Constraint on particle mass of dark matter based on XTE J1814-338 observation and DANS model

ब्रह्मांड की गहराइयों में, अस्तित्व की कुछ सबसे चरम वस्तुओं में से न्यूट्रॉन तारे हैं। ये विशाल तारों के ढह चुके कोर (केंद्र) हैं, जो अपने ही गुरुत्वाकर्षण से इतने दब गए हैं कि उनके पदार्थ का एक चम्मच हिस्सा भी एक पहाड़ जितना वजन रखेगा। दशकों से, खगोलविदों ने इन तारकीय अवशेषों का उपयोग यह समझने के लिए प्राकृतिक प्रयोगशालाओं के रूप में किया है कि जब पदार्थ को उन घनत्वों तक दबाया जाता है जिन्हें पृथ्वी पर पुन: निर्मित नहीं किया जा सकता, तो वह कैसे व्यवहार करता है। मानक दृष्टिकोण यह है कि एक न्यूट्रॉन तारा पूरी तरह से सामान्य परमाणु पदार्थ से बना होता है, जो इतना कसकर भरा होता है कि प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉन मिलकर न्यूट्रॉन बन जाते हैं। हालांकि, एक हालिया अवलोकन ने इस परिचित चित्र में एक अड़चन डाल दी है। एक विशिष्ट न्यूट्रॉन तारा, जिसे XTE J1814-338 के रूप में जाना जाता है, अपने वजन के अनुपात में सिद्धांत के अनुसार अपेक्षित आकार से काफी छोटा दिखाई देता है। जबकि समान द्रव्यमान वाले अधिकांश न्यूट्रॉन तारे लगभग दस किलोमीटर चौड़े होने की उम्मीद की जाती है, यह केवल सात किलोमीटर चौड़ा है। यह छोटा आकार एक पहेली पैदा करता है: सामान्य पदार्थ के लिए ज्ञात भौतिकी के नियम यह समझाने में संघर्ष करते हैं कि कोई चीज़ इतनी भारी होकर इतनी छोटी जगह में बिना और अधिक ढहे कैसे समा सकती है।

इस रहस्य को सुलझाने के लिए, शोधकर्ताओं के एक दल ने अदृश्य ब्रह्मांड की ओर अपना ध्यान केंद्रित किया। उन्होंने प्रस्ताव दिया कि यह न्यूट्रॉन तारा केवल सामान्य पदार्थ से नहीं बना हो सकता है, बल्कि यह एक हाइब्रिड (मिश्रित) वस्तु है जिसमें डार्क मैटर (अंधक द्रव्य) की एक महत्वपूर्ण मात्रा शामिल है। डार्क मैटर एक रहस्यमय पदार्थ है जो ब्रह्मांड के अधिकांश द्रव्यमान का निर्माण करता है लेकिन प्रकाश उत्सर्जित या परावर्तित नहीं करता, जिससे यह दूरबीनों के लिए अदृश्य हो जाता है। हालांकि हम इसे देख नहीं सकते, लेकिन हम जानते हैं कि यह आकाशगंगाओं पर अपने गुरुत्वाकर्षण खिंचाव के कारण मौजूद है। शोधकर्ताओं ने सुझाव दिया कि यदि एक न्यूट्रॉन तारा अपने जीवनकाल के दौरान पर्याप्त डार्क मैटर को पकड़ लेता है, तो डार्क मैटर तारे के भीतर स्थिर हो सकता है और इसकी संरचना को बदल सकता है। इस अदृश्य पदार्थ को सामान्य परमाणु पदार्थ के साथ मिलाने से, तारा अधिक सघन हो सकता है, जो संभवतः यह समझा सकता है कि XTE J1814-338 इतना छोटा क्यों है। टीम ने इस विचार का परीक्षण करने के लिए एक विस्तृत मॉडल बनाया कि क्या ऐसा "डार्क मैटर मिश्रित" तारा वास्तविक दुनिया के अवलोकनों से मेल खा सकता है।

वैज्ञानिकों ने एक सैद्धांतिक मॉडल बनाने से शुरुआत की जिसमें एक न्यूट्रॉन तारा दो अलग-अलग तरल पदार्थों को समाहित करता है: सामान्य परमाणु पदार्थ जिससे हम परिचित हैं, और एक दूसरा तरल जो डार्क मैटर कणों से बना है। अपने मॉडल में, उन्होंने माना कि ये डार्क मैटर कण फर्मियॉन (fermions) हैं, जो एक प्रकार के कण हैं जो विशिष्ट क्वांटम नियमों का पालन करते हैं, और वे आपस में एक प्रतिकर्षण बल (repulsive force) के माध्यम से परस्पर क्रिया करते हैं, ठीक वैसे ही जैसे चुंबक तब एक दूसरे को धकेलते हैं जब उनके ध्रुव संरेखित होते हैं। यह स्व-परस्पर क्रिया (self-interaction) महत्वपूर्ण है क्योंकि यह डार्क मैटर को एक छोटे बिंदु में ढहने से रोकती है, जिससे यह तारे के भीतर एक स्थिर कोर या हेलो बनाने में सक्षम होता है। शोधकर्ताओं ने फिर जटिल समीकरणों का उपयोग किया ताकि यह गणना की जा सके कि तारा गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव में कैसे व्यवहार करेगा, जिससे विभिन्न डार्क मैटर की मात्रा के लिए तारे के कुल द्रव्यमान और त्रिज्या के बीच संबंध निर्धारित किया जा सके। उन्होंने अपने मॉडल का परीक्षण XTE J1814-338 के विशिष्ट मापों के विरुद्ध किया, जिसका द्रव्यमान हमारे सूर्य के द्रव्यमान का लगभग 1.21 गुना है और त्रिज्या केवल सात किलोमीटर है।

उनकी गणनाओं से पता चला कि केवल सामान्य पदार्थ से बना एक मानक न्यूट्रॉन तारा भौतिकी के नियमों को तोड़े बिना सात किलोमीटर तक सिकुड़ नहीं सकता है। हालांकि, जब उन्होंने मिश्रण में डार्क मैटर को शामिल किया, तो परिणाम नाटकीय रूप से बदल गए। उन्होंने पाया कि यदि तारे में डार्क मैटर का एक बड़ा हिस्सा है, तो तारा वास्तव में अपेक्षित आकार तक सिकुड़ सकता है और स्थिर रह सकता है। कमजोर स्व-परस्पर क्रियाओं से जुड़ी विशिष्ट स्थितियों के लिए, यह अंश कुल द्रव्यमान के लगभग 66% से 67% की एक संकीर्ण सीमा तक सीमित है। लेकिन यह समाधान केवल तभी काम करता है जब डार्क मैटर कणों का वजन बहुत विशिष्ट हो और वे एक सटीक तरीके से आपस में क्रिया करें। शोधकर्ताओं ने पाया कि मॉडल को अवलोकन के अनुकूल बनाने के लिए, डार्क मैटर कणों का द्रव्यमान एक प्रोटॉन के द्रव्यमान के लगभग 0.84 से 3.98 गुना के बीच होना चाहिए। यदि कण बहुत हल्के या बहुत भारी होते, तो तारा या तो बहुत बड़ा होता या अस्तित्व में रहने के लिए बहुत अस्थिर होता।

इसके अलावा, टीम ने अपने निष्कर्षों की जांच डार्क मैटर पर अन्य ज्ञात सीमाओं के विरुद्ध की। खगोलविदों ने पहले अध्ययन किया है कि आकाशगंगा समूहों के बीच डार्क मैटर के विशाल टकरावों में डार्क मैटर कैसे व्यवहार करता है, जो इस बात पर सख्त सीमाएं लगाता है कि डार्क मैटर कण आपस में कितनी मजबूती से परस्पर क्रिया कर सकते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस छोटे न्यूट्रॉन तारे को समझाने के लिए आवश्यक विशिष्ट प्रकार का डार्क मैटर मौजूदा ब्रह्मांडीय सीमाओं के भीतर पूरी तरह से फिट बैठता है। न्यूट्रॉन स्टार के अवलोकन और गैलेक्सी क्लस्टर डेटा के बीच यह सहमति उनके मॉडल के पक्ष को मजबूत करती है। उन्होंने यह भी परीक्षण किया कि सामान्य परमाणु पदार्थ के कठोरपन (stiffness) के बारे में विभिन्न धारणाएं परिणामों को कैसे प्रभावित करती हैं। यहाँ तक कि जब उन्होंने सामान्य पदार्थ के गुणों को बदला, तब भी डार्क मैटर कणों के लिए लगभग 0.84 से 3.98 प्रोटॉन द्रव्यमान की सीमा में द्रव्यमान होने की आवश्यकता सुसंगत रही। यह सुझाव देता है कि निष्कर्ष मजबूत है और केवल किसी विशिष्ट गणना का संयोग नहीं है।

यह अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि इसने इस विशिष्ट तारे के भीतर डार्क मैटर के अस्तित्व को सिद्ध कर दिया है, बल्कि यह प्रदर्शित करता है कि ऐसी स्थिति भौतिक रूप से संभव और वर्तमान डेटा के अनुरूप है। यह एक सम्मोहक स्पष्टीकरण प्रदान करता है कि XTE J1814-338 इतना छोटा क्यों है, जो एक ऐसी विशेषता है जिसने लंबे समय से खगोलविदों को उलझा रखा है। यह कार्य संकेत देता है कि यदि यह मॉडल सही है, तो तारे के भीतर डार्क मैटर को उसके कुल वजन का एक बड़ा हिस्सा बनाना होगा, जो कि केवल आकाशगंगा में तैरते हुए कुछ बिखरे हुए कणों को पकड़ने की तुलना में कहीं अधिक है। यह एक अद्वितीय निर्माण इतिहास की ओर इशारा करता है, शायद इसमें तारे का सीधे डार्क मैटर के घने बादल से बनना या किसी अन्य डार्क ऑब्जेक्ट के साथ विलय शामिल हो। हालांकि सटीक मूल अभी भी एक रहस्य है, अध्ययन एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है। यह डार्क मैटर कणों के संभावित गुणों को एक विशिष्ट द्रव्यमान सीमा तक सीमित कर देता है, जो भविष्य के अवलोकनों के लिए एक नया लक्ष्य प्रदान करता है। जैसे-जैसे दूरबीनें और गुरुत्वाकर्षण तरंग डिटेक्टर ब्रह्मांड का मानचित्रण करना जारी रखते हैं, वे पुष्टि कर सकते हैं कि क्या ये छोटे, भारी तारे वास्तव में अपने भीतर डार्क मैटर के एक गुप्त कोर को छिपाए हुए हैं, जो इन ब्रह्मांडीय दिग्गजों की संरचना के बारे में हमारी समझ को मौलिक रूप से बदल देगा।