Asteroseismology of Neutron Stars with Axion-Like Particle Mediated Dark Matter

ब्रह्मांड उस पदार्थ से भरा हुआ है जिसे हम देख नहीं सकते। खगोलशास्त्री इस अदृश्य पदार्थ को डार्क मैटर (dark matter) कहते हैं, और यह ब्रह्मांड के एक बहुत बड़े हिस्से का निर्माण करता है। हालांकि हम जानते हैं कि यह मौजूद है क्योंकि यह दृश्य तारों और आकाशगंगाओं पर अपना प्रभाव डालता है, लेकिन आज तक किसी ने भी सीधे तौर पर यह पहचान नहीं पाया है कि यह किस प्रकार के कणों से बना है। यह रहस्य विज्ञान के दो महान क्षेत्रों के मिलन बिंदु पर स्थित है: कण भौतिकी (particle physics), जो प्रकृति के सबसे छोटे निर्माण खंडों का अध्ययन करती है, और खगोल भौतिकी (astrophysics), जो सबसे बड़ी संरचनाओं का अध्ययन करती है। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिक अक्सर ब्रह्मांड के सबसे चरम वातावरणों की ओर देखते हैं, जैसे कि न्यूट्रॉन तारे (neutron stars)। ये मृत तारों के कुचले हुए कोर हैं, जो इतने घने होते हैं कि उनके पदार्थ का एक चम्मच वजन अरबों टन होगा। अपनी अत्यधिक भारी और सघन प्रकृति के कारण, वे प्राकृतिक प्रयोगशालाओं के रूप में कार्य करते हैं जहाँ भौतिकी के नियम अपनी सीमाओं तक पहुँच जाते हैं। यदि डार्क मैटर के कण अस्तित्व में हैं और सामान्य पदार्थ के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, तो वे इन तारकीय अवशेषों के भीतर फंस सकते हैं, जिससे तारों के व्यवहार में सूक्ष्म परिवर्तन आ सकता है।

शोधकर्ताओं के एक दल ने हाल ही में इस संभावना की खोज की है कि क्या 'एक्सियन-लाइक पार्टिकल' (axion-like particle) नामक एक विशिष्ट सैद्धांतिक कण, डार्क मैटर और न्यूट्रॉन तारे के भीतर मौजूद सामान्य पदार्थ के बीच एक सेतु के रूप में कार्य कर सकता है। अपने अध्ययन में, उन्होंने एक न्यूट्रॉन तारे का एक विस्तृत कंप्यूटर मॉडल बनाया जिसमें सामान्य परमाणु पदार्थ और इन डार्क मैटर कणों का एक बादल, दोनों शामिल थे। उन्होंने न केवल तारे के आकार या वजन को देखा; बल्कि उन्होंने यह भी परीक्षण किया कि यदि तारे को विचलित किया जाए तो वह कैसे कंपन करेगा, ठीक वैसे ही जैसे किसी घंटी को टकराने के बाद बजता है। इन कंपनों के बदलने के तरीके का अनुकरण करके, शोधकर्ताओं का लक्ष्य एक अनूठा संकेत (signature) खोजना था जो खगोलशास्त्रियों को डार्क मैटर के विभिन्न सिद्धांतों और विभिन्न प्रकार के तारकीय आंतरिक भाग के बीच अंतर करने में मदद कर सके।

शोधकर्ताओं ने इन एक्सियन-लाइक कणों के प्रभावों को शामिल करते हुए एक न्यूट्रॉन तारे का मॉडल बनाना शुरू किया। उन्होंने डार्क मैटर को एक तरल (fluid) के रूप में माना जो तारे के कोर के साथ मिश्रित होता है, जो दो मुख्य गुणों द्वारा नियंत्रित होता है: डार्क मैटर कणों का द्रव्यमान और उनका घनत्व। जब उन्होंने अपने सिमुलेशन चलाए, तो उन्होंने पाया कि इस डार्क मैटर घटक को जोड़ने से तारे की आंतरिक संरचना नरम और अधिक संपीड़ित (compressible) हो गई। सरल शब्दों में, डार्क मैटर की उपस्थिति ने तारे को दबाना आसान बना दिया। परिणामस्वरूप, उनके मॉडलों में तारे आकार में छोटे और द्रव्यमान में कम हो गए यदि उनमें केवल सामान्य पदार्थ होता। उदाहरण के लिए, जब उन्होंने अपने सिमुलेशन में डार्क मैटर की मात्रा बढ़ाई, तो वह अधिकतम वजन जो एक तारा ढहने (collapse) से पहले सह सकता था, काफी कम हो गया। कुछ मामलों में, डार्क मैटर ने तारे के कुल द्रव्यमान का लगभग आधा हिस्सा बना लिया था, फिर भी तारा अधिक सघन और कम स्थिर हो गया।

आकार और वजन में इस परिवर्तन का तारे के बाहरी बलों के प्रति प्रतिक्रिया पर सीधा प्रभाव पड़ा। शोधकर्ताओं ने 'टाइडल डिफॉर्मेबिलिटी' (tidal deformability) नामक गुण की गणना की, जो यह मापता है कि किसी पास की वस्तु के गुरुत्वाकर्षण द्वारा तारे के आकार को कितनी आसानी से खींचा जा सकता है। उनके मॉडलों ने दिखाया कि जैसे-जैसे डार्क मैटर की मात्रा बढ़ी, तारा खिंचने में अधिक कठिन हो गया, जिसका अर्थ है कि इसकी टाइडल डिफॉर्मेबिलिटी कम हो गई। यह एक महत्वपूर्ण निष्कर्ष है क्योंकि खगोलशास्त्रियों ने वास्तविक न्यूट्रॉन तारों के टकराने और आपस में मिलने से उत्पन्न होने वाले डेटा से इस सटीक गुण को मापा है, जो अंतरिक्ष-समय (space-time) में गुरुत्वाकर्षण तरंगों (gravitational waves) के रूप में लहरें भेजते हैं। शोधकर्ताओं ने अपने सिम्युलेटेड तारों की तुलना इन वास्तविक ब्रह्मांडीय घटनाओं के डेटा से की। उन्होंने पाया कि जबकि डार्क मैटर की छोटी मात्रा अभी भी देखे गए सीमाओं के भीतर फिट बैठ सकती है, लेकिन बड़ी मात्रा में डार्क मैटर तारों को बहुत छोटा और बहुत कठोर बना देगा, जो हमारे द्वारा अब तक देखी गई चीजों से मेल नहीं खाएगा। यह सुझाव देता है कि यदि एक्सियन-लाइक कण मौजूद हैं, तो वे न्यूट्रॉन तारों के भीतर बहुत अधिक प्रचुर मात्रा में नहीं हो सकते, अन्यथा हमारे वर्तमान अवलोकन बहुत अलग दिखते।

तारे के आकार के अलावा, टीम ने तारे के कंपन की भी जांच की। उन्होंने दो प्रकार के कंपनों को देखा: रेडियल ऑसिलेशन (radial oscillations), जहाँ तारा एक सांस लेते गुब्बारे की तरह फैलता और सिकुड़ता है, और नॉन-रेडियल ऑसिलेशन (non-radial oscillations), जो अधिक जटिल डोलन (wobbles) हैं जो तारे के आकार को बदलते हैं। उन्होंने पाया कि डार्क मैटर की उपस्थिति ने इन कंपनों की आवृत्ति (frequency) को बदल दिया। भले ही डार्क मैटर वाले तारे हल्के थे, लेकिन वे औसतन अधिक घने भी थे क्योंकि डार्क मैटर ने कोर को और अधिक कस दिया था। इस बढ़ी हुई घनत्व ने तारे के आंतरिक "स्प्रिंग" को अधिक सख्त बना दिया, जिससे यह उच्च पिच पर कंपन करने लगा। उनके सिमुलेशन में, एक मानक न्यूट्रॉन तारे की मौलिक कंपन आवृत्ति (fundamental vibration frequency) डार्क मैटर के कणों के द्रव्यमान बढ़ने के साथ लगभग 1.51 किलोहर्ट्ज़ से बढ़कर 2.4 किलोहर्ट्ज़ से ऊपर चली गई। साथ ही, इन कंपनों के थमने में लगने वाला समय, जिसे 'डैम्पिंग टाइम' (damping time) कहा जाता है, कम हो गया। इसका अर्थ है कि डार्क मैटर वाला तारा सामान्य पदार्थ वाले तारे की तुलना में अधिक जोर से और तीखेपन से बजेगा, लेकिन इसकी ध्वनि अधिक तेज़ी से समाप्त हो जाएगी।

शोधकर्ताओं ने इन तारों की स्थिरता की भी जाँच की। उन्होंने पाया कि जब डार्क मैटर जोड़ा गया, तो वह बिंदु जहाँ एक तारा अस्थिर होकर ब्लैक होल में बदल जाता है, स्थानांतरित हो गया। उनके मॉडलों में, वह अधिकतम द्रव्यमान जिसे एक तारा धारण कर सकता था, कम हो गया, और इस टूटने बिंदु तक पहुँचने के लिए आवश्यक घनत्व बढ़ गया। इसका तात्पर्य यह है कि एक तारा जो सामान्य रूप से स्थिर होता, वह पर्याप्त डार्क मैटर जमा होने पर अस्थिर होकर ढह सकता है। हालाँकि, टीम ने सावधानीपूर्वक उल्लेख किया कि ये परिणाम डार्क मैटर के परस्पर क्रिया करने के तरीके और तारे के निर्माण के बारे में विशिष्ट धारणाओं पर आधारित हैं। उन्होंने यह गणना नहीं की कि एक वास्तविक तारा अंतरिक्ष से वास्तव में कितना डार्क मैटर प्राप्त करेगा, इसलिए उनके द्वारा सिम्युलेट किए गए डार्क मैटर की बड़ी मात्रा को गारंटीकृत भविष्यवाणियों के बजाय सैद्धांतिक संभावनाओं के रूप में देखा जाना चाहिए। यह अध्ययन देखने के लिए एक मार्गदर्शक के रूप में कार्य करता है, जो दिखाता है कि यदि डार्क मैटर मौजूद है, तो वह तारे के आकार, उसके गुरुत्वाकर्षण के प्रति प्रतिक्रिया और उसके कंपन पैटर्न पर एक स्पष्ट छाप छोड़ता है।

अंततः, यह कार्य ब्रह्मांड की सबसे चरम वस्तुओं का उपयोग करके डार्क मैटर की प्रकृति का परीक्षण करने का एक नया तरीका प्रदान करता है। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि न्यूट्रॉन तारे के द्रव्यमान, उसके आकार, उसकी टाइडल प्रतिक्रिया और उसके कंपन की आवृत्तियों के माप को जोड़कर, खगोलशास्त्री संभावित रूप से यह बता सकते हैं कि क्या डार्क मैटर इसके भीतर छिपा हुआ है। उनके द्वारा पाए गए संकेत विशिष्ट हैं: एक छोटा, अधिक संकुचन झेलने वाला तारा जो उच्च पिच पर कंपन करता है और तेजी से शांत हो जाता है। हालांकि ये परिवर्तन तारे के भीतर अन्य विलक्षण भौतिकी (exotic physics) के कारण भी हो सकते हैं, लेकिन एक्सियन-लाइक कणों द्वारा निर्मित विशिष्ट पैटर्न एक अनूठा लक्ष्य प्रदान करता है। जैसे-जैसे दूरबीनें और गुरुत्वाकर्षण तरंग डिटेक्टर अधिक संवेदनशील होते जा रहे हैं, वे जल्द ही इन सूक्ष्म परिवर्तनों को देख पाने में सक्षम हो सकते हैं, जिससे दूरस्थ मृत तारों के कंपन को भौतिकी के सबसे बड़े रहस्यों में से एक को सुलझाने के उपकरण में बदला जा सकेगा।