Hybrid Stars with a Crossover Equation of State

ब्रह्मांड की सबसे चरम वस्तुओं के भीतर, जहाँ गुरुत्वाकर्षण पदार्थ को ऐसी घनत्व तक कुचलता है जो कहीं और नहीं पाया जाता, वहाँ भौतिकी के नियम जिन्हें हम जानते हैं, धुंधले होने लगते हैं। न्यूट्रॉन तारे, मृत सितारों के ढहे हुए कोर, इतने घने होते हैं कि उनके पदार्थ का एक चम्मच पृथ्वी पर एक अरब टन वजन रखेगा। दशकों से, वैज्ञानिक इस बात पर बहस कर रहे हैं कि इस पदार्थ को बनाने वाले प्रोटॉन और न्यूट्रॉन इतने भीषण दबाव में क्या करते हैं। प्रचलित प्रश्न यह है कि क्या ये कण अपने मूल भागों के रूप में बरकरार रहते हैं या वे क्वार्क (quarks) के रूप में जाने जाने वाले एक सूप में घुल जाते हैं। ठोस परमाणु पदार्थ से मुक्त क्वार्क के तरल में यह संक्रमण एक मौलिक रहस्य है, और इसे समझना महत्वपूर्ण है क्योंकि एक तारे की आंतरिक संरचना उसके आकार, उसके वजन और उसके घूमने या दूसरे तारे से टकराने के व्यवहार को निर्धारित करती है।

यूनान के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस समस्या पर एक नया दृष्टिकोण अपनाया है, जिसमें साधारण परमाणु पदार्थ से इस विलक्षण क्वार्क अवस्था तक की यात्रा को मॉडल करने का एक नया तरीका प्रस्तावित किया गया है। यह मानते हुए नहीं कि संक्रमण एक अचानक स्विच या एक तीखे सीमा की तरह होता है, वे सुझाव देते हैं कि यह एक सहज, क्रमिक मिश्रण है। उनका कार्य एक विशिष्ट गणितीय उपकरण पर केंद्रित है जिसे "स्विचिंग फंक्शन" (switching function) कहा जाता है, जो एक ऑन-ऑफ बटन के बजाय एक डिमर स्विच (dimmer switch) की तरह कार्य करता है। यह उपकरण उन्हें सामान्य पदार्थ की भौतिकी को क्वार्क पदार्थ की भौतिकी के साथ एक निरंतर तरीके से मिलाने की अनुमति देता है, जिससे उन कृत्रिम उछालों से बचा जा सके जिनकी पुराने मॉडलों को अक्सर आवश्यकता होती थी। इस मिश्रण को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, उन्होंने नियमों का एक नया सेट तैयार किया है जो इन सितारों के भीतर पदार्थ के व्यवहार का वर्णन करता है, जो हाल ही में खगोलविदों द्वारा देखे गए कुछ सबसे अजीब, सबसे छोटे और सबसे हल्के न्यूट्रॉन सितारों की व्याख्या करने का एक तरीका प्रदान करता है।

शोधकर्ताओं ने पहले एक विस्तृत मानचित्र बनाने से शुरुआत की कि सामान्य परमाणु पदार्थ कैसे व्यवहार करता है। उन्होंने एक ऐसा मॉडल उपयोग किया जो प्रोटॉन और न्यूरोन के बीच के संतुलन को ध्यान में रखता है, जिसे 'सिमेट्री एनर्जी' (symmetry energy) के रूप में जाना जाता है, जो यह बदलता है कि दबाव के तहत पदार्थ कितना सख्त या नरम महसूस होता है। फिर उन्होंने इसे क्वार्क पदार्थ के विवरण के साथ जोड़ा, विशेष रूप से एक ऐसी अवस्था जहाँ क्वार्क एक विशेष, सुपरकंडक्टिंग व्यवस्था में बंधे होते हैं। चुनौती इन दो बहुत अलग वर्णनों को बिना किसी टूटन के जोड़ने की थी जहाँ भौतिकी विफल हो जाए। इसे हल करने के लिए, उन्होंने अपना सहज स्विचिंग फंक्शन पेश किया, जो घनत्व बढ़ने के साथ एक प्रकार के पदार्थ से दूसरे प्रकार के पदार्थ के विवरण को धीरे-धीरे बदलता है।

उनके कार्य का एक प्रमुख हिस्सा यह तय करना था कि इस स्विच के नियंत्रणों को ठीक से कैसे सेट किया जाए। उन्होंने दो मुख्य सेटिंग्स की पहचान की जो यह निर्धारित करती हैं कि संक्रमण कैसे होता है। पहला सेटिंग 'केमिकल पोटेंशियल' (chemical potential) को नियंत्रित करती है, जो ऊर्जा का एक माप है जिस पर स्विच शुरू होता है। दूसरा सेटिंग यह नियंत्रित करता है कि स्विच कितनी तेजी से एक अवस्था से दूसरी अवस्था में बदलता है। टीम ने पाया कि मॉडल के भौतिक रूप से काम करने के लिए, स्विच को उस बिंदु के बहुत करीब शुरू होना चाहिए जहाँ दोनों प्रकार के पदार्थ स्वाभाविक रूप से ऊर्जा के स्तर पर मिलते हैं। इसके अलावा, स्विच को एक विशिष्ट, मध्यम गति से बदलना चाहिए; यदि यह बहुत धीरे बदलता है, तो मॉडल क्वार्क पदार्थ के व्यवहार को पकड़ने में विफल रहता है, और यदि यह बहुत तेजी से बदलता है, तो यह उन तीखी सीमाओं को फिर से पेश कर देता है जिनसे वे बचना चाह रहे थे। सावधानीपूर्वक परीक्षण के माध्यम से, उन्होंने निर्धारित किया कि संक्रमण सबसे अच्छा तब काम करता है जब स्विच को मानों की एक विशिष्ट श्रेणी में बदलने के लिए सेट किया जाता है, जो एक निर्बाध मिश्रण सुनिश्चित करता है जो भौतिकी के नियमों का सम्मान करता है।

जब उन्होंने इन नए नियमों को न्यूट्रॉन सितारों की संरचना का अनुकरण करने के लिए लागू किया, तो परिणाम उत्साहजनक थे। उन्होंने पाया कि तारे के भीतर सामान्य पदार्थ का कड़ापन (stiffness) यह निर्धारित करने में बड़ी भूमिका निभाता है कि क्वार्क पदार्थ में संक्रमण कब होता है। यदि सामान्य पदार्थ बहुत सख्त है, तो संक्रमण कम घनत्व पर होता है, जिसका अर्थ है कि क्वार्क पदार्थ तारे के कोर में जल्दी दिखाई देता है। क्वार्क पदार्थ की यह प्रारंभिक उपस्थिति पूरे तारे को नरम और अधिक संकुचित करने योग्य बनाती है, जिससे अंततः तारे का अधिकतम द्रव्यमान छोटा हो जाता है। उनके कई सिमुलेशन में, तारे दो सूर्यों के विशाल वजन को सहारा नहीं दे सके, जो कि एक ऐसी सीमा है जिसे वास्तविक न्यूट्रॉन तारे प्राप्त करते हैं। यह सुझाव देता है कि इतने भारी तारे के लिए, क्वार्क पदार्थ में संक्रमण उच्च घनत्व पर होना चाहिए, या क्वार्क पदार्थ स्वयं उनके कुछ मॉडलों द्वारा अनुमानित स्तर से अधिक सख्त होना चाहिए।

उनके अध्ययन का शायद सबसे दिलचस्प परिणाम विशिष्ट प्रकार के रहस्यमय पिंडों को समझाने की क्षमता है। हालिया अवलोकनों ने ऐसे सघन पिंडों की पहचान की है जो आश्चर्यजनक रूप से हल्के और छोटे हैं, जिनके गुणों को मानक न्यूट्रॉन तारा सिद्धांत समझाने में संघर्ष करते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि अपने स्विचिंग फंक्शन और क्वार्क पदार्थ के गुणों को समायोजित करके, उनका मॉडल स्वाभाविक रूप से इन सटीक निम्न द्रव्यमान और छोटे त्रिज्या वाले सितारों को उत्पन्न कर सकता है। यह सुझाव देता है कि ये विलक्षण पिंड हमारी समझ की विफलता नहीं हो सकते, बल्कि अपेक्षाकृत कम घनत्व पर होने वाले क्वर्क पदार्थ के सहज संक्रमण के प्रमाण हो सकते हैं। मॉडल यह भी भविष्यवाणी करता है कि तारे के आंतरिक भाग से होकर ध्वनि की गति कैसे यात्रा करती है, जो क्वार्क पदार्थ की विशेषता वाले पैटर्न में स्थिर होने से पहले एक विशिष्ट शिखर (peak) दिखाती है, जो एक संकेत है जिसे भविष्य के अवलोकनों द्वारा संभावित रूप से पहचाना जा सकता है।

अध्ययन इस निष्कर्ष पर पहुँचता है कि यह सहज, क्रॉसओवर दृष्टिकोण सघन सितारों के आंतरिक भाग का पता लगाने का एक लचीला और भौतिक रूप से प्रेरित तरीका है। पुराने मॉडलों के कृत्रिम उछालों से बचकर, यह पदार्थ के अत्यधिक दबाव के तहत कैसे परिवर्तित होता है, इसका अधिक यथार्थवादी चित्र प्रदान करता है। जबकि वर्तमान कार्य ठंडे और स्थिर सितारों पर केंद्रित है, शोधकर्ता नोट करते हैं कि इस ढांचे को सितारों के जन्म या उनके टकराव के दौरान उत्पन्न होने वाली गर्मी को शामिल करने के लिए अंततः विस्तारित किया जा सकता है। फिलहाल, मॉडल एक शक्तिशाली उपकरण के रूप में खड़ा है जो न केवल सामान्य और क्वार्क पदार्थ के व्यवहार को सुसंगत बनाता है बल्कि ब्रह्मांड के सबसे छोटे और सबसे हल्के तारकीय अवशेषों के अस्तित्व की ओर एक खिड़की भी खोलता है।