काले छिद्र: वे कैसे उत्पन्न होते हैं, आकाशगंगा क्या है, और उन्हें कैसे देखा जाता है

एक काले छेद न तो अंतरिक्ष के माध्यम से एक नाला है और न ही एक सार्वभौमिक वाक्यमूलक। यह एक क्षेत्र है, जहां पदार्थ इतना अधिक एकत्रित हो गया है कि एक सीमा, जिसे घटना क्षितिज कहा जाता है, जो अभी भी बाकी ब्रह्मांड के साथ संवाद कर सकता है, उससे अलग करती है जो अब नहीं बच सकता है। यह परिभाषा कई सवाल उठाती है: इस तरह का क्षेत्र कैसे बनता है, प्रसिद्ध तस्वीरों में नारंगी रंग का चक्र वास्तव में क्या दिखाता है, और हम एक वस्तु के अस्तित्व को कैसे स्थापित कर सकते हैं जो कोई प्रकाश नहीं परावर्तित करता है?

इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए, हमें भव्य तस्वीरों के बजाय प्रमाणों का अनुसरण करना होगा। शोधकर्ता सितारों के गतियों, आस-पास के गैस से आने वाली रोशनी, दुनिया भर के ऑब्जर्वेटरी से प्राप्त रेडियो मापों और गुरुत्वाकर्षण तरंगों को जोड़ते हैं। प्रत्येक विधि इस घटना का एक हिस्सा प्रकट करती है और इसके अपने सीमाएं हैं। इस खंड में दिए गए मीडिया वैज्ञानिक पत्रों या ऐसे ही पहचाने गए एनिमेशन हैं; कोई वीडियो वास्तविक समय में एक काले छेद के अंदर का दृश्य दिखाने का दावा नहीं करता है।

एक काले छेद को परिभाषित करने वाला सीमा

सामान्य सापेक्षता के अनुसार, गुरुत्वाकर्षण अंतरिक्ष-समय की लंबाई के झुकाव का परिणाम है। जब एक पर्याप्त रूप से भारी वस्तु पर्याप्त रूप से संकुचित क्षेत्र में स्थित होती है, तो एक घटना सीमा दिखाई देती है। बाहरी निगरानीकर्ता के लिए, अंदर से उत्पन्न कोई संकेत इस सीमा के बाहर नहीं जा सकता, भले ही वह प्रकाश की गति से यात्रा कर रहा हो। सीमा एक ठोस कवच नहीं है, जिस पर कोई व्यक्ति उतर सकता है। यह एक कारण-सीमा है: इसके पार, भविष्य की ओर जाने वाली संभावित पथ अब बाहरी ब्रह्मांड तक वापस नहीं जाते हैं।

यह सीमा, कुछ तस्वीरों पर पुनरनिर्मित "छाया" से अलग होनी चाहिए। गुरुत्वाकर्षण प्रकाश किरणों को विचलित करता है, और कुछ फोटॉन पकड़े जाते हैं। स्पष्ट रूप से अंधेरे क्षेत्र इस पकड़, उत्सर्जन की गणितीय संरचना और डेटा प्रसंस्करण पर निर्भर करता है। यह केवल आकाशगंगा की भौतिक सीमा को निर्धारित नहीं करता है। इसलिए, कहना है कि प्रकाशक चक्र काले छेद की सतह है, गलत है: हम मुख्य रूप से अभी भी बाहर स्थित पदार्थ से आने वाले प्रकाश का अध्ययन कर रहे हैं।

वे कैसे पैदा होते हैं?

एक विशाल मास के काले छोर तक एक अच्छी तरह से स्थापित मार्ग, कुछ बहुत भारी तारों के जीवन के अंत से शुरू होता है। जब उनके नाभिक अपनी गंभीरता को नहीं झेल सकते, तो वे सिकुड़ जाते हैं। नाभिक की मात्रा, उसके संरचना और पिछली पदार्थ की हानि के आधार पर, अवशेष एक न्यूट्रॉन तारा या एक काले छोर बन सकता है। सभी तारे इस तरह से नहीं समाप्त होते हैं: सूर्य, उदाहरण के लिए, इस परिदृश्य का पालन करने के लिए आवश्यक मात्रा नहीं रखता है।

बहुत विशाल काले छिद्र कई आकाशगंगाओं के केंद्रों को घेरते हैं। मिल्की वे के केंद्र में स्थित सैगिटरियस A* लगभग चार मिलियन सौर मास है। मेसियर 87 में स्थित M87* बहुत अधिक भारी है। इन वस्तुओं के विकास में विलय और गैस संचय का योगदान होता है, लेकिन दूर स्थित ब्रह्मांड में देखे गए विशालकायों की बहुत शुरुआती निर्माण प्रक्रिया अभी भी शोध का विषय है। मध्यम-मास के उम्मीदवार इस इतिहास को पुनर्स्थापित करने में मदद कर सकते हैं।

क्या हम एक काले वस्तु के आसपास प्रकाश देखते हैं?

निकट आते हुए पदार्थ अनिवार्य रूप से सीधी रेखा में नहीं आते हैं। यदि यह काले छिद्र के चारों ओर गति करता है, तो यह एक आकर्षण चक्र (accretion disk) का निर्माण कर सकता है। इस गैस में होने वाली बातचीत इसे गर्म करती है; उत्सर्जन रेडियो तरंगों से लेकर एक्स-रे तक स्पेक्ट्रम के कई हिस्सों में दिखाई दे सकता है। इवेंट होरिजन टेलीस्कोप (Event Horizon Telescope) की तस्वीरों का ऑरेंज रंग रेडियो मापों के लिए एक दृश्यकरण परंपरा है। यह वह रंग नहीं है जो मानव आँखें दृश्य में देखती हैं।

सभी काले छिद्रों में किसी भी समय एक चमकदार डिस्क नहीं होती है। उनका वातावरण और उनका ईंधन आपूर्ति बदलता है। कुछ प्रणालियां तेजी से पदार्थ के जेट उत्पन्न करती हैं। ये जेट आकाशगंगा के अंदर से बाहर निकलने वाले पदार्थ नहीं हैं: वे बाहरी क्षेत्र में बनते हैं, जो गैस, चुंबकीय क्षेत्रों और घूर्णन से संबंधित है। एक जेट को देखने से तीव्र गतिविधि का संकेत मिल सकता है, लेकिन यह गतिविधि को उस विशिष्ट प्रणाली से जोड़ना आवश्यक है जो इसे पोषण दे रही है।

पहला प्रमाण: तारों का अनुसरण करें

गगनचुम्बी मार्ग के केंद्र में धूल दृश्य प्रकाश में दृष्टि को बाधित करती है। इनफ्रारेड में किए गए अवलोकन ने हमें कई वर्षों तक एक बहुत ही संकुचित क्षेत्र के चारों ओर तंग कक्षाओं में सितारों का पता लगाने की अनुमति दी है। इनकी गति और पथ उनके केंद्र के वस्तु के भार को प्रकट करते हैं, भले ही यह लगभग कोई प्रकाश नहीं उत्सर्जित करता हो। यह कार्य रेडियो छवियों की स्वतंत्र पुष्टि करता है, और इस प्रकार हमें किसी वस्तु के गुरुत्वाकर्षण प्रभाव को बिना इसके प्रत्यक्ष चित्रण किए मापने की अनुमति देता है।

एक कक्षा केवल गतिशीलता का अहसास नहीं देती है। विभिन्न समयों पर रिकॉर्ड किए गए स्थानों के साथ, खगोलविदों ने एक गतिशील मॉडल बनाया, एक मास का अनुमान लगाया, दूरी का परीक्षण किया और उपकरणीय असुरक्षाओं का मूल्यांकन किया। सागरितस A* के बहुत करीब से गुजरने वाले सितारे, सामान्य सापेक्षता द्वारा भविष्यवाणी किए गए प्रभावों का परीक्षण भी अनुमति देते हैं। परिणाम एक एकल दमदार तस्वीर नहीं, बल्कि कई बार दोहराए गए, तुलना किए गए और फिर से विश्लेषण किए गए मापों का एक सेट है।

दूसरा प्रमाण: पृथ्वी के आकार का दूरबीन

इवेंट होरिजन टेलीस्कोप (EHT) दूर स्थित रेडियो टेलीस्कोपों को जोड़कर एक ही एंटेना के साथ असंभव होने वाली कोणीय संकल्पता प्राप्त करता है। ऑब्जर्वेटरी एक ही वस्तु को सटीक समय के साथ रिकॉर्ड करते हैं। इसके बाद टीमें संकेतों को जोड़ती हैं, डेटा को कैलिब्रेट करती हैं और एक छवि को पुनर्स्थापित करती हैं। यह तकनीक, बहुत लंबी आधार लाइन इंटरफेरोमीट्री, एंटेना के बीच की दूरी का लाभ उठाती है; यह उनके बीच के सभी स्थानों को भौतिक रूप से नहीं भरती है। अधूरा कवरेज मॉडल और अनिश्चितताओं का सावधानीपूर्वक विश्लेषण करने की आवश्यकता है।

M87* का पहला चित्र 2019 में प्रकाशित किया गया था, जो 2017 के अवलोकन पर आधारित था। Sagittarius A* का चित्र 2022 में प्रस्तुत किया गया था, जो भी 2017 के डेटा पर आधारित था। Sagittarius A* के पास के गैस का विकास अवलोकन के स्तर पर तेजी से हो रहा है, जो पुनरनिर्माण को जटिल बना देता है। प्रकाशित चित्र कई संगत पुनरनिर्माणों को संक्षेपित करता है: यह एक ही तस्वीर को नहीं दर्शाता है। EHT आकाशगंगा के अंदर की संरचना या उसमें मौजूद पदार्थ का लगातार वीडियो नहीं दिखाता है।

Sagittarius A*: रिंग का क्या अर्थ है?

सागरमित्र A* की छवि में एक अंधेरा केंद्र और एक चमकदार संरचना दिखाई देती है। EHT नेटवर्क से प्राप्त रेडियो माप और उनका प्रोसेसिंग, एक गैस से घिरे सुपरमैसिव काले छिद्र के मॉडल के साथ मेल खाते हैं। इस छवि से अनुमानित मास, तारे के कक्षीय पथों से प्राप्त मास के साथ मेल खाता है। स्वतंत्र विधियों के संयोजन के कारण निष्कर्ष विशेष रूप से मजबूत है; अकेले रिंग पूरी कहानी नहीं बताता है।

प्रकाश गुरुत्वाकर्षण के कारण घुमावदार रास्तों का अनुसरण करता है। यह विभिन्न रास्तों के माध्यम से द्रष्टा तक पहुंच सकता है, जबकि कुछ हिस्सा पकड़ लिया जाता है। चमक के विवरण गैस और चुंबकीय क्षेत्रों पर भी निर्भर करते हैं। इसलिए एक स्पष्ट तस्वीर प्रत्येक चमकती जगह को समझने के लिए पर्याप्त नहीं है: डेटा को सिमुलेशन के साथ तुलना किया जाना चाहिए और उन विशेषताओं की जांच की जानी चाहिए जो पुनर्निर्माण विकल्पों को पार कर जाते हैं। टीमें तस्वीर के साथ अपने तरीकों और त्रुटि सीमाओं को प्रकाशित कर रही हैं।

तीसरा प्रमाण: गुरुत्वीय तरंगें

जब दो काले छिद्र एक दूसरे के चारों ओर घूमते हैं और फिर एक हो जाते हैं, तो उनके गति-प्रवाह में झंझट पैदा होती है। LIGO और Virgo जैसे डिटेक्टर इन मॉडलों के साथ संगत होने वाले अपने मापों में छोटे संकेतों की तलाश करते हैं। दो काले छिद्रों के एक होने का पहला संकेत 2015 में पता चला था और 2016 में घोषित किया गया था। यहां हम गैस के एक चक्र को नहीं देख रहे हैं: हम अंतरिक्ष-प्रवाह के अस्थायी विकृति को माप रहे हैं, जिसका आकार इस जोड़ी की मास और गतिशीलता के बारे में जानकारी देता है।

जलयुगीय तरंगें प्रकाश-आधारित निगरानी को पूरक करती हैं। दो काले छिद्रों के विलय से कोई आसानी से पहचाने जाने वाली विद्युत चमक नहीं उत्पन्न हो सकती है। डिटेक्टर भी पर्यावरण का विस्तृत चित्र प्रदान नहीं करते हैं। कई उपकरणों को मिलाकर आत्मविश्वास बढ़ाया जा सकता है और अत्यंत कठिन स्थितियों में भौतिकी की जांच की जा सकती है। इस सबूतों की विविधता, सभी काले छिद्रों के एक "अंतिम तस्वीर" की खोज करने से अधिक जानकारीपूर्ण है।

यदि हम इस ओर बढ़ते हैं तो क्या होगा?

एक बहुत दूर की दूरी पर, एक काले छेद किसी अन्य समान मास के पिंड की तरह आकर्षित करता है। यह अचानक एक पूरी गैलेक्सी को नहीं खींचता है। यदि सूर्य को एक विचार प्रयोग में, एक समान मास के एक पिंड से बदल दिया जाता, तो पृथ्वी की कक्षा लगभग समान बनी रहती; सूर्य की रोशनी की कमी स्पष्ट रूप से विनाशकारी होगी। स्थिति एक संकुचित क्षेत्र की ओर बढ़ने वाले यात्री के लिए विशेष होती है।

एक वस्तु के निकट और दूर पक्षों के बीच गुरुत्वाकर्षण के अंतर इसे फैल सकते हैं: यह तटीय प्रभाव है, जिसे "स्पैगेटिफिकेशन" भी कहा जाता है। इसकी तीव्रता क्षितिज के पास अन्य बातों में से, काले छेद की मात्रा पर निर्भर करती है। एक दूरस्थ निगरानीकर्ता के लिए, क्षितिज की ओर बढ़ते हुए एक वस्तु से आने वाला प्रकाश लगातार लालच के साथ और कमजोर होता दिखता है। वस्तु द्वारा अनुभव की जाने वाली समय और दूर से प्राप्त संकेत एक ही तरह से नहीं व्यवहार करते हैं। क्षितिज पर एक व्यक्ति को फ्रीज करके और साफतौर पर हमेशा दिखाई देने वाले चित्र इस स्थिति को बहुत अधिक सरल बनाते हैं।

तस्वीरें क्या नहीं दिखाती हैं

अनुमान स्पष्ट रूप से सामान्य सापेक्षता में काले छिद्रों के साथ संगत टाइट वस्तुओं के अस्तित्व को प्रमाणित करते हैं। ये आकाशगंगा के अंदर की दृश्यता प्रदान नहीं करते हैं, और न ही वे किसी अन्य ब्रह्मांड में जाने वाले सुरंगों के अस्तित्व को साबित करते हैं। हॉकिंग विकिरण एक महत्वपूर्ण सिद्धांतिक भविष्यवाणी है, लेकिन किसी भी आकाशीय काले छिद्र से इस प्रकार का विकिरण अभी तक सीधे मापा नहीं गया है।

सूचना, केन्द्रीय क्षेत्र के विवरण, और गुरुत्वाकर्षण और क्वांटम भौतिकी के बीच संबंध का प्रश्न अभी भी खुला है। इन सीमाओं को पहचानना यह बताता है कि क्या देखा गया, गणना की गई, या अनुमान लगाया गया। एक नई वैज्ञानिक छवि को पढ़ने के लिए, तीन प्रश्न उपयोगी हैं: कौन सा उपकरण कौन सा संकेत रिकॉर्ड किया? क्या कदम उस संकेत को एक छवि में बदलते हैं? और कौन से अन्य स्वतंत्र मापन इस व्याख्या को पुष्ट करते हैं?

युवा अफ्रीकी वैज्ञानिकों के लिए खुला सर्वेक्षण

काले छिद्रों का अध्ययन एक विशाल दूरबीन की आवश्यकता नहीं है। प्रकाशित डेटा, गणितीय सॉफ्टवेयर, सांख्यिकीय विश्लेषण, दृश्यकरण और स्रोत की जांच, सभी प्रशिक्षण और अनुसंधान के लिए अवसर खोलते हैं। एक कक्षा में तारकीय कक्षाओं और EHT छवियों की तुलना की जा सकती है, फिर माप, मॉडलिंग और ग्राफिक प्रतिनिधित्व के बीच एक स्पष्ट सीमा खींची जा सकती है। एक शैक्षणिक टीम आवश्यक कौशल और सहयोग के साथ संकेत विश्लेषण या मॉडलिंग में योगदान कर सकती है।

ALMA के मामले में यह दिखाया गया है कि एक खोज एक अलग तकनीकी श्रृंखला पर भी निर्भर करती है: एंटेना, घड़ियां, सिंक्रनाइज़ेशन, डेटा ट्रांसफर, प्रोसेसिंग और कंट्रोल। ये क्षेत्र टेलीकॉम, उपकरण और वैज्ञानिक प्रोग्रामिंग में उपयोगी कौशल को जोड़ते हैं। सबसे अच्छा प्रवेश बिंदु यह है कि एक सत्यापित प्रश्न पूछें और उत्तर के प्रत्येक चरण को दस्तावेजित करें।

याद रखने के लिए

एक काले छेद का परिभाषा उसके घटना क्षितिज से है; इसके मीडिया चित्र में ज्यादातर उसके आसपास के पदार्थ और प्रकाश दिखाया जाता है। कक्षा में घूमने वाले तारे, रेडियो इंटरफेरोमीट्री और गुरुत्वीय तरंगें एक-दूसरे को मजबूत करने वाले अलग-अलग प्रमाण प्रदान करते हैं। M87* और Sagittarius A* दो अलग-अलग वस्तुएं हैं। इनकी ऐतिहासिक छवियां 2019 और 2022 में प्रकाशित 2017 के डेटा पर आधारित हैं। यहां दिए गए दोनों वीडियो ESO के शिक्षण मोंटैज या एनिमेशन हैं, न कि काले छेद के अंदर से लगातार शॉट्स।