Electromagnetic quasinormal modes of a Schwarzschild black hole in a superconducting plasma
यह शोध पत्र एक सुपरकंडक्टिंग प्लाज्मा में डूबे हुए श्वार्ज़चाइल्ड ब्लैक होल के चारों ओर विद्युत चुम्बकीय विक्षोभों के क्वैसिनॉर्मल मोड्स (quasinormal modes) को व्युत्पन्न करने के लिए वक्रित स्पेसटाइम में लंदन इलेक्ट्रोडायनामिक्स के एक कोवेरिएंट विस्तार को प्रतिपादित करता है, जो यह प्रकट करता है कि कैसे परिणामी प्रभावी फोटॉन द्रव्यमान दोलन आवृत्तियों और डैम्पिंग दरों को परिवर्तित करता है तथा दीर्घकालिक क्वासीबाउंड अवस्थाओं (quasibound states) को सक्षम बनाता है।
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ब्लैक होल की अक्सर कल्पना अंतरिक्ष में एक पूर्ण, खाली शून्य के रूप में की जाती है, लेकिन वास्तविक ब्रह्मांड में, वे शायद ही कभी अकेले होते हैं। वे अक्सर गैस और आवेशित कणों के घूमते हुए बादलों से घिरे होते हैं जिन्हें प्लाज्मा कहा जाता है। जब एक ब्लैक होल विचलित होता है—शायद किसी तारे को निगलने या दूसरे ब्लैक होल से टकराने के कारण—तो वह केवल शांत नहीं होता; वह एक प्रहार किए गए घंटे की तरह गूंजता है। ये कंपन, जिन्हें 'क्वासीनॉर्मल मोड्स' (quasinormal modes) कहा जाता है, वे विशिष्ट स्वर हैं जिन पर ब्लैक होल तब तक दोलन करता है जब तक कि वह फीका न पड़ जाए। इन स्वरों को सुनकर, वैज्ञानिक ब्लैक होल के द्रव्यमान और स्पिन के बारे में जान सकते हैं, और यहाँ तक कि गुरुत्वाकर्षण के मौलिक नियमों का परीक्षण भी कर सकते हैं। हालाँकि, अधिकांश सिद्धांत यह मान लेते हैं कि ब्लैक होल के आसपास का स्थान खाली है। यह नया शोध इस पर सवाल उठाता है कि क्या होगा यदि वह स्थान खाली नहीं है, बल्कि एक बहुत ही विशेष प्रकार के प्लाज्मा से भरा है: एक सुपरकंडक्टर (अतिचालक)।
सुपरकंडक्टर्स ऐसे पदार्थ हैं जो शून्य प्रतिरोध के साथ बिजली का संचालन करते हैं, और उनमें एक अनूठी विशेषता होती है जहाँ वे चुंबकीय क्षेत्रों को बाहर निकाल देते हैं। कण भौतिकी की दुनिया में, यह व्यवहार इस बात के समान है कि कैसे कण द्रव्यमान प्राप्त करते हैं, एक ऐसी अवधारणा जो यह समझाने में मदद करती है कि कुछ कण भारी क्यों होते हैं जबकि अन्य हल्के होते हैं। इस अध्ययन के शोधकर्ता यह समझना चाहते थे कि यह "सुपरकंडक्टिंग" व्यवहार ब्लैक होल के गूंजने के तरीके को कैसे बदल देगा। उन्होंने एक नया गणितीय ढांचा बनाया है जो यह वर्णन करता है कि ब्लैक होल के चारों ओर घूमते हुए सुपरकंडक्टिंग प्लाज्मा के माध्यम से प्रकाश तरंगें कैसे यात्रा करती हैं। प्रकाश को एक द्रव्यमानहीन तरंग के रूप में मानने के बजाय जो स्वतंत्र रूप से चल सकती है, उनके समीकरणों ने दिखाया कि इस विशेष प्लाज्मा के भीतर, प्रकाश ऐसा व्यवहार करता है जैसे उसने वजन या द्रव्यमान प्राप्त कर लिया हो। इस बढ़े हुए द्रव्यमान से तरंगों की गति और ब्लैक होल का कंपन मौलिक रूप से बदल जाता है।
टीम ने एक गैर-घूमने वाले ब्लैक होल पर ध्यान केंद्रित किया, जिसे श्वार्ज़चाइल्ड (Schwarzschild) ब्लैक होल के रूप में जाना जाता है, और दो अलग-अलग तरीकों से कंपनों का विश्लेषण किया। एक प्रकार के कंपन में तरंगें ब्लैक होल के चारों ओर घूमती हैं, जबकि दूसरा प्रकार उन तरंगों से संबंधित है जो अधिक जटिल, युग्मित (coupled) गति में आगे-पीछे होती हैं। घूमती हुई तरंगों के लिए, शोधकर्ताओं ने पाया कि सुपरकंडक्टिंग प्लाज्मा की उपस्थिति एक नए प्रकार का अवरोध पैदा करती है जिससे तरंगों को पार करना पड़ता है। यह अवरोध ब्लैक होल की गूंज की पिच और ध्वनि के समाप्त होने की गति को बदल देता है। उन्होंने पाया कि प्लाज्मा के वितरण का विशिष्ट तरीका अत्यंत महत्वपूर्ण है। यदि प्लाज्मा समान रूप से फैला हुआ है, तो ब्लैक होल एक ऐसी अवस्था में जा सकता है जहाँ वह अविश्वसनीय रूप से लंबे समय तक कंपन करता रहता है, लगभग ऐसा जैसे ध्वनि एक लूप में फंस गई हो, इतनी धीरे क्षय होती है कि उसे मापना लगभग असंभव हो जाता है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि प्लाज्मा घनत्व कम नहीं होता है, जिससे एक निरंतर वातावरण बनता है जो ऊर्जा को थामे रखता है।
हालाँकि, आगे-पीछे होने वाले प्रकार के कंपन के लिए कहानी अधिक जटिल है। एक सामान्य निर्वात (vacuum) में, ये दो प्रकार के कंपन बिल्कुल एक जैसे सुनाई देंगे, जिसे 'आइसोस्पेक्ट्रैलिटी' (isospectrality) नामक गुण कहा जाता है। लेकिन सुपरकंडक्टिंग प्लाज्मा इस समरूपता को तोड़ देता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इन जटिल कंपनों के लिए समीकरणों को हल करना बहुत कठिन हो जाता है क्योंकि तरंगें प्लाज्मा के घनत्व परिवर्तनों के साथ मजबूती से जुड़ी होती हैं। कई मामलों में, गणितीय परिदृश्य इतना विकृत हो जाता है कि रिंग टोन खोजने की मानक विधियाँ विफल हो जाती हैं। कुछ प्लाज्मा वितरणों के लिए, ब्लैक होल के पास के वातावरण में ऐसे क्षेत्र विकसित हो जाते हैं जहाँ प्रभावी क्षमता (effective potential) नकारात्मक हो जाती है, जो एक गणितीय अस्थिरता का संकेत देती है। फलस्वरूप, शोधकर्ताओं ने इस अध्ययन में इन जटिल कंपनों के लिए विशिष्ट रिंग टोन निकालने से परहेज किया, और अपना ध्यान उन घूमती हुई तरंगों (twisting modes) पर केंद्रित किया जहाँ विश्लेषण सुदृढ़ रहता है।
टीम ने प्लाज्मा के वितरण के लिए कई अलग-अलग मॉडलों का परीक्षण किया, जिसमें एक समान बादल से लेकर एक जो तेजी से घटता है या एक पावर-लॉ (power law) का अनुसरण करता है, तक शामिल हैं। उन्होंने पाया कि "पावर-लॉ" वितरण, जहाँ घनत्व एक विशिष्ट गणितीय तरीके से घटता है, सबसे स्थिर था और एक मानक ब्लैक होल की तरह व्यवहार करता था, जिससे रिंग टोन की स्पष्ट गणना संभव हो सकी। इसके विपरीत, अन्य वितरण, जैसे कि वे जो बहुत तेजी से घटते हैं, ब्लैक होल की सतह के पास गणितीय समस्याएँ पैदा करते थे जिसने तरंगों को एक सरल पैटर्न में स्थिर होने से रोक दिया। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि जबकि घूमती हुई कंपनों को एक एकल, स्पष्ट समीकरण के साथ वर्णित किया जा सकता है, जटिल कंपनों को पूरी तरह से समझने के लिए एक नए दृष्टिकोण की आवश्यकता है।
अंततः, यह कार्य सघन पिंडों (compact objects) के आसपास के चरम वातावरण को समझने के लिए एक नया उपकरण प्रदान करता है। यह दिखाता है कि यदि कोई ब्लैक होल एक सुपरकंडक्टिंग माध्यम से घिरा हुआ है, तो जो संकेत हमें मिल सकते हैं वे निर्वात में हमारी अपेक्षाओं से बहुत भिन्न होंगे। ब्लैक होल का विशिष्ट "फिंगरप्रिंट" न केवल ब्लैक होल के बारे में, बल्कि उसके चारों ओर मौजूद पदार्थ की विलक्षण अवस्था के बारे में भी जानकारी लेकर चलेगा। हालाँकि शोधकर्ता सभी परिदृश्यों के लिए एक एकल, सरल उत्तर नहीं खोज पाए, वे सफलतापूर्वक उन स्थितियों का मानचित्रण करने में सफल रहे जिनमें ये कंपन बदल जाएंगे, जिससे यह पता चलता है कि ब्रह्मांड की सबसे चरम वस्तुएं पहले से सोची गई तुलना में कहीं अधिक जटिल और विविध हो सकती हैं। यह शोध सुपरकंडक्टर्स के भौतिकी और गुरुत्वाकर्षण के भौतिकी के बीच के अंतर को पाटता है, जो सबसे तीव्र गुरुत्वाकर्षण क्षेत्रों में प्रकाश और पदार्थ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, इस पर एक नया दृष्टिकोण प्रदान करता है।
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