‘एक वास्तविक क्रांति’: जेम्स वेब टेलीस्कोप ब्रह्मांड के सबसे बड़े, सबसे पुराने ब्लैक होल के बारे में हमारी समझ को बदल रहा है

विशाल राक्षस सभी आकाशगंगाओं के केंद्रों में छिपे हुए हैं। सुपरमैसिव ब्लैक होल के रूप में जाने जाने वाले, इन गुरुत्वाकर्षण जानवरों का द्रव्यमान सूर्य से लाखों से अरबों गुना अधिक हो सकता है।

दशकों से, खगोलशास्त्री आश्चर्यचकित रहे हैं कि ये राक्षस कहाँ से आए और वे इतने विशाल कैसे हो गए। प्रारंभ में, भौतिकविदों ने सोचा था कि सुपरमैसिव ब्लैक होल अन्य छोटे ब्लैक होल की तरह बनते हैं – जिसमें बड़े तारे ढहते हैं और सूर्य के आकार के ब्लैक होल बन जाते हैं जो धीरे-धीरे आसपास के पदार्थ को निगल जाते हैं और अरबों वर्षों में एक दूसरे के साथ विलय हो जाते हैं।

लेकिन यह तेजी से स्पष्ट हो गया है कि यह मॉडल टूट गया है।

जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप (JWST) ने विशाल ब्लैक होल का पता लगाने के लिए ब्रह्मांडीय इतिहास के कुछ शुरुआती युगों पर नज़र डाली है जो बहुत बड़े हैं, जिन्हें पारंपरिक मॉडलों द्वारा समझाया जाना बहुत जल्दी है। शोधकर्ता इसकी उत्पत्ति कैसे हुई, इसकी कहानी को एक साथ जोड़ना शुरू कर रहे हैं, जिसमें संभवतः अजीब और विदेशी प्रक्रियाएं शामिल थीं।

उभरते शोध से पता चलता है कि विशाल ब्लैक होल ब्रह्मांड के शुरुआती दिनों से ही अस्तित्व में रहे होंगे, शायद सितारों और आकाशगंगाओं से भी पहले, और वे कई तरीकों से बने थे। जबकि भविष्य की खोजें प्रत्येक गठन तंत्र की प्रबलता को कम करने में मदद करेंगी, क्षेत्र में कई लोग पहले से ही लंबे समय से चले आ रहे ब्रह्मांडीय रहस्य को दूर करने के लिए रोमांचित हैं।

“यह मेरे करियर के सबसे रोमांचक चरणों में से एक है,” रॉबर्टो मैओलिनोकैम्ब्रिज विश्वविद्यालय के एक खगोल भौतिकीविद् ने लाइव साइंस को बताया। “मैं इन वस्तुओं के निर्माण की हमारी समझ में इसे एक वास्तविक क्रांति कहने के लिए प्रलोभित हूं।”

रहस्यमय दिग्गज

ब्रह्मांडीय आकार की विसंगति के संकेत 2000 के दशक की शुरुआत में सामने आए, जब स्लोअन डिजिटल स्काई सर्वे जैसे उपकरणों ने सुदूर ब्रह्मांड में क्वासर नामक हजारों बेहद उज्ज्वल वस्तुओं पर डेटा कैप्चर करने में मदद की। इन चमकदार इकाइयों को आकाशगंगाओं के केंद्रों में विशाल ब्लैक होल माना जाता है। वे बड़ी मात्रा में गैस और धूल खाते हैं, और फिर शक्तिशाली विकिरण उगलते हैं। स्लोअन सर्वेक्षण से पता चला कि कई क्वासर तब अस्तित्व में थे जब ब्रह्मांड सिर्फ 800 मिलियन वर्ष पुराना था – इसकी वर्तमान 13.8 बिलियन वर्ष की आयु का एक अंश। इन विशालकाय जीवों का अस्तित्व, जिनका द्रव्यमान सूर्य के द्रव्यमान से लाखों से अरबों गुना अधिक है, ब्रह्मांड विज्ञानियों के लिए एक आश्चर्य की बात थी।

ऐसा इसलिए है क्योंकि एक विशिष्ट ब्लैक होल तब उत्पन्न होता है जब एक विशाल तारा अपने जीवन के अंत के करीब होता है और एक उग्र सुपरनोवा के रूप में विस्फोट करता है। टाइटैनिक तारे का कोर एक अति सघन बिंदु में ढह जाता है जहाँ से प्रकाश सहित कुछ भी बच नहीं सकता है। ऐसे तारकीय आकार के ब्लैक होल आम तौर पर सूर्य से लगभग 10 से 100 गुना बड़े होते हैं। हालाँकि ये वस्तुएँ एक-दूसरे के प्रति गुरुत्वाकर्षण से आकर्षित हो सकती हैं और बड़े ब्लैक होल में विलीन हो सकती हैं, लेकिन ब्रह्मांडीय इतिहास के शुरुआती बिंदुओं पर ऐसी प्रक्रियाओं के लिए उन्हें क्वासर-स्केल क्षेत्र में बनाने के लिए पर्याप्त समय नहीं मिला।

“हम जानते थे कि या तो वे बहुत तेजी से बढ़ते हैं या उन्हें बनाने के कुछ अन्य तरीके होने चाहिए,” खगोलभौतिकीविद् इग्नास जूडज़बलिसकैम्ब्रिज विश्वविद्यालय के भी, ने लाइव साइंस को बताया।

सवाल यह था कि कैसे. एक प्रमुख सिद्धांत यह मानता है कि, अतीत में, गैस और धूल के विशाल गुच्छे हो सकते थे अपने ही वजन के नीचे ढह जानाजो तेजी से सूर्य के द्रव्यमान से 1,000 से 10 लाख गुना अधिक द्रव्यमान वाला एक ब्लैक होल बना रहा है। ये प्रत्यक्ष-पतन वाले ब्लैक होल, जैसा कि उन्हें कहा जाता है, गैस और धूल पर भोजन करके बढ़ेंगे और आज के गैलेक्टिक केंद्रों में देखे जाने वाले सुपरमैसिव ब्लैक होल में विलीन हो जाएंगे।

मॉडलों ने भविष्यवाणी की कि जैसे-जैसे ऐसे ब्लैक होल भरते जाएंगे, वे अपने मेजबान आकाशगंगाओं की तुलना में बेहद उज्ज्वल हो जाएंगे, या तो आसपास के सितारों की चमक से मेल खाएंगे या शीर्ष पर पहुंच जाएंगे। दूसरे शब्दों में, वे क्वासर बन जायेंगे।

2023 में, JWST ने देखा सुदूर आकाशगंगा, जिसे UHZ1 कहा जाता हैजो प्रत्यक्ष-पतन वाले ब्लैक होल मॉडल के साथ बड़े करीने से संरेखित होता प्रतीत हुआ। आकाशगंगा तब अस्तित्व में थी जब ब्रह्मांड मात्र 470 मिलियन वर्ष पुराना था और इसमें 40 मिलियन सूर्यों के अनुमानित द्रव्यमान वाला एक ब्लैक होल था।

खगोलविदों की किस्मत अच्छी रही क्योंकि UHZ1 को JWST, जो विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम के अवरक्त भाग में देखता है, और NASA के चंद्रा एक्स-रे वेधशाला, जो एक्स-रे प्रकाश में देखता है, दोनों द्वारा देखा गया था। इन्फ्रारेड प्रकाश ज्यादातर तारों और तारों की रोशनी से गर्म हुई गर्म धूल से आता है, जबकि अधिक शक्तिशाली एक्स-रे भयावह ब्लैक होल से निकलते हैं।

और UHZ1 की इन्फ्रारेड और एक्स-रे चमक एक-दूसरे से काफी मिलती-जुलती है, जो एक ब्लैक होल को इतना बड़ा बताती है कि यह अपनी आकाशगंगा के सभी तारों के द्रव्यमान को टक्कर देता है। (तुलना के लिए, हमारी आकाशगंगा जैसी आधुनिक आकाशगंगा के तारों, गैस और धूल में उसके केंद्रीय ब्लैक होल की तुलना में लगभग 20,000 गुना अधिक द्रव्यमान है।) पहले कभी किसी ने ऐसा कुछ नहीं देखा था।

लेकिन शोधकर्ताओं ने भविष्यवाणी की थी प्रत्यक्ष-पतन वाले ब्लैक होल द्वारा उत्सर्जित रंग JWST के उपकरणों में कैसे दिखाई देंगे, साथ ही कई अन्य प्रमुख गुण भी होंगे जो ऐसी वस्तु की पहचान कर सकते हैं।

“यह पता चला है कि UHZ1 इन सभी गुणों को उल्लेखनीय रूप से संतुष्ट करता है,” प्रियंवदा नटराजनयेल विश्वविद्यालय के एक खगोल भौतिकीविद् और उन भविष्यवाणियों को बनाने वाले पेपर के प्रमुख लेखक, ने लाइव साइंस को बताया।

छोटे लाल बिंदु

UHZ1 अकेला नहीं है. लगभग उसी क्षण से जब यह चालू हुआ, JWST अत्यंत सघन लाल इकाइयों का पता लगा रहा है जो मुख्य रूप से तब अस्तित्व में थीं जब ब्रह्मांड आधा अरब से 1.5 अरब वर्ष पुराना था। “के रूप में जाना जाता हैछोटे लाल बिंदु,“मूल रूप से ऐसा माना जाता था कि वे इतनी बड़ी आकाशगंगाएँ थीं कि वे प्रारंभिक ब्रह्मांड में नहीं बनी थीं, जिससे कुछ वैज्ञानिकों ने उन्हें ब्रह्मांडीय इतिहास के उभरते मॉडलों के लिए “ब्रह्मांड तोड़ने वाले” कहा। प्रचलित सर्वसम्मति अब इस संभावना की ओर बढ़ रही है कि, असामान्य रूप से बड़ी आकाशगंगाओं के बजाय, ये विचित्र, विशाल ब्लैक होल हैं।

उदाहरण के लिए, QSO1 नामक एक वस्तु यह तब अस्तित्व में था जब ब्रह्मांड लगभग 700 मिलियन वर्ष पुराना था 2023 में इसकी खोज के बाद से इसका गहन अध्ययन किया गया है। हाल ही में एक जांच में उच्च परिशुद्धता के साथ इसके द्रव्यमान को कम करने की कोशिश करने के लिए QSO1 के केंद्र के चारों ओर घूम रही गैस को देखा गया। घूमती हुई गैस एक निश्चित गति से यात्रा करती है, जो घूमते समय उसे खींचने वाले गुरुत्वाकर्षण बल पर निर्भर करती है। इस तकनीक का उपयोग करके, खगोलविदों ने दिखाया है कि QSO1 का द्रव्यमान इसके आसपास है 50 मिलियन सूर्य. इसके अलावा, सारा द्रव्यमान ब्लैक होल के चारों ओर एक सघन क्षेत्र में प्रतीत होता है, जिसमें बड़ी तारकीय आबादी के बहुत कम सबूत हैं।

“हम अभी भी नहीं देख पाए हैं कि मेज़बान आकाशगंगा कहाँ है,” लुकास फर्टाकऑस्टिन में टेक्सास विश्वविद्यालय के एक खगोलशास्त्री ने लाइव साइंस को बताया। “वहाँ वास्तव में कोई प्रतीत नहीं होता है।”

यह संभावना – एक विशाल ब्लैक होल जिसमें कोई दृश्यमान मेजबान आकाशगंगा नहीं है – का अनुमान लगाया गया है लेकिन पहले कभी नहीं देखा गया था। फिर भी ऐसा प्रतीत होता है कि इनमें से कई छोटे लाल बिंदु यही हैं। एक अन्य हालिया अध्ययन में “नामक वस्तु का विश्लेषण किया गयाचट्टान,” जिसका वजन संभवतः सूर्य से अरबों गुना अधिक है और यह बिग बैंग के लगभग 1.8 अरब वर्ष बाद का है। JWST के डेटा ने एक संकीर्ण तरंग दैर्ध्य पर द क्लिफ के प्रकाश में बहुत तेज उछाल दिखाया है जो आमतौर पर एक विशिष्ट तापमान पर घने हाइड्रोजन गैस से उत्पन्न होता है। निष्कर्षों से संकेत मिलता है कि क्लिफ एक लंबी-परिकल्पित वस्तु हो सकती है जिसे अर्ध-तारा या ब्लैक होल स्टार कहा जाता है।

एक अर्ध-तारा प्रत्यक्ष-पतन वाले ब्लैक होल के विकास में एक संभावित चरण होगा। गैस के केंद्रीय विशाल टुकड़े के टुकड़े-टुकड़े होकर ब्लैक होल बनने के बाद, गैस और धूल का एक बाहरी गोला बना रहेगा, जो ब्लैक होल के उत्सर्जन से गर्म हो जाएगा और लाल तरंग दैर्ध्य में चमकेगा। यह इकाई कुछ हद तक एक विशाल लाल तारे की तरह दिखेगी लेकिन वास्तव में यह एक सुपरमैसिव ब्लैक होल के चारों ओर गर्म हाइड्रोजन गैस का एक आवरण होगा।

बिलकुल शुरुआत में

जबकि प्रत्यक्ष-पतन मॉडल JWST जो देख रहा है उसके बारे में बहुत कुछ समझा सकते हैं, सुपरमैसिव ब्लैक होल गठन के लिए कुछ अन्य संभावनाएं बनी हुई हैं।

पहली बार 1970 के दशक में स्टीफन हॉकिंग द्वारा प्रस्तावित, प्राइमर्डियल ब्लैक होल वस्तुओं का एक वर्ग है जो बिग बैंग के बाद पहले कुछ क्षणों में उत्पन्न हो सकता थाजब घने क्षेत्र अपने ही भार से ढह गए। ऐसे ब्लैक होल कई आकारों में आ सकते हैं, जिनमें इतने बड़े आकार के ब्लैक होल भी शामिल हैं जो बाद के सुपरमैसिव ब्लैक होल के लिए प्रारंभिक बीज के रूप में कार्य कर सकते हैं। एक अध्ययन से पता चला है कि विलय प्राइमर्डियल ब्लैक होल GN-z11 की व्याख्या कर सकते हैंएक आकाशगंगा जब ब्रह्मांड मात्र 400 मिलियन वर्ष पुराना था, जिसमें 2 मिलियन सूर्यों के अनुमानित द्रव्यमान वाला एक ब्लैक होल है।

एक अन्य सिद्धांत ने “के अस्तित्व को प्रस्तुत किया हैबिल्कुल-प्राचीन ब्लैक होल नहीं ।” ये बिग बैंग के बाद पहले कुछ मिलियन वर्षों के भीतर आए होंगे – आदिम ब्लैक होल के बाद लेकिन किसी भी तारे से बहुत पहले – जब हाइड्रोजन और हीलियम के बड़े बादल अपने ही वजन के नीचे ढह गए।

“आदिम ब्लैक होल के लिए, आपको प्रारंभिक ब्रह्मांड में इन बेहद घने क्षेत्रों की आवश्यकता है,” वेन्जर किनन्यूयॉर्क विश्वविद्यालय के एक सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी ने लाइव साइंस को बताया। उन्होंने कहा कि आम तौर पर ब्रह्माण्ड संबंधी मॉडल में मापदंडों की बहुत अच्छी ट्यूनिंग की आवश्यकता होती है। जब आप इस तरह की कड़ी बाधाओं को थोड़ा ढीला करते हैं, तो ब्रह्मांडीय इतिहास में थोड़े बाद के समय में घने क्षेत्र दिखाई देते हैं, जिससे प्रत्यक्ष-पतन वाले ब्लैक होल बनते हैं जो विलय कर सकते हैं और सुपरमैसिव ब्लैक होल के रूप में समाप्त हो सकते हैं।

खगोलविदों का मानना ​​है कि हाइड्रोजन और हीलियम से भारी लगभग सभी तत्व विशाल तारों की परमाणु पेटियों में निर्मित हुए थे और जब वे तारे सुपरनोवा में चले गए तो ब्रह्मांड में बिखरे हुए थे। JWST जिन शुरुआती ब्लैक होल और युवा आकाशगंगाओं को देख रहा है उनमें से कई में इन भारी तत्वों की मात्रा कम है। इससे पता चलता है कि इनमें से कम से कम कुछ वस्तुएँ या तो आदिम या गैर-आदिम ब्लैक होल से बनी हैं, यह देखते हुए कि दोनों किसी भी तारे के अस्तित्व से बहुत पहले उत्पन्न हुए होंगे।

शोधकर्ता अभी भी इस बात पर बहस कर रहे हैं कि इनमें से कौन सा मॉडल राक्षस-ब्लैक-होल निर्माण के लिए प्रभावी हो सकता है, लेकिन अधिकांश मिश्रित दृष्टिकोण के पक्ष में हैं।

“मुझे लगता है, अंत में, यह इन सभी तंत्रों का कुछ संयोजन होगा जो सुपरमैसिव ब्लैक होल की पूरी आबादी को जन्म देगा,” किन ने कहा।

अन्य मिशन जैसे यूरोपीय अंतरिक्ष एजेंसी की यूक्लिड वेधशाला, जिसे 2023 में लॉन्च किया गया था, और नासा के नैन्सी ग्रेस रोमन स्पेस टेलीस्कोप, जो 2027 में लॉन्च होने की उम्मीद है, अधिक प्रारंभिक सुपरमैसिव ब्लैक होल की खोज और अध्ययन करने के लिए JWST के साथ मिलकर काम करेंगे। इससे शोधकर्ताओं को इन गठन तंत्रों के बीच अंतर करने और यह निर्धारित करने में मदद मिलेगी कि कौन सा, यदि कोई है, अधिक सामान्य है।

एक बात जो कई खगोलविदों के लिए स्पष्ट होती जा रही है वह यह है कि आकाशगंगाओं के केंद्रों में सुपरमैसिव ब्लैक होल संभवतः तारकीय आकार के ब्लैक होल से नहीं आए हैं।

अपनी अद्वितीय क्षमताओं की बदौलत, JWST ने प्रारंभिक ब्रह्मांडीय इतिहास की हमारी समझ को उलट दिया है और यह कहानी फिर से लिखने में मदद कर रहा है कि कैसे विशाल ब्लैक होल विकसित हुए होंगे।

नटराजन ने कहा, “ब्रह्मांड सुपरमैसिव ब्लैक होल से भरा पड़ा है जो बहुत पहले बने थे।” “मैं आपको बता नहीं सकता कि यह कितना रोमांचक है।”