A new regime of the C-metric: Super accelerating black holes

ब्लैक होल को अक्सर ब्रह्मांड की सबसे एकाकी वस्तुओं के रूप में कल्पना की जाती है, जो अंधेरे के विशाल गोले हैं जो अपने आस-पास की हर चीज़ को निगल लेते हैं। लेकिन सैद्धांतिक भौतिकी के क्षेत्र में, वे एक ब्रह्मांडीय खींचतान (tug-of-war) का विषय भी हो सकते हैं। एक ऐसे ब्लैक होल की कल्पना करें जो स्थिर नहीं है, बल्कि अत्यधिक बल के साथ अंतरिक्ष में खींचा जा रहा है। यह कोई विज्ञान कथा परिदृश्य नहीं है, बल्कि आइंस्टीन के समीकरणों के एक समाधान द्वारा वर्णित एक गणितीय वास्तविकता है जिसे 'C-मेट्रिक' के रूप में जाना जाता है। दशकों से, भौतिकविदों ने इन त्वरित (accelerating) ब्लैक होल का अध्ययन किया है, उन्हें अदृश्य ब्रह्मांडीय धागों (cosmic strings) द्वारा खींची जाने वाली या ब्रह्मांडीय स्ट्रट्स (cosmic struts) द्वारा धकेली जाने वाली वस्तुओं के रूप में माना है। हालाँकि, इन वस्तुओं की गति की एक सीमा मानी जाती थी। यदि त्वरण बहुत अधिक हो जाता, तो गणित विफल होता प्रतीत होता था, जिससे यह संकेत मिलता कि यह परिदृश्य असंभव है। एक नया अध्ययन इस लंबे समय से चली आ रही सीमा को चुनौती देता है, यह अन्वेषण करते हुए कि क्या होता है जब एक ब्लैक होल इतनी तीव्रता से त्वरित होता है कि वह "सुपर एक्सेलेरेटिंग" (अति-त्वरित) अवस्था में प्रवेश कर जाता है, जिससे ब्रह्मांड की एक छिपी हुई संरचना प्रकट होती है जिसे पहले अनदेखा किया गया था।

शोधकर्ता, लिस्बन विश्वविद्यालय के फ्रांसिस्को सिल्वा, ने एक आवेशित (charged) ब्लैक होल मॉडल का उपयोग करके इन चरम स्थितियों की जांच करने का लक्ष्य रखा। मानक भौतिकी में, एक ब्लैक होल का एक 'इवेंट होराइजन' (घटना क्षितिज) होता है, जो वापसी का एक बिंदु है, और अक्सर इसके भीतर गहराई में एक आंतरिक क्षितिज होता है। जब एक ब्लैक होल त्वरित होता है, तो त्वरण के कारण एक तीसरा क्षितिज प्रकट होता है। आमतौर पर, वैज्ञानिक मानते थे कि त्वरण क्षितिज को ब्लैक होल के इवेंट होराइजन के बाहर रहना चाहिए। सिल्वा ने पूछा कि क्या होगा यदि त्वरण इतना तीव्र हो जाए कि यह क्षितिज ब्लैक होल के भीतर प्रवेश कर जाए, और प्रभावी रूप से इवेंट होराइजन के साथ अपनी जगह बदल ले। उन्होंने पाया कि हालांकि यह एक ऐसा क्षेत्र बनाता है जहाँ स्थान और समय के सामान्य नियम बदलते हुए प्रतीत होते हैं, फिर भी यह परिदृश्य असंभव नहीं है। इसके बजाय, इसके लिए ब्लैक होल के चारों ओर के स्थान की ज्यामिति (geometry) को देखने के तरीके में एक मौलिक परिवर्तन की आवश्यकता होती है।

इस अराजक क्षेत्र को समझने के लिए, शोधकर्ता को यह महसूस हुआ कि उन्हें अपना दृष्टिकोण सीमित करना होगा। सामान्य स्थान में, आप एक गोले के चारों ओर किसी भी दिशा में देख सकते हैं। लेकिन इस सुपर एक्सेलेरेटिंग अवस्था में, गणित दर्शाता है कि कुछ दिशाओं में देखने से भौतिक असंभवताएं, जैसे कि 'टाइम लूप्स' (समय चक्र), उत्पन्न होती हैं। समाधान यह था कि उन दिशाओं को काट दिया जाए, जिससे दृश्य आकाश प्रभावी रूप से एक छोटे हिस्से में सिमट गया। यह प्रतिबंध एक नया सीमा बनाता है, जो आकाश में एक प्रकार की अदृश्य दीवार है जो सममिति के एक नए अक्ष (axis of symmetry) के रूप में कार्य करता है। यह पदार्थ से बनी कोई भौतिक बाधा नहीं है, बल्कि एक सीमा है कि कहाँ तक का स्थान तर्कसंगमित रहता है। शोधकर्ता ने प्रदर्शित किया कि प्रकाश और पदार्थ इस सीमा को सीमित समय में पार नहीं कर सकते, जिसका अर्थ है कि इसके परे का क्षेत्र भीतर के सुलभ क्षेत्र के लिए हमेशा के लिए पहुँच से बाहर है।

ज्यामिति में यह परिवर्तन ब्लैक होल की पहचान के लिए गहरे परिणाम रखता है। मानक दृष्टिकोण में, ब्लैक होल का द्रव्यमान एक निश्चित गुण है जो इस बात से निर्धारित होता है कि इसमें कितना पदार्थ शामिल है। हालाँकि, इस सुपर एक्सेलेरेटिंग शासन में, शोधकर्ता ने पाया कि द्रव्यमान अलग तरह से व्यवहार करता है। जब उन्होंने गुरुत्वाकर्षण खिंचाव को ध्यान में रखते हुए एक विशिष्ट विधि का उपयोग करके द्रव्यमान की गणना की, तो उन्हें एक चौंकाने वाला परिणाम मिला: द्रव्यमान पूरी तरह से त्वरण पर निर्भर करता है, न कि उस पदार्थ की मात्रा पर जिससे ब्लैक होल बना है। वास्तव में, यदि त्वरण पर्याप्त उच्च है, तो गणना किया गया द्रव्यमान केवल इस बात से निर्धारित एक सरल मान बन जाता है कि ब्लैक होल को कितनी तेजी से खींचा जा रहा है। यह सुझाव देता है कि इन चरम स्थितियों में, गति की ऊर्जा स्वयं वस्तु की पहचान पर हावी हो जाती है, जो ब्लैक होल के मूल के द्रव्यमान को गौण कर देती है।

अध्ययन ने इस बात की भी जांच की कि क्या होता है जब ब्लैक होल को उसकी अंतिम सीमा तक धकेला जाता है, जिसे "एक्स्ट्रीमल" (extremal) अवस्था कहा जाता है। इस अवस्था में, ब्लैक होल के क्षितिज आपस में मिल जाते हैं, जिससे एक अद्वितीय, स्थिर ज्यामिति बनती है। शोधकर्ता ने पाया कि सुपर एक्सेलेरेटिंग शासन पूरी तरह से नए प्रकार के इन चरम राज्यों को उत्पन्न करता है। सबसे आश्चर्यजनक खोजों में से एक वह विन्यास (configuration) था जहाँ ब्लैक होल की सममिति पूरी तरह से बदल जाती है। परिचित गोलाकार आकार के बजाय, क्षितिज के पास की ज्यामिति हाइपरबोलिक (hyperbolic) हो जाती है, जो एक गेंद के बजाय एक 'सैडल' (काठी) की तरह मुड़ती है। यह हाइपरबोलिक सममिति ब्लैक होल भौतिकी की एक दुर्लभ विशेषता है और यह सुझाव देती है कि ब्रह्मांड मानक मॉडलों की तुलना में कहीं अधिक जटिल आकार और संरचनाओं का समर्थन कर सकता है।

ज्यामिति के अलावा, शोधकर्ता ने इस त्वरण को संचालित करने वाले बलों की भी जांच की। मानक मॉडल में, एक ब्लैक होल को एक ब्रह्मांडीय धागे या स्ट्रट द्वारा त्वरित किया जाता है, जिसे स्पेस-टाइम में एक तनाव (tension) के रूप में माना जा सकता है। सुपर एक्सेलेरेटिंग शासन में, शोधकर्ता ने पाया कि ये बल अधिक जटिल हो जाते हैं। ब्लैक होल के विन्यास के आधार पर, इस पर एक साथ कई धागे और स्ट्रट्स कार्य कर सकते हैं, जिनमें से कुछ नए कोणीय सीमाओं के पीछे छिपे होते हैं। शोधकर्ता ने उल्लेख किया कि जबकि इनमें से एक बल को स्थान को सुचारू बनाने के लिए हटाया जा सकता है, अन्य बने रहते हैं, जो इस चरम त्वरण को बनाए रखने के लिए तनाव का एक उलझा हुआ जाल बनाते हैं। उन्होंने यह भी दिखाया कि यदि एक नकारात्मक कॉस्मोलॉजिकल कांस्टेंट (ब्रह्मांडीय स्थिरांक) पेश किया जाता है—जो ब्रह्मांड के विस्तार से संबंधित एक अवधारणा है—तो ऐसे विन्यास बनाना संभव है जहाँ ब्लैक होल का कोई क्षितिज ही नहीं होगा, जिससे एक 'नेकेड सिंगुलैरिटी' (नग्न विलक्षणता) ब्रह्मांड के सामने उजागर हो जाएगी, जो हमारी ब्रह्मांडीय सुरक्षा की समझ को चुनौती देता है।

इस कार्य के निहितार्थ केवल एक अजीब गणितीय वस्तु का वर्णन करने तक ही सीमित नहीं हैं। शोधकर्ता बताते हैं कि ये सुपर एक्सेलेरेटिंग शासन ब्लैक होल की स्थिरता और उनके कंपन को समझने की कुंजी हो सकते हैं। वे सुझाव देते हैं कि इन नियमों में नए प्रकार की तरंगें, जिन्हें 'क्वासिनॉर्मल मोड्स' (quasinormal modes) कहा जाता है, मौजूद हो सकती हैं, जो गुरुत्वाकर्षण के नियमों का परीक्षण करने का एक नया तरीका प्रदान करती हैं। इसके अलावा, यह अध्ययन ऊष्मागतिकी (thermodynamics) के नियमों पर गहरे प्रश्न उठाता है। यदि एक ब्लैक होल सामान्य अवस्था से सुपर एक्सेलेरेटिंग अवस्था में परिवर्तित हो सकता है, तो इसकी टोपोलॉजी—इसके स्थान का आकार—अचानक बदलना होगा। यह इस विचार को चुनौती देता है कि ऐसा संक्रमण सुचारू रूप से हो सकता है, जो संकेत देता है कि ब्रह्मांड के पास सख्त नियम हो सकते हैं जो ब्लैक होल को इन चरम गतियों तक पहुँचने से रोकते हैं।

अंततः, यह शोध पत्र यह दावा नहीं करता कि उसने आकाश में एक सुपर एक्सेलेरेटिंग ब्लैक होल खोज लिया है। इसके बजाय, इसने उस सैद्धांतिक परिदृश्य का मानचित्र तैयार किया है जहाँ ऐसा पिंड अस्तित्व में हो सकता है, यह दिखाते हुए कि ब्रह्मांड पहले की तुलना में अधिक लचीला है। समीकरणों के मापदंडों को उनकी टूटने की सीमा तक धकेलकर, शोधकर्ता ने ब्लैक होल की कहानी में एक नया अध्याय खोल दिया है। उन्होंने दिखाया है कि जब त्वरण चरम पर होता है, तो स्थान, समय और द्रव्यमान की मूल प्रकृति बदल जाती है, जिससे वास्तविकता की एक छिपी हुई परत प्रकट होती है जहाँ ब्रह्मांड की ज्यामिति को फिर से लिखा जाता है। यह कार्य भविष्य के अन्वेषण के द्वार खुले छोड़ता है, वैज्ञानिकों को इन विचारों को ऊष्मागतिकी के नियमों के विरुद्ध परखने और इन विलक्षण पिंडों द्वारा छोड़े जाने वाले अद्वितीय संकेतों को सुनने के लिए आमंत्रित करता है।