Charged fluid tori with an approximate magnetic self-field around magnetized Schwarzschild black holes: A semi-analytic approach
यह शोध पत्र चुंबकीय श्वार्ज़चाइल्ड ब्लैक होल की परिक्रमा कर रहे आवेशित तरल टोराई (torus) का एक अर्ध-विश्लेषणात्मक अध्ययन प्रस्तुत करता है, जो यह प्रदर्शित करता है कि कैसे टोराई की अपनी धारा द्वारा उत्पन्न एक अनुमानित चुंबकीय स्व-क्षेत्र, बाहरी चुंबकीय क्षेत्रों के प्रभुत्व वाली संरचनाओं की तुलना में, इसके संतुलन आकारिकी और अस्तित्व के डोमेन को संशोधित करता है।
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ब्रह्मांड की गहराइयों में, ब्लैक होल अंतिम ब्रह्मांडीय इंजनों के रूप में कार्य करते हैं, जो गैस और धूल को इतने मजबूत गुरुत्वाकर्षण खिंचाव के साथ अपनी ओर खींचते हैं कि प्रकाश भी वहां से बच नहीं सकता। इन अदृश्य दिग्गजों के चारों ओर, पदार्थ अक्सर विशाल, घूमते हुए डिस्क या मोटे, डोनट के आकार के बादलों में घूमता है, जिन्हें टोरी (tori) कहा जाता है। वास्तविक ब्रह्मांड में, यह पदार्थ केवल साधारण गैस नहीं है; यह एक अत्यधिक गर्म प्लाज्मा है, जो विद्युत आवेशित कणों का एक मिश्रण है। चूंकि ये कण विद्युत आवेश वहन करते हैं, इसलिए वे केवल गुरुत्वाकर्षण के प्रति प्रतिक्रिया ही नहीं देते, बल्कि चुंबकीय क्षेत्रों के साथ भी तीव्रता से अंतःक्रिया करते हैं। यह समझना कि ऐसे चरम वातावरण में आवेशित तरल पदार्थ कैसे व्यवहार करते हैं, खगोलविदों को दूरस्थ आकाशगंगाओं के केंद्रों से देखे जाने वाले प्रकाश के शानदार चमक और ऊर्जा की शक्तिशाली जेट्स की व्याख्या करने में मदद करता है। जबकि गुरुत्वाकर्षण इस पदार्थ को अंदर की ओर कुचलने की कोशिश करता है, गैस का दबाव और चुंबकीय क्षेत्रों का तनाव वापस धक्का देता है, जिससे एक नाजुक संतुलन बनता है जो इन ब्रह्मांडीय संरचनाओं के आकार और स्थिरता को निर्धारित करता है।
चेक गणराज्य के ओपावा में सिलेसियन यूनिवर्सिटी के भौतिकविदों द्वारा किया गया एक हालिया अध्ययन एक गैर-घूमते ब्लैक होल की कक्षा में घूम रहे एक आवेशित तरल पदार्थ के टोरी का एक विस्तृत गणितीय मॉडल बनाकर इस संतुलन की खोज करता है। शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट, सरलीकृत परिदृश्य पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ तरल पदार्थ अत्यंत ठंडा और भारी है, जो अपने कणों के आंतरिक ताप के बजाय उनके द्रव्यमान द्वारा प्रधान है, और जहाँ तरल पदार्थ में कोई विद्युत चालकता नहीं है, जिसका अर्थ है कि विद्युत आवेश सख्ती से तरल के प्रवाह के साथ ही चलता है। इस मॉडल में, तरल अपने घूमने के साथ अपना स्वयं का चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करता है, जिससे एक करंट बनता है जो ब्लैक होल के चारों ओर घूमता है। टीम यह देखना चाहती थी कि कैसे उनका यह स्व-जनित चुंबकीय क्षेत्र, एक स्थिर बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के साथ जो उस क्षेत्र में व्याप्त है, इन तरल छल्लों के आकार और अस्तित्व को बदल देता है।
इस प्रणाली को नियंत्रित करने वाले जटिल समीकरणों को हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक अर्ध-विश्लेषणात्मक दृष्टिकोण का उपयोग किया, जो गणितीय सिद्धांत को संख्यात्मक गणना के साथ जोड़ता है। उन्होंने बाहरी चुंबकीय क्षेत्र को एक समान पृष्ठभूमि के रूप में माना, जो अंतरिक्ष में बहने वाली एक स्थिर हवा के समान है, और अपने स्वयं के चुंबकीय क्षेत्र को एक वृत्ताकार विद्युत धारा के प्रवाह द्वारा उत्पन्न क्षेत्र के एक सरलीकृत, सुव्यवस्थित संस्करण के रूप में दर्शाया। इसने उन्हें प्रत्येक अंतःक्रिया को शून्य से हल करने की आवश्यकता के बिना, तरल पर लगने वाले बलों की गणना करने की अनुमति दी। उन्होंने पाया कि जब केवल बाहरी चुंबकीय क्षेत्र मौजूद होता है, तो तरल के स्थिर, बंद छल्ले बन सकते हैं, लेकिन केवल तरल के घूर्णन और आवेश के संबंध में स्थितियों की एक बहुत ही विशिष्ट सीमा के भीतर। हालांकि, जब उन्होंने बाहरी हवा के बिना, केवल तरल के स्व-जनित चुंबकीय क्षेत्र का अध्ययन किया, तो उन्होंने पाया कि परीक्षण किए गए मापदंडों के भीतर कोई भी स्थिर, बंद छल्ला नहीं बन सका।
सबसे महत्वपूर्ण परिणाम तब सामने आए जब शोधकर्ताओं ने दोनों चुंबकीय क्षेत्रों को मिलाया। उन्होंने पाया कि स्व-जनित क्षेत्र केवल बाहरी क्षेत्र में सीधा जोड़ या घटाव नहीं करता है। इसके बजाय, दोनों क्षेत्र मिलकर एक जटिल स्थानीय संतुलन बनाते हैं। जैसे-जैसे बाहरी क्षेत्र के सापेक्ष स्व-जनित क्षेत्र की शक्ति बढ़ती है, तरल छल्ले का आकार गैर-रैखिक तरीके से बदलता है। प्रारंभ में, एक कमजोर स्व-क्षेत्र छल्ले को फैला देता है, जिससे वह चौड़ा हो जाता है। लेकिन जैसे-जैसे स्व-क्षेत्र मजबूत होता जाता है और बाहरी क्षेत्र के तुल्य हो जाता है, छल्ला फिर से सिकुड़ने लगता है। यह व्यवहार बताता है कि स्व-क्षेत्र एक गतिशील संशोधक के रूप में कार्य करता है, जो बाहरी चुंबकीय बलों को स्थानीय रूप से रद्द या सुदृढ़ करके तरल के साम्यावस्था को नया आकार देता है।
अध्ययन ने यह भी स्पष्ट किया कि जब चुंबकीय प्रभाव को पूरी तरह से हटा दिया जाता है तो क्या होता है। किसी भी चुंबकीय क्षेत्र की अनुपस्थिति में, या यदि तरल अआवेशित होता, तो शोधकर्ताओं द्वारा मॉडल किए गए घूमने वाले तरल संरचना के विशिष्ट प्रकार में ब्लैक होल के भूमध्य रेखा (equator) पर केंद्रित एक स्थिर, बंद आकार बनाए रखना संभव नहीं था। यह निष्कर्ष स्पष्ट करता है कि इस विशेष प्रकार के तरल विन्यास के लिए, चुंबकीय क्षेत्र की उपस्थिति केवल एक मामूली विवरण नहीं है, बल्कि इसकी संरचना के अस्तित्व के लिए एक मौलिक आवश्यकता है। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि हालांकि उनका मॉडल कई सरलीकृत धारणाओं पर निर्भर करता है, जैसे कि तरल के अपने गुरुत्वाकर्षण की अनदेखी करना और चुंबकीय क्षेत्रों को 'टेस्ट फील्ड' के रूप में मानना जो स्पेस-टाइम को विकृत नहीं करते हैं, फिर भी उनके परिणाम एक स्पष्ट चित्र प्रस्तुत करते हैं कि कैसे चुंबकीय स्व-अंतःक्रिया संचित होने वाले पदार्थ की आकृति विज्ञान (morphology) को मौलिक रूप से बदल सकती है। यह कार्य यह समझने के लिए एक ठोस सैद्धांतिक आधार प्रदान करता है कि कैसे ब्लैक होल के गुरुत्वाकर्षण, तरल के घूर्णन और उसके अपने चुंबकीय हस्ताक्षर के बीच का परस्पर खेल, ब्रह्मांड में देखी जाने वाली विविध और जटिल संरचनाओं का निर्माण करता है।
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