Periodic orbits and gravitational-wave emission from extreme-mass-ratio inspirals around rotating charged black holes in nonlinear electrodynamics

हमारे ब्रह्मांड के गहरे हृदय में, जहाँ गुरुत्वाकर्षण इतना तीव्र है कि प्रकाश भी बाहर नहीं निकल सकता, ब्लैक होल स्थित हैं। दशकों से, गुरुत्वाकर्षण का प्रचलित सिद्धांत, जिसे सामान्य सापेक्षता (जनरल रिलेटिविटी) कहा जाता है, ने सुझाव दिया है कि ये वस्तुएं उल्लेखनीय रूप से सरल होती हैं। "नो-हेयर थ्योरम" नामक एक नियम के अनुसार, एक ब्लैक होल केवल तीन चीजों से परिभाषित होता है: यह कितना भारी है, यह कितनी तेजी से घूमता है, और इसमें कितना विद्युत आवेश (इलेक्ट्रिक चार्ज) समाहित है। इसके भीतर गिरने वाले पदार्थ की बाकी सब चीजें हमेशा के लिए खो जाती हैं, जिससे ब्लैक होल चिकना और निराकार रह जाता है। हालाँकि, यह सरल चित्र अधूरा हो सकता है। भौतिकी के कुछ आधुनिक सिद्धांत बताते हैं कि अत्यधिक परिस्थितियों में, ब्लैक होल अपने किनारों के पास छिपी हुई संरचनाओं या "बालों" (हेर) को धारण कर सकते हैं, जो हमारे वर्तमान ज्ञान को चुनौती देते हैं कि ब्रह्मांड कैसे काम करता है। इन विचारों का परीक्षण करने के लिए, वैज्ञानिक सबसे चरम गुरुत्वीय वातावरणों की तलाश करते हैं, जहाँ इन सिद्धांतों के सूक्ष्म प्रभाव अंततः दृश्यमान हो सकें।

गुइज़ौ यूनिवर्सिटी, चीन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस समस्या पर एक नया दृष्टिकोण अपनाया है, जिसमें उन्होंने सिम्युलेट किया कि क्या होता है जब एक छोटा, भारी पिंड एक विशाल, घूमने वाले ब्लैक होल की परिक्रमा करता है, जिसके पास एक विद्युत आवेश है और वह इलेक्ट्रोमैग्नेटिज्म के एक विशिष्ट, जटिल सिद्धांत का पालन करता है। 'नॉनलीनर इलेक्ट्रोडायनेमिक्स' के रूप में ज्ञात यह सिद्धांत बताता है कि ऐसे ब्लैक होल के आसपास के विद्युत क्षेत्र मानक बिजली की तुलना में अलग तरह से व्यवहार करते हैं, जो संभावित रूप से उनके इवेंट होराइजन के पास एक "लयबद्ध/बालों वाली" (हेयरी) संरचना बना सकते हैं। शोधकर्ताओं ने एक परिदृश्य पर ध्यान केंद्रित किया जिसे 'एक्सट्रीम-मास-रेशियो इन्स्पायरल' कहा जाता है, जहाँ एक सघन पिंड, जैसे कि न्यूट्रॉन स्टार, एक सुपरमैसिव ब्लैक होल की ओर धीरे-धीरे अंदर की ओर बढ़ता है, और ऊर्जा को गुरुत्वाकर्षण तरंगों के रूप में उत्सर्जित करता है। इस नृत्य को एक ऐसे ब्रह्मांड में मॉडल करके, जहाँ ब्लैक होल में ये अतिरिक्त "बाल" विशेषताएं मौजूद हैं, उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या परिणामी गुरुत्वाकर्षण तरंगें एक मानक, निराकार ब्लैक होल द्वारा उत्पन्न तरंगों से भिन्न दिखेंगी।

टीम ने इस विशेष प्रकार के ब्लैक होल के चारों ओर के स्थान का एक विस्तृत मानचित्र बनाकर शुरुआत की। उन्होंने पाया कि अतिरिक्त विद्युत आवेश और गैररेखीय इलेक्ट्रोमैग्नेटिज्म के विशिष्ट नियम ब्लैक होल से दूर के ब्रह्मांड को नहीं बदलते हैं, जो परिचित और समतल रहता है। हालांकि, ब्लैक होल के किनारे के बहुत करीब, अंतरिक्ष की ज्यामिति काफी बदल जाती है। ये परिवर्तन एक अदृश्य हाथ की तरह कार्य करते हैं, जो परिक्रमा करने वाले पिंडों के पथ को मानक परिदृश्य की तुलना में ब्लैक होल के अधिक निकट धकेलते हैं। जब शोधकर्ताओं ने टेस्ट पार्टिकल्स (परीक्षण कणों) की कक्षाओं की गणना की, तो उन्होंने पाया कि ब्लैक होल का स्पिन और उसका विद्युत आवेश दोनों मिलकर स्थिर कक्षाओं के उपलब्ध स्थान को कम कर देते हैं। जैसे-जैसे आवेश बढ़ता है, वह क्षेत्र जहाँ एक कण सुरक्षित रूप से बिना गिरे ब्लैक होल के चक्कर लगा सकता है, छोटा और आंतरिक दिशा में खिसक जाता है। इसका अर्थ यह है कि इन विशिष्ट गुणों वाले ब्लैक होल के लिए, निकटतम सुरक्षित कक्षा एक सामान्य ब्लैक होल की तुलना में बहुत अधिक तंग होती है।

पूरा चित्र समझने के लिए, वैज्ञानिकों ने इन कक्षाओं के लिए आवश्यक ऊर्जा और संवेग का मानचित्र तैयार किया। उन्होंने पाया कि विद्युत आवेश की उपस्थिति संभव कक्षाओं की सीमा को दबा देती है, जिससे कणों के लिए एक स्थिर पथ बनाए रखना कठिन हो जाता है। ब्लैक होल जितना अधिक घूमेगा और उसमें जितना अधिक आवेश होगा, यह "दबाव" वाला प्रभाव उतना ही तीव्र होगा। यह संपीड़न कणों को गति की एक संकीकर पट्टी में मजबूर करता है, जिससे वे खतरनाक रूप से इवेंट होराइजन के करीब पहुँच जाते हैं। शोधकर्ताओं ने उस सटीक बिंदु की पहचान की जहाँ एक स्थिर कक्षा असंभव हो जाती है, जिसे 'इनरमोस्ट स्टेबल सर्कुलर ऑर्बिट' कहा जाता है। उनके सिमुलेशन में, यह महत्वपूर्ण सीमा आवेश और स्पिन बढ़ने के साथ ब्लैक होल के करीब चली जाती है, जिससे यह संकेत मिलता है कि कण मानक सिद्धांतों की भविष्यवाणी की तुलना में अधिक तेज़ी से और हिंसक रूप से अंदर की ओर गिरेंगे।

इसके बाद अध्ययन ने इन कक्षाओं के विशिष्ट आकारों पर ध्यान केंद्रित किया। ब्लैक होल के पास के प्रबल गुरुत्वाकर्षण में, कक्षाएँ पूर्ण वृत्त नहीं होतीं; वे जटिल, लूप बनाने वाले मार्ग होते हैं जो चलते समय आगे-पीछे (प्रीसेस) होते रहते हैं। शोधकर्ताओं ने इन मार्गों को वर्गीकृत करने के लिए गिनती की एक प्रणाली का उपयोग किया, यह देखते हुए कि एक कण ब्लैक होल के चारों ओर कितने बार घूमता है बनाम वह कितनी बार अंदर-बाहर चलता है। उन्होंने पाया कि विद्युत आवेश इन लूपों की लय को बदल देता है। जैसे-जैसे आवेश बढ़ता है, कण प्रत्येक इन-एंड-आउट चक्र के लिए ब्लैक होल केรอบ कम घुमाव पूरे करता है। ताल में यह बदलाव ब्लैक होल के छिपे हुए "बालों" का सीधा प्रमाण है। सिमुलेशन ने दिखाया कि जैसे-जैसे आवेश बढ़ता है, कक्षाएं ब्लैक होल के पास अधिक कसकर लिपटी हुई हो जाती हैं, जिससे गति का एक स्पष्ट पैटर्न बनता है जो एक मानक, बिना आवेश वाले ब्लैक होल के आसपास की कक्षाओं से स्पष्ट रूप से भिन्न है।

अंत में, टीम ने उन गुरुत्वाकर्षण तरंगों की गणना की जो इन सर्पिल करती वस्तुओं द्वारा उत्सर्जित होंगी। गुरुत्वाकर्षण तरंगें स्पेस-टाइम की लहरें हैं जो द्रव्यमान वाली वस्तुओं की गति के बारे में जानकारी ले जाती हैं। शोधकर्ताओं ने इन विशिष्ट, आवेश-परिवर्तित कक्षाओं वाले कणों द्वारा उत्पादित संकेतों का अनुकरण किया। उन्होंने पाया कि ब्लैक होल का "बाल" (हेर) तरंगों पर एक स्पष्ट छाप छोड़ता है। विद्युत आवेश तरंग पैटर्न के समग्र आकार या दीर्घकालिक लय को नहीं बदलता है, जो कक्षा के बुनियादी आकार द्वारा निर्धारित होता है। इसके बजाय, यह उस पैटर्न के भीतर व्यक्तिगत स्पंदनों (पल्स) की शक्ति और समय को बदल देता है। उच्च आवेश के परिणामस्वरूप मजबूत, तीक्ष्ण पल्स प्राप्त होते हैं क्योंकि कण को ब्लैक होल के और करीब जाने के लिए मजबूर किया जाता है, जहाँ गुरुत्वाकर्षण खिंचाव सबसे तीव्र होता है। इसके अलावा, इन स्पंदनों का समय थोड़ा बदल जाता है, जो एक मानक ब्लैक होल से निकलने वाली तरंगों की तुलना में मापने योग्य देरी पैदा करता है।

शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि ये अंतर इतने महत्वपूर्ण हैं कि भविष्य के अंतरिक्ष-आधारित वेधशालाओं, जैसे कि LISA, TianQin, और Taiji द्वारा पकड़े जा सकते हैं, जिन्हें इन मंद कॉस्मिक लहरों को सुनने के लिए डिज़ाइन किया गया है। इन गुरुत्वाकर्षण तरंगों के सटीक समय और शक्ति का विश्लेषण करके, वैज्ञानिक संभावित रूप से एक मानक ब्लैक होल और इन विचित्र "हेयरी" विशेषताओं वाले ब्लैक होल के बीच अंतर कर सकते हैं। इससे वैज्ञानिकों को नो-हेयर थ्योरम का परीक्षण करने और भौतिकविदों को यह तय करने में मदद मिल सकती है कि क्या ब्रह्मांड का वर्णन करने के लिए नॉनलीनर इलेक्ट्रोडायनेमिक्स के जटिल सिद्धांतों की आवश्यकता है। यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि भौतिक विज्ञान के मौलिक नियमों में सूक्ष्म परिवर्तन भी गुरुत्वाकर्षण तरंगों में एक मुखर, स्पष्ट हस्ताक्षर छोड़ सकते हैं, जो ब्लैक होल के गहरे रहस्यों को टटोलने का एक नया तरीका प्रदान करता है।