Isospectrality breaking in the axial quasinormal modes of Reissner-Nordström black holes in dynamical Chern-Simons gravity

ब्लैक होल को अक्सर ब्रह्मांड की सबसे सरल वस्तुओं के रूप में वर्णित किया जाता है, जो केवल तीन संख्याओं द्वारा परिभाषित होते हैं: उनका द्रव्यमान, उनका स्पिन (घूर्णन), और उनका विद्युत आवेश। सामान्य सापेक्षता (जनरल रिलेटिविटी) के मानक सिद्धांत में, एक ब्लैक होल जो घूम रहा है लेकिन जिसमें कोई विद्युत आवेश नहीं है, वह विक्षोभ होने पर एक बहुत ही विशिष्ट और पूर्वानुमानित तरीके से व्यवहार करता है। यदि आप ऐसे ब्लैक होल को थपथपाते हैं, तो वह एक घंटी की तरह बजेगा, जिससे सटीक आवृत्तियों पर गुरुत्वाकर्षण तरंगें उत्सर्जित होंगी। उल्लेखनीय रूप से, इस मानक सिद्धांत में, उस गूँज (रिंगिंग) की ध्वनि केवल ब्लैक होल के द्रव्यमान और स्पिन पर निर्भर करती है, न कि इस पर कि उसे किस दिशा से थपथपाया गया है। चाहे आप इसे बगल से थपथपाएं या ऊपर से, परिणामी "स्वर" समान होते हैं। यह पूर्ण समरूपता, जिसे 'आइसोस्पेक्ट्रैलिटी' (isospectrally) कहा जाता है, आइंस्टीन के ब्रह्मांड की एक मौलिक विशेषता है। हालाँकि, भौतिकविदों को लंबे समय से संदेह रहा है कि यदि गुरुत्वाकर्षण आइंस्टीन द्वारा की गई भविष्यवाणी से अलग व्यवहार करता है, तो यह समरूपता टूट सकती है, शायद उन नए बलों या कणों के कारण जो सूक्ष्मतम स्तरों पर मौजूद हैं।

एक शोधकर्ता ने अब इस बात का अन्वेषण किया है कि यदि ब्लैक होल में एक विद्युत आवेश होता और गुरुत्वाकर्षण 'डायनामिकल चेर्न-साइमनस ग्रेविटी' (dynamical Chern–Simons gravity) नामक एक विशिष्ट, वैकल्पिक सिद्धांत द्वारा शासित होता, तो यह समरूपता कैसे टूटती। यह वैकल्पिक सिद्धांत स्ट्रिंग थ्योरी जैसे उन प्रयासों से स्वाभाविक रूप से उत्पन्न होता है जो गुरुत्वाकर्षण को क्वांटम यांत्रिकी के साथ एकीकृत करने का प्रयास करते हैं। इस ढांचे में, एक नया क्षेत्र (फील्ड) मौजूद है, जिसे एक 'भूतिया स्केलर तरंग' (ghostly scalar wave) के रूप में सोचा जा सकता है, जो अंतरिक्ष-समय के वक्रता (curvature) के साथ इस तरह से परस्पर क्रिया करता है जो बाएं और दाएं के बीच अंतर करता है। शोधकर्ता ने एक आवेशित ब्लैक होल पर ध्यान केंद्रित किया, जो कि एक सैद्धांतिक वस्तु है—जो वास्तविक प्रकृति में बड़े आवेश के साथ होने की संभावना कम है, लेकिन यह परीक्षण करने के लिए एक महत्वपूर्ण प्रयोगशाला के रूप में कार्य करता है कि विद्युत आवेश और नए गुरुत्वाकर्षण बल कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। उन्होंने गणना की कि जब यह नया क्षेत्र मौजूद होता है, तो ब्लैक होल की "गूँज" कैसे बदल जाती है, विशेष रूप से यह देखते हुए कि कैसे विभिन्न प्रकार के कंपन, जो आमतौर पर एक समान होते हैं, आपस में भिन्न होने लगते हैं।

अध्ययन से पता चलता है कि इस नए क्षेत्र की उपस्थिति इस रिंग की पूर्ण समरूपता को नष्ट कर देती है। मानक सिद्धांत में, वे कंपन जो अंतरिक्ष-समय को एक दिशा में मरोड़ते हैं (एक्सियल मोड) और वे जो इसे दूसरी दिशा में खींचते हैं (पोलर मोड), हमेशा एक ही सटीक आवृत्ति साझा करते हैं। शोधकर्ता ने पाया कि इस वैकल्पिक सिद्धांत में, नया क्षेत्र केवल मरोड़ने वाले कंपनों (twisting vibrations) के साथ जुड़ता है। यह परस्पर क्रिया मरोड़ने वाले मोड की आवृत्ति को बदल देती है जबकि खींचने वाले (stretching) मोड को अप्रभावित छोड़ देती है, जिससे एक एकल स्वर प्रभावी रूप से दो अलग-अलग ध्वनियों में विभाजित हो जाता है। यह समरूपता का टूटना इस बात का स्पष्ट संकेत है कि सिद्धांत आइंस्टीन से भिन्न है। शोधकर्ता ने विभिन्न परिदृश्यों के लिए इस बदलाव के आकार की गणना की, और पाया कि यह प्रभाव ब्लैक होल के विद्युत आवेश पर बहुत अधिक निर्भर करता है। जब आवेश शून्य होता है, तो यह बदलाव एक पैटर्न का पालन करता है, लेकिन जैसे-जैसे आवेश बढ़ता है, व्यवहार नाटकीय रूप से बदल जाता है, जिसमें बदलाव अलग तरह से स्केल होता है और विशिष्ट आवेश स्तरों पर दिशा भी बदल लेता है।

सबसे आश्चर्यजनक निष्कर्षों में से एक एक विशेष प्रकार का कंपन है जो तब होता है जब ब्लैक होल लगभग 'मैक्सिमली चार्ज्ड' (अधिकतम आवेशित) होता है, जिसे 'एक्सट्रेमलिटी' (extremality) की स्थिति कहा जाता है। इस चरम सीमा में, शोधकर्ता ने पाया कि मुख्य, प्रमुख कंपनों पर नए क्षेत्र का प्रभाव नगण्य हो जाता है, जो प्रभाव को प्रभावी रूप से दबा देता है। हालाँकि, अन्य, अधिक सूक्ष्म कंपनों पर प्रभाव मजबूत और परिमित बना रहता है। यह एक जटिल परिदृश्य बनाता है जहाँ ब्लैक होल की "गूँज" इस बात पर निर्भर करती है कि वह अपने अधिकतम आवेश के कितने करीब है। इसके अलावा, अध्ययन ने एक सटीक बिंदु की पहचान की जहाँ विद्युत आवेश मरोड़ने वाले कंपनों को नए क्षेत्र के अपने स्वयं के कंपनों के साथ पूरी तरह से 'डिजेनरेट' (degenerate) बना देता है, जिससे रिंग के व्यवहार में अचानक, तीव्र परिवर्तन आता है। इस विशिष्ट आवेश पर, आवृत्ति में बदलाव अन्य मामलों की तुलना में काफी बड़ा हो जाता है, जो कपलिंग स्ट्रेंथ (जुड़ाव की शक्ति) के रैखिक होने के बजाय उसके वर्गमूल (square root) के साथ बढ़ता है।

शोधकर्ता ने अंतरिक्ष-समय, विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र और नए स्केलर क्षेत्र की गति को नियंत्रित करने वाली जटिल समीकरणों को एक साथ हल करके ये गणनाएँ कीं। उन्होंने आवृत्तियों के बदलाव को ट्रैक करने के लिए उन्नत संख्यात्मक तकनीकों का उपयोग किया क्योंकि आवेश को शून्य से उसके अधिकतम संभव मान तक बदला जा रहा था। उनके परिणाम एक विस्तृत मानचित्र प्रदान करते हैं कि एक आवेशित ब्लैक होल इस वैकल्पिक गुरुत्वाकर्षण सिद्धांत में कैसे गूँजेगा। उन्होंने पाया कि बिना आवेश वाले ब्लैक होल के लिए, मौलिक आवृत्ति में बदलाव एक विशिष्ट, गणनीय मात्रा है जो ब्लैक होल को आइंस्टीन के सिद्धांत की तुलना में थोड़ा धीमा और तेजी से मंद (dampen) होने वाला बनाता है। जैसे ही आवेश पेश किया जाता है, यह बदलाव केवल बढ़ता या घटता नहीं है; यह उतार-चढ़ाव दिखाता है, जो आवेशित मामले के लिए अद्वितीय गैर-मोनोटोनिक (non-monotonic) व्यवहार है। अध्ययन ने यह भी पुष्टि की कि नया क्षेत्र ब्लैक होल के विद्युत चुम्बकीय भाग के साथ इस तरह से परस्पर क्रिया करता है जो पहले अज्ञात था, जिससे गुरुत्वाकर्षण और विद्युत क्षेत्र के बीच संचार का एक नया चैनल बनता है जो रिंग की ध्वनि को बदल देता है।

अंततः, यह कार्य एक ठोस भविष्यवाणी प्रदान करता है कि खगोलविदों को क्या दिखाई दे सकता है यदि वे कभी किसी महत्वपूर्ण विद्युत आवेश वाले ब्लैक होल का पता लगाते हैं या यदि वे पर्याप्त सटीकता के साथ ब्लैक होल की रिंग के सूक्ष्म अंतर को माप सकते हैं। विभिन्न प्रकार के कंपनों के बीच की समरूपता का टूटना, आइंस्टीन के गुरुत्वाकर्षण और इन अधिक विलक्षण विकल्पों के बीच अंतर करने का एक संभावित तरीका प्रदान करता है। यदि भविष्य के गुरुत्वाकर्षण तरंगों के अवलोकन, जो ब्लैक होल के विलय से उत्पन्न होते हैं, यह प्रकट करते हैं कि रिंग के "स्वर" सामान्य सापेक्षता द्वारा अनुमानित पूर्ण समरूपता से मेल नहीं खाते हैं, तो यह इस नए भौतिकी का पहला प्रत्यक्ष प्रमाण हो सकता है। शोधकर्ता ने अपने डेटा और परिणामों को उत्पन्न करने के लिए उपयोग किए गए कोड को सार्वजनिक रूप से उपलब्ध कराया है, जिससे अन्य वैज्ञानिक गणनाओं को सत्यापित कर सकें और इन विधियों को अन्य परिदृश्यों, जैसे कि घूमते हुए ब्लैक होल, पर लागू कर सकें। ये निष्कर्ष इस बात का एक कठोर परीक्षण हैं कि नए गुरुत्वाकर्षण बल ब्रह्मांड के सबसे चरम वातावरणों में कैसे प्रकट होंगे, जिससे ब्लैक होल की सैद्धांतिक गूँज को प्रकृति के मौलिक नियमों की जांच करने के एक संभावित उपकरण में बदल दिया गया है।