हॉकिंग वाष्पीकरण

एक ब्लैक होल की धीमी चमक और अंतिम चमक: वह कैसे खत्म होता और कैसा दिखता

एक परिकल्पना: भौतिकी काग़ज़ पर इसकी अनुमति देती है, पर किसी ने इसे कभी नहीं देखा। सब कुछ आज के सिद्धांत के अनुसार है।

कदम-दर-कदम

एक ब्लैक होल जो चमकता है

इससे पहले ब्लैक होल सम्पूर्ण अवशोषक था: प्रकाश भीतर जाता है और कुछ बाहर नहीं आता, इसलिए लगता था कि उसका कोई तापमान ही नहीं। जैकब बेकेनस्टाइन ने 1972 में तर्क दिया कि उसका होना चाहिए। हॉकिंग ने पहले शक किया, फिर अपनी गणना में पाया कि विवर सचमुच विकिरण करता है।

तापमान ħc³ / 8πGMk है, इसलिए द्रव्यमान बढ़ने पर घटता है। एक सूर्य के लिए यह लगभग 62 नैनोकेल्विन है, और चमक केवल 9 × 10⁻²⁹ वाट ले जाती है, जबकि आकाश का पृष्ठभूमि विकिरण विवर में सैकड़ों वाट से बहता है।

किसी असली ब्लैक होल में यह चमक किसी ने नहीं देखी। यहाँ वह हल्के नीले रंग में बनाई गई है, क्योंकि देखने के लिए बहुत क्षीण है। काली छाया और उसके चारों ओर मुड़े तारे विवर की ज्यामिति से होकर अनुसरित हैं, जैसा सामान्य सापेक्षता कहती है।

चमक कहाँ से आती है

जोड़ों की तस्वीर मोटी है, और हॉकिंग ने उसे केवल समझाने के लिए इस्तेमाल किया। उनकी गणना ने ढहते तारे के वक्र अंतरिक्ष में क्वांटम क्षेत्रों को देखा, और पाया कि ढहने के बहुत बाद दूर का प्रेक्षक गरम पिंड की चमक के ढर्रे में कणों को बाहर बहते देखता है।

आकार एक सुंदर नियम मानता है: चमक की सबसे चमकीली तरंगदैर्घ्य विवर की त्रिज्या की लगभग 16 गुना है, द्रव्यमान चाहे जो हो। कुछ किलोमीटर चौड़ा विवर दसियों किलोमीटर लंबी रेडियो तरंगों में चमकता है। प्रोटॉन के आकार का विवर गामा किरणों में चमकता।

ऊर्जा विवर के अपने द्रव्यमान से निकलती है: हर बच निकलता क्वांटम कुछ साथ ले जाता है, इसलिए विवर हल्का हो जाता है। यहाँ बाहर बहती चिंगारियाँ बनाई गई हैं, क्योंकि कोई आँख उन्हें नहीं देख सकती।

छेद कैसे बनता है

विधि कभी नहीं बदलती: एक द्रव्यमान लें और उसे पूरा 2GM/c² त्रिज्या के गोले के भीतर कर दें। पृथ्वी को कंचे जितनी, सूर्य को छह किलोमीटर चौड़ाई तक दबाना पड़ेगा। कुछ जोड़ा नहीं जाता: दूर से विवर वैसे ही खींचता है जैसे मूल पिंड खींचता था। केवल बहुत पास कुछ बाहर नहीं निकलता।

तारे यह खुद कर लेते हैं। जब लगभग बीस सूर्य या उससे भारी तारे का ईंधन खत्म होता है, उसका क्रोड खुद को सँभाल नहीं पाता और सेकंड के अंश में ढह जाता है, कुछ से दसियों सूर्यों का विवर छोड़ते हुए। चित्र इसे वैसे अनुसरित करता है जैसे दूर का प्रेक्षक देखता है: सतह क्षितिज की ओर रेंगती है और उसका प्रकाश सेकंड के कुछ सौ दशलक्षांश में मंद हो जाता है (ओपेनहाइमर और स्नाइडर, 1939)।

कोई नन्हा विवर, जो गरम चमकता और हमारे जीवन में मर जाता, दूसरी बात है। सिद्धांत जो सबसे छोटा देता है उसका द्रव्यमान प्लांक द्रव्यमान है, 2.2 × 10⁻⁸ किलोग्राम, और उसे बनाने में लगभग 10¹⁶ TeV ऊर्जा लगती है। लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर प्रोटॉनों को 13.6 TeV पर टकराता है, लगभग दस लाख अरब गुना कम।

अतिरिक्त छिपे आयामों वाले कुछ सिद्धांत वह कीमत कोलाइडर की पहुँच में ला देते, और उसके प्रयोगों ने ऐसे नन्हे विवर खोजे जो तुरंत वाष्पित हो जाते। कोई नहीं मिला। प्रकृति ने जो नन्हे विवर बनाए हो सकते हैं वे आगे आते हैं।

वह सिकुड़ता है, और गरम होता है

नियम सरल हैं। तापमान 1 बटा द्रव्यमान की तरह, शक्ति 1 बटा द्रव्यमान के वर्ग की तरह, और आयु द्रव्यमान के घन की तरह चलती है: दोगुना भारी विवर आठ गुना ज़्यादा जीता है। खोया द्रव्यमान पल-पल जोड़ने पर आयु का हॉकिंग सूत्र मिलता है।

चार्ट एक विवर को उसके जीवन भर देखता है। लगभग पूरे जीवन में लगभग कुछ नहीं बदलता: आधे रास्ते पर द्रव्यमान का चार-पंचमांश अब भी है। केवल अंतिम क्षणों में द्रव्यमान गिरता है और तापमान उछलता है।

यह हॉकिंग का सूत्र है, जिसे किसी ने असली ब्लैक होल पर नहीं परखा। चित्र की चमक बनाई गई है।

लंबा इंतज़ार

ब्रह्मांडीय माइक्रोवेव पृष्ठभूमि आज 2.725 केल्विन है और अंतरिक्ष के खिंचने पर ठंडी होती है। केवल लगभग 4.5 × 10²² किलोग्राम से हल्का, चंद्रमा के द्रव्यमान का छह-दसवाँ, विवर आकाश से गरम है। तारे से बना हर विवर कहीं भारी है, इसलिए सब अब भी बढ़ते हैं।

मानक तस्वीर में डार्क एनर्जी खिंचाव को हमेशा चलाती है, और पृष्ठभूमि हर 17 अरब वर्ष में e गुना ठंडी होती है। एक सूर्य जितने विवर के तापमान तक गिरने में ऐसे लगभग 18 लगते हैं, अब से लगभग तीन सौ अरब वर्ष।

चित्र का आकाश इंतज़ार दिखाने के लिए धुँधलाता है। उससे बहुत पहले तारे बुझ चुके होंगे और बाकी आकाशगंगाएँ नज़र से ओझल हो चुकी होंगी। धुँधलाना चित्र में बनाया गया है।

छोटे विवर

ऐसे विवर की त्रिज्या लगभग 2.6 × 10⁻¹⁶ मीटर है, प्रोटॉन की एक-तिहाई, और वह 7 × 10¹¹ केल्विन पर चमकता है। उसकी आयु ब्रह्मांड की आयु है: बिल्कुल शुरू में बना होता तो आज मर रहा होता। हल्के वाले कब के जा चुके होते।

विचार यह है कि प्रारंभिक ब्रह्मांड के औसत से थोड़े घने क्षेत्र ढह सकते थे, जैसा ज़ेल्दोविच और नोविकोव ने 1966 में प्रस्तावित किया और कार तथा हॉकिंग ने 1974 में विकसित किया। कुछ नहीं दिखाता कि किसी ने ऐसा किया।

भारी आदिम विवर अब भी आसपास होते, और कुछ को डार्क मैटर के रूप में सुझाया गया है। प्रेक्षण अधिकांश द्रव्यमानों को नकारते हैं, पर कुछ खाली जगहें खुली रहती हैं। कोना दिखाता है कि मरता विवर प्रोटॉन के पास कितना छोटा होता।

अंतिम सेकंड

तब उसका तापमान लगभग 5 × 10¹⁷ केल्विन है, लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर की टक्करों से कहीं गरम। हर तरह का कण जो मौजूद है बहता, और शायद ऐसे भी जो अभी खोजे नहीं गए, केवल 7 × 10⁻²² मीटर चौड़े विवर से।

बिल्कुल अंत में क्या होता है, यह ज्ञात नहीं। जब द्रव्यमान प्लांक द्रव्यमान, लगभग 22 माइक्रोग्राम, के पास पहुँचता है, हॉकिंग की गणना भरोसेमंद नहीं रहती और क्वांटम गुरुत्व का सिद्धांत चाहिए। उलटी गिनती वहाँ लगभग 10⁻³⁹ सेकंड में पहुँचती है। कुछ सोचते हैं कि एक नन्हा अवशेष बचता है।

चित्र उलटी गिनती दिखाता है: विवर सिकुड़ता है, और बनाई गई चमक फैलती और चमकीली होती है जब तक कौंध पूरे दृश्य को न भर दे। वह गामा किरणों और कणों की होती, जिन्हें देखा नहीं जा सकता।

सूचना कहाँ जाती है?

चमक ऐसे निकलती लगती है जिसमें भीतर गिरी चीज़ का कोई निशान नहीं: एक किताब और एक पत्थर एक जैसी चमक बना सकते हैं। पर क्वांटम भौतिकी कहती है कि सूचना कभी नष्ट नहीं होती। यह सूचना विरोधाभास अब भी भौतिकी की सबसे गहरी पहेलियों में से एक है।

हॉकिंग ने 1976 में मुश्किल की ओर इशारा किया। पूरी तरह वाष्पित होने वाला विवर केवल तापीय विकिरण छोड़ता है, और तापीय विकिरण वही रहता है चाहे विवर किसने बनाया हो। यदि ऐसा है तो जो गिरा वह खो गया, जिसे क्वांटम यांत्रिकी मना करती है।

1993 में डॉन पेज ने दिखाया कि सूचना बची रहे तो विकिरण की एंट्रॉपी कैसा व्यवहार करे: लगभग आधा विवर जाने तक बढ़ती है, फिर घटती है। हॉकिंग की मूल गणना ऐसा वक्र देती है जो केवल बढ़ता है। कोना दोनों का रेखाचित्र देता है।

2019 में कई समूहों ने घटता हुआ हिस्सा ऐसी गणनाओं से पाया जो द्वीप कहलाने वाले अंतरिक्ष के अतिरिक्त टुकड़े गिनती हैं। ये सरलीकृत मॉडलों में चलती हैं। असली ब्लैक होल के लिए प्रश्न अब भी खुला है।

क्या किसी ने कभी एक देखा है?

नहीं। किसी ब्लैक होल को चमकते कभी नहीं देखा गया, और किसी नन्हे की अंतिम कौंध नहीं मिली। पर 2016 में जेफ़ स्टाइनहाउर ने अति-ठंडे परमाणुओं के बादल में एक ध्वनि «ब्लैक होल» के किनारे पर वैसी ही चमक देखी।

स्टाइनहाउर के रूबिडियम परमाणुओं का बादल उसमें ध्वनि से तेज़ बहता था, इसलिए ध्वनि तरंगें वापस नहीं आ सकती थीं, जैसे प्रकाश ब्लैक होल से नहीं निकल सकता। किनारे पर ध्वनि क्वांटा के जोड़े उस ढर्रे में उभरे जो हॉकिंग की विधि देती है। यह दिखाता है कि गणित काम करता है; यह गुरुत्व नहीं है।

आकाश में नन्हे विवरों की अंतिम कौंधों की खोजों में कोई नहीं मिली। फ़र्मी के विशाल क्षेत्र टेलीस्कोप और HAWC जैसे टेलीस्कोपों ने ऐसी कौंधों को प्रति घन पारसेक प्रति वर्ष लगभग दस हज़ार से कम तक सीमित किया है।

तो हॉकिंग विकिरण वह सबसे प्रिय भविष्यवाणी है जिसे किसी ने असली ब्लैक होल में नहीं देखा। यहाँ कुछ भी देखा नहीं गया, और चित्रों की आभा और कौंध बनाई गई हैं।