Nonradial oscillation modes of axion condensed neutron stars in the Cowling approximation
यह शोध पत्र कॉउलिंग सन्निकटन (Cowling approximation) में एक्सियन-संघनित न्यूट्रॉन सितारों के गैर-त्रिज्यीय दोलन स्पेक्ट्रम की जांच करता है, जिससे यह पता चलता है कि एक्सियन संघनित (axion condensates) द्रव मोड आवृत्तियों को महत्वपूर्ण रूप से परिवर्तित करते हैं, p-मोड्स के लिए तीव्र एक्सियन-उत्सर्जन अवमंदन (damping) उत्पन्न करते हैं, और दृढ़ता से अवमंदित एक्सियन-प्रधान क्वैसिनॉर्मल मोड्स तथा गुरुत्वाकर्षण रूप से बंधे राज्यों का एक विशिष्ट परिवार उत्पन्न करते हैं जो अवॉयड क्रॉसिंग्स (avoided crossings) के माध्यम से द्रव मोड्स के साथ परस्पर क्रिया करते हैं।
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ब्रह्मांड की सबसे चरम वस्तुओं, न्यूट्रॉन सितारों के गहरे भीतर, पदार्थ इतनी सघनता तक दब जाता है जो रोजमर्रा के अनुभवों को चुनौती देता है। ये तारकीय अवशेष इतने घने हैं कि उनके पदार्थ का एक चम्मच पृथ्वी पर अरबों टन वजन रखेगा। दशकों से, भौतिकविदों ने यह सोचा है कि क्या ये चरम वातावरण उन कणों को होस्ट कर सकते हैं जो अन्यथा हमारे लिए अदृश्य हैं। ऐसा ही एक संभावित उम्मीदवार एक्सियन (axion) है, एक काल्पनिक कण जिसे मूल रूप से इस पहेली को सुलझाने के लिए प्रस्तावित किया गया था कि मजबूत परमाणु बल कैसे व्यवहार करता है। हालांकि एक्सियन डार्क मैटर के भी प्रमुख उम्मीदवार हैं—वह अदृश्य पदार्थ जो आकाशगंगाओं को एक साथ थामे रखता है—उन्हें आमतौर पर ऐसे भूतिया कणों के रूप में माना जाता है जो बिना अधिक परस्पर क्रिया किए अंतरिक्ष में तेजी से गुजर जाते हैं। हालांकि, हाल के सिद्धांत बताते हैं कि न्यूट्रॉन स्टार के भीतर, पदार्थ की अत्यधिक घनता इन एक्सियनों को अलग तरह से व्यवहार करने के लिए मजबूर कर सकती है, जिससे वे एक साथ मिलकर एक स्थूल बादल, या संघनित (condensate), बना सकते हैं जो तारे के कोर में व्याप्त हो जाता है।
यह नया व्यवहार न केवल तारे के भीतर चुपचाप बैठा रहेगा; यह इस बात को भी बदल देगा कि तारा कैसे कंपन करता है। न्यूट्रॉन स्टार स्थिर गोले नहीं होते; विक्षोभ के बाद वे घंटियों की तरह बजते हैं, जिससे ऐसी दोलन (oscillations) उत्पन्न होती हैं जो उनके आंतरिक भाग में लहरें पैदा करती हैं। ये कंपन खगोलविदों के लिए एक प्रमुख उपकरण हैं, जो इन ध्वनियों को सुनने के लिए गुरुत्वाकर्षण तरंग डिटेक्टरों का उपयोग करने की आशा करते हैं ताकि वे तारे की आंतरिक संरचना के बारे में जान सकें। शोधकर्ताओं के एक दल ने अब इस बात पर बारीकी से गौर किया है कि एक्सियन का एक बादल इन कंपनों को कैसे बदलता है। एक एक्सियन संघनित (axion condensate) से भरे न्यूट्रॉन स्टार के विस्तृत कंप्यूटर मॉडल बनाकर, उन्होंने यह मानचित्रित किया है कि तारे की प्राकृतिक आवृत्तियाँ (frequencies) कैसे बदलती हैं और इसकी कंपनों की ऊर्जा किस तरह से एक नए तरीके से बाहर निकल सकती है।
शोधकर्ताओं ने गैर-त्रिज्यीय दोलन (nonradial oscillations) नामक कंपन के विशिष्ट प्रकार पर ध्यान केंद्रित किया, जहाँ तारा केवल फैलने और सिकुड़ने के बजाय एक जटिल, ऊबड़-खाबड़ पैटर्न में डगमगाता है। उन्होंने परमाणु पदार्थ के मानक विवरण का उपयोग करके एक न्यूट्रॉन स्टार का मॉडल बनाया और उसमें एक्सियन क्षेत्र के प्रभावों को जोड़ा, जो तारे के भीतर कणों के प्रभावी द्रव्यमान को बदल देता है। अपने सिमुलेशन में, उन्होंने देखा कि कैसे तारे का मौलिक कंपन, जिसे f-मोड कहा जाता है, और इसके उच्च-आवृत्ति वाले दबाव तरंगें, जिन्हें p-मोड्स कहा जाता है, एक्सियन बादल की उपस्थिति के प्रति प्रतिक्रिया करते हैं। उन्होंने पाया कि केवल संघनित की उपस्थिति ही तारे की आंतरिक संरचना को बदल देती है, जो बदले में इन कंपनों की आवृत्तियों को ऊपर धकेल देती है। मौलिक मोड के लिए, यह बदलाव बीस प्रतिशत तक हो सकता है, जो एक महत्वपूर्ण परिवर्तन है जिसे हम आसानी से पहचान सकते यदि हम उस तारे को सुन पाते।
हालांकि, कहानी केवल पिच के एक साधारण बदलाव पर समाप्त नहीं होती है। एक्सियन क्षेत्र एक स्थिर पृष्ठभूमि नहीं है; यह तारे के तरल पदार्थ के साथ परस्पर क्रिया करने वाला एक गतिशील साथी है। जैसे ही तारा डगमगाता है, वह एक्सियन क्षेत्र को हिला देता है, और यह युग्मन (coupling) संरचनात्मक परिवर्तनों के कारण होने वाले आवृत्ति बदलाव को आंशिक रूप से रद्द कर देता है। मौलिक मोड के लिए, यह रद्दीकरण इतना मजबूत है कि अंतिम आवृत्ति उस स्तर के बहुत करीब रहती जो बिना एक्सियनों के होती, बजाय इसके कि केवल संरचनात्मक परिवर्तन ही इसे निर्धारित करे। उच्च-आवृत्ति वाले दबाव मोड के लिए, रद्दीकरण कम पूर्ण है, जिससे एक ध्यान देने योग्य बदलाव दिखाई देता है। तारे के आकार और एक्सियन क्षेत्र के बीच की यह परस्पर क्रिया एक जटिल संकेत बनाती है जो एक एक्सियन-भरे तारे को सामान्य तारे से अलग करती है।
शायद सबसे नाटकीय खोज यह है कि ये तारे ऊर्जा कैसे खोते हैं। एक सामान्य न्यूट्रॉन स्टार में, कंपन अंततः इसलिए समाप्त हो जाते हैं क्योंकि वे गुरुत्वाकर्षण तरंगों को विकीर्ण करते हैं, जो स्पेसटाइम में लहरें पैदा करती हैं जो ऊर्जा को दूर ले जाती हैं। इस नए मॉडल में, एक्सियन क्षेत्र ऊर्जा हानि के लिए एक दूसरा, तेज़ चैनल खोलता है। यदि कोई कंपन पर्याप्त तेज़ है—विशेष रूप रूप से, यदि इसकी आवृत्ति एक्सियन के द्रव्यमान द्वारा निर्धारित सीमा से अधिक है—तो यह अपनी ऊर्जा को प्रसारित होने वाली एक्सियन तरंगों में बदल सकता है जो तारे से बाहर निकल जाती हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि जबकि मौलिक मोड आमतौर पर इस प्रभाव को ट्रिगर करने के लिए बहुत धीमा होता है, उच्च-आवृत्ति वाले दबाव मोड अक्सर इस सीमा को पार कर जाते हैं। जब वे ऐसा करते हैं, तो वे अविश्वसनीय रूप से तेज़ी से ऊर्जा खो सकते हैं, जिसमें डैम्पिंग समय दस मिलीसेकंड जितना कम हो सकता है। यह गुरुत्वाकर्षण तरंगों द्वारा ऊर्जा निकालने के समय से भी तेज़ है, जिसका अर्थ है कि कुछ निश्चित एक्सियन द्रव्यमानों के लिए, तारे की ध्वनि एक्सियनों के उत्सर्जन द्वारा लगभग तुरंत शांत हो जाएगी।
अध्ययन ने पूरी तरह से एक नए प्रकार के कंपनों का भी खुलासा किया जो स्वयं तारे के बजाय एक्सियन क्षेत्र के अधिक गुण रखते हैं। ये विशिष्ट, भारी रूप से डैम्प किए गए मोड हैं जो अस्तित्व में आते हैं क्योंकि वे एक्सियन के अपने गुणों के कारण होते हैं, और यह व्यवहार कुछ हद तक वैसा ही है जैसे कि एक घंटी बजती यदि वह पूरी तरह से एक अलग सामग्री से बनी होती। इसके अतिरिक्त, टीम ने पाया कि एक्सियन क्षेत्र कुछ कंपनों को एक ऐसी अवस्था में फँसा सकता है जो परमाणु में इलेक्ट्रॉन के फँसने के समान है, जिससे 'गुरुत्वाकर्षण परमाणु स्तर' (gravitational atom levels) बनते हैं। ये फंसे हुए स्तर ऊर्जा की उस सीमा के ठीक नीचे स्थित होते हैं जिससे बाहर निकलने के लिए आवश्यक है। जैसे-जैसे एक्सियन के गुण बदलते हैं, ये फंसे हुए स्तर तारे की दबाव तरंगों के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, जिससे वे 'अवॉइड क्रॉसिंग' (avoided crossing) नामक प्रक्रिया में अपनी पहचान बदलते हैं। तारे का तरल कंपन अचानक एक्सियन कंपन बन सकता है, और इसके विपरीत, बिना कभी वास्तव में टकराए।
ये निष्कर्ष बताते हैं कि यदि एक्सियन मौजूद हैं और न्यूट्रॉन सितारों के भीतर संघनित हो सकते हैं, तो वे तारे के दोलनों पर एक विशिष्ट छाप छोड़ेंगे। बदली हुई आवृत्तियों, एक्सियन उत्सर्जन के माध्यम से तीव्र ऊर्जा हानि, और नए, एक्सियन-प्रधान कंपन मोड का संयोजन भविष्य के गुरुत्वाकर्षण तरंग वेधशालाओं के लिए खोजने हेतु संकेतों का एक स्पष्ट सेट प्रदान करता है। न्यूट्रॉन सितारों की गूँज को ध्यान से सुनकर, खगोलविद जल्द ही यह निर्धारित करने में सक्षम हो सकते हैं कि न केवल तारा कितना घना है, बल्कि क्या यह अदंत्य कणों के बादल को छिपाए हुए है जो भौतिकी की कुछ बड़ी गुत्थियों को सुलझा सकते हैं।
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