Testing Charged Black Holes Embedded in Anisotropic Matter and Surrounded by Plasma through Gravitational Lensing: Bounds from the Sloan Lens ACS Survey
यह शोध पत्र विषमदैशिक पदार्थ (anisotropic matter) और प्लाज्मा में अंतर्निहित आवेशित ब्लैक होल्स द्वारा होने वाले दुर्बल गुरुत्वाकर्षण लेंसिंग (weak gravitational lensing) की जांच करता है, जिसमें सैद्धांतिक लेंसिंग अवलोकनीय (observables) व्युत्पन्न किए गए हैं और स्लोअन लेंस एसीएस सर्वे डेटा का उपयोग करके विषमदैशिक पदार्थ पैरामीटर पर कड़े द्रव्यमान-स्वतंत्र प्रतिबंध स्थापित किए गए हैं, जबकि यह पाया गया है कि आवेश और प्लाज्मा प्रभाव ऑप्टिकल तरंग दैर्ध्य पर अवलोकनीय नहीं रहते हैं।
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ब्लैक होल की अक्सर एक पूर्ण, अलग-थलग गुरुत्वाकर्षण वाले गोले के रूप में कल्पना की जाती है, लेकिन वास्तविक ब्रह्मांड में, वे शायद ही कभी अकेले होते हैं। वे गैस के घूमते बादलों, डार्क मैटर और कभी-कभी आवेशित कणों से घिरे एक जटिल वातावरण में मौजूद होते हैं। इन ब्रह्मांडीय दिग्गजों के वास्तविक व्यवहार को समझने के लिए, वैज्ञानिकों को खाली स्थान के सरल मॉडलों से परे देखना होगा और यह विचार करना होगा कि आसपास की सामग्री प्रकाश के पथ को कैसे मोड़ती है। जब किसी दूर स्थित तारे या आकाशगंगा से प्रकाश एक ब्लैक होल के पास से गुजरता है, तो तीव्र गुरुत्वाकर्षण एक लेंस की तरह कार्य करता है, जो इसके पीछे की छवि को बड़ा और विकृत कर देता है। यह घटना, जिसे ग्रेविटेशनल लेंसिंग (गुरुत्वाकर्षण लेंसिंग) कहा जाता है, खगोलविदों को अदृश्य वस्तुओं का भार मापने और भौतिकी के मौलिक नियमों का परीक्षण करने की अनुमति देती है। हालांकि, यदि ब्लैक होल के आसपास का स्थान एनिसोट्रोपिक मैटर (विषमदैशिक पदार्थ)—वह सामग्री जो अलग-अलग दिशाओं में अलग तरह से दबाव डालती है—से भरा हो, या यदि यह प्लाज्मा (आवेशित कणों का एक गर्म सूप) में डूबा हो, तो प्रकाश के मुड़ने का तरीका सूक्ष्म लेकिन महत्वपूर्ण तरीकों से बदल जाता है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह जांचने के लिए हाथ में लिया कि ये पर्यावरणीय कारक एक आवेशित ब्लैक होल की ग्रेविटेशनल लेंसिंग को कैसे बदलते हैं। उन्होंने एक विशिष्ट सैद्धांतिक मॉडल पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ एक ब्लैक होल एक ऐसे तरल से घिरा हुआ है जो विभिन्न दिशाओं में असमान दबाव डालता है, जो पदार्थ की एक ऐसी अवस्था है जो चरम ब्रह्मांडीय स्थितियों में उत्पन्न हो सकती है। उन्होंने एक समान प्लाज्मा की उपस्थिति पर भी विचार किया, जो तारों के बीच के अंतरिक्ष में पाए जाने वाले आयनित गैस के समान है, जो इस बात को बदल देता है कि प्रकाश इसके माध्यम से कैसे यात्रा करता है। विद्युत आवेश, इस एनिसोट्रोपिक तरल और प्लाज्मा के प्रभावों को मिलाकर, टीम ने गणना की कि इस तरह की वस्तु के पास से गुजरते समय प्रकाश कितना विचलित होगा। इसके बाद उन्होंने अपने सैद्धांतिक अनुमानों की तुलना गैलेक्सी-स्केल लेंसों के वास्तविक अवलोकनों के साथ की, विशेष रूप से स्लोन लेंस ACS सर्वे (Sloan Lens ACS Survey) से प्राप्त डेटा का उपयोग करते हुए, जिसने विशाल अग्रभूमि आकाशगंगाओं द्वारा उत्पन्न दूरस्थ आकाशगंगाओं की विकृत छवियों का मानचित्रण किया है।
शोधकर्ताओं ने पाया कि एनिसोट्रोपिक मैटर की उपस्थिति प्रकाश के मुड़ने के तरीके में एक विशिष्ट, निरंतर बदलाव पैदा करती है, चाहे प्रकाश केंद्र से कितनी भी दूर से क्यों न गुजरे। यह प्रभाव ब्लैक होल के आसपास के स्थान में एक ज्यामितीय "कमी" (डेफिसिट) के कारण होता है, जो एक सूक्ष्म वक्रता है जो वस्तु के चारों ओर के कुल कोण को एक पूर्ण वृत्त से थोड़ा कम बना देती है। जब उन्होंने इस मॉडल को दो विशिष्ट गैलेक्सी लेंसों के वास्तविक डेटा पर लागू किया, तो अवलोकनों ने इस बात पर बहुत सख्त सीमाएं लगा दीं कि इस प्रकार के एनिसोट्रोपिक मैटर की मात्रा लेंसिंग वस्तु के चारों ओर कितनी हो सकती है। डेटा ने दिखाया कि इस विशेष तरल की मात्रा अविश्वसनीय रूप से कम होनी चाहिए, जो कुल द्रव्यमान प्रभाव के कुछ दस लाखवें हिस्से से भी कम है, अन्यथा प्रकाश के देखे गए छल्ले इतने बड़े होते कि वे वास्तव में खगोलविदों द्वारा देखे जाने वाले छल्लों से मेल नहीं खाते। यह परिणाम बताता है कि यदि इस प्रकार का विलक्षण पदार्थ इन ब्रह्मांडीय लेंसों के चारों ओर मौजूद है, तो यह इतनी कम मात्रा में है कि इसे वर्तमान ऑप्टिकल अवलोकनों द्वारा पता नहीं लगाया जा सकता।
इसके विपरीत, अध्ययन ने खुलासा किया कि ब्लैक होल के विद्युत आवेश और आसपास के प्लाज्मा का सर्वे में उपयोग की जाने वाली आवृत्तियों (फ्रीक्वेंसी) पर लेंसिंग छवियों पर लगभग कोई पता लगाने योग्य प्रभाव नहीं पड़ता है। विद्युत आवेश का प्रभाव इतना कमजोर है कि यह अन्य गुरुत्वाकर्षण प्रभावों के नीचे दब जाता है, जबकि प्लाज्मा का प्रभाव दृश्य प्रकाश के उच्च आवृत्तियों पर नगण्य है। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि प्लाज्मा प्रकाश के मुड़ने को केवल तभी महत्वपूर्ण रूप से बदल सकता है जब अवलोकन बहुत कम रेडियो आवृत्तियों पर किए जाएं, जहाँ प्रकाश तरंगों और आवेशित कणों के बीच परस्पर क्रिया बहुत मजबूत हो जाती है। चूंकि सर्वे का डेटा ऑप्टिकल टेलीस्कोपों का उपयोग करके एकत्र किया गया था, इसलिए प्लाज्मा के प्रभाव प्रभावी रूप से अदृश्य थे, जिसका अर्थ है कि वर्तमान अवलोकनों का उपयोग इन लेंसों के आसपास प्लाज्मा के घनत्व को मापने के लिए नहीं किया जा सकता है।
अंततः, यह कार्य प्रदर्शित करता है कि ब्लैक होल के आसपास के स्थान की ज्यामिति उसके आसपास मौजूद पदार्थ के प्रकार के प्रति संवेदनशील होती है। जबकि विद्युत आवेश और प्लाज्मा वातावरण ऑप्टिकल दृष्टि से छिपे रहते हैं, एनिसोट्रोपिक मैटर का विशिष्ट संकेत आइंस्टीन रिंग (Einstein ring)—जो एक बैकग्राउंड स्रोत के लेंस के साथ पूरी तरह से संरेखित होने पर बनने वाला प्रकाश का चमकीला घेरा है—के आकार पर एक स्पष्ट, मापने योग्य निशान छोड़ता है। स्लोन लेंस ACS सर्वे से इन रिंगों के सटीक मापों का उपयोग करके, टीम ने स्थापित किया कि ब्रह्मांड में अध्ययन किए गए लेंसों के चारों ओर इस विशिष्ट प्रकार के एनिसोट्रोपिक तरल की बड़ी मात्रा मौजूद नहीं है। उनके निष्कर्ष गुरुत्वाकर्षण और पदार्थ के सिद्धांतों का परीक्षण करने का एक नया तरीका प्रदान करते हैं, यह दिखाते हुए कि अंतरिक्ष के सबसे सूक्ष्म विरूपणों को भी दूरस्थ आकाशगंगाओं से आने वाले प्रकाश को देखकर सीमित किया जा सकता है।
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