Twins in the Shadow: Phase Transitions in Proto-Neutron Stars

एक मरते हुए विशाल तारे के हृदय में, एक अंतिम, हिंसक परिवर्तन होता है। जब ऐसा तारा अपने परमाणु ईंधन को समाप्त कर देता है, तो इसका कोर अपने स्वयं के भार के नीचे ढह जाता है, जिससे पदार्थ ऐसी घनत्वों तक दब जाता है जो पृथ्वी पर पाए जाने वाले किसी भी घनत्व से कहीं अधिक है। इस चरम वातावरण में, परमाणुओं के परिचित निर्माण खंड—प्रोटॉन और न्यूट्रॉन—इतने कसकर भींचे जाते हैं कि वे अपने घटक भागों, जिन्हें क्वार्क कहा जाता है, के एक सूप में घुल सकते हैं। साधारण परमाणु पदार्थ से मुक्त-तैरते क्वार्कों की स्थिति में इस संभावित बदलाव को एक चरण संक्रमण (phase transition) कहा जाता है, जो बर्फ के पानी में पिघलने के समान है, लेकिन यह ऐसे दबावों और तापमानों के तहत होता है जो रोजमर्रा के अनुभव को चुनौती देते हैं। इन ढहे हुए कोर के अवशेष न्यूट्रॉन तारे हैं, जो ब्रह्मांड की सबसे घनी वस्तुएं हैं। दशकों से, खगोलशास्त्री यह सोच रहे हैं कि क्या ये मृत तारे क्वार्क पदार्थ के एक छिपे हुए कोर को धारण कर सकते हैं, और यदि ऐसा है, तो क्या यह आंतरिक परिवर्तन तारे के आकार और द्रव्यमान पर एक दृश्य संकेत छोड़ेगा।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस पर बारीकी से नज़र रखी है कि ये नवजात न्यूट्रॉन तारे, जिन्हें प्रोटो-न्यूट्रॉन तारे कहा जाता है, ठंडे होने के दौरान कैसे विकसित होते हैं, विशेष रूप से यह परीक्षण करने के लिए कि क्या क्वार्क पदार्थ में चरण संक्रमण एक विचित्र घटना पैदा कर सकता है जिसे "ट्विन स्टार्स" (जुड़वां तारे) कहा जाता है। जुड़वां तारों का विचार खगोल भौतिकी में एक लुभावना पहलू है: दो तारे जिनका वजन बिल्कुल एक समान है लेकिन आकार अलग-अलग है। एक मानक न्यूट्रॉन तारा होगा जो पूरी तरह से परमाणु पदार्थ से बना है, जबकि उसका जुड़वां एक "हाइब्रिड" (संकर) तारा होगा जिसमें क्वार्क पदार्थ का एक कोर शामिल है। ऐसे जोड़े को खगोल भौतिकी में एक निर्णायक प्रमाण माना जाएगा कि पदार्थ एक तारे के भीतर इस नाटकीय चरण संक्रमण से गुजर सकता है। हालांकि, नया अध्ययन बताता है कि हालांकि भौतिकी सैद्धांतिक रूप से इन जुड़वां तारों के अस्तित्व की अनुमति देती है, लेकिन एक तारे के ठंडे होने की वास्तविक प्रक्रिया इसे देखने के लिए लगभग असंभव बना देती है।

इसकी जांच करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक विस्तृत कंप्यूटर मॉडल बनाया कि कैसे एक प्रोटो-न्यूट्रॉन तारा समय के साथ विकसित होता है। जब एक विशाल तारा ढहता है, तो परिणामी प्रोटो-न्यूट्रॉन तारा अविश्वसनीय रूप से गर्म होता है और न्यूट्रिनो नामक फंसे हुए कणों से भरा होता है। दशकों के क्रम में, यह तारा ठंडा होता है और उन न्यूट्रिनो को खो देता है, अंततः एक स्थिर, ठंडे न्यूट्रॉन तारे के रूप में स्थापित हो जाता है। टीम ने इस शीतलन प्रक्रिया का अनुकरण करने के लिए तारे के द्रव्यमान और आकार को ट्रैक किया क्योंकि वह एक गर्म, अराजक अवस्था से एक ठंडी, शांत अवस्था की ओर बढ़ता है। उन्होंने पदार्थ के व्यवहार का वर्णन करने के लिए एक लचीले गणितीय ढांचे का उपयोग किया, विभिन्न परिदृश्यों का परीक्षण किया जहां विभिन्न घनत्वों पर चरण संक्रमण हो सकता है। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या एक तारा स्वाभाविक रूप से एक सामान्य अवस्था से क्वार्क कोर वाले हाइब्रिड अवस्था में विकसित हो सकता है, और क्या वह हाइब्रिड तारा एक सामान्य तारे के समान द्रव्यमान के साथ अंत कर सकता है लेकिन एक अलग त्रिज्या (radius) के साथ।

सिमुलेशन ने एक जटिल और कुछ हद तक विरोधाभासी कहानी का खुलासा किया कि ये तारे कैसे व्यवहार करते हैं। जैसे-जैसे एक प्रोटो-न्यूट्रॉन तारा ठंडा होता है, इसका आंतरिक दबाव और घनत्व ऐसे तरीकों से बदलता है जो इस बात पर निर्भर करते हैं कि क्या कोई चरण संक्रमण हो रहा है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यदि चरण संक्रमण होता है, तो शुद्ध परमाणु पदार्थ से बने तारे द्वारा समर्थित अधिकतम द्रव्यमान वास्तव में तारा ठंडा होने के साथ घट जाता है। यह स्थिरता में एक खतरनाक अंतर पैदा करता है। एक तारा जो अपने जीवन की शुरुआत एक भारी, सामान्य न्यूट्रॉन तारे के रूप में करता है, वह खुद को यह पा सकता है कि जैसे-जैसे वह ठंडा होता है, वह अब उस सामान्य अवस्था में अस्तित्व में नहीं रह सकता। इसके बाद उसे क्वार्क कोर वाले हाइब्रिड तारे के रूप में एक नए, स्थिर अवस्था तक पहुँचने के लिए और अधिक ढहने के लिए मजबूर होना पड़ेगा।

हालांकि, अध्ययन ने एक महत्वपूर्ण बाधा को उजागर किया जो इन मायावी जुड़वां तारों के निर्माण को रोकता है। एक हाइब्रिड तारे के लिए वास्तविक "ट्विन" होने के लिए, उन्हें पदार्थ की समान कुल मात्रा, जिसे बेरियोनिक द्रव्यमान कहा जाता है, साझा करनी चाहिए। शोधकर्ताओं ने पाया कि यदि एक सामान्य तारे और एक हाइब्रिड तारे में पदार्थ की समान मात्रा है, तो वे जुड़वां बनने के लिए आवश्यक तरीके से एक ही समय में स्थिर नहीं हो सकते हैं। विशेष रूप से, यदि एक सामान्य तारा स्थिर है, तो तारे के विकास को नियंत्रित करने वाले भौतिकी के नियम उसे हाइब्रिड तारे के रूप में ढहने से रोकते हैं, भले ही हाइब्रिड अवस्था ऊर्जात्मक रूप से अनुकूल क्यों न हो। तारा या तो वापस उछल जाता है या अपनी सामान्य अवस्था में ही रहता है। इसके विपरीत, यदि कोई तारा पहले से ही हाइब्रिड है, तो वह संभवतः विस्फोट के दौरान ही उस रूप में बना था, न कि एक सामान्य अवस्था से विकसित होकर।

यह एक आश्चर्यजनक निष्कर्ष की ओर ले जाता है जिसे लेखक "ट्विन्स इन द शैडो" (परछाई में जुड़वां) कहते हैं। सभी संभावित न्यूट्रॉन तारों के सैद्धांतिक मानचित्र में, एक ऐसा क्षेत्र है जहाँ हाइब्रिड तारे मौजूद हैं जिनका द्रव्यमान सामान्य तारों के समान है लेकिन वे छोटे हैं। ये संभावित जुड़वां हैं। लेकिन शोधकर्ताओं के सिमुलेशन दिखाते हैं कि एक ठंडे होते तारे का विकासवादी पथ वास्तव में इन विशिष्ट हाइब्रिड विन्यासों तक कभी नहीं पहुँचता है। वे हाइब्रिड तारे जो सामान्य तारों के जुड़वां होंगे, प्रभावी रूप से सामान्य तारों द्वारा डाली गई एक छाया या "परछाई" में छिपे हुए हैं। शीतलन प्रक्रिया तारे को एक अलग हाइब्रिड समाधान की ओर निर्देशित करती है, जिसका कोई जुड़वां नहीं होता, या यह तारे को पूरी तरह से सामान्य अवस्था में रखती है। एक हाइब्रिड तारे के जुड़वां के रूप में अस्तित्व में होने का एकमात्र तरीका यह है कि उसने अपना जीवन एक हाइब्रिड के रूप में शुरू किया हो, जो वर्तमान मॉडल के अनुसार तारे के पतन के दौरान असंभावित है।

अध्ययन ने यह भी पता लगाया कि तारे की प्रारंभिक स्थितियां इन परिणामों को कैसे प्रभावित करती हैं। यदि एक प्रोटो-न्यूट्रॉन तारा बहुत अधिक गर्मी और अव्यवस्था के साथ पैदा होता है, तो इन जुड़वां तारों के निर्माण की खिड़की और भी सिकुड़ जाती है। शोधकर्ताओं ने चरण संक्रमण कैसे हो सकता है, इसके विभिन्न दबावों और ऊर्जा जंपों सहित कई संभावनाओं का परीक्षण किया। लगभग हर उस परिदृश्य में जहाँ उच्च घनत्व पर संक्रमण होता है, "जुड़वां" हाइब्रिड तारे प्राकृतिक शीतलन प्रक्रिया के लिए अप्राप्य रहते हैं। हाइब्रिड तारों का अपूर्ण क्षेत्र सामान्य, शुद्ध परमाणु तारों द्वारा डाली गई छाया के रूप में दिखाई देता है।

अंततः, यह कार्य इस बात को खारिज नहीं करता है कि न्यूट्रॉन तारों के भीतर क्वार्क पदार्थ का अस्तित्व है, न ही यह सिद्ध करता है कि चरण संक्रमण कभी नहीं होते हैं। इसके बजाय, यह इस बात पर एक सख्त सीमा लगाता है कि हम उन्हें कैसे पहचान सकते हैं। जुड़वां तारों का "स्मोकिंग गन" सिग्नल—समान द्रव्यमान लेकिन अलग आकार के दो तारे—ब्रह्मांड के एक स्थिर दृष्टिकोण द्वारा बनाई गई एक मृगतृष्णा है। जब एक तारे के ठंडे होने की गतिशील प्रक्रिया को ध्यान में रखा जाता है, तो एक ऐसा जोड़ा बनाने का मार्ग अवरुद्ध हो जाता है। निष्कर्ष बताते हैं कि यदि हम कभी क्वार्क कोर वाला न्यूट्रॉन तारा देखते हैं, तो वह संभवतः एक सामान्य तारे का जुड़वां नहीं होगा, बल्कि एक अद्वितीय वस्तु होगी जिसने अलग तरह से जन्म लिया या एक ऐसे पथ पर विकसित हुई जो एक मिलान वाला साथी उत्पन्न नहीं करता है। इसलिए, क्वार्क पदार्थ के संकेत की खोज अन्य सुरागों को ढूंढनी चाहिए, क्योंकि सबसे स्पष्ट संकेतक हमेशा के लिए पहुंच से बाहर, हमारे ज्ञात तारों की छाया में छिपा रह सकता है।