Optical Signatures of Black Holes Surrounded by a Generalized Cloud of Strings
यह शोध पत्र लेटेलियर-अलेन्कारर (Letelier–Alencar) स्पेसटाइम में स्ट्रिंग्स के एक सामान्यीकृत बादल से घिरे ब्लैक होल के ऑप्टिकल हस्ताक्षरों की जांच करता है, जो यह प्रदर्शित करता है कि गैर-एसिम्प्टोटिकली फ्लैट ज्यामिति फोटॉन स्फीयर गुणों, प्रकाश विक्षेपण और अभिवृद्धि डिस्क इमेजिंग को इस तरह से विशिष्ट रूप से परिवर्तित करती है जिसे श्वाज़चाइल्ड समाधान के एक सरल रीस्केलिंग में नहीं बदला जा सकता है, जिससे Sgr A* और M87* के अवलोकनों का उपयोग करके मॉडल मापदंडों पर विशिष्ट प्रतिबंध लगाना संभव हो जाता है।
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ब्लैक होल ब्रह्मांड की सबसे चरम प्रयोगशालाएं हैं, ऐसे क्षेत्र जहाँ गुरुत्वाकर्षण इतना तीव्र होता है कि एक निश्चित सीमा को पार करने के बाद प्रकाश भी वहां से बच नहीं सकता। दशकों से, वैज्ञानिक आइंस्टीन के सामान्य सापेक्षता (जनरल रिलेटिविटी) के नियमों का उपयोग करके इन पिंडों का अध्ययन करते रहे हैं, जो गुरुत्वाकर्षण को केवल एक बल के रूप में नहीं, बल्कि द्रव्यमान के कारण अंतरिक्ष और समय के घुमाव (कर्वेचर) के रूप में वर्णित करता है। इस सिद्धांत के सबसे सरल संस्करण में, एक ब्लैक होल शुद्ध गुरुत्वाकर्षण का एक अकेला गोला है, जो खाली स्थान से घिरा हुआ है जो यात्रा करने पर कितनी भी दूर क्यों न चले, एक जैसा ही दिखता है। हालाँकि, वास्तविक ब्रह्मांड शायद ही कभी इतना सरल होता है। ब्लैक होल अक्सर भीड़भाड़ वाले वातावरण में पाए जाते हैं, जो घूमती हुई गैस, डार्क मैटर, या अन्य प्रकार की विलक्षण सामग्री से घिरे होते हैं जो उनके आसपास के स्थान के आकार को बदल सकते हैं। प्रकाश के व्यवहार को उनके परिवेश कैसे बदलता है, इसे समझना महत्वपूर्ण है क्योंकि यह खगोलविदों को यह परीक्षण करने की अनुमति देता है कि क्या हमारे वर्तमान गुरुत्वाकर्षण सिद्धांत सबसे चरम स्थितियों में भी टिके रहते हैं, या क्या नई भौतिकी छायाओं में छिपी हुई है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में एक विशिष्ट, सैद्धांतिक परिदृश्य की खोज की है जहाँ एक ब्लैक होल "तारों के बादल" (क्लाउड ऑफ स्ट्रिंग्स) में लिपटा हुआ है। इस मॉडल में, ब्लैक होल के आसपास का स्थान खाली नहीं है, बल्कि एक-आयामी वस्तुओं के एक विशाल नेटवर्क से भरा है, जो ब्रह्मांडीय धागों के समान हैं जो शून्य में फैले हुए हैं। ये तार ऊर्जा और तनाव वहन करते हैं, जो अंतरिक्ष और समय की ज्यामिति को सूक्ष्म रूप से नया आकार देते हैं। मार्कोस वी. डी. एस. सिल्वा और सहयोगियों के नेतृत्व में शोधकर्ताओं ने ठीक से गणना करने का प्रयास किया कि यह स्ट्रिंग क्लाउड ब्लैक होल के पास प्रकाश के व्यवहार को कैसे बदलेगा। वे विशेष रूप से इस बात में रुचि रखते थे कि प्रकाश कैसे मुड़ेगा, इसे यात्रा करने में कितना समय लगेगा, और एक दूरस्थ पर्यवेक्षक के लिए ब्लैक होल कैसा दिखेगा, और उन्होंने अपने सैद्धांतिक अनुमानों की तुलना दो प्रसिद्ध ब्लैक होल की वास्तविक छवियों के साथ की, जो इवेंट होराइजन टेलीस्कोप द्वारा ली गई थीं: एक हमारी आकाशगंगा के केंद्र में स्थित, जिसे Sgr A* के रूप में जाना जाता है, और M87 गैलेक्सी में स्थित विशाल ब्लैक होल।
टीम ने उन पथों का मानचित्रण करना शुरू किया जिनसे प्रकाश की किरणें ब्लैक होल के करीब पहुँचते समय अपना मार्ग लेती हैं। एक मानक ब्लैक होल में, प्रकाश एक विशिष्ट, अस्थिर वृत्त में घूम सकता है जिसे फोटॉन स्फीयर कहा जाता है, इससे पहले कि वह या तो अंदर गिर जाए या बाहर निकल जाए। शोधकर्ताओं ने पाया कि स्ट्रिंग क्लाउड की उपस्थिति इस कक्षा (ऑर्बिट) के आकार को बदल देती है, लेकिन इसका प्रभाव सीधा नहीं है। स्ट्रिंग्स के विशिष्ट गुणों के आधार पर, कक्षा या तो और बाहर जा सकती है या और करीब आ सकती है। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने पाया कि इस ब्लैक होल के आसपास का स्थान दूर जाने पर खाली स्थान में समतल नहीं होता है; इसके बजाय, यह एक स्थायी, शंकु के आकार (कोन-लाइक शेप) को बनाए रखता है। इसका मतलब है कि एक ब्लैक होल द्वारा डाली गई काली छाया का आकार केवल उसके फोटॉन स्स्फीयर के आकार से निर्धारित नहीं होता, बल्कि इस दूरस्थ, विकृत ज्यामिति से भी होता है। अपने द्वारा गणना किए गए छाया के आकार की तुलना इवेंट होराइजन टेलीस्कोप से प्राप्त वास्तविक मापों के साथ करके, टीम ने इस बात पर सख्त सीमाएं लगाने में सफलता प्राप्त की कि स्ट्रिंग क्लाउड का प्रभाव कितना मजबूत हो सकता है। उन्होंने पाया कि हालांकि क्लाउड मौजूद हो सकता है, लेकिन इसकी शक्ति इस तथ्य से सीमित है कि Sgr A* और M87* की देखी गई छायाएं मानक ब्लैक होल के अनुमानों के काफी करीब हैं।
छाया के आकार के अलावा, शोधकर्ताओं ने इस बात की जांच की कि प्रकाश ब्लैक होल के पास से गुजरते समय कैसे मुड़ता है, जिसे गुरुत्वाकर्षण लेंसिंग (ग्रेविटेशनल लेंसिंग) नामक घटना कहा जाता है। उन्होंने इस मोड़ के कोण की गणना करने के लिए दो अलग-अलग गणितीय दृष्टिकोणों का उपयोग किया और पाया कि वे पूरी तरह से सहमत हैं। उनके परिणामों ने दिखाया कि प्रकाश का कुल झुकाव दो स्रोतों से आता है: ब्लैक होल का स्थानीय गुरुत्वाकर्षण और एक वैश्विक प्रभाव जो अनंत तक फैली हुई स्ट्रिंग क्लाउड के कारण होता है। यह वैश्विक प्रभाव प्रकाश के यात्रा करने के तरीके में एक अनूका हस्ताक्षर जोड़ता है, जो एक मानक ब्लैक होल द्वारा उत्पन्न झुकाव से भिन्न है। उन्होंने यह भी गणना की कि ब्लैक होल के पास से गुजरने में प्रकाश को कितना समय लगता है, जिसे शापीर टाइम डिले (शapiro time delay) कहा जाता है। उन्होंने पाया कि स्ट्रिंग क्लाउड एक ऐसा विलंब पैदा करता है जो प्रकाश के यात्रा करने की दूरी बढ़ने के साथ बढ़ता जाता है, एक ऐसी विशेषता जो मानक ब्लैक होल मॉडल में दिखाई नहीं देती है। यह सुझाव देता है कि यदि खगोलविद अत्यधिक सटीकता के साथ प्रकाश के यात्रा समय को माप सकें, तो वे इस तरह के स्ट्रिंग क्लाउड की उपस्थिति का पता लगा सकते हैं, विशेष रूप से सुपरमैसिव ब्लैक होल के आसपास जहाँ प्रभाव सबसे अधिक स्पष्ट होगा।
अंत में, टीम ने सिम्युलेट किया कि यदि एक ब्लैक होल इस स्ट्रिंग क्लाउड के साथ चमकती गैस की एक पतली डिस्क से घिरा हो, तो वह वास्तव में कैसा दिखेगा। उन्होंने एक आभासी कैमरे से प्रकाश किरणों के पथ को पीछे की ओर ट्रैक किया ताकि यह देखा जा सके कि स्क्रीन पर छवि कैसे बनती है। परिणाम आश्चर्यजनक थे: स्ट्रिंग का बादल ब्लैक होल को केवल एक समान तरीके से बड़ा या छोटा नहीं बनाता है। इसके बजाय, यह छवि को एक जटिल, असमान तरीके से विकृत करता है। कुछ विन्यासों में, केंद्र में काली छाया सिकुड़ सकती है, फिर भी इसके चारों ओर प्रकाश का चमकीला घेरा बाहर की ओर बढ़ता हुआ दिखाई दे सकता है। यह विरोधाभासी व्यवहार इसलिए होता है क्योंकि छाया उन विशिष्ट कक्षाओं द्वारा निर्धारित होती है जहाँ प्रकाश फंस जाता है, जबकि चमकीला घेरा उस प्रकाश से बनता है जिसने ब्लैक होल के चारों ओर एक लंबा, अधिक जटिल पथ तय किया है। ये दोनों विशेषताएं स्ट्रिंग्स की उपस्थिति के प्रति अलग-अलग प्रतिक्रिया देती हैं, जिसका अर्थ है कि छाया के आकार के एकल माप से वातावरण को पूरी तरह से समझना पर्याप्त नहीं है। अध्ययन इस निष्कर्ष पर पहुँचता है कि इन ब्लैक होल की प्रकृति को वास्तव में समझने के लिए, खगोलविदों को एक साथ कई ऑप्टिकल संकेतों को देखना चाहिए, क्योंकि स्ट्रिंग क्लाउड ब्रह्मांड के माध्यम से प्रकाश के यात्रा करने के तरीके पर एक अद्वितीय, गैर-समान छाप छोड़ता है।
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