमता को प्रतिबंधित करता है।

शायद सबसे आश्चर्यजनक खोज तब सामने आई जब टीम ने ब्लैक रिंग का परीक्षण किया। एक मानक, सपाट पांच-आयामी ब्रह्मांड में, ब्लैक रिंग "नॉन-यूनिकनेस" (गैर-विशिष्टता) की समस्या से ग्रस्त होती हैं। इसका अर्थ यह है कि द्रव्यमान और स्पिन जैसे भौतिक गुणों के एक दिए गए सेट के लिए, दो अलग-अलग आकारों या आकारों वाली दो अलग-अलग ब्लैक रिंग हो सकती हैं। यह ऐसा है जैसे भौतिकी के नियम एक ही प्रश्न के दो अलग-अलग उत्तरों की अनुमति दे रहे हों, जो इन पिंडों के व्यवहार की भविष्यवाणी करने की हमारी क्षमता को जटिल बनाता है। हालाँकि, जब ब्लैक रिंग को स्वर्लिंग ब्रह्मांड में रखा गया, तो यह अस्पष्टता समाप्त हो गई। शोधकर्ताओं ने पाया कि स्वर्लिंग पृष्ठभूमि ने विशिष्टता (uniqueness) को बहाल कर दिया: द्रव्यमान और स्पिन के प्रत्येक विशिष्ट संयोजन के लिए, केवल एक ही संभावित ब्लैक रिंग समाधान मौजूद था। यह सुझाव देता है कि ब्रह्मांड का घूर्णन एक स्थिर करने वाली शक्ति के रूप में कार्य करता है, जो उन पिंडों के साथ जुड़ी उलझन को सुलझाता है जो एक स्थिर वातावरण में परेशान करते हैं।

शोधकर्ताओं ने इन पिंडों के "एर्गोरीजन्स" (ergoregions) की भी जांच की, जो घटना क्षितिज (event horizon) के बाहर के वे क्षेत्र हैं जहाँ स्पेस-टाइम का खिंचाव इतना मजबूत होता है कि कुछ भी स्थिर नहीं रह सकता। स्वर्लिंग ब्रह्मांड में, ये क्षेत्र एक जटिल संरचना लेते हैं। ब्लैक होल के लिए, एर्गोरीजन अनंत तक फैला हुआ है और स्वर्लिंग पैरामीटर की शक्ति के आधार पर अपना आकार बदलता है। कम स्तर के स्वर्लिंग पर, एर्गोरीजन विच्छेदित टुकड़ों से बना होता है, लेकिन जैसे-जैसे स्वर्लिंग तीव्र होती है, ये टुकड़े आपस में मिलकर एक एकल, निरंतर क्षेत्र बन जाते हैं जो ब्लैक होल को घेर लेता है। यह विकास दर्शाता है कि कैसे ब्रह्मांड का वैश्विक घूर्णन ब्लैक होल के तात्कालिक वातावरण को नया आकार देता है, जिससे एक गतिशील सीमा बनती है जो गैर-घूर्णन ब्रह्मांड में देखी जाने वाली तुलना में कहीं अधिक जटिल है।

हालाँकि ब्लैक रिंग समाधान की गणितीय जटिलता के लिए उसके द्रव्यमान और कोणीय संवेग का पूर्ण विश्लेषण करने के लिए संख्यात्मक विधियों (numerical methods) की आवश्यकता थी, लेकिन परिणाम ब्लैक होल के निष्कर्षों के अनुरूप थे। रिंग का द्रव्यमान और स्पिन भी सपाट मामले की तुलना में अधिक पाया गया, और इन मात्राओं के बीच के अनुपात ने विशिष्टता की बहाली की पुष्टि की। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि स्वर्लिंग ब्रह्मांड केवल एक गणितीय जिज्ञासा नहीं है बल्कि उच्च-आयामी ब्लैक ऑब्जेक्ट्स के लिए एक व्यवहार्य, स्थिर वातावरण है। यह एक नया दृष्टिकोण प्रदान करता है कि कैसे ब्रह्मांड की बड़े पैमाने की संरचना इसके सबसे चरम निवासियों के स्थानीय गुणों को प्रभावित कर सकती है। यह सिद्ध करके कि ये समाधान नियमित और अद्वितीय हैं, यह कार्य उच्च आयामों में ब्लैक ऑब्जेक्ट्स की संभावित "जूलॉजी" की स्पष्ट तस्वीर प्रदान करता है और सुझाव देता है कि ब्रह्मांड का घूर्णन स्वयं ब्लैक होल भौतिकी के नियमों को परिभाषित करने में एक मौलिक भूमिका निभाता है।