Constraints on the primordial curvature power spectrum at small scales between $3\times 10^{18}$ and $4.5\times 10^{21}~\rm Mpc^{-1}$

ब्रह्मांडीय प्रतिध्वनि: प्रारंभिक ब्रह्मांड में अदृश्य भूतों की खोज

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल, फैलते हुए गुब्बारे की तरह है। यदि आप इसे पर्याप्त तेज़ी से फुलाते हैं, तो इसकी सतह चिकनी हो जाती है, लेकिन यदि आप ध्यान से देखेंगे, तो आपको छोटी लहरें और उभार दिखाई देंगे। हमारे ब्रह्मांड के बिल्कुल शुरुआती समय में, ये लहरें आज हम जो कुछ भी देखते हैं—सितारे, आकाशगंगाएँ, और यहाँ तक कि आप भी—उनका बीज थीं। वैज्ञानिक इन लहरों के मानचित्र को "प्राइमॉर्डियल कर्वेचर पावर स्पेक्ट्रम" (आदिम वक्रता शक्ति स्पेक्ट्रम) कहते हैं। यह बिग बैंग की एक उंगलियों के निशान (फिंगरप्रिंट) जैसा है। हमने पहले से ही ब्रह्मांड के "बड़े पैमाने" वाले हिस्सों पर इस फिंगरप्रिंट का बहुत अच्छी तरह से मानचित्रण कर लिया है, जहाँ लहरें बड़ी और सौम्य होती हैं, जिसका श्रेय बिग बैंग की चमक (आफ्टरग्लो) को देखने वाली दूरबीनों को जाता है।

लेकिन सूक्ष्म, माइक्रोस्कोपिक लहरों का क्या? वे जो इतनी छोटी हैं कि एक एकल परमाणु के भीतर समा सकती हैं? ये "छोटे पैमाने" हैं, और ये एक पूर्ण रहस्य हैं। हम उन्हें दूरबीनों से सीधे नहीं देख सकते क्योंकि वे बहुत छोटी हैं और समय में बहुत पीछे हैं। हालाँकि, हम जानते हैं कि यदि ये छोटी लहरें बहुत बड़ी होतीं, तो वे अपने स्वयं के गुरुत्वाकर्षण के कारण ढह जातीं और छोटे, अदृश्य ब्लैक होल बनातीं जिन्हें 'प्राइमॉर्डियल ब्लैक होल्स' (PBHs) कहा जाता है। ये आकाशगंगाओं के केंद्रों में स्थित विशाल ब्लैक होल नहीं हैं; ये एक पहाड़ या यहाँ तक कि रेत के कण के आकार के होते हैं, जो समय के पहले सेकंड के अंश में बने थे। यदि हम यह पता लगा सकें कि इन छोटे ब्लैक होल्स में से कितने मौजूद हैं (या थे), तो हम यह पता लगाने के लिए पीछे की ओर काम कर सकते हैं कि वे छोटी लहरें कितनी बड़ी थीं। यह वह विज्ञान का कोना है जिसे यह शोध पत्र तलाश रहा है: इन छोटे ब्लैक होल्स के संभावित अस्तित्व का उपयोग करके प्रारंभिक ब्रह्मांड की अदृश्य, सूक्ष्म झुर्रियों का मानचित्रण करना।

शोध पत्र की कहानी: उन ब्लैक होल्स को पकड़ना जो लुप्त हो जाने चाहिए थे

यूपेंग यांग द्वारा लिखा गया यह शोध पत्र एक ऐसी जासूसी कहानी की तरह है जहाँ सुराग अतीत में छिपे हुए हैं, लेकिन संदिग्ध आज भी घूम रहे हैं। मुख्य लक्ष्य उन शुरुआती ब्रह्मांड की छोटी लहरों के आकार पर एक नया, अधिक सख्त गति सीमा (स्पीड लिमिट) निर्धारित करना है। लेखक यह काम एक विशिष्ट सूक्ष्म पैमाने की सीमा के बीच करता है, जो $3 \times 10^{18}$ और $4.5 \times 10^{21}$ इनवर्स मीटर ($Mpc^{-1}$) के बीच है, एक ऐसा क्षेत्र जिसे पिछले अध्ययनों ने ज्यादातर अनदेखा कर दिया था।

पुरानी कहानी बनाम नया मोड़
लंबे समय तक वैज्ञानिकों ने सोचा था कि लगभग $10^{15}$ ग्राम (जो कि एक छोटे क्षुद्रग्रह के वजन के बराबर है) से हल्का कोई भी ब्लैक होल अब तक पूरी तरह से वाष्पित होकर गायब हो चुका होगा। भौतिकी के मानक नियमों (हॉकिंग रेडिएशन) के अनुसार, ये छोटे ब्लैक होल एक गर्म कमरे में बर्फ के टुकड़ों की तरह हैं; वे जल्दी पिघल जाते हैं। यदि वे ब्रह्मांड के एक सेकंड से भी पहले पिघल गए थे, तो वे हीलियम और ड्यूटेरियम जैसे हल्के तत्वों के निर्माण को प्रभावित नहीं करेंगे, इसलिए हम उन्हें खोजने के लिए उन तत्वों का उपयोग नहीं कर पाएंगे।

हालाँकि, यह शोध पत्र "मेमोरी बर्डन" (स्मृति भार) प्रभाव नामक हालिया सैद्धांतिक विचारों के आधार पर एक दिलचस्प नया मोड़ पेश करता है। कल्पना कीजिए कि एक ब्लैक होल केवल एक वैक्यूम क्लीनर नहीं है, बल्कि एक हार्ड ड्राइव है जो भारी मात्रा में जानकारी संग्रहीत करती है। जैसे-जैसे यह द्रव्यमान खोता है, यह उस जानकारी को आसानी से संग्रहीत करने की अपनी क्षमता भी खो देता है। "मेमोरी बर्डन" का विचार बताता है कि एक बार जब ब्लैक होल अपना लगभग आधा द्रव्यमान खो देता है, तो वह सूचना के साथ "भारी" हो जाता है। यह बोझ एक ब्रेक की तरह काम करता है, जिससे इसके वाष्पीकरण की गति काफी धीमी हो जाती है। अचानक गायब होने के बजाय, ये हल्के ब्लैक होल (जिनका द्रव्यमान $10^3$ और $2 \times 10^9$ ग्राम के बीच है) आज तक जीवित रह सकते हैं, और ऊर्जा से स्पंदित हो सकते हैं।

जासूसी कार्य
लेखक ने दूरबीनों से नया डेटा एकत्र करने के लिए बाहर जाकर काम नहीं किया। इसके बजाय, उन्होंने एक कुशल अनुवादक की तरह काम किया, दो अलग-अलग स्रोतों से नवीनतम सुरागों को लिया और उन्हें प्रारंभिक ब्रह्मांड के मानचित्र में बदल दिया।

1. "बेबी" सुराग (बिग बैंग न्यूक्लियोसिंथेसिस): हालिया अध्ययनों ने दिखाया है कि बहुत हल्के ब्लैक होल (जो $10^8$ और $10^9$ ग्राम के बीच हैं) जो ब्रह्मांड के एक सेकंड से पहले वाष्पित हो गए थे, वे ब्रह्मांड के विस्तार की दर को प्रभावित कर सकते थे। इससे आज हम जो हीलियम और ड्यूटेरियम देखते हैं, उसकी मात्रा बदल जाएगी। इन तत्वों की वास्तविक मात्रा को देखकर, वैज्ञानिकों ने पहले ही यह सीमा तय कर दी है कि इनमें से कितने "बेबी" ब्लैक होल मौजूद हो सकते थे।
2. "एडल्ट" सुराग (मेमोरी-बर्डन वाले ब्लैक होल्स): यदि "मेमोरी बर्डन" प्रभाव वास्तविक है, तो $10^3$ से $2 \times 10^9$ ग्राम के द्रव्यमान वाले ब्लैक होल आज भी आसपास हो सकते हैं। यदि वे हैं, तो वे गामा किरणों और न्यूट्रिनो जैसी उच्च-ऊर्जा वाली कणों की बौछार कर रहे होंगे। खगोलशास्त्री आइसक्यूब (न्यूट्रिनो के लिए) और विभिन्न अंतरिक्ष दूरबीनों (गामा किरणों के लिए) जैसे डिटेक्टरों के साथ आकाश को स्कैन कर रहे हैं। अब तक, उन्हें इन कणों की अत्यधिक बाढ़ नहीं मिली है, जिसका अर्थ है कि इतने जीवित ब्लैक होल बहुत अधिक नहीं हो सकते।

बड़ी खोज
यांग ने ब्लैक होल्स की संख्या की इन मौजूदा सीमाओं को लिया और उन्हें प्रारंभिक ब्रह्मांड की लहरों की सीमाओं में बदलने के लिए गणितीय नियमों के एक सेट का उपयोग किया। परिणाम स्वरूप, उन छोटी लहरों के आकार के लिए एक नया, बहुत अधिक कड़ा "घेरा" (फेंस) प्राप्त हुआ है।

शोध पत्र पाता है कि $3 \times 10^{18}$ और $4.5 \times 10^{21} Mpc^{-1}$ के बीच के सूक्ष्म पैमानों के लिए, प्रारंभिक ब्रह्मांड की लहरें पहले की तुलना में बहुत छोटी होनी चाहिए। विशेष रूप से, नए प्रतिबंध उन पुराने प्रतिबंधों की तुलना में काफी सख्त हैं जो इस विचार पर आधारित थे कि ब्लैक होल स्थिर "रेलिक्स" (अवशेषों) या सुपरसिमेट्रिक कणों को पीछे छोड़ देते हैं।

इसका क्या अर्थ है
यह शोध पत्र सुझाव देता है कि यदि "मेमोरी बर्डन" प्रभाव वास्तविक है, तो प्रारंभिक ब्रह्मांड इन सूक्ष्म पैमानों पर अविश्वसनीय रूप से सुचारू था। लहरें बहुत बड़ी नहीं हो सकती थीं, अन्यथा हमें आज इन जीवित ब्लैक होल्स की बहुत अधिक संख्या दिखाई देती। सबसे मजबूत सीमा इस विचार से आती है कि ये ब्लैक होल थोड़े बड़े ब्लैक होल बनाने के लिए आपस में मिल (merge) सकते हैं, जो फिर और भी अधिक उच्च-ऊर्जा कणों को छोड़ेंगे। यदि हम उन विस्फोटों को देखते, तो हमें पता चलता कि लहरें बड़ी थीं; चूंकि हम उन्हें नहीं देखते, इसलिए लहरें छोटी होनी चाहिए।

यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि ये निष्कर्ष इस बात पर निर्भर करते हैं कि "मेमोरी बर्डन" सिद्धांत सही है। यदि वह सिद्धांत गलत है और ब्लैक होल वास्तव में बहुत पहले ही गायब हो गए थे, तो ये विशिष्ट सीमाएं लागू नहीं होंगी। लेकिन यदि सिद्धांत कायम रहता है, तो इस शोध पत्र ने ब्रह्मांड की शुरुआत के बारे में संभावनाओं की एक विस्तृत श्रृंखला को सफलतापूर्वक बंद कर दिया है, यह दिखाते हुए कि बिग बैंग की सूक्ष्म झुर्रियां हमारी कल्पना से कहीं अधिक सूक्ष्म थीं। भविष्य के डिटेक्टर, जैसे कि अगली पीढ़ी के न्यूट्रिनो वेधशालाएं, इन सीमाओं को और भी कड़ा कर सकते हैं, जिससे यह जासूसी कहानी एक पूरी तरह से सुलझे हुए रहस्य में बदल जाएगी।