बिग बैंग का पदार्थ न्यूट्रॉन सितारों के अंदर छिपा हो सकता है

ध्वस्त सितारों के हृदय में सृष्टि का एक अवशेष

न्यूट्रॉन सितारे ज्ञात ब्रह्मांड की सबसे चरम वस्तुएं हैं। सुपरनोवा विस्फोटों के दौरान विशाल तारकीय कोर के हिंसक संपीड़न से पैदा हुए, वे सूर्य से अधिक द्रव्यमान को एक शहर के आकार के गोले में दबाते हैं, ऐसी चरम घनता पैदा करते हैं कि उनके अंदर के पदार्थ की वास्तविक प्रकृति अनिश्चित है। अब, सैद्धांतिक और अवलोकनात्मक साक्ष्य का बढ़ता हुआ निकाय सुझाता है कि न्यूट्रॉन सितारों के कोर पदार्थ की एक अवस्था रख सकते हैं जो मुक्त रूप में तब से नहीं देखी गई जब ब्रह्मांड माइक्रोसेकंड का था: quark-gluon plasma, बिग बैंग का आदिम पदार्थ।

Quark-gluon plasma पदार्थ की वह अवस्था है जो तब मौजूद थी जब ब्रह्मांड एक लाखवें सेकंड से कम पुराना था और तापमान खरबों डिग्री से अधिक था। उन परिस्थितियों में, quarks — प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के मौलिक घटक — यौगिक कणों के अंदर सीमाबद्ध नहीं बल्कि gluons के साथ एक गर्म, सघन सूप में स्वतंत्र रूप से मौजूद होते हैं, कण जो मजबूत परमाणु बल की मध्यस्थता करते हैं। जैसे ही ब्रह्मांड ठंडा हुआ, quarks प्रोटॉन, न्यूट्रॉन और अन्य हैड्रॉन के अंदर स्थायी रूप से सीमाबद्ध हो गए, और quark-gluon plasma प्राकृतिक परिस्थितियों में एक मुक्त चरण के रूप में अस्तित्व में आना बंद हो गया।

न्यूट्रॉन सितारों के अंदर संभवतः छोड़कर। गणनाएं सुझाती हैं कि न्यूट्रॉन सितारे इतनी अधिक घनता प्राप्त कर सकते हैं कि व्यक्तिगत न्यूक्लिऑन के बीच की सीमाएं घुल जाएं, उन परिस्थितियों को फिर से बनाएं जहां quarks स्वतंत्र रूप से घूमते हैं — बिग बैंग के गर्म प्लाज्मा से अलग लेकिन समान मौलिक भौतिकी द्वारा नियंत्रित ठंडा, सघन quark पदार्थ। इसकी पुष्टि करना आधुनिक युग में खगोल भौतिकी और परमाणु भौतिकी की सबसे महत्वपूर्ण खोजों में से एक होगी।

अब तक का सबूत

न्यूट्रॉन सितारों के अंदर quark पदार्थ के सबूत कई अप्रत्यक्ष दिशाओं से आते हैं, कोई भी अकेले निर्णायक नहीं है। सबसे मजबूत बाधा LIGO और Virgo द्वारा न्यूट्रॉन सितारों के विलय की गुरुत्वाकर्षण तरंगों के अवलोकन से आती है। जब दो न्यूट्रॉन सितारे एक दूसरे के गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में सर्पिल होते हैं और विलय होते हैं, तो वे जो गुरुत्वाकर्षण तरंगें उत्सर्जित करते हैं वे सितारों की आंतरिक संरचना के बारे में जानकारी ले जाती हैं — विशेष रूप से वे एक दूसरे के गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में कितने विकृत हो सकते हैं, एक गुण जिसे tidal deformability कहा जाता है। GW170817 घटना से मापी गई tidal deformabilities ने न्यूट्रॉन सितारा स्थिति के समीकरण को इस तरह से बाधित किया कि कुछ सैद्धांतिक मॉडल सुझाते हैं कि यह तारकीय कोर में quark पदार्थ की उपस्थिति द्वारा सबसे स्वाभाविक रूप से समझाया गया है।

न्यूट्रॉन सितारों के द्रव्यमान और त्रिज्या के एक्स-रे अवलोकन पूरक बाधाएं प्रदान करते हैं। अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन पर NICER उपकरण ने पर्याप्त सटीकता के साथ कई न्यूट्रॉन सितारों का आकार मापा है ताकि उनकी आंतरिक संरचना को बाधित किया जा सके। संयुक्त द्रव्यमान और त्रिज्या मापन कुछ सैद्धांतिक स्थिति के समीकरणों को खारिज कर सकते हैं और दूसरों को अनुकूल कर सकते हैं, संभावित आंतरिक संरचनाओं की श्रेणी को संकीर्ण कर सकते हैं। वर्तमान NICER डेटा quark पदार्थ की पुष्टि नहीं करता है, लेकिन यह सबसे सघन ज्ञात न्यूट्रॉन सितारों की उपस्थिति के अनुरूप है।

चुनौती यह है कि न्यूट्रॉन सितारों का आंतरिक भाग प्रत्यक्ष अवलोकन के लिए अप्राप्य है, और न्यूट्रॉन सितारों की घनता पर पदार्थ के व्यवहार की सैद्धांतिक गणनाएं असाधारण रूप से कठिन हैं। Quantum chromodynamics — quarks और gluons की बातचीत को नियंत्रित करने वाली सिद्धांत — को परमाणु नाभिक में पाई गई घनता और प्रारंभिक ब्रह्मांड के चरम घनता पर जाली QCD विधियों का उपयोग करके हल किया जा सकता है, लेकिन न्यूट्रॉन सितारों के कोर के अनुरूप मध्यवर्तीघनता एक ऐसी व्यवस्था में रहती है जहां वर्तमान सैद्धांतिक विधियां अविश्वसनीय हैं। अनिश्चितता भौतिकी की विफलता नहीं बल्कि गणना का एक वास्तविक सीमांत है।

वैज्ञानिकों को लगता है कि वे इसे कैसे साबित कर सकते हैं

न्यूट्रॉन सितारों में quark पदार्थ की पुष्टि करने का मार्ग गुरुत्वाकर्षण तरंग डिटेक्टर संवेदनशीलता में सुधार, अधिक सटीक न्यूट्रॉन सितारों की त्रिज्या माप और सघन परमाणु पदार्थ को समझने में सैद्धांतिक प्रगति के माध्यम से चलता है। अगली पीढ़ी के गुरुत्वाकर्षण तरंग डिटेक्टर — यूरोप में Einstein Telescope और संयुक्त राज्य में Cosmic Explorer — नाटकीय रूप से सुधारी हुई संवेदनशीलता के साथ न्यूट्रॉन सितारों के विलय का अवलोकन करेंगे, संभवतः विलय के बाद की गुरुत्वाकर्षण तरंग संकेत को माप सकते हैं जो वर्तमान डिटेक्टर नहीं कर सकते और जो quark पदार्थ के साथ हिंसक टकराव और विलय प्रक्रिया के दौरान क्या होता है इसकी जानकारी ले जाता है।

विलय के बाद का संकेत विशेष रूप से जानकारीपूर्ण है क्योंकि यह विलय के बाद के सितारों की घनता से अधिक घनता पर पदार्थ के व्यवहार पर निर्भर करता है। यदि quark पदार्थ मौजूद है और विलय के दौरान एक चरण संक्रमण का अनुभव करता है — जैसे-जैसे घनता शिखर पर पहुंचती है सामान्य परमाणु पदार्थ से मुक्त quark पदार्थ में बदलता है — गुरुत्वाकर्षण तरंग आवृत्ति सामग्री उस संक्रमण के विशिष्ट हस्ताक्षर ले जाएगी। इन हस्ताक्षरों के सैद्धांतिक पूर्वानुमान सक्रिय शोध क्षेत्र हैं, और भविष्य के डिटेक्टर उन्हें अवलोकन के लिए पर्याप्त संवेदनशील हो सकते हैं।

प्रयोगशाला प्रयोग भी चित्र में योगदान देते हैं। CERN के Large Hadron Collider और Brookhaven के Relativistic Heavy Ion Collider जैसी सुविधाओं में भारी-आयन टकराव एक सेकंड के अंश के लिए लघु quark-gluon plasma बनाते हैं, उच्च तापमान पर quark पदार्थ गुणों पर प्रायोगिक डेटा प्रदान करते हैं जो न्यूट्रॉन सितारों के आंतरिक भाग के लिए प्रासंगिक उच्च-घनता, कम-तापमान व्यवस्था में एक्सट्रापोलेशन को सीमित कर सकते हैं। इन व्यवस्थाओं के बीच सैद्धांतिक पुल अधूरा है लेकिन परमाणु सिद्धांत में प्रगति के साथ सुधार रहा है।

भौतिकी के लिए इसका क्या मतलब होगा

न्यूट्रॉन सितारों में quark पदार्थ की पुष्टि परमाणु भौतिकी और खगोल भौतिकी दोनों के लिए एक ऐतिहासिक परिणाम होगा। यह स्थापित करेगा कि quantum chromodynamics द्वारा भविष्यवाणी किया गया और प्रयोगशाला कण त्वरकों में क्षणिक रूप से बनाया गया पदार्थ की एक अवस्था स्थूल खगोलीय वस्तुओं का एक स्थिर घटक है — असाधारण परिस्थितियों की श्रेणी पर सिद्धांत को मान्य करना और quarks की सूक्ष्म भौतिकी को कॉम्पैक्ट वस्तुओं की खगोल भौतिकी से जोड़ना।

खोज न्यूट्रॉन सितारों की स्थिति के समीकरण को समझने में तीक्ष्ण करेगी — दबाव और घनता के बीच संबंध इन वस्तुओं के अंदर — जो परमाणु खगोल भौतिकी की केंद्रीय खुली समस्याओं में से एक है। एक बेहतर स्थिति का समीकरण सुपरनोवा पतन, न्यूट्रॉन सितारे गठन, विलय से गुरुत्वाकर्षण तरंग उत्सर्जन और न्यूट्रॉन सितारे विलय में r-प्रक्रिया nucleosynthesis के मॉडल में सुधार करता है जो ब्रह्मांड में अधिकांश सोना, प्लेटिनम और अन्य भारी तत्वों के निर्माण के लिए जिम्मेदार है।

चरम घनता पर मजबूत परमाणु बल में रुचि रखने वाले भौतिकविदों के लिए, न्यूट्रॉन सितारे प्राकृतिक प्रयोगशालाएं हैं जो कोई भी स्थलीय प्रयोग नहीं बना सकता। उनकी आंतरिक संरचना पर प्रत्येक नई अवलोकनात्मक बाधा भौतिकी में एक खिड़की है जिसे पृथ्वी पर सीधे बनाया और अध्ययन नहीं किया जा सकता, न्यूट्रॉन सितारे ইnteriors को चिह्नित करने का प्रकल्प वर्तमान में खगोल भौतिकी और मौलिक भौतिकी के सबसे उत्पादक चौराहों में से एक बनाता है।

यह लेख Space.com की रिपोर्टिंग पर आधारित है। मूल लेख पढ़ें।