Hybrid Stars with Different Amount of Quark Matter
यह शोध पत्र हाइब्रिड स्टार समीकरणों के अवस्था (SmallQ) का एक नया सेट प्रस्तुत करता है जो अधिकतम द्रव्यमान वाले न्यूट्रॉन सितारों के लिए बड़े क्वार्क कोर होने की आवश्यकता को शिथिल करता है, जिसके परिणामस्वरूप पिछले प्रतिबंधों की तुलना में उच्च चरण संक्रमण घनत्व, छोटे त्रिज्या और NICER एवं GW190817 अवलोकनों के साथ बेहतर अनुकूलता वाले मॉडल प्राप्त होते हैं।
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ब्रह्मांड की गहराइयों में, किसी भी दूरबीन या अंतरिक्ष यान की पहुंच से बहुत दूर, ब्रह्मांड की सबसे चरम प्रयोगशालाएं स्थित हैं: न्यूट्रॉन तारे। ये विशाल तारों के ढहे हुए केंद्र हैं, जो इतने दब गए हैं कि उनके पदार्थ का एक छोटा सा चम्मच एक पहाड़ जितना वजन रखेगा। इन तारकीय अवशेषों के भीतर, पदार्थ को इतनी मजबूती से दबाया जाता है कि यह रोजमर्रा के जीवन में देखे जाने वाले नियमों को चुनौती देता है। बिल्कुल केंद्र में, जहाँ दबाव अकल्पनीय है, परमाणु स्वयं टूट सकते हैं। प्रोटॉन और न्यूटन, जो आमतौर पर पदार्थ को एक साथ थामे रखते हैं, उनके छोटे निर्माण खंडों, जिन्हें क्वार्क कहा जाता है, के सूप में घुल सकते हैं। पदार्थ की यह काल्पनिक अवस्था, जहाँ क्वार्क कणों के भीतर बंद रहने के बजाय स्वतंत्र रूप से घूमते हैं, 'क्वार्क मैटर' कहलाती है। यदि यह अस्तित्व में है, तो यह एक हाइब्रिड तारा बनाएगा—एक कॉस्मिक वस्तु जिसका केंद्र विलक्षण क्वार्क मैटर का होगा और जिसके चारों ओर सामान्य परमाणु पदार्थ का एक आवरण होगा। क्या ये तारे अस्तित्व में हैं, और वे कैसे दिखते हैं, इसे समझना आधुनिक खगोल भौतिकी की बड़ी चुनौतियों में से एक है, क्योंकि यह प्रकट करेगा कि प्रकृति सबसे तीव्र संभव स्थितियों के तहत कैसे व्यवहार करती है।
वर्षों से, वैज्ञानिक इन मॉडलों को वास्तविक दुनिया के अवलोकनों के साथ जोड़कर इन तारों की आंतरिक संरचना को समझने की कोशिश कर रहे हैं। उनके पास दूरबीनों से प्राप्त डेटा है जो न्यूट्रॉन तारों की सतहों से टकराकर परावर्तित होने वाली एक्स-रे (X-rays) पर नज़र रखती हैं, और उनके पास गुरुत्वाकर्षण तरंग डिटेक्टरों से प्राप्त डेटा है जो दो न्यूट्रॉन तारों के टकराने से उत्पन्न स्पेस-टाइम की लहरों को सुनते हैं। हाल ही में एक अध्ययन में, पुर्तगाल के यूनिवर्सिटी ऑफ कोइम्ब्रा के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस पहेली को फिर से देखा। उन्होंने पहले मॉडलों का एक सेट बनाया था जो सुझाव देता था कि सबसे भारी न्यूट्रॉन तारों में इस विलक्षण क्वार्क मैटर के बड़े कोर होने चाहिए। हालाँकि, उनके नए काम ने एक अलग प्रश्न पूछा: क्या होगा यदि क्वार्क कोर बहुत छोटे हों, या शायद बिल्कुल भी मौजूद न हों? बड़े कोर होने की सख्त आवश्यकता को हटाकर, उन्होंने संभावनाओं का एक नया सेट तैयार किया जो नवीनतम खगोलीय मापों के साथ बहुत बेहतर ढंग से मेल खाता है।
शोधकर्ताओं ने हजारों संभावित परिदृश्यों को छानने के लिए एक शक्तिशाली सांख्यिकीय पद्धति का उपयोग किया। उन्होंने अपने मॉडलों के लिए दो मुख्य सामग्रियां लेकर शुरुआत की: एक तारे की बाहरी परतों में पाए जाने वाले सामान्य पदार्थ का विवरण, और केंद्र में संभावित क्वार्क मैटर का एक विवरण। फिर उन्होंने इन मॉडलों का परीक्षण वास्तविक दुनिया के डेटा की एक कठोर चेकलिस्ट के विरुद्ध किया। इस चेकलिस्ट में परमाणु पदार्थ के ज्ञात गुण, NICER एक्स-रे टेलीस्कोप द्वारा देखे गए कई विशिष्ट न्यूट्रॉन तारों के सटीक द्रव्यमान और आकार, और LIGO और Virgo वेधशालाओं द्वारा पता लगाए गए दो न्यूट्रॉन तारों के बीच टकराव का विवरण शामिल था। अपने पिछले कार्य में, उन्होंने मॉडलों को बड़े क्वार्क कोर वाले तारे बनाने के लिए मजबूर किया था, जिसने सामान्य पदार्थ से क्वार्क पदार्थ में संक्रमण को अपेक्षाकृत कम घनत्व पर होने के लिए प्रेरित किया था। इस नए अध्ययन में, उन्होंने उस विशिष्ट प्रतिबंध को हटा दिया। उन्होंने अभी भी यह आवश्यक रखा कि सबसे भारी तारों के भीतर कुछ क्वार्क पदार्थ हो, लेकिन उन्होंने कोर के आकार को छोटा से लेकर बड़ा तक कुछ भी होने की अनुमति दी, जिससे डेटा यह तय कर सके कि सबसे अधिक संभावना क्या है।
इस नए दृष्टिकोण के परिणाम चौंकाने वाले थे। वे मॉडल जिनमें छोटे क्वार्क कोर की अनुमति थी, जिन्हें टीम ने "SmallQ" सेट नाम दिया, उन्होंने ऐसे न्यूट्रण तारे उत्पन्न किए जो उनके पिछले मॉडलों की तुलना में त्रिज्या में थोड़े छोटे और कम विरूपणीय (deformable) थे। इसने नए मॉडलों को NICER टेलीस्कोप और गुरुत्वाकर्षण तरंग डेटा से वास्तविक अवलोकनों के लिए बहुत बेहतर फिट बनाया। पिछले मॉडलों में, जिनमें बड़े कोर थे, क्वार्क पदार्थ में संक्रमण सामान्य परमाणु नाभिक के घनत्व के लगभग दो से ढाई गुना घनत्व पर हुआ था। नए, अधिक सफल मॉडलों में, यह संक्रमण तारे के बहुत गहरे हिस्से में चला गया, जो सामान्य परमाणु घनत्व के तीन से साढ़े चार गुना घनत्व के बीच होता है। संक्रमण में इस देरी का अर्थ है कि तारे का सामान्य पदार्थ वाला आवरण मोटा है, और विलक्षण कोर छोटा है या कुछ मामलों में, सबसे भारी तारों में भी लगभग गैर-मौजूद है।
चरण संक्रमण (phase transition) के समय में इस बदलाव ने तारों की आंतरिक संरचना को भी बदल दिया। बड़े कोर वाले मॉडलों में, क्वार्क पदार्थ अप (up) और डाउन (down) क्वार्कों द्वारा प्रधान था। नए मॉडलों में, जिनमें छोटे कोर थे, स्ट्रेंज (strange) क्वार्क—जो एक भारी प्रकार का क्वार्क है—का बहुत अधिक प्रचुर मात्रा में होना, कोर की संरचना में एक बड़ा हिस्सा बन गया। दिलचस्प बात यह है कि नए मॉडल बताते हैं कि कुछ सबसे भारी न्यूट्रॉन तारे, जिनका वजन हमारे सूर्य के द्रव्यमान का दोगुना है, उनमें बहुत कम या बिल्कुल भी क्वार्क पदार्थ नहीं हो सकता है। यह इस विचार को चुनौती देता है कि सबसे भारी तारों में अनिवार्य रूप से विलक्षण पदार्थ का प्रभुत्व होना चाहिए। इसके बजाय, यह सुझाव देता है कि क्वर्क पदार्थ में संक्रमण एक दुर्लभ घटना है जो केवल अत्यधिक दबाव के तहत होती है, या शायद हमने देखे गए कुछ सबसे भारी तारों में बिल्कुल भी नहीं होती है।
अध्ययन ने यह भी देखा कि न्यूट्रॉन तारे के द्रव्यमान में वृद्धि के साथ उसका आकार कैसे बदलता है। केवल सामान्य पदार्थ से बने तारों के लिए, तारा भारी होने पर त्रिज्या कम होने लगती है। विलक्षण पदार्थ वाले तारों के लिए, यह संबंध अधिक जटिल हो सकता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि उनके नए मॉडलों के सेट में, बड़ी संख्या में तारे अभी भी कम द्रव्यमान पर द्रव्यमान-त्रिज्या संबंध में एक सकारात्मक ढलान (positive slope) दिखाते हैं, जिसका अर्थ है कि वजन बढ़ने के साथ वे थोड़े बड़े होते जाते हैं। हालांकि, सूर्य के द्रव्यमान के 1.8 गुना द्रव्यमान पर, इन मॉडलों का विशाल बहुमत अपेक्षित व्यवहार की ओर लौट आता है, यानी सिकुड़ने लगता है। यह एक महत्वपूर्ण अंतर है क्योंकि उनके पिछले मॉडलों में, जिनमें बड़े कोर थे, उच्च द्रव्यमान पर भी एक सकारात्मक ढलान आम थी। तथ्य यह है कि नए मॉडल उच्च द्रव्यमान पर मानक सिकुड़ने वाले व्यवहार को दर्शाते हैं, जबकि वे अवलोकन संबंधी डेटा के साथ भी फिट बैठते हैं, यह सुझाव देता है कि देखे गए तारों की व्याख्या करने के लिए एक बड़े क्वार्क कोर की उपस्थिति आवश्यक नहीं है।
अंततः, यह कार्य ब्रह्मांड के सबसे घने पदार्थ के बारे में हमारी समझ को परिष्कृत करता है। क्वार्क कोर के आकार को बड़ा होने के बजाय स्वतंत्र रूप से बदलने की अनुमति देकर, शोधकर्ताओं ने मॉडलों का एक ऐसा सेट पाया जो ब्रह्मांड के प्रति हमारे अवलोकनों के साथ अधिक सुसंगत है। ये मॉडल सुझाव देते हैं कि यदि न्यूट्रॉन तारों के हृदय में क्वार्क पदार्थ मौजूद है, तो यह संभवतः केंद्र में एक छोटे क्षेत्र तक सीमित है, जो केवल तभी प्रकट होता है जब घनत्व चरम स्तर तक पहुँच जाता है। निष्कर्ष क्वार्क पदार्थ के अस्तित्व को खारिज नहीं करते हैं, लेकिन वे यह सुझाव देते हैं कि इस विलक्षण अवस्था में संक्रमण प्राप्त करना पहले की तुलना में अधिक कठिन है। जैसे-जैसे खगोलशास्त्री न्यूट्रॉन तारों के आकार और द्रव्यमान के बारे में अधिक सटीक डेटा एकत्र करते रहेंगे, ये परिष्कृत मॉडल एक महत्वपूर्ण मार्गदर्शक के रूप में कार्य करेंगे, जिससे यह निर्धारित करने में मदद मिलेगी कि क्या इन ब्रह्मांडीय दिग्गजों के कोर उन अजीब, स्वतंत्र रूप से घूमने वाले क्वार्कों से बने हैं जिनका लंबे समय से सिद्धांत दिया गया है, या वे पूरी तरह से परिचित पदार्थ से बने रहते हैं जिससे हमारी अपनी दुनिया बनी है।
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