Draining Without Emptying a Stringy Black Hole: Repetitive Electric Penrose Process
यह शोध पत्र GMGHS ब्लैक होल में आवर्ती विद्युत पेनरोज़ प्रक्रिया की जांच करता है, यह प्रदर्शित करते हुए कि हालांकि ऊर्जा निष्कर्षण 100% से अधिक प्रतिफल (रिटर्न ऑन इन्वेस्टमेंट) दे सकता है, फिर भी यह प्रक्रिया आवेश-निर्भर बाधाओं द्वारा स्वाभाविक रूप से सीमित है जो ब्लैक होल के आवेश और द्रव्यमान को पूरी तरह से समाप्त होने से रोकती है, जिससे अवशिष्ट निष्करणीय ऊर्जा शेष रह जाती है और अपरिहार्य द्रव्यमान (इरेड्यूसिबल मास) बढ़ जाता है।
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अंतरिक्ष और समय के ताने-बाने में गहराई में, गुरुत्वाकर्षण इतना तीव्र हो सकता है कि वह प्रकाश को भी कैद कर लेता है, जिससे ब्लैक होल के रूप में एक क्षेत्र बन जाता है। दशकों से, भौतिक विज्ञानी यह सोचते आए हैं कि क्या ये ब्रह्मांडीय जेलें वास्तव में बंद प्रणालियाँ हैं या क्या उन्हें अपनी विशाल ऊर्जा का कुछ हिस्सा देने के लिए प्रेरित किया जा सकता है। इसे करने के लिए सबसे प्रसिद्ध विचारों में से एक पेनरोस प्रक्रिया (Penrose process) है, जो एक सैद्धांतिक विधि है जहाँ एक घूमते हुए ब्लैक होल के पास एक वस्तु को विभाजित किया जाता है, जिससे एक टुकड़ा नकारात्मक ऊर्जा के साथ अंदर गिर जाता है और दूसरा मूल वस्तु की तुलना में अधिक ऊर्जा के साथ बाहर निकल जाता है। यह अवधारणा, जो मूल रूप से घूमते हुए ब्लैक होल के लिए प्रस्तावित की गई थी, बाद में आवेशित (charged) ब्लैक होल के लिए अनुकूलित की गई, जहाँ ऊर्जा घूर्णन के बजाय विद्युत क्षेत्र से आती है। प्रश्न जो लंबे समय से बना हुआ है वह यह है कि क्या इस प्रक्रिया को बार-बार दोहराया जा सकता है ताकि ब्लैक होल को पूरी तरह से खाली किया जा सके, या क्या कुछ छिपी हुई सीमाएँ हैं जो ब्लैक होल के खाली होने से बहुत पहले ही इस निष्कर्षण को रोक देती हैं।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस प्रश्न की जांच करने के लिए स्ट्रिंग थ्योरी द्वारा अनुमानित एक विशिष्ट प्रकार के ब्लैक होल का उपयोग किया है, जिसे GMGHS ब्लैक होल कहा जाता है। सरल और अधिक सामान्यतः अध्ययन किए जाने वाले मॉडलों के विपरीत, इस संस्करण में अतिरिक्त आयामों और बल के विभिन्न क्षेत्रों के प्रभाव शामिल हैं जो तब उत्पन्न होते हैं जब भौतिक विज्ञानी गुरुत्वाकर्षण को क्वांटम यांत्रिकी के साथ एकीकृत करने का प्रयास करते हैं। वैज्ञानिकों ने एक दोहराए जाने वाले विद्युत पेनरोस प्रक्रिया का अनुकरण करने का लक्ष्य रखा, जहाँ ब्लैक होल की ओर कणों की एक धारा भेजी जाती है, उन्हें विभाजित किया जाता है, और ऊर्जा को निरंतर निकालने के लिए उपयोग किया जाता है। वे यह देखना चाहते थे कि क्या इस चक्र को दोहराकर, वे ब्लैक होल के सभी आवेश और द्रव्यमान को छीन सकते हैं, या क्या भौतिकी के नियम अंततः इस प्रक्रिया को रोकने के लिए मजबूर करेंगे।
शोधकर्ताओं ने पाया कि हालांकि यह प्रक्रिया ऊर्जा उत्पन्न करने में अत्यधिक प्रभावी है, लेकिन यह ब्लैक होल को पूरी तरह से खाली नहीं कर सकती। अपने सिमुलेशन में, उन्होंने ब्लैक होल की ओर एक कण भेजा, जहाँ वह दो भागों में विभाजित हो गया। एक भाग, जो नकारात्मक ऊर्जा ले जा रहा था, ब्लैक होल में गिर गया, जिससे प्रभावी रूप से इसका कुल आवेश और द्रव्यमान कम हो गया। दूसरा भाग, अधिक ऊर्जा लेकर अनंत की ओर निकल गया, जो मूल कण के पास मौजूद ऊर्जा से अधिक थी। इस चक्र को दोहराकर, उन्होंने देखा कि बाहरी दुनिया को वापस मिलने वाली ऊर्जा का निवेश प्रारंभिक निवेश से 100 प्रतिशत से अधिक हो सकता है। इसका अर्थ यह है कि सिस्टम में डाली गई ऊर्जा की प्रत्येक इकाई के लिए, एक से अधिक इकाई निकाली जा सकती है, जो सैद्धांतिक रूप से इसे ऊर्जा उत्पन्न करने का एक उल्लेखनीय कुशल तरीका बनाता है।
हालाँकि, इस ऊर्जा निष्कर्षण की दक्षता एक अलग कहानी बताती है। जबकि निवेश पर रिटर्न उच्च है, ब्लैक होल की उपलब्ध ऊर्जा को उपयोगी शक्ति में बदलने की वास्तविक दक्षता आश्चर्यजनक रूप से कम है। सिमुलेशन ने दिखाया कि निकाली जा सकने वाली ऊर्जा का आधे से भी कम हिस्सा वास्तव में उपयोगी शक्ति के रूप में बाहर आता है; अधिकांश ऊर्जा इसके बजाय एक "अपरिहार्य द्रव्यमान" (irreducible mass) में परिवर्तित हो जाती है। यह ब्लैक होल का एक मौलिक गुण है जिसे हटाया नहीं जा सकता, चाहे इस प्रक्रिया को कितनी भी बार दोहराया जाए। यह ऐसा है जैसे ब्लैक होल लगातार अपने स्वयं के आधार का पुनर्निर्माण कर रहा है, और उस अधिकांश ऊर्जा को अवशोषित कर रहा है जिसे छीना जाना चाहिए। फलस्वरूप, प्रक्रिया के रुकने के बाद भी, ब्लैक होल खाली या तटस्थ नहीं छोड़ा जाता है। यह एक महत्वपूर्ण मात्रा में द्रव्यमान और थोड़ा लेकिन गैर-शून्य आवेश बनाए रखता है।
अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि यह प्रक्रिया दो विशिष्ट कारणों से रुक जाती है। पहला, बाहर निकलने वाले कणों को ब्लैक होल से दूर जाने के लिए एक गुरुत्वाकर्षण बाधा को पार करने में सक्षम होना चाहिए; यदि वे ऐसा नहीं कर पाते हैं, तो चक्र समाप्त हो जाता है। दूसरा, इस प्रक्रिया के लिए ब्लैक होल के पास एक निश्चित मात्रा में आवेश होना आवश्यक है ताकि नकारात्मक-ऊर्जा वाले कण का अस्तित्व हो सके। जैसे-जैसे ब्लैक होल बार-बार होने वाले चक्रों के माध्यम से अपना आवेश खोता है, वह अंततः एक ऐसे बिंदु पर पहुँच जाता है जहाँ उसके पास अगली प्रक्रिया को सहारा देने के लिए पर्याप्त आवेश नहीं बचता। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि हालांकि वे बहुत उच्च आवेश-से-द्रव्यमान अनुपात वाले कणों का उपयोग करके शेष आवेश को अत्यंत सूक्ष्म बना सकते हैं, लेकिन इसे पूर्ण शून्य तक कभी कम नहीं किया जा सकता। ब्लैक होल हमेशा अपने भीतर थोड़ा सा हिस्सा रखता है, यह सुनिश्चित करता है कि निष्कर्षण प्रक्रिया की एक प्राकृतिक सीमा हो।
इस प्रणाली का व्यवहार प्रयोग की विशिष्ट स्थितियों पर बहुत अधिक निर्भर करता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि कण ब्लैक होल के जितने करीब विभाजित होते हैं और उनके द्रव्यमान के सापेक्ष उनके आवेश जितने अधिक होते हैं, उतनी ही अधिक ऊर्जा निकाली जा सकती है। इसके विपरीत, यदि आने वाले कण बहुत तेज़ चलते हैं या उनमें शुरुआत में बहुत अधिक ऊर्जा होती है, तो प्राप्त अतिरिक्त ऊर्जा की मात्रा घट जाती है। दिलचस्प बात यह है कि स्ट्रिंग थ्योरी मॉडल में ब्लैक होल के गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र का आकार मानक मॉडलों से भिन्न व्यवहार करता है; कण जिस पथ पर चलता है वह ब्लैक होल के आवेश खोने के साथ नहीं बदलता है, जो प्रक्रिया के गणितीय विवरण को सरल बनाता है लेकिन अंतिम परिणाम को नहीं बदलता है।
अंततः, यह कार्य आवेशित ब्लैक होल से ऊर्जा निष्कर्षण की सीमाओं की एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान करता है। यह पुष्टि करता है कि हालांकि दोहराए जाने वाला विद्युत पेनरोस प्रोसेस ऊर्जा उत्पन्न करने का एक शक्तिशाली तंत्र है, लेकिन यह ब्लैक होल को सुखा देने वाला कोई जादुई समाधान नहीं है। ब्लैक होल पूर्ण रिक्तीकरण का विरोध करता है, एक अपरिहार्य द्रव्यमान और आवेश के एक अंश को थामे रखता है जिसे हटाया नहीं जा सकता। निष्कर्ष बताते हैं कि यदि हम भविष्य में ऐसे पिंडों की ऊर्जा का उपयोग कर भी सकें, तो भी हमारे पास एक अवशेष बचेगा, स्पेसटाइम पर एक स्थायी निशान जो लुप्त होने से इनकार करता है।
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