Black holes with conical infinity in gravitational caloric theory

सदियों से, आइंस्टीन के गुरुत्वाकर्षण सिद्धांत की सबसे प्रसिद्ध भविष्यवाणी ब्लैक होल रही है: अंतरिक्ष का एक ऐसा क्षेत्र जो इतना सघन है कि प्रकाश भी इसके खिंचाव से बच नहीं सकता। इस सिद्धांत के मानक संस्करण में, ये वस्तुएं उल्लेखनीय रूप से सरल होती हैं। यदि आप जानते हैं कि उनमें कितना द्रव्यमान है, तो आप उनके बारे में लगभग सब कुछ जानते हैं; उनका आकार पूरी तरह से गोलाकार होता है, और उनके आसपास का स्थान अंततः एक सपाट, बिना मुड़े हुए राज्य में स्थिर हो जाता है जो अनंत तक फैला रहता है। यह सरलता सुकून देने वाली है, लेकिन यह एक प्रश्न खुला छोड़ देती है: क्या ये ही एकमात्र संभावित ब्लैक होल हैं, या क्या कुछ अन्य भी हो सकते हैं जो पास से देखने पर बहुत समान दिखते हैं लेकिन दूर से अलग व्यवहार करते हैं? इस उत्तर को खोजने के लिए, शोधकर्ता आइंस्टीन के सिद्धांत के विस्तार की खोज कर रहे हैं, जिसमें नए बल क्षेत्रों (fields of force) को जोड़ा जा रहा है जो शायद प्रारंभिक ब्रह्मांड में मौजूद रहे होंगे या आज ब्रह्मांड के विस्तार को प्रभावित कर सकते हैं। ऐसा ही एक विचार, जिसे 'ग्रेविटेशनल कैलोरिक थ्योरी' के रूप में जाना जाता है, एक विशिष्ट प्रकार के क्षेत्र को पेश करता है जो गुरुत्वाकर्षण के साथ परस्पर क्रिया करता है। जबकि इस सिद्धांत का अध्ययन पूरे ब्रह्मांड पर इसके प्रभावों के लिए किया गया है, वैज्ञानिक लंबे समय से यह जानना चाहते थे कि क्या यह ऐसे ब्लैक होल की अनुमति देता है जो मानक प्रकार से भिन्न हैं, या क्या यह सिद्धांत सभी ब्लैक होल को ठीक वैसा ही दिखने के लिए मजबूर करता है जैसा कि आइंस्टीन ने भविष्यवाणी की थी।

बीजिंग नॉर्मल यूनिवर्सिटी के भौतिकविदों की एक टीम ने अब इस प्रश्न को हल करने के लिए इस विस्तारित सिद्धांत में ब्लैक होल के संभावित आकारों का मानचित्र तैयार करके इस चुनौती को स्वीकार किया है। उन्होंने केवल समाधानों का अनुमान नहीं लगाया या रैंडम कंप्यूटर सिमुलेशन नहीं चलाए; इसके बजाय, उन्होंने इन वस्तुओं को नियंत्रित करने वाले समीकरणों को एक परिदृश्य (landscape) के मानचित्र की तरह माना, जो ब्लैक होल की सतह से लेकर ब्रह्मांड के किनारे तक के हर संभावित पथ का पता लगा सके। उनका विश्लेषण प्रकट करता है कि यह सिद्धांत वास्तव में मानक प्रकार से भिन्न ब्लैक होल की अनुमति देता है, लेकिन एक बहुत ही विशिष्ट और आश्चर्यजनक मोड़ के साथ। ये नए ब्लैक होल अपने इवेंट होराइजन (घटना क्षितिज) के ठीक बगल में और हमारे सौर मंडल के पैमाने तक भी परिचित ब्लैक होल के लगभग समान दिख सकते हैं, फिर भी वे दूर जाने पर एक पूरी तरह से अलग ज्यामिति में समाप्त होते हैं। एक अनंत, सपाट तल के रूप में अंतरिक्ष के फैलने के बजाय, इनके चारों ओर का स्थान एक शंकु (cone) के आकार में मुड़ जाता है।

शोधकर्ताओं ने पाया कि इन असामान्य ब्लैक होल के अस्तित्व के लिए, सिद्धांत को अपने आंतरिक मापदंडों के बीच एक सटीक संबंध को संतुष्ट करना चाहिए। जब यह स्थिति पूरी होती है, तो सिद्धांत दो अलग-अलग संभावनाओं में विभाजित हो जाता है। पहला है परिचित श्वार्ज़चिल्ड (Schwarzschild) ब्लैक होल, जो एक बड़ी दूरी पर पूरी तरह से सपाट होता है। दूसरा ब्लैक होल का एक नया परिवार है जिसमें वह गुण है जिसे लेखक "कोनिकल इन्फिनिटी" (शंक्वाकार अनंत) कहते हैं। कल्पना कीजिए कि ब्लैक होल के आसपास का स्थान एक कपड़े की चादर की तरह है। एक मानक ब्लैक होल के लिए, यह चादर केंद्र से दूर जाने पर पूरी तरह से सपाट रहती है। इन नए ब्लैक होल के लिए, चादर लंबे समय तक सपाट रहती है, लेकिन अंततः, यह संकुचित होने लगती है, जैसे कि इसमें से एक हिस्सा निकाल दिया गया हो या जोड़ा गया हो, जिससे कपड़ा एक शंकु के आकार का रूप ले लेता है जो अनंत तक फैला रहता है। इस शंकु के आकार का अर्थ है कि ब्रह्मांड के बिल्कुल किनारे पर, अंतरिक्ष की कुल मात्रा, या "सॉलिड एंगल", उस मान से भिन्न है जिसकी हम अपेक्षा करते हैं। यह सिद्धांत की विशिष्ट सेटिंग्स के आधार पर, मानक मान से थोड़ा बड़ा या थोड़ा छोटा होता है।

जो बात इस खोज को विशेष रूप से प्रभावशाली बनाती है, वह यह है कि ये वस्तुएं अपने वास्तविक स्वरूप को कैसे छिपा सकती हैं। अध्ययन से पता चलता है कि ये कोनिक ब्लैक होल एक विशाल दूरी तक मानक ब्लैक होल से अभिन्न रूप से अविभेद्य रह सकते हैं। इवेंट होराइजन के हिंसक क्षेत्र से लेकर हमारे सौर मंडल के ग्रहों की कक्षाओं तक, उनके द्वारा लगाया गया गुरुत्वाकर्षण एक सामान्य ब्लैक होल के समान ही होता है। अंतर केवल विशाल, ब्रह्मांडीय दूरियों पर स्पष्ट होता है। ब्लैक होल की सतह पर इस नए क्षेत्र की शक्ति पर निर्भर करता है कि स्थान का शंकु आकार में बदलने का बिंदु कहाँ होगा। यदि यह क्षेत्र बहुत कमजोर है, तो शंकु के आकार में संक्रमण बहुत दूर होगा, जिससे "नया भौतिकी" (new physics) एक ऐसे क्षेत्र में चला जाएगा जिसे वर्तमान में हमारे टेलिस्कोपों के माध्यम से देखना असंभव है। इसका मतलब है कि एक ब्लैक होल हमारे पड़ोस में बैठा हो सकता है, जो बिल्कुल उन्हीं ब्लैक होल की तरह दिख और व्यवहार कर रहा है जिन्हें हम जानते हैं, जबकि वह गुप्त रूप से एक कोनिक संरचना को धारण किए हुए है जो गहरे ब्रह्मांड में फैली हुई है।

टीम ने यह भी पता लगाया कि क्या ये वस्तुएं स्वाभाविक रूप से बन सकती हैं। उन्होंने अपने गणितीय परिदृश्य में एक विशिष्ट पथ की पहचान की जो इवेंट होराइजन को इस कोनिक इन्फिनिटी से जोड़ता है, जिससे यह सिद्ध होता है कि ऐसे समाधान गणितीय रूप से सुसंगत और स्थिर हैं। उन्होंने पाया कि अंत में एक पूरी तरह से सपाट ब्रह्मांड प्राप्त करने का एकमात्र तरीका यह है कि कोई अतिरिक्त क्षेत्र न हो और वह पूरी तरह से एक मानक ब्लैक होल हो। यदि इस नए क्षेत्र का कोई भी अंश मौजूद है, तो ब्रह्मांड एक शंकु में समाप्त होगा। यह इस विचार को खारिज करता है कि ये सिद्धांत आसानी से ऐसे "हेयरी" (बालों वाले/अतिरिक्त गुणों वाले) ब्लैक होल उत्पन्न कर सकते हैं जो अनंत पर सपाट होते हैं; यह सिद्धांत परिचित सपाट दुनिया और इस नई कोनिक दुनिया के बीच एक विकल्प चुनने के लिए मजबूर करता है। शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि हालांकि ये समाधान गणितीय रूप से सही हैं, लेकिन हमें अभी तक यह नहीं पता है कि प्रकृति वास्तव में इन्हें बनाती है या नहीं। यह निर्धारित करना कि क्या ढहता हुआ तारा स्वाभाविक रूप से इनमें से एक कोनिक ब्लैक होल बनाएगा, या वे केवल गणितीय जिज्ञासाएं हैं, भविष्य के अध्ययनों की आवश्यकता होगी जो वास्तविक समय में गुरुत्वाकर्षण पतन (gravitational collapse) की हिंसक प्रक्रिया का अनुकरण करेंगे।

इन ब्लैक होलों के परीक्षण के निहितार्थ सूक्ष्म लेकिन महत्वपूर्ण हैं। क्योंकि ये ब्लैक होल हमारे स्थानीय पड़ोस में मानक ब्लैक होल की बहुत बारीकी से नकल कर सकते हैं, इसलिए गुरुत्वाकर्षण के पारंपरिक परीक्षण, जैसे कि ग्रहों की कक्षाओं को मापना या सितारों की पूर्वगामी गति (precession) को मापना, उन्हें नहीं पहचान पाएंगे। शोधकर्ताओं ने गणना की कि इन वस्तुओं के कारण ग्रहों की कक्षाओं में होने वाले सूक्ष्म बदलाव अविश्वसनीय रूप से छोटे होंगे, जो वर्तमान तकनीक के साथ मापने योग्य होने के लिए बहुत कम हैं, जब तक कि शंकु के आकार में संक्रमण ब्लैक होल के अपेक्षाकृत करीब न हो। हालांकि, तथ्य यह है कि ऐसी वस्तुएं संभव हैं, यह सुझाव देता है कि गुरुत्वाकर्षण की हमारी वर्तमान समझ सबसे चरम, कमजोर-क्षेत्र वातावरणों में अधूरी हो सकती है। यह एक ऐसे ब्रह्मांड के द्वार खोलता है जहाँ ब्लैक होल केवल सरल, स्थिर गोले नहीं हैं, बल्कि जटिल वस्तुएं हैं जो एक छिपे हुए ज्यामितीय हस्ताक्षर को वहन करती हैं, जो अंतरिक्ष के सबसे दूर के हिस्सों के अवलोकन द्वारा प्रकट होने की प्रतीक्षा कर रही हैं। यह कार्य पुष्टि करता है कि जबकि आइंस्टीन का विवरण मजबूत है, फिर भी विविध प्रकार की ब्रह्मांडीय संरचनाओं के लिए स्थान है जिन्हें हमने अभी तक नहीं देखा है।