Bouncing Dust Collapse and Black-to-White Hole Transition on the Brane
यह शोधपत्र प्रदर्शित करता है कि एक टाइमलाइक (timelike) अतिरिक्त आयाम वाले श्टानोव-साहनी (Shtanov–Sahni) ब्रानवर्ल्ड में, एक ढहता हुआ गोलाकार धूल का बादल विलक्षणता (singularity) बनाने के बजाय एक क्वांटम-गुरुत्वाकर्षण-प्रेरित उछाल (bounce) से गुजरता है, जो एक आवेशित वैडया (Vaidya) बाहरी ज्यामिति के माध्यम से एक दूसरे अनंत क्षेत्र (asymptotic region) में पुन: प्रकट होने वाले श्वेत छिद्र (white hole) में परिवर्तित हो जाता है।
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गुरुत्वाकर्षण, हमारे रोजमर्रा के अनुभव में, एक एक होकर खींचने वाला बल है। जब एक विशाल तारा अपने ईंधन को समाप्त कर देता है, तो वह अपने स्वयं के भार के नीचे ढह जाता है, और तब तक सिकुड़ता है जब तक कि वह इतना सघन न हो जाए कि प्रकाश भी उससे बच न सके, जिससे एक ब्लैक होल (कृष्ण विवर) बन जाता है। दशकों से, भौतिकी का प्रचलित दृष्टिकोण यह रहा है कि यह पतन तब तक जारी रहता है जब तक कि तारे को अनंत घनत्व के एक एकल बिंदु में कुचल न दिया जाए, जो एक सिंगुलैरिटी (विलक्षणता) है जहाँ भौतिकी के नियम टूट जाते हैं। यह परिणाम केवल एक सैद्धांतिक जिज्ञासा नहीं है; यह किसी भी पर्याप्त रूप से विशाल वस्तु के लिए अनुमानित अंत है जो ढहती है, जो कि सामान्य सापेक्षता के मौलिक समीकरणों से निकाला गया एक निष्कर्ष है। हालाँकि, कई भौतिकविद् संदेह करते हैं कि यह अनंत बिंदु इस बात का संकेत है कि हमारी वर्तमान समझ अपूर्ण है, और एक अधिक पूर्ण गुरुत्वाकर्षण सिद्धांत एक अलग भाग्य प्रकट कर सकता है, शायद एक ऐसा भाग्य जहाँ पतन रुक जाता है और उलट जाता है।
भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान कानपुर और इंटर-यूनिवर्सिटी सेंटर फॉर एस्ट्रोनॉमी एंड एस्ट्रोफिजिक्स के शोधकर्ताओं द्वारा किया गया एक नया अध्ययन ठीक इसी संभावना की जांच करता है। उन्होंने इस बात की जांच की कि यदि हमारा ब्रह्मांड केवल एक तीन-आयामी स्थान नहीं है, बल्कि एक उच्च-आयामी वास्तविकता में तैरती हुई एक झिल्ली (मेम्ब्रेन) है, तो धूल के एक ढहते हुए बादल के साथ क्या होता है। विशेष रूप से, उन्होंने एक ऐसे मॉडल की जांच की जहाँ यह अतिरिक्त आयाम ऊपर या नीचे जैसी एक स्थानिक दिशा नहीं है, बल्कि एक समय-समान (time-like) दिशा है। इस असामान्य सेटिंग में, गुरुत्वाकर्षण के नियम इस तरह बदल जाते हैं जो सिंगुलैरिटी के निर्माण को रोकता है। शून्य में कुचले जाने के बजाय, बादल वापस उछलता है, और अंतरिक्ष के एक नए क्षेत्र में फिर से फैलता है। यह कार्य सुझाव देता है कि ढहते हुए तारे का हिंसक अंत वास्तव में एक व्हाइट होल (श्वेत विवर) में संक्रमण हो सकता है, जो एक ऐसा ब्रह्मांडीय पिंड है जो पदार्थ को वापस बाहर की ओर उगल देता है, प्रभावी रूप से एक ब्लैक होल को अंदर से बाहर की ओर पलट देता है।
यह समझने के लिए कि यह कैसे होता है, सबसे पहले आपको 'ब्रानवर्ल्ड' (braneworld) की अवधारणा को समझना होगा। कल्पना करें कि हमारा संपूर्ण ब्रह्मांड एक पांच-आयामी स्थान के भीतर मौजूद एक पतली चादर, या एक "ब्रान" (brane) है। इस विचार के कुछ संस्करणों में, अतिरिक्त आयाम स्थानिक होता है, और गुरुत्वाकर्षण इसमें रिस सकता है, जो यह बदल देता है कि वस्तुएं एक-दूसरे को कैसे आकर्षित करती हैं। इस मॉडल में जिसका उपयोग इन शोधकर्ताओं ने किया है, अतिरिक्त आयाम इसके बजाय समय-समान (time-like) है। यह सूक्ष्म अंतर उस विशिष्ट सुधार शब्द (correction term) के चिह्न को उलट देता है जो ब्रह्त्व के विस्तार या संकुचन को नियंत्रित करने वाले समीकरणों में होता है। मानक भौतिकी में, गुरुत्वाकर्षण हमेशा आकर्षक होता है, जो पदार्थ को एक साथ खींचता है। इस विशिष्ट ब्रानवर्ल्ड परिदृश्य में, जैसे-जैसे पदार्थ अविश्वसनीय रूप से सघन होता जाता है, एक प्रतिकर्षण बल उभरता है। यह बल घनत्व बढ़ने के साथ और अधिक मजबूत होता जाता है, जो गुरुत्वाकर्षण के कुचलने वाले भार के विरुद्ध एक ब्रह्मांडीय स्प्रिंग की तरह काम करता है।
शोधकर्ताओं ने एक गोलाकार धूल के बादल का मॉडल बनाया, जो बिना किसी आंतरिक दबाव के पदार्थ का एक सरल और समान संग्रह है, जो अपने स्वयं के गुरुत्वाकर्षण के तहत ढह रहा है। मानक दृष्टिकोण में, यह बादल एक बिंदु तक सिकुड़ जाएगा। हालाँकि, उनके मॉडल में, बादल केवल एक विशिष्ट, सीमित आकार तक ही सिकुड़ता है। इस बिंदु पर, प्रतिकर्षण बल इतना शक्तिशाली हो जाता है कि वह पतन को पूरी तरह से रोक देता है। बादल फिर वापस उछलता है, ठीक उसी तरह फैलता है जैसे वह संकुचित हुआ था। महत्वपूर्ण रूप से, यह उछाल अनंत घनत्व या अनंत वक्रता के बिंदु पर नहीं होता है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि पूरे प्रक्रम के दौरान घनत्व और स्पेस-टाइम का झुकाव (bending) परिमित और सीमित रहता है। बादल कभी भी सिंगुलैरिटी तक नहीं पहुँचता है; इसके बजाय, यह दोलन करता है, शास्त्रीय गुरुत्वाकर्षण द्वारा अनुमानित विनाशकारी अंत से बचते हुए, सिकुड़ने और बढ़ने के एक चक्र में चलता है।
अध्ययन ने यह भी देखा कि इस प्रक्रिया के दौरान एक बाहरी पर्यवेक्षक क्या देखेगा। जब धूल का बादल ढहता है, तो यह स्थान का एक ऐसा क्षेत्र होता है जो ब्लैक होल की तरह व्यवहार करता है, जो प्रकाश और पदार्थ को फँसा लेता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यदि बादल पर्याप्त विशाल है, तो यह फँसा हुआ क्षेत्र इसके चारों ओर बन जाता है। हालाँकि, उछाल अभी भी इस क्षेत्र के भीतर सुरक्षित रूप से होता है, इससे बहुत पहले कि बादल कभी सिंगुलैरिटी तक पहुँच सके। जैसे ही बादल फिर से फैलना शुरू करता है, यह केवल उसी स्थान में अपना पथ वापस नहीं लेता जहाँ से वह आया था। इसके बजाय, स्पेस-टाइम की ज्यामिति फैलते हुए बादल को एक व्हाइट होल क्षेत्र—जो ब्लैक होल का समय-उलटा संस्करण है—के माध्यम से ब्रह्मांड के दूसरे, अलग क्षेत्र में ले जाती है। पहले क्षेत्र में एक दूरस्थ पर्यवेक्षक के लिए, बादल एक ब्लैक होल क्षितिज (horizon) के पीछे गायब हो जाता है। दूसरे क्षेत्र में एक पर्यवेक्षक के लिए, वही बादल अचानक एक व्हाइट होल से प्रकट होता है, जो ब्लैक होल के आंतरिक भाग से होकर गुजरा है।
यह संक्रमण कोई काल्पनिक अनुमान नहीं है बल्कि इस विशिष्ट ब्रानवर्ल्ड मॉडल से प्राप्त एक गणितीय समाधान है। शोधकर्ताओं ने समीकरणों को सटीक रूप से हल किया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि बादल का पथ सुचारू और निरंतर है, जिसमें कोई टूट या अनंतता नहीं है। उन्होंने यह भी प्रदर्शित किया कि इस तरह होने के लिए आवश्यक ऊर्जा स्थितियाँ (energy conditions) पूरी होती हैं, जिसका अर्थ है कि भौतिकी ऊर्जा और पदार्थ के ज्ञात नियमों के साथ सुसंगत रहती है, भले ही परिणाम विलक्षण हो। बाहर से देखे जाने वाले बादल का द्रव्यमान इस प्रक्रिया के दौरान बदलता है, संपीड़न के दौरान बढ़ता है और विस्तार के दौरान घटता है, लेकिन कुल ऊर्जा संतुलन बना रहता है। अध्ययन पुष्टि करता है कि इस विशिष्ट सैद्धांतिक ढांचे में, ढहते हुए तारे के विनाशकारी भाग्य को एक सुंदर उत्क्रमण (reversal) द्वारा बदल दिया जाता है, एक ब्रह्मांडीय उछाल (cosmic bounce) जो ब्रह्मांड के दो अलग-अलग हिस्सों को जोड़ता है।
इन निष्कर्षों के ब्रह्मांड के अंतिम भाग्य और ब्लैक होल की प्रकृति के बारे में हमारी सोच पर महत्वपूर्ण निहितार्थ हैं। जबकि यह मॉडल एक समय-समान अतिरिक्त आयाम के अस्तित्व पर निर्भर करता है, जो कि एक ऐसी अवधारणा है जो अभी भी सैद्धांतिक है और अभी तक प्रमाणित नहीं हुई है, यह एक ठोस उदाहरण प्रदान करता है कि कैसे उच्च-आयामी भौतिकी सिंगुलैरिटी की समस्या को हल कर सकती है। यह दिखाता है कि ब्लैक होल का "अंत" केवल एक मृत अंत नहीं है, बल्कि एक द्वार है। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि उनका कार्य एक विशिष्ट मॉडल के भीतर एक गणितीय प्रदर्शन है, और उन्होंने अभी तक इस बात पर ध्यान नहीं दिया है कि क्या ब्रह्मांड वास्तव में ऐसे अतिरिक्त आयामों को धारण करता है या क्या इस प्रकार का उछाल प्रकृति में घटित होता है। हालाँकि, परिणाम शास्त्रीय गुरुत्वाकर्षण के पारंपरिक दृष्टिकोण के मुकाबले एक स्पष्ट, गैर-सिंगुलर विकल्प प्रदान करता है, जो सुझाव देता है कि ब्रह्मांड के पास उन घावों को भरने का एक तरीका हो सकता है जो गुरुत्वाकर्षण स्वयं अपने ऊपर करता है।
अंत में, यह शोध पत्र एक ऐसे ब्रह्मांड की तस्वीर पेश करता है जहाँ सबसे हिंसक घटनाएँ अंतिम नहीं होती हैं। एक ढहता हुआ तारा शून्य के बिंदु में लुप्त नहीं होता है; वह रूपांतरित होता है। वह एक ऐसे चरण से गुजरता है जहाँ वह दृष्टि से ओझल होता है, एक क्षितिज के पीछे फँसा होता है, केवल फिर से एक नए रूप में, एक नई जगह में प्रकट होने के लिए। इस ब्रानवर्ल्ड मॉडल का गणित दिखाता है कि ब्रह्मांड लचीला हो सकता है, विनाश के कगार से वापस उछलने में सक्षम। हालाँकि समय-समान अतिरिक्त आयामों की वास्तविकता की पुष्टि होना अभी बाकी है, इस तरह के छिपे हुए यांत्रिकी के साथ हमारे ब्रह्मांड के संचालित होने की संभावना एक ऐसा सम्मोहक दृष्टिकोण प्रदान करती है जो एक ऐसे ब्रह्स्प के अधिक गतिशील और परस्पर जुड़े हुए होने का संकेत देती है जिसे हमने लंबे समय से एक स्थिर, सिंगुलर चित्र के रूप में कल्पना की है।
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