Absorption of bound supernova axion-like particles by the neutron star weakens the heating limits on their photon coupling

एक ढहते हुए तारे के हिंसक हृदय के भीतर, एक सुपरनोवा विस्फोट ऐसी चरम स्थितियाँ पैदा करता है जो उन कणों को जन्म देती हैं जिन्हें हमने पृथ्वी पर कभी नहीं देखा है। इन काल्पनिक कणों में एक्सियन-जैसे कण (axion-like particles) शामिल हैं, जो सूक्ष्म, भूतिया संस्थाएं हैं और साधारण पदार्थ के साथ बहुत ही कमजोर रूप से अंतःक्रिया करते हैं। यदि ये कण अस्तित्व में हैं, तो वे नए जन्मे न्यूट्रॉन तारे के भीतर भारी संख्या में उत्पन्न होते हैं, जो विस्फोट के बाद पीछे छूटा हुआ अविश्वसनीय रूप से घना अवशेष है। इनमें से कुछ कण इतने तेज़ होते हैं कि वे तारे से बाहर निकलकर ब्रह्मांड में उड़ जाते हैं, लेकिन अन्य धीमे होते हैं। ये धीमे कण न्यूट्रॉन तारे के तीव्र गुरुत्वाकर्षण खिंचाव से बच नहीं पाते; इसके बजाय, वे फंस जाते हैं और तारे के चारों ओर एक विशाल, अदृश्य बादल में परिक्रमा करते हैं। दशकों से, भौतिकविदों ने सोचा है कि क्या इस फंसे हुए बादल का पता लगाया जा सकता है। विचार यह था कि जैसे-जैसे ये कण अंततः क्षय (decay) होंगे, वे प्रकाश में बदल जाएंगे, जिससे पुराने, ठंडे होते न्यूट्रॉन तारे की सतह गर्म हो जाएगी। यदि हम इस अतिरिक्त गर्मी को माप सकें, तो शायद हम अंततः सिद्ध कर पाएंगे कि ये कण अस्तित्व में हैं।

हालाँकि, राष्ट्रीय प्रौद्योगिकी संस्थान, राउरकेला, भारत के शोधकर्ताओं द्वारा किए गए एक नए अध्ययन ने इस तस्वीर को मौलिक रूप से बदल दिया है, यह दिखाते हुए कि तारा स्वयं एक ब्रह्मांडीय वैक्यूम क्लीनर (cosmic vacuum cleaner) के रूप में कार्य करता है। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि पिछले गणनाओं में एक महत्वपूर्ण विवरण छूट गया था: जबकि ये फंसे हुए कण तारे की परिक्रमा करते हैं, उनके पथ पूरी तरह से गोलाकार नहीं होते हैं। इनमें से कई कक्षाएं तारे के आंतरिक भाग में गहराई तक जाती हैं। क्योंकि तारा अविश्वसनीय रूप से घने पदार्थ से बना है, इसलिए कोई भी कण जो अंदर जाता है, वह लगभग तुरंत घने परमाणु पदार्थ द्वारा अवशोषित और नष्ट कर दिया जाता है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि किसी कण के सैकड़ों मिलियन वर्षों तक जीवित रहने के लिए, उसे एक बहुत ही विशिष्ट, विस्तृत कक्षा में रहना चाहिए जो तारे की सतह को कभी न छुए। यह खोज बताती है कि फंसे हुए कणों का विशाल बहुमत तारे को गर्म करने और क्षय होने से बहुत पहले ही खत्म हो जाता है।

इस निष्कर्ष पर पहुँचने के लिए, टीम ने एक विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन बनाया कि कैसे एक नया न्यूट्रॉन तारा अपने जीवन के पहले दस सेकंडों में विकसित होता है। उन्होंने तारे के सिकुड़ने और ठंडा होने के दौरान लाखों इन काल्पनिक कणों के पथों को ट्रैक किया। उन्होंने पाया कि तारे का गुरुत्वाकर्षण कणों की कक्षाओं को अंदर की ओर खींचता है, जिससे उनमें से कई तारे से टकरा जाते हैं। एक बार अंदर जाने के बाद, कण मिनटों या सेकंडों में घने परमाणु पदार्थ द्वारा अवशोषित कर लिए जाते हैं, जो कि उनके क्षय होने में लगने वाले समय की तुलना में बहुत तेज़ प्रक्रिया है। केवल वही कण जीवित रहते हैं जो तारे की बाहरी परतों में सही गति और दिशा के साथ पैदा होते हैं ताकि वे सतह से दूर एक सुरक्षित, गोलाकार कक्षा में रह सकें। ये जीवित बचे लोग दुर्लभ हैं, जो उस ऊष्मा के केवल एक छोटे से अंश को वहन करते जिसकी पिछली थ्योरी ने भविष्यवाणी की थी।

यह खोज प्रकाश के साथ इन कणों की अंतःक्रिया की सीमाओं के लिए एक बड़े संशोधन को मजबूर करती है। पिछले अध्ययनों ने सुझाव दिया था कि यदि ये कण मौजूद थे, तो वे पुराने न्यूट्रॉन तारों को ऐसे तापमान तक गर्म कर देंगे जिसे हमें आसानी से पहचान लेना चाहिए। चूँकि नया अध्ययन दिखाता है कि अधिकांश कण अवशोषित हो जाते हैं, इसलिए तापन प्रभाव (heating effect) पहले की तुलना में बहुत कम है। फलस्वरूप, जो संभव है उसके नियम बदल गए हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि संभावना का एक छोटा सा झरोखा अभी भी मौजूद है जहाँ ये कण जीवित रह सकते हैं और तारे को गर्म कर सकते हैं, लेकिन स्थितियाँ बहुत सख्त हैं। कणों को भारी होना चाहिए और प्रकाश के साथ एक बहुत ही विशिष्ट तरीके से अंतःक्रिया करनी चाहिए जो अन्य प्राकृतिक प्रभावों को रद्द कर दे। इन सख्त स्थितियों के बावजूद, अध्ययन दिखाता है कि सबसे पुराना और सबसे ठंडा ज्ञात न्यूट्रॉन तारा, PSR J2144−3933, कणों के द्रव्यमान की एक विशिष्ट सीमा को खारिज करता है।

शोधकर्ताओं ने यह भी पता लगाया कि अंतिम न्यूट्रॉन तारे का आकार परिणाम को कैसे प्रभावित करता है। उन्होंने पाया कि तारे की त्रिज्या एक महत्वपूर्ण कारक है; एक थोड़ा बड़ा तारा अधिक कणों को जीवित रहने की अनुमति देता है क्योंकि उनकी कक्षाएं सतह से दूर रह सकती हैं। उनके सिमुलेशन ने दिखाया कि तारे की त्रिज्या को केवल कुछ किलोमीटर बदलने से जीवित बचे कणों की संख्या में लगभग चार गुना बदलाव आ सकता है। इसके अलावा, उन्होंने इन कणों के निर्माण के अन्य तरीकों पर भी विचार किया, जैसे कि पायोन (pions) के साथ अंतःक्रिया, जो तारे के भीतर मौजूद एक प्रकार का कण है। ये अतिरिक्त प्रक्रियाएं वास्तव में अधिक कणों को जीवित रहने में मदद करती हैं, जिससे वे द्रव्यमान की सीमा बढ़ जाती है जहाँ वे अस्तित्व में हो सकते हैं, लेकिन समग्र तापन फिर भी कमजोर रहता है।

अंततः, यह कार्य यह सिद्ध नहीं करता है कि ये कण अस्तित्व में नहीं हैं, बल्कि यह सिद्ध करता है कि उन्हें खोजना हमारी उम्मीद से कहीं अधिक कठिन है। वह "हीटिंग" संकेत जिसे खगोलशास्त्री खोज रहे थे, संभवतः वर्तमान दूरबीनों के साथ देखा जाना बहुत धुंधला है क्योंकि तारा उनके काम करने से पहले ही उन्हें अवशोषित कर लेता है। अध्ययन बताता है कि यदि ये कण बाहर हैं, तो वे गुणों की एक बहुत ही संकीर्ण सीमा में छिपे हुए हैं, और उन्हें खोजने के लिए या तो बहुत अधिक संवेदनशील दूरबीनों या पहचान के किसी अलग तरीके की आवश्यकता होगी। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि उनके परिणाम न्यूट्रॉन सितारों के व्यवहार के विशिष्ट मॉडलों पर निर्भर करते हैं, और इन सितारों के भविष्य के अवलोकन इस चित्र को और अधिक परिष्कृत कर सकते हैं। फिलहाल के लिए, न्यूट्रॉन तारे के चारों ओर कणों का भूतिया बादल एक गर्म, चमकता हुआ संकेत नहीं है, बल्कि जीवित बचे लोगों का एक विरल संग्रह है जिन्होंने तारे की भूखी पकड़ से बचने में कामयाबी हासिल की है।