Relativistic Spherical Accretion in Nonrotating Black Hole Spacetimes: Astrophysical Implications
यह शोध पत्र विभिन्न गुरुत्वाकर्षण मॉडलों के अभिवृद्धि (एक्रिशन) गुणों पर प्रभाव का विश्लेषण करने के लिए तेरह गैर-घूर्णन ब्लैक होल स्पेस-टाइम के मिशेल समाधान का सामान्यीकरण करता है, जिसमें यह पाया गया है कि डार्क एनर्जी अभिवृद्धि को कम करती है जबकि नियमित स्पेस-टाइम इसे बढ़ाता है, और यह प्रदर्शित किया गया है कि ये विचलन सुपरमैसिव ब्लैक होल और ग्रेविटेशनल वेव प्रोजेनिटर्स में अवलोकन योग्य हो सकते हैं।
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ब्रह्मांड के इस विशाल, शांत रंगमंच में, गुरुत्वाकर्षण एक परम निर्देशक की तरह कार्य करता है, जो पदार्थ को अस्तित्व की सबसे चरम वस्तुओं—ब्लैक होल (कृष्ण विवर)—के चारों ओर घने, घूमते हुए कक्षीय पथों में खींचता है। दशकों से, वैज्ञानिक ब्लैक होल में गैस कैसे गिरती है, इसका वर्णन करने के लिए एक मानक मॉडल पर भरोसा करते रहे हैं। यह मॉडल, जिसे मिशेल समाधान (Michel solution) के रूप में जाना जाता है, ब्लैक होल को शुद्ध द्रव्यमान के एक साधारण, गैर-घूर्णन वाले गोले के रूप में मानता है, जो अंतरिक्ष में एक आदर्श, बिना किसी विशेषता वाले संगमरमर की तरह है। यह मान लेता है कि गैस सुचारू रूप से और निरंतर अंदर की ओर बहती है, और जैसे-जैसे वह 'नो रिटर्न' पॉइंट (वापसी न होने वाले बिंदु) के करीब पहुँचती है, यह गर्म और तेज़ होती जाती है। यह चित्रण अविश्वसनीय रूप से उपयोगी रहा है, जो ब्लैक होल के भोजन करने और बढ़ने की समझ के लिए एक आधार के रूप में कार्य करता है। हालाँकि, हमारा ब्रह्मांड एक साधारण संगमरमर की तुलना में अधिक जटिल होने की संभावना है। गुरुत्वाकर्षण के सिद्धांत सुझाव देते हैं कि ब्लैक होल में विद्युत आवेश हो सकते हैं, वे अदृश्य क्षेत्रों से घिरे हो सकते हैं, या वे एक ऐसे ब्रह्मांड में मौजूद हो सकते हैं जहाँ डार्क एनर्जी (डार्क ऊर्जा) द्वारा अंतरिक्ष के ताने-बाने को खींचा गया हो। यदि ये अतिरिक्त विशेषताएँ मौजूद हैं, तो वे ब्लैक होल में गिरने वाली गैस के व्यवहार को बदल देंगी, जिससे अभिवृद्धि प्रवाह (accretion flow) का तापमान, गति और चमक बदल जाएगी।
नेशनल ऑटोनॉमस यूनिवर्सिटी ऑफ मैक्सिको के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस बात पर व्यवस्थित रूप से गौर किया है कि ये वैकल्पिक विचार ब्लैक होल के भोजन करने की कहानी को कैसे बदलते हैं। उन्होंने किसी एक ब्लैक होल का अवलोकन नहीं किया; इसके बजाय, उन्होंने तेरह अलग-अलग प्रकार के गैर-घूर्णन वाले ब्लैक होल का परीक्षण करने के लिए एक परिष्कृत कंप्यूटर सिमुलेशन बनाया। उन्होंने मानक, सरल मॉडल से शुरुआत की और फिर उसमें जटिलता की परतें जोड़ीं: विद्युत और चुंबकीय आवेश वाले ब्लैक होल, 'हेयर' (बाल) वाले ब्लैक होल जो स्केलर क्षेत्रों से बने हैं, वे पिंड जो अपने केंद्र में सामान्यतः होने वाले विनाशकारी सिंगुलैरिटी (विलक्षणता) से बचते हैं, और डार्क एनर्जी या संशोधित गुरुत्वाकर्षण नियमों से भरे ब्रह्मांडों में रहने वाले ब्लैक होल। इन तेरह विभिन्न परिदृश्यों के माध्यम से अपने समीकरणों को चलाकर, उन्होंने यह मानचित्रित किया कि गैस का घनत्व, तापमान और गति मानक मॉडल से कितनी भिन्न होगी। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या ये सैद्धांतिक विविधताएं ब्लैक होल के भोजन करने के तरीके पर कोई पता लगाने योग्य छाप छोड़ती हैं, जो खगोलविदों को एक साधारण ब्लैक होल और अधिक विलक्षण प्रकृति वाले ब्लैक होल के बीच अंतर करने में मदद कर सके।
परिणामों से पता चलता है कि स्पेसटाइम (देश-काल) का आकार ब्लैक होल अपने परिवेश का उपभोग कैसे करता है, इस पर गहरा प्रभाव डालता है। अधिकांश परिदृश्यों में, गैस बिल्कुल उसी तरह व्यवहार करती है जैसा कि मानक मॉडल में होता है, जिसमें तापमान और गति में केवल छोटे बदलाव देखे जाते हैं। हालाँकि, कुछ विशिष्ट मामलों में, अंतर नाटकीय था। जब शोधकर्ताओं ने कॉस्मोलॉजिकल कॉन्स्टेंट (ब्रह्मांडीय स्थिरांक) या डार्क एनर्जी से प्रभावित ब्लैक होल का मॉडल तैयार किया, तो गैस का प्रवाह काफी धीमा हो गया। इन वातावरणों में, गैस बड़े अंतराल पर प्रभावी रूप से जम गई, और अंदर गिरने के लिए संघर्ष करने लगी, जिससे ब्लैक होल के द्रव्यमान प्राप्त करने की दर में भारी कमी आई। इसके विपरीत, उन मॉडलों में जिनमें 'रेगुलर' (नियमित) ब्लैक होल शामिल थे जो सिंगुलैरिटी से बचते हैं या कुछ विशिष्ट संशोधित गुरुत्वाकर्षण वाले मॉडल, उनमें अभिवृद्धि प्रवाह (accretion flow) बढ़ गया, जिससे ब्लैक होल मानक मॉडल की तुलना में अधिक कुशलता से गैस का उपभोग करने में सक्षम हुआ। शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि कणों के आपस में टकराने से उत्पन्न होने वाली गैस की चमक, जो उनके गर्म होने के कारण होती है, व्यापक रूप से भिन्न थी। कुछ मॉडलों ने बहुत कम चमक पैदा की, जबकि अन्य, विशेष रूप से डार्क एनर्जी से जुड़े मॉडल, काफी अधिक चमकीले हो सकते थे।
अपने निष्कर्षों को वास्तविक दुनिया के खगोल विज्ञान के लिए उपयोगी बनाने के लिए, टीम ने अपने जटिल सिमुलेशन को सरल गणितीय विधियों (रेसिपी) में अनुवादित किया। ये सूत्र खगोलविदों को यह अनुमान लगाने की अनुमति देते हैं कि एक ब्लैक होल कितना द्रव्यमान प्राप्त कर रहा है या वह कितना चमकीला दिखना चाहिए, केवल यह जानकर कि उसके चारों ओर किस प्रकार की स्पेसटाइम ज्यामिति मौजूद है। उन्होंने इन उपकरणों को दो प्रमुख खगोलीय पहेलियों पर लागू किया। सबसे पहले, उन्होंने हमारी आकाशगंगा के केंद्र में स्थित सैजिटेरियस ए* (Sagittarius A*) और गैलेक्सी M87 जैसे सुपरमैसिव ब्लैक होल को देखा। उन्होंने पाया कि जबकि अधिकांश मॉडल मानक अपेक्षा के करीब अभिवृद्धि दर की भविष्यवाणी करते हैं, डार्क एनर्जी और कॉस्मोलॉजिकल कॉन्स्टेंट वाले मॉडल ऐसी दरएं बताते हैं जो दो क्रम (orders of magnitude) तक भिन्न हो सकती हैं। वर्तमान दूरबीनों की सटीकता को देखते हुए, इतने बड़े अंतर को संभावित रूप से पहचाना जा सकता है, जो यह परीक्षण करने का एक तरीका प्रदान करता है कि क्या हमारे ब्रह्मांड का विस्तार इन विशाल पिंडों को प्रभावित कर रहा है।
दूसरा अनुप्रयोग हाल ही में हुई एक गुरुत्वाकर्षण तरंग घटना, GW190521 से संबंधित था, जो मध्यम श्रेणी के द्रव्यमान वाले दो ब्लैक होल के टकराव के कारण हुई थी। टक्कर के क्षण से पीछे की ओर काम करते हुए, शोधकर्ताओं ने गणना की कि अरबों साल पहले जब वे पहली बार बने थे, तब उन दोनों ब्लैक होल का द्रव्यमान क्या रहा होगा। उनके सिमुलेशन ने दिखाया कि स्पेसटाइम की अनुमानित ज्यामिति उनके इतिहास को पूरी तरह बदल देती है। यदि ब्लैक होल एक मानक ब्रह्मांड में मौजूद थे, तो वे संभवतः अपेक्षाकृत छोटे स्टेलर अवशेष (stellar remnants) के रूप में शुरू हुए थे। हालाँकि, यदि उनके आसपास का स्पेसटाइम डार्क एनर्जी या विशिष्ट संशोधित गुरुत्वाकर्षण सिद्धांतों से प्रभावित था, तो समान अंतिम द्रव्यमान तक या तो बहुत छोटे बीजों से पहुँचा जा सकता था, या इसके विपरीत, बहुत बड़े बीजों से। कुछ परिदृश्यों में, उनके पूर्वज (progenitors) प्रारंभिक ब्रह्मांड में बने प्राइमोर्डियल (आद्य) ब्लैक होल हो सकते थे, जबकि अन्य में, उन्हें पहले से सोचे गए द्रव्यमान से कहीं अधिक विशाल होना पड़ता।
यह कार्य प्रदर्शित करता है कि स्थान की ज्यामिति केवल एक निष्क्रिय मंच नहीं है, बल्कि ब्लैक होल के जीवन में एक सक्रिय भागीदार भी है। जबकि गैस का स्थानीय व्यवहार विभिन्न मॉडलों में समान लग सकता है, लाखों वर्षों का संचयी प्रभाव इस बात पर बहुत अलग परिणाम दे सकता है कि ब्लैक होल कितनी तेजी से बढ़ता है और कितनी चमक बिखेरता है। अध्ययन सुझाव देता है कि सुपरमैसिव ब्लैक होल की अभिवृद्धि दरों को सावधानीपूर्वक मापकर या ब्लैक होल के विलय के इतिहास का पुनर्निर्माण करके, खगोलशास्त्री जल्द ही गुरुत्वाकर्षण की मौलिक प्रकृति की जांच करने में सक्षम हो सकते हैं। एक साधारण ब्लैक होल का मानक मॉडल एक शक्तिशाली उपकरण बना हुआ है, लेकिन ये निष्कर्ष एक अधिक सूक्ष्म समझ के द्वार खोलते हैं, जहाँ डार्क एनर्जी और विलक्षण क्षेत्रों के अदृश्य धागे ब्रह्मांड के सबसे विशाल पिंडों के अस्तित्व के इतिहास में लिखे जा सकते हैं।
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