Is Dark Energy an Effective Manifestation of Non-equilibrium Thermodynamics? -- Insights from DESI

तकनीकी सारांश: क्या डार्क एनर्जी गैर-संतुलन ऊष्मप्रवैगिकी (Non-equilibrium Thermodynamics) की एक प्रभावी अभिव्यक्ति है? – DESI से प्राप्त अंतर्दृष्टि

समस्या विवरण
मानक $\Lambda$CDM ब्रह्मांड संबंधी प्रतिमान (paradigm), हालांकि प्रेक्षणों के आधार पर सुदृढ़ है, फिर भी सैद्धांतिक और प्रेक्षण संबंधी चुनौतियों का सामना करता है। वैकल्पिक दृष्टिकोण आमतौर पर नकारात्मक दबाव वाले डार्क एनर्जी तरल पदार्थों को पेश करते हैं या सामान्य सापेक्षता (General Relativity - GR) को संशोधित करते हैं। यह शोध पत्र एक तीसरे मार्ग की जांच करता है: गुरुत्वाकर्षण द्वारा प्रेरित एडियाबेटिक पदार्थ निर्माण (gravitationally induced adiabatic matter creation) द्वारा संचालित ब्रह्मांड संबंधी परिदृश्य। इस ढांचे में, कणों का निर्माण एक नकारात्मक "निर्माण दबाव" ($p_c$) उत्पन्न करता है जो कॉस्मोलॉजिकल कांस्टेंट ($\Lambda$) या गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र को संशोधित किए बिना ब्रह्मांड के देखे गए त्वरित विस्तार को संचालित कर सकता है। यह अध्ययन विशेष रूप से इस बात की जांच करता है कि क्या ऐसी गैर-संतुलन ऊष्मप्रवैगिकी प्रक्रियाएं ब्रह्मांड के पृष्ठभूमि विस्तार इतिहास (background expansion history) की नकल कर सकती हैं और वे नवीनतम प्रेक्षण संबंधी डेटा, विशेष रूप से हालिया DESI (डार्क एनर्जी स्पेक्ट्रोस्कोपिक इंस्ट्रूमेंट) बेरियन एकोस्टिक ऑसिलेशन (BAO) रिलीज (DR1 और DR2) के विरुद्ध कैसा प्रदर्शन करती हैं।

कार्यप्रणाली
लेखक एक समतल फ्लेम-लामेट्र-रॉबर्सन-वॉकर (FLRW) ब्रह्मांड का निर्माण करते हैं जिसमें तीन स्वतंत्र रूप से विकसित होने वाले घटक शामिल हैं: विकिरण (radiation), बेरियन (baryons), और डार्क मैटर (DM)। जबकि विकिरण और बेरियन मानक संरक्षण नियमों का पालन करते हैं, DM क्षेत्र एक एडियाबेटिक पदार्थ निर्माण प्रक्रिया द्वारा शासित होता है, जिससे एक संशोधित निरंतरता समीकरण (continuity equation) प्राप्त होता है। निर्माण दबाव (creation pressure) को एडियाबेटिकिटी की धारणा के तहत गिब्स-ड्यूहेम संबंध (Gibbs-Duhem relation) से व्युत्पन्न किया गया है, जिसके परिणामस्वरूप एक निर्माण दर $\Gamma$ प्राप्त होती है।

निर्माण दर $\Gamma$ के दो विशिष्ट मॉडलों का विश्लेषण किया गया है:

1. मॉडल I: $\Gamma = 3\alpha H (\rho_{c,0}/\rho_{dm})$, जिसे LJO मॉडल (लिमा, जीसस, ओलिविरा) के रूप में जाना जाता है, जहाँ $\alpha$ एक धनात्मक पैरामीटर है।
2. मॉडल II: $\Gamma = 3\alpha H (\rho_{c,0}/\rho_{dm})^l$, जो मॉडल I का एक सामान्यीकरण है जो DM घनत्व पर गैर-रेखीय निर्भरता की अनुमति देने के लिए एक पावर-लॉ एक्सपोनेंट $l$ पेश करता है।

विश्लेषण दो चरणों में आगे बढ़ता है:

• गतिक प्रणाली विश्लेषण (Dynamical System Analysis): ब्रह्मांड संबंधी समीकरणों को आयामहीन चरों ($x, y, \xi$) का उपयोग करके एक स्वायत्त प्रणाली (autonomous system) में परिवर्तित किया जाता है। लेखक क्रिटिकल पॉइंट्स, उनकी स्थिरता और संबंधित ब्रह्मांड संबंधी युगों (विकिरण, पदार्थ, त्वरण) की पहचान करने के लिए एक फेज-स्पेस विश्लेषण करते हैं ताकि यह निर्धारित किया जा सके कि क्या ये मॉडल $\Lambda$CDM-समान थर्मल इतिहास को पुनरुत्पादित कर सकते हैं।
• प्रेक्षण संबंधी टकराव (Observational Confrontation): मॉडलों को कॉस्मिक क्रोनोमीटर (CC) द्वारा हबल पैरामीटर मापन के लिए, टाइप Ia सुपरनोवा (SNIa) के तीन नमूनों (Pantheon+, DES Year 5, Union3), DESI BAO डेटा (DR1 और नवीनतम DR2) के व्यापक डेटासेट के विरुद्ध मार्कोव चेन मोंटे कार्लो (MCMC) विश्लेषण का उपयोग करके नियंत्रित किया जाता है। सांख्यिकीय मॉडल तुलना AIC और BIC का उपयोग करके मानक $\Lambda$CDM मॉडल के सापेक्ष की जाती है।

प्रमुख योगदान और परिणाम

• गतिक विकास (Dynamical Evolution):

  • मॉडल I: फेज-स्पेस विश्लेषण से पता चलता है कि मॉडल I में एक स्थिर अट्रैक्टर (बिंदु $A_2$) है जो डार्क-मैटर-प्रभुत्व वाले, डी सिटर त्वरित चरण ($q=-1$) के अनुरूप है। यह प्रणाली स्वाभाविक रूप से विकिरण-प्रभुत्व वाले मंद चरण से पदार्थ-प्रभुत्व वाले चरण में और अंततः त्वरण की ओर विकसित होती है, जो बिना किसी स्पष्ट कॉस्मोलॉजिकल कांस्टेंट के $\Lambda$CDM-समान पृष्ठभूमि विकास की नकल करती है।
  • मॉडल II: व्यवहार $l$ के पैरामीटर पर निर्भर करता है। $0 < l < 1$ और $l > 1$ के लिए, मॉडल $\Lambda$CDM-समान विकास प्रदर्शित करते हैं जिसमें एक स्थिर डी सिटर अट्रैक्टर होता है। हालांकि, जहाँ $l < 0$ या $l = 0$ है, वहां प्रारंभिक त्वरण या फैंटम-जैसे व्यवहार होते हैं जिन्हें भौतिक रूप से अरुचिकर या डेटा द्वारा खारिज किया गया माना जाता है।

• प्रेक्षण संबंधी प्रतिबंध (Observational Constraints):

  • पदार्थ निर्माण के प्रमाण: मॉडल I और मॉडल II दोनों में, डेटा लगातार सभी डेटासेट संयोजनों में कई मानक विचलन (standard deviations) के साथ पदार्थ निर्माण (गैर-शून्य $\alpha$) के प्रमाण दिखाता है।
  • हबल स्थिरांक ($H_0$): DESY5 डेटासेट को शामिल करने से $\Lambda$CDM के भीतर प्लैंक 2018 परिणामों की तुलना में थोड़े उच्च $H_0$ मान ($\sim 69.7 - 70.5$ किमी/सेकंड/Mpc) प्राप्त होते हैं, जो सुझाव देते हैं कि ये मॉडल विशिष्ट डेटासेट के साथ मिलकर हबल टेंशन को कम करने में मदद कर सकते हैं, हालांकि शोध पत्र नोट करता है कि यह डेटासेट-संचालित है।
  • DESI का प्रभाव: DESI DR2 डेटा को शामिल करने से मापदंडों पर प्रतिबंध काफी कड़ा हो जाता है। मॉडल II के लिए, CC+SNIa डेटा के साथ DESI DR2 को शामिल करने से पैरामीटर $l$ का मान $1$से$95%$से अधिक विश्वास स्तर पर विचलित हो जाता है ($l=1$ $\Lambda$CDM-समान व्यवहार के अनुरूप है), जो मानक $\Lambda$CDM ब्रह्मांड विज्ञान से विचलन के पक्ष में संकेत देता है।

• मॉडल तुलना (AIC/BIC):

  • मॉडल I बनाम $\Lambda$CDM: मॉडल I, $\Lambda$CDM परिदृश्य के सांख्यिकीय रूप से समकक्ष है। चूंकि उपयोग किए गए डेटासेट के संदर्भ में दोनों मॉडलों में मुक्त पैरामीटर्स की संख्या समान है, इसलिए प्राथमिकता $\Delta\chi^2_{min}$ द्वारा संचालित होती है। परिणाम दर्शाते हैं कि वे व्यावहारिक रूप से अविभेद्य हैं, जिसमें कुछ विशिष्ट डेटासेट संयोजनों में $\Lambda$CDM का मामूली लाभ है।
  • मॉडल II बनाम $\Lambda$CDM: तुलना एक मिश्रित तस्वीर प्रस्तुत करती है। अधिकांश डेटासेट्स के लिए, BIC में अतिरिक्त पैरामीटर $l$ के दंड के कारण $\Lambda$CDM को प्राथमिकता दी जाती है। हालांकि, जब DESI डेटा (विशेष रूप से DR2) को SNIa डेटा के साथ जोड़ा जाता है, तो मॉडल II को लाइकलीहुड रेशियो टेस्ट (LRT) और AIC द्वारा $\Lambda$CDM पर वरीयता दी जाती है, जो सुझाव देता है कि डेटा इन विशिष्ट विन्यासों में अधिक जटिल पदार्थ निर्माण परिदृश्य का समर्थन करता है।

महत्व और दावे
शोध पत्र का दावा है कि ब्रह्मांड संबंधी पदार्थ निर्माण परिदृश्य डार्क एनर्जी और संशोधित गुरुत्वाकर्षण सिद्धांतों दोनों के लिए एक व्यवहार्य विकल्प प्रदान करते हैं। प्राथमिक महत्व इस बात को प्रदर्शित करने में है कि:

1. एडियाबेटिक पदार्थ निर्माण स्वाभाविक रूप से देखे गए विलंब-काल त्वरण (late-time acceleration) को उत्पन्न कर सकता है और ब्रह्मांड के थर्मल इतिहास को पुनरुत्पादित कर सकता है।
2. हालिया DESI DR2 डेटा, अन्य जांचों के साथ मिलकर, उच्च सांख्यिकीय महत्व पर पदार्थ निर्माण के प्रमाण प्रदान करता है।
3. विशेष रूप से, मॉडल II यह दर्शाता है कि जब DESI डेटा शामिल किया जाता है, तो डेटा $\Lambda$CDM प्रतिमान (जहाँ $l \neq 1$) से विचलन का समर्थन कर सकता है, जो गतिशील डार्क एनर्जी के हालिया संकेतों के अनुरूप है।

लेखक विनम्रतापूर्वक निष्कर्ष निकालते हैं कि हालांकि पृष्ठभूमि-स्तर का विश्लेषण आशाजनक है, पूर्ण सत्यापन के लिए विक्षोभों (perturbations) तक विश्लेषण का विस्तार करने और मॉडल को कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड (CMB) डेटा के साथ जोड़ने की आवश्यकता है, जो भविष्य के कार्य के लिए छोड़ दिया गया है। वे इस बात पर जोर देते हैं कि वर्तमान परिणाम सुझाव देते हैं कि पदार्थ निर्माण एक प्रतिस्पर्धी परिदृश्य है जो आगे की जांच के योग्य है।