क्या हम एक विशाल शून्य में रहते हैं? यह ब्रह्मांड के विस्तार की पहेली को सुलझा सकता है

(इंद्रनील बानिक, एस्ट्रोफिजिक्स में पोस्टडॉक्टरल रिसर्च फेलो, सेंट एंड्रयूज विश्वविद्यालय)

लंदन, एक दिसंबर (द कन्वरसेशन) ब्रह्मांड विज्ञान में सबसे बड़े रहस्यों में से एक वह दर है जिस गति से ब्रह्मांड का विस्तार हो रहा है। इसकी भविष्यवाणी ब्रह्मांड विज्ञान के मानक मॉडल का उपयोग करके की जा सकती है, जिसे लैम्ब्डा-कोल्ड डार्क मैटर के रूप में भी जाना जाता है। यह मॉडल बिग बैंग – तथाकथित कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड (सीएमबी) से बचे प्रकाश के विस्तृत अवलोकन पर आधारित है।

ब्रह्माण्ड के विस्तार के कारण आकाशगंगाएँ एक दूसरे से दूर चली जाती हैं। वे हमसे जितना दूर होते हैं, उतनी ही तेज़ी से आगे बढ़ते हैं। आकाशगंगा की गति और दूरी के बीच का संबंध ‘हबल स्थिरांक’ द्वारा नियंत्रित होता है, जो लगभग 43 मील (70 किमी) प्रति सेकंड प्रति मेगापारसेक (खगोल विज्ञान में लंबाई की एक इकाई) है। इसका मतलब यह है कि एक आकाशगंगा हमसे हर दस लाख प्रकाश वर्ष दूर होने पर लगभग 50,000 मील प्रति घंटा की रफ्तार पकड़ लेती है।

लेकिन दुर्भाग्य से मानक मॉडल के लिए, इस मूल्य पर हाल ही में विवाद हुआ है, जिसके कारण वैज्ञानिक इसे ‘हबल तनाव’ कहते हैं। जब हम आस-पास की आकाशगंगाओं और सुपरनोवा (विस्फोट करने वाले तारे) का उपयोग करके विस्तार दर को मापते हैं, तो यह सीएमबी के आधार पर भविष्यवाणी की तुलना में 10% अधिक होती है।

अपने नए पेपर में, हम एक संभावित स्पष्टीकरण प्रस्तुत करते हैं: कि हम अंतरिक्ष में एक विशाल शून्य (औसत घनत्व से कम क्षेत्र) में रहते हैं। हम दिखाते हैं कि यह शून्य से पदार्थ के बहिप्रर्वाह के माध्यम से स्थानीय माप को बढ़ा सकता है। बहिप्रर्वाह तब उत्पन्न होता है जब शून्य के आसपास के सघन क्षेत्र इसे खींचकर अलग करते हैं – वे शून्य के अंदर कम घनत्व वाले पदार्थ की तुलना में अधिक बड़ा गुरुत्वाकर्षण खिंचाव लगाते हैं।

इस परिदृश्य में, हमें शून्य के केंद्र के पास लगभग एक अरब प्रकाश वर्ष की त्रिज्या में और समग्र ब्रह्मांड के औसत से लगभग 20% कम घनत्व के साथ रहने की आवश्यकता होगी – इसलिए पूरी तरह से खाली नहीं।

मानक मॉडल में इतना बड़ा और गहरा शून्य अप्रत्याशित है – और इसलिए विवादास्पद है। सीएमबी नवजात ब्रह्मांड में संरचना की एक झलक देता है, यह सुझाव देता है कि आज पदार्थ को समान रूप से फैलाया जाना चाहिए। हालाँकि, सीधे विभिन्न क्षेत्रों में आकाशगंगाओं की संख्या की गणना करने से वास्तव में पता चलता है कि हम एक स्थानीय शून्य में हैं।

गुरुत्वाकर्षण के नियमों को तोड़ना

हम यह मानकर कई अलग-अलग ब्रह्माण्ड संबंधी अवलोकनों का मिलान करके इस विचार का और परीक्षण करना चाहते थे कि हम एक बड़े शून्य में रहते हैं जो शुरुआती समय में छोटे घनत्व के उतार-चढ़ाव से विकसित हुआ था।

ऐसा करने के लिए, हमारे मॉडल में एलसीडीएम नहीं बल्कि संशोधित न्यूटोनियन डायनेमिक्स (एमओएनडी) नामक एक वैकल्पिक सिद्धांत शामिल था।

एमओएनडी को मूल रूप से आकाशगंगाओं की घूर्णन गति में विसंगतियों को समझाने के लिए प्रस्तावित किया गया था, जिसके कारण ‘डार्क मैटर’ नामक एक अदृश्य पदार्थ का सुझाव आया। इसके बजाय एमओएनडी सुझाव देता है कि विसंगतियों को न्यूटन के गुरुत्वाकर्षण के नियम द्वारा समझाया जा सकता है जब गुरुत्वाकर्षण खिंचाव बहुत कमजोर होता है – जैसा कि आकाशगंगाओं के बाहरी क्षेत्रों में होता है।

एमओएनडी में समग्र ब्रह्मांडीय विस्तार का इतिहास मानक मॉडल के समान होगा, लेकिन संरचना (जैसे आकाशगंगा समूह) एमओएनडी में तेजी से बढ़ेगी। हमारा मॉडल यह दर्शाता है कि एमओएनडी ब्रह्मांड में स्थानीय ब्रह्मांड कैसा दिख सकता है। और हमने पाया कि यह आज विस्तार दर के स्थानीय माप को हमारे स्थान के आधार पर उतार-चढ़ाव में मदद करेगा।

हाल के आकाशगंगा अवलोकनों ने विभिन्न स्थानों पर पूर्वानुमानित वेग के आधार पर हमारे मॉडल के एक महत्वपूर्ण नए परीक्षण का मार्ग प्रशस्त किया है। यह थोक प्रवाह नामक किसी चीज को मापकर किया जा सकता है, जो किसी दिए गए क्षेत्र में पदार्थ का औसत वेग है, चाहे वह घना हो या नहीं। यह गोले की त्रिज्या के साथ बदलता रहता है, हाल के अवलोकनों से पता चलता है कि यह एक अरब प्रकाश वर्ष तक जारी रहता है।

दिलचस्प बात यह है कि इस पैमाने पर आकाशगंगाओं का थोक प्रवाह मानक मॉडल में अपेक्षित गति से चौगुना हो गया है। यह क्षेत्र के आकार के साथ बढ़ता भी प्रतीत होता है – जो मानक मॉडल की भविष्यवाणी के विपरीत है। इसके मानक मॉडल के अनुरूप होने की संभावना दस लाख में से एक से कम है।

इसने हमें यह देखने के लिए प्रेरित किया कि हमारे अध्ययन ने थोक प्रवाह के लिए क्या भविष्यवाणी की है। हमने पाया कि यह अवलोकनों से काफी अच्छा मेल खाता है। इसके लिए आवश्यक है कि हम शून्य केंद्र के काफी करीब हों, और शून्य अपने केंद्र पर सबसे अधिक खाली हो।

मामला बंद?

हमारे परिणाम ऐसे समय में आए हैं जब हबल तनाव के लोकप्रिय समाधान संकट में हैं। कुछ का मानना ​​है कि हमें और अधिक सटीक माप की आवश्यकता है। अन्य लोग सोचते हैं कि इसे यह मानकर हल किया जा सकता है कि जिस उच्च विस्तार दर को हम स्थानीय स्तर पर मापते हैं वह वास्तव में सही है। लेकिन इसके लिए प्रारंभिक ब्रह्मांड में विस्तार के इतिहास में थोड़े बदलाव की आवश्यकता है ताकि सीएमबी अभी भी सही दिखे।

दुर्भाग्य से, एक प्रभावशाली समीक्षा इस दृष्टिकोण के साथ सात समस्याओं पर प्रकाश डालती है। यदि ब्रह्माण्ड इतिहास के अधिकांश भाग की तुलना में 10% तेजी से विस्तारित हुआ, तो यह लगभग 10% छोटा भी होगा – जो कि सबसे पुराने सितारों की उम्र के विपरीत है।

आकाशगंगा संख्या में एक गहरे और विस्तारित स्थानीय शून्य का अस्तित्व और तेजी से देखे गए थोक प्रवाह दृढ़ता से सुझाव देते हैं कि संरचना दसियों से सैकड़ों लाखों प्रकाश वर्ष के पैमाने पर लैम्ब्डा-कोल्ड डार्क मैटर में अपेक्षा से अधिक तेजी से बढ़ती है।

दिलचस्प बात यह है कि हम जानते हैं कि विशाल आकाशगंगा समूह एल गॉर्डो का गठन ब्रह्मांडीय इतिहास में बहुत पहले हुआ था और मानक मॉडल के साथ संगत होने के लिए इसका द्रव्यमान और टकराव की गति बहुत अधिक है। यह इस बात का और अधिक प्रमाण है कि इस मॉडल में संरचना बहुत धीमी गति से बनती है।

चूँकि इतने बड़े पैमाने पर गुरुत्वाकर्षण प्रमुख बल है, इसलिए हमें संभवतः आइंस्टीन के गुरुत्वाकर्षण के सिद्धांत, सामान्य सापेक्षता का विस्तार करने की आवश्यकता है – लेकिन केवल दस लाख प्रकाश वर्ष से बड़े पैमाने पर।

हालाँकि, हमारे पास यह मापने का कोई अच्छा तरीका नहीं है कि गुरुत्वाकर्षण बड़े पैमाने पर कैसे व्यवहार करता है – गुरुत्वाकर्षण से बंधी कोई वस्तु इतनी बड़ी नहीं है। हम मान सकते हैं कि सामान्य सापेक्षता वैध बनी हुई है और अवलोकनों के साथ तुलना की जा सकती है, लेकिन यह वास्तव में यही दृष्टिकोण है जो वर्तमान में ब्रह्माण्ड विज्ञान के हमारे सर्वोत्तम मॉडल के सामने आने वाले बहुत गंभीर तनाव का कारण बनता है।

ऐसा माना जाता है कि आइंस्टीन ने कहा था कि हम समस्याओं को उसी सोच के साथ हल नहीं कर सकते हैं जिसके कारण सबसे पहले समस्याएं पैदा हुईं। भले ही आवश्यक परिवर्तन कठोर न हों, हम एक सदी से भी अधिक समय से पहला विश्वसनीय प्रमाण देख सकते हैं कि हमें गुरुत्वाकर्षण के अपने सिद्धांत को बदलने की आवश्यकता है।

द कन्वरसेशन एकता एकता