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Evidence for a sign change of the ISW effect in the very recent universe? hot voids and cold overdensities at $z<0.03$

यह शोध पत्र बहुत हाल के ब्रह्मांड ( $z<0.03$ ) में एक महत्वपूर्ण, नकारात्मक इंटीग्रेटेड सैक्स-वोल्फ प्रभाव (Integrated Sachs-Wolfe effect) के प्रमाण प्रस्तुत करता है, जहाँ स्थानीय अल्प-घनत्व वाले क्षेत्र (underdensities) CMB तापमान में वृद्धि प्रदर्शित करते हैं और अति-घनत्व वाले क्षेत्र (overdensities) शीतलन दर्शाते हैं, जिसका आयाम मानक भविष्यवाणियों से कहीं अधिक है और संभावित रूप से गतिशील डार्क एनर्जी (dynamical dark energy) की ओर संकेत करता है।

मूल लेखक: Frode K. Hansen, Diego Garcia Lambas, Andrés N. Ruiz, Facundo Toscano, Luis A. Pereyra

प्रकाशित 2026-05-29

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Frode K. Hansen, Diego Garcia Lambas, Andrés N. Ruiz, Facundo Toscano, Luis A. Pereyra

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

एक बड़ी तस्वीर: एक ब्रह्मांडीय तापमान का आश्चर्य

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड प्रकाश के एक विशाल, अदृश्य महासागर के रूप में है जिसे कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड (CMB) कहा जाता है। यह बिग बैंग की "गूँज" है, एक धुंधला तापमान मानचित्र जो पूरे आकाश को कवर करता है। आमतौर पर, यह मानचित्र बहुत एकसमान होता है, जिसमें केवल छोटे, अनुमानित उतार-चढ़ाव होते हैं।

लंबे समय से, वैज्ञानिकों का मानना था कि वे समझते हैं कि यह प्रकाश ब्रह्मांड के "धरातल" (आकाशगंगाओं और खाली स्थानों) के साथ कैसे परस्पर क्रिया करता है। उनके पास एक नियम पुस्तिका थी जिसे इंटीग्रेटेड सैक्स-वोल्फ (ISW) प्रभाव कहा जाता है। इस नियम पुस्तिका को एक भौतिकी की पाठ्यपुस्तक की तरह समझें जो कहती है:

जब प्रकाश एक पर्वत (आकाशगंगाओं का एक घना समूह) से होकर गुजरता है, तो उसे थोड़ा गर्म होना चाहिए।
जब प्रकाश एक घाटी (एक विशाल खाली शून्य या 'वॉयड') से होकर गुजरता है, तो उसे थोड़ा ठंडा होना चाहिए।

समस्या:
पिछले अध्ययनों में, लेखकों ने पाया कि हमारे अपने ब्रह्मांडीय पड़ोस के पास, "पर्वत" (आकाशगंगाएँ) वास्तव में प्रकाश को गर्म करने के बजाय ठंडा कर रहे थे। यह एक बहुत बड़ा आश्चर्य था, जैसे कि एक ऐसी अलाव (कैंपफायर) मिलना जो आपको गर्म करने के बजाय जमा दे।

नई खोज:
इस शोध पत्र में, लेखकों ने पूछा: "यदि पर्वत प्रकाश को ठंडा कर रहे हैं, तो घाटियाँ क्या कर रही हैं?" उन्होंने हमारे ठीक बगल में स्थित (लगभग 40 करोड़ प्रकाश वर्ष के भीतर) विशाल खाली स्थानों (वॉयड्स) को देखा।

परिणाम:
उन्होंने पाया कि इन खाली स्थानों (वॉयड्स) से गुजरने वाला प्रकाश उम्मीद से काफी अधिक गर्म है।

उपमा: कल्पना कीजिए कि आप एक घाटी (कैन्यन) से गुजर रहे हैं। पुरानी नियम पुस्तिका के अनुसार, घाटी को आपको ठंडा करने वाली एक ठंडी हवा चलानी चाहिए। इसके बजाय, लेखकों ने पाया कि घाटी एक गर्म हवा चला रही है जो आपको गर्म कर रही है।

यह ब्रह्मांड के मानक मॉडल (Standard Model) की भविष्यवाणी के बिल्कुल विपरीत है। यह सुझाव देता है कि "नियम पुस्तिका" (गुरुत्वाकर्षण और डार्क एनर्जी कैसे काम करते हैं, इसका भौतिक विज्ञान) टूट सकती है या हमारे बहुत हालिया ब्रह्मांडीय पड़ोस में अलग हो सकती है।

उन्होंने इसे कैसे खोजा (जासूसी का काम)

यह साबित करने के लिए कि यह केवल कोई इत्तेफाक या उनके टेलीस्कोप की गलती नहीं थी, उन्होंने एक बहुत ही सावधानीपूर्ण विधि का उपयोग किया:

खाली स्थानों का मानचित्रण: उन्होंने पास की आकाशगंगाओं के एक कैटलॉग (जैसे कि एक स्ट्रीट मैप) का उपयोग करके यह पहचाना कि विशाल खाली "वॉयड्स" कहाँ हैं। उन्होंने केवल अनुमान नहीं लगाया; उन्होंने इन खाली स्थानों को खोजने के लिए दो अलग-अलग कंप्यूटर एल्गोरिदम (स्पार्कलिंग और रिवॉल्वर) का उपयोग किया, ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि वे वास्तविक खाली स्थानों को देख रहे हैं न कि केवल यादृच्छिक (रैंडम) स्थानों को।
तापमान लेना: उन्होंने इन खाली स्थानों की ओर प्लैंक सैटेलाइट (एक अत्यंत संवेदनशील ब्रह्मांडीय थर्मामीटर) को निर्देशित किया।
सिमुलेशन टेस्ट: उन्होंने 10,000 कंप्यूटर सिमुलेशन चलाए कि ब्रह्मांड कैसा दिखना चाहिए यदि मानक नियम सत्य होते।
- निष्कर्ष: 10,000 सिमुलेशन में, वॉयड्स या तो ठंडे थे या तटस्थ (न्यूट्रल) थे। वास्तविक डेटा में, वॉयड्स गर्म थे। संयोगवश ऐसा होने की संभावना 0.2% से भी कम है।

यह क्यों हो रहा है? ("डार्क एनर्जी" का रहस्य)

यह शोध पत्र सुझाव देता है कि यह डार्क एनर्जी के कारण हो सकता है, वह रहस्यमय बल जो ब्रह्मांड को दूर धकेल रहा है।

मानक कहानी: डार्क एनर्जी ब्रह्मांड को फैला देती है, जिससे "गुरुत्वाकर्षण कुएं" (पर्वत और घाटियाँ) इतने पतले हो जाते हैं कि प्रकाश ऊर्जा खो देता है (ठंडा हो जाता है) घाटियों में।
नई कहानी: लेखक अनुमान लगाते हैं कि हमारे बहुत हालिया ब्रह्मांडीय पड़ोस में, डार्क एनर्जी अजीब व्यवहार कर सकती है। गुरुत्वाकर्षण कुओं को पतला करने के बजाय, यह उन्हें अधिक गहरा या मजबूत बना सकती है।
- उपमा: एक ट्रैम्पोलिन की कल्पना करें। आमतौर पर, यदि आप उस पर एक भारी गेंद रखते हैं, तो कपड़ा खिंचने के साथ गड्ढा गहरा होता जाता है। लेकिन यहाँ, ऐसा लग रहा है जैसे कपड़ा अचानक वापस खिंच रहा है या गड्ढा इस तरह गहरा हो रहा है जो उसमें लुढ़कने वाली किसी भी चीज़ में ऊर्जा जोड़ देता है।

यह "नेगेटिव ISW प्रभाव" (वॉयड्स में गर्मी और आकाशगंगाओं में ठंडक) मानक भौतिकी की भविष्यवाणी से लगभग 10 गुना अधिक मजबूत है। यह एक ऐसी फुसफुसाहट सुनने जैसा है जिसकी आप उम्मीद कर रहे थे, लेकिन वह फुसफुसाहट वास्तव में एक चीख है।

क्या उन्होंने अपने काम की जाँच की?

हाँ, वे बहुत संशयवादी थे और उन्होंने यह सुनिश्चित करने के लिए कई परीक्षण किए कि वे खुद को धोखा नहीं दे रहे हैं:

विभिन्न मानचित्र: उन्होंने अपने टेलीस्कोप के "स्टैटिक" (शोर/नॉइज़) को साफ करने के विभिन्न तरीकों और विभिन्न फ्रीक्वेंसी बैंड्स का उपयोग करके डेटा की जाँच की। परिणाम वही रहा: वॉयड्स गर्म हैं।
"क्वाड्रुपोल" को हटाना: उन्हें डर था कि आकाश में एक बड़े, अजीब तापमान उभार (जिसे क्वाड्रुपोल कहा जाता है) से उनकी गणित गड़बड़ा सकती है। जब उन्होंने इस उभार को हटाया, तो परिणाम वास्तव में कमजोर होने के बजाय और मजबूत हो गया।
आकार मायने रखता है: उन्होंने पाया कि वॉयड जितना बड़ा होता है, प्रकाश उतना ही अधिक गर्म होता है। यह इस सिद्धांत से मेल खाता है कि यदि यह नई भौतिकी वास्तविक है, तो एक बड़ा खाली स्थान बड़ा प्रभाव डालेगा।

निष्कर्ष

लेखकों ने पुख्ता सबूत खोजे हैं कि हमारे स्थानीय ब्रह्मांडीय कोने में, गुरुत्वाकर्षण और प्रकाश के नियम इस तरह से व्यवहार कर रहे हैं जो उनके वर्तमान सर्वोत्तम सिद्धांतों के विपरीत है।

आकाशगंगाएँ कॉस्मिक बैकग्राउंड लाइट को ठंडा कर रही हैं।
खाली वॉयड्स इसे गर्म कर रहे हैं।

वे यह दावा नहीं करते कि उन्होंने इस रहस्य को हल कर लिया है कि वास्तव में इसका कारण क्या है, लेकिन वे सुझाव देते हैं कि यह डार्क एनर्जी के एक नए, अज्ञात व्यवहार की ओर इशारा करता है जो हमारे देखे गए गुरुत्वाकर्षण प्रभावों के संकेत (sign) को बदल देता है। यह हमारे हालिया ब्रह्मांड के भौतिक विज्ञान में एक "साइन चेंज" (संकेत परिवर्तन) है।

तकनीकी सारांश: अत्यंत हाल के ब्रह्मांड में ISW प्रभाव के संकेत परिवर्तन (Sign Change) के प्रमाण

समस्या विवरण
पिछले अध्ययनों (Luparello et al. 2023; Hansen et al. 2023; Garcia Lambas et al. 2024) ने स्थापित किया है कि पास के विशाल फिलामेंट्स ( $z < 0.04$ ) में गैलेक्टिक हेलो से गुजरने वाले कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड (CMB) फोटोन में महत्वपूर्ण शीतलन (cooling) देखा गया है, जो मानक $\Lambda$ CDM सिमुलेशन की तुलना में लगभग $27\mu\text{K}$ कम तापमान प्रदर्शित करता है। यह शीतलन रीस-साइमैक्स (Rees-Scama - RS) प्रभाव के अनुमानित आयाम से एक क्रम अधिक है और मानक इंटीग्रेटेड सैक्स-वोल्फ (ISW) प्रभाव के विपरीत है, जो इन रेडशिफ्ट पर उच्च घनत्व वाले क्षेत्रों (overdensities) में तापन (heating) और निम्न घनत्व वाले क्षेत्रों (underdensities) में शीतलन का पूर्वानुमान लगाता है। डार्क एनर्जी स्पेक्ट्रोस्कोपिक इंस्ट्रूमेंट (DESI) से प्राप्त डायनेमिकल डार्क एनर्जी के हालिया संकेतों को देखते हुए, लेखक यह जांच रहे हैं कि क्या अत्यंत हाल के ब्रह्मांड ( $z \lesssim 0.1$ ) में गुरुत्वाकर्षण विभव (gravitational potentials) का गैर-मानक विकास, ISW प्रभाव के संकेत परिवर्तन (sign reversal) का कारण बन सकता है। विशेष रूप से, यदि स्थानीय रिक्त स्थानों (voids/underdensities) से गुजरते समय गुरुत्वाकर्षण विभव घटने के बजाय बढ़ रहे हैं, तो CMB फोटॉन को शीतलन के बजाय तापन का अनुभव होना चाहिए।

कार्यप्रणाली
यह अध्ययन प्लेंक उपग्रह (पब्लिक रिलीज़ 3 और 4) के CMB तीव्रता मानचित्रों और WMAP डेटा के साथ-साथ 2MASS रेडशिफ्ट सर्वे (2MRS) से गैलेक्सी कैटलॉग का उपयोग करता है ताकि रिक्त स्थानों (voids) की पहचान की जा सके।

रिक्त स्थान की पहचान (Void Identification): दो स्वतंत्र वॉयड-फाइंडिंग एल्गोरिदम, Sparkling और Revolver, को $z < 0.03$ की रेडशिफ्ट रेंज के भीतर 2MRS कैटलॉग पर लागू किया गया। एल्गोरिदम और स्टोकेस्टिक अनिश्चितताओं को ध्यान में रखते हुए, लेखकों ने वॉयड मैप्स के 200 वास्तविक स्वरूप (realizations) तैयार किए (जिसमें वॉल्यूम-लिमिटेड और फुल गैलेक्सी सैंपल दोनों शामिल हैं) और "वॉयड वेट मैप्स" (void weight maps) का निर्माण किया। ये मैप्स प्रत्येक पिक्सेल को एक भार (weight) देते हैं कि विभिन्न वास्तविक स्वरूपों में वह पिक्सेल कितनी बार एक वॉयड के हिस्से के रूप में पहचाना गया है।
तापमान मापन: इन वॉयड वेट मैप्स पर भारित औसत (weighted average) का उपयोग करके इन रिक्त स्थानों के भीतर औसत CMB तापमान की गणना की गई। सिग्नल को शोर और बड़े पैमाने के उतार-चढ़ाव से अलग करने के लिए, लेखकों ने $4^\circ$ के स्केल के साथ स्फेरिकल मैक्सिकन हैट वेवलेट्स (SMHW) लागू किया, जो रिक्त स्थानों के औसत कोणीय आकार ( $\sim 10^\circ$ ) के अनुरूप है।
नियंत्रण और निरंतरता (Control and Consistency):
- क्वाड्रुपोल हटाना (Quadrupole Removal): बड़े पैमाने के CMB मोड के कारण ठंडे गैलेक्सी क्षेत्रों और गर्म वॉयड क्षेत्रों के बीच कृत्रिम प्रति-संबंध (anticorrelations) को रोकने के लिए, डेटा और सिमुलेशन दोनों से क्वाड्रुपोल को हटा दिया गया।
- सिमुलेशन: परिणामों की तुलना 10,000 सिम्युलेटेड SMICA CMB मैप्स और अन्य कंपोनेंट सेपरेशन विधियों (SEVEM, NILC, Commander) के लिए 1,000 सिमुलेशन से की गई।
- मॉक कैटलॉग: रैंडम उतार-चढ़ाव के विरुद्ध वॉयड पहचान और तापमान मापन की मजबूती का परीक्षण करने के लिए MDPL2 सिमुलेशन से 100 मॉक गैलेक्सी कैटलॉग बनाए गए।
- आवृत्ति स्वतंत्रता (Frequency Independence): यह सुनिश्चित करने के लिए कि सिग्नल अक्रोमैटिक (achromatic) है, विभिन्न प्लेंक फ्रीक्वेंसी चैनल्स (100 GHz, 217 GHz) और WMAP Q-बैंड (41 GHz) का उपयोग करके परीक्षण किए गए।

मुख्य परिणाम

महत्वपूर्ण तापमान अधिशेष (Temperature Excess): लेखकों ने स्थानीय रिक्त स्थानों की दिशा में एक महत्वपूर्ण सकारात्मक तापमान अधिशेष पाया। वॉयड सैंपल (सभी खुले वॉयड, मध्यम आकार, या सबसे बड़े चतुर्थांश) और वॉयड त्रिज्या के उपयोग किए गए अंश के आधार पर, महत्व (significance) सिमुलेशन के माध्य से $2.0\sigma$ से $3.5\sigma$ के बीच रहता है।
लाइन-ऑफ-साइट निर्भरता: सिग्नल उन वॉयड्स के लिए सबसे मजबूत है जहाँ दृष्टि रेखा (line of sight) के साथ एक विस्तृत निम्न-घनत्व क्षेत्र ( $\Delta_{LOS} < 0$ ) मौजूद है। इन विशिष्ट वॉयड्स के लिए, महत्व बढ़कर $3.7\sigma$ – $4.0\sigma$ हो जाता है। यह इस परिकल्पना के अनुरूप है कि निम्न-घनत्व वाले विभव कुएं (potential well) के माध्यम से लंबा पथ प्रभाव को बढ़ाता है।
आकार स्केलिंग (Size Scaling): तापमान अधिशेष वॉयड के आकार के साथ बढ़ता है, जो सबसे बड़े वॉयड्स (सबसे बड़ा चतुर्थांश) के लिए $3.5\sigma$ तक पहुँच जाता है। यह स्केलिंग एक ISW/RS-जैसे तंत्र के अनुरूप है जहाँ बड़ी संरचनाएं अधिक मजबूत सिग्नल देती हैं।
तापमान अंतर: सबसे बड़े वॉयड्स के केंद्रीय भागों ( $\sim +30\text{--}40\mu\text{K}$ ) की तुलना गैलेक्टिक हेलो के आसपास पहले से मापे गए शीतलन ( $\sim -27\mu\text{K}$ ) से करने पर, देखा गया अंतर लगभग $69\mu\text{K}$ है। यह अंतर 10,000 सिमुलेशन में पाए गए अधिकतम अंतर से $6.5\sigma$ अधिक है।
मजबूती (Robustness): परिणाम विभिन्न कंपोनेंट सेपरेशन विधियों (SMICA, SEVEM, NILC, Commander), विभिन्न डेटा रिलीज (PR3, PR4) और विभिन्न फ्रीक्वेंसी बैंड्स में सुसंगत बने रहते हैं। सिग्नल आकाश को गोलार्द्धों में विभाजित करने या उप-रेडशिफ्ट रेंज का विश्लेषण करने पर भी बना रहता है।
प्रति-संबंध जाँच (Anticorrelation Check): अध्ययन पुष्टि करता है कि क्वाड्रुपोल को हटाने से गैलेक्सी और वॉयड तापमान के बीच देखा गया मजबूत प्रति-संबंध समाप्त हो जाता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि देखे गए गर्म वॉयड्स केवल ठंडे गैलेक्सी क्षेत्रों के सांख्यिकीय मुआवजे मात्र नहीं हैं।

महत्व और दावे
यह शोध पत्र अत्यंत हाल के ब्रह्मांड ( $z < 0.03$ ) में एक नकारात्मक ISW प्रभाव के प्रमाण का दावा करता है। देखी गई घटना—गर्म वॉयड और ठंडे ओवरडेन्सिटी—मानक $\Lambda$ CDM भविष्यवाणी के सापेक्ष एक संकेत परिवर्तन (sign change) का प्रतिनिधित्व करती है, जहाँ डार्क एनर्जी विभवों को क्षय (decay) करती है, जिससे ओवरडेन्सिटी में तापन और वॉयड्स में शीतलन होता है।

लेखक तर्क देते हैं कि देखे गए प्रभाव का आयाम (अनुमानित RS/ISW प्रभावों से एक क्रम अधिक) और इसका संकेत परिवर्तन एक अज्ञात भौतिक प्रक्रिया की ओर संकेत करता है। वे अटकल लगाते हैं कि यह डायनेमिकल डार्क एनर्जी या गैर-मानक मॉडलों से संबंधित हो सकता है जहाँ कम रेडशिफ्ट पर गुरुत्वाकर्षण विभव क्षय होने के बजाय बढ़ते हैं। ये निष्कर्ष DESI के हालिया परिणामों के अनुरूप हैं जो डायनेमिकल डार्क एनर्जी की ओर इशारा करते हैं, और अल्ट्रा-लाइट एक्सियन्स (ultra-light axions) या गैलिलियन ग्रेविटी (Galilean gravity) के सिद्धांतों से भी मेल खाते हैं जो ऐसे संकेत परिवर्तनों की भविष्यवाणी करते हैं।

लेखक सतर्क रहते हैं, यह नोट करते हुए कि सटीक सैद्धांतिक तुलना के लिए गैर-रैखिक घनत्व क्षेत्र (non-linear density field) के साथ विस्तृत क्रॉस-कोरिलेशन की आवश्यकता है, जिसे भविष्य के कार्य के लिए स्थगित कर दिया गया है। हालांकि, कई एल्गोरिदम, फ्रीक्वेंसी बैंड्स और वॉयड आकार एवं लाइन-ऑफ-साइट ज्यामिति पर विशिष्ट निर्भरता के माध्यम से सिग्नल की निरंतरता स्थानीय ब्रह्मांड में एक विसंगत (anomalous) ISW प्रभाव की परिकल्पना का पुरजोर समर्थन करती है।

एक बड़ी तस्वीर: एक ब्रह्मांडीय तापमान का आश्चर्य

उन्होंने इसे कैसे खोजा (जासूसी का काम)

यह क्यों हो रहा है? ("डार्क एनर्जी" का रहस्य)

क्या उन्होंने अपने काम की जाँच की?

निष्कर्ष

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