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Updated observational constraints on $\phi$ CDM dynamical dark energy cosmological models

यह शोध पत्र प्लैंक 2018 और गैर-सीएमबी (non-CMB) डेटा का उपयोग करते हुए स्थानिक रूप से सपाट $\phi$ CDM गतिशील डार्क एनर्जी मॉडल पर अद्यतन प्रेक्षण संबंधी बाधाओं को प्रस्तुत करता है, जिसमें यह पाया गया है कि जबकि मानक $\Lambda$ CDM मॉडल एक उत्कृष्ट फिट बना हुआ है, वर्तमान डेटा हल्के रूप से विकसित क्विंटेसेंस-समान (quintessence-like) डार्क एनर्जी का पक्ष लेता है और हबल स्थिरांक तथा सीएमबी लेंसिंग आयाम में तनावों को प्रकट करता है जिसे लेंसिंग निरंतरता पैरामीटर $A_L$ को बदलने की अनुमति देकर आंशिक रूप से कम किया जा सकता है।

मूल लेखक: Chan-Gyung Park, Bharat Ratra

प्रकाशित 2026-06-12

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Chan-Gyung Park, Bharat Ratra

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: ब्रह्मांड किससे बना है?

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल, फैलते हुए गुब्बारे की तरह है। लंबे समय से, वैज्ञानिकों के पास इस गुब्बारे के फूलने का एक "मानक नुस्खा" (standard recipe) रहा है। यह नुस्खा, जिसे $\Lambda$ CDM कहा जाता है, कहता है कि इस फैलाव को डार्क एनर्जी नामक एक रहस्यमय बल द्वारा संचालित किया जाता है, जो एक स्थिर, अपरिवर्तित दबाव की तरह गुब्बारे को बाहर की ओर धकेलता है। इस मानक नुस्खे में, यह बल कभी नहीं बदलता; यह आज भी वैसा ही है जैसा एक अरब साल पहले था।

हालाँकि, कुछ वैज्ञानिकों को संदेह है कि इस नुस्खे में शायद कोई "मसाला" कम है। वे सोचते हैं: क्या होगा यदि डार्क एनर्जी एक ऐसा स्थिर बटन नहीं है जो बस "ऑन" रहता है, बल्कि एक "डिमर स्विच" (dimmer switch) है जो समय के साथ धीरे-धीरे बदलता है?

यह शोध पत्र उस "डिमर स्विच" वाले विचार के एक विशिष्ट संस्करण की जांच करता है, जिसे $\phi$ CDM मॉडल कहा जाता है। इस मॉडल में, डार्क एनर्जी एक क्षेत्र (field) है (जैसे अंतरिक्ष को भरने वाला एक तरल पदार्थ) जो धीरे-धीरे विकसित होता है। मुख्य प्रश्न जो लेखक पूछते हैं वह यह है: क्या डेटा यह दिखाता है कि यह डिमर स्विच वास्तव में हिल रहा है, या यह बस एक ही स्थिति में अटका हुआ है?

सामग्री: उन्होंने जिस डेटा का उपयोग किया

इसकी जांच करने के लिए, लेखकों ने दो अलग-अलग अपराध स्थलों से सबूत जुटाने वाले जासूसों की तरह काम किया:

शिशु चित्र (CMB डेटा): उन्होंने प्लैंक (Planck) सैटेलाइट के डेटा का उपयोग किया, जिसने ब्रह्मांड की तब की तस्वीर ली थी जब वह एक शिशु था (380,000 साल पुराना)। यह एक बच्चे के पैरों के निशान को देखकर यह अनुमान लगाने जैसा है कि वह वयस्क होने पर कितना लंबा होगा।
वयस्क के पदचिह्न (गैर-CMB डेटा): उन्होंने "वयस्क" ब्रह्मांड से डेटा एकत्र किया, जिसमें शामिल थे:
- सुपरनोवा (Supernovae): फटने वाले तारे जो ब्रह्मांडीय मील के पत्थर के रूप में कार्य करते हैं।
- गैलेक्सी क्लस्टर (Galaxy Clusters): आकाशगंगाएँ कैसे फैली हुई हैं (बेरियन एकोस्टिक ऑसिलेशन)।
- फैलाव की गति: ब्रह्मांड अभी कितनी तेजी से बढ़ रहा है (हबल स्थिरांक)।

जांच: उन्हें क्या मिला?

लेखकों ने अपने "डिमर स्विच" मॉडल को डेटा के विरुद्ध चलाया ताकि यह देखा जा सके कि क्या यह मानक "स्थिर" मॉडल की तुलना में बेहतर फिट बैठता है। यहाँ उनकी खोज है:

1. "डिमर स्विच" ज्यादातर अटका हुआ है, लेकिन शायद बहुत थोड़ा हिल रहा है
उनकी कहानी का मुख्य पात्र एक संख्या है जिसे $\alpha$ (अल्फा) कहा जाता है।

यदि $\alpha = 0$ है, तो डिमर स्विच अटका हुआ है (मानक मॉडल)।
यदि $\alpha > 0$ है, तो स्विच हिल रहा है (गतिशील मॉडल)।

जब उन्होंने सभी डेटा (शिशु चित्र + वयस्क के पदचिह्न) को मिलाया, तो उन्होंने पाया:

$\alpha$ शून्य के बहुत करीब है। डेटा दृढ़ता से सुझाव देता है कि ब्रह्मांड अभी भी काफी हद तक मानक नुस्खे का पालन कर रहा है।
हालाँकि, हलचल का एक सूक्ष्म संकेत है। डेटा डार्क एनर्जी में एक बहुत छोटे, धीमे बदलाव की अनुमति देता है। यह यह साबित करने के लिए ठोस प्रमाण नहीं है कि स्विच हिल रहा है, लेकिन यह असंभव भी नहीं है। यह एक बंद दरवाजे में हल्की सी चरचराहट सुनने जैसा है; यह केवल हवा भी हो सकती है, लेकिन इसकी जांच करना जरूरी है।
- उनके मुख्य मॉडल में, यह "चरचराहट" सामान्य सांख्यिकीय शोर (noise) के आकार से लगभग 1.3 गुना है।
- एक थोड़े संशोधित मॉडल में (जहाँ उन्होंने कुछ "लेंसिंग" समायोजन की अनुमति दी), यह संकेत शोर से 1.7 गुना बढ़ गया।

2. "वयस्क" डेटा सबसे अच्छा जासूस है
दिलचस्प बात यह है कि "शिशु चित्र" (CMB डेटा) अकेले डिमर स्विच को पहचानने में बहुत अच्छा नहीं था। यह किसी व्यक्ति के वर्तमान वजन का अनुमान लगाने के लिए केवल उसके बचपन की फोटो देखने जैसा है; यह बहुत अधिक अतीत की बात है।
"वयस्क के पदचिह्न" (गैर-CMB डेटा) बहुत बेहतर थे। जब उन्होंने ब्रह्मांड के हालिया इतिहास को देखा, तो डेटा ने इस बात पर कड़े नियम लगा दिए कि डार्क एनर्जी कितनी बदल सकती है।

3. "लेंस" की समस्या
लेखकों ने एक "फज फैक्टर" (fudge factor) का भी परीक्षण किया जिसे $A_L$ कहा जाता है। कल्पना कीजिए कि आप शिशु चित्र को एक थोड़े विकृत लेंस के माध्यम से देख रहे हैं। कभी-कभी डेटा मानक मॉडल की तुलना में अधिक "स्मूथ" (smooth) दिखता है।

जब उन्होंने इस लेंस कारक को बदलने की अनुमति दी, तो शिशु चित्र और वयस्क के पदचिह्नों के बीच का तनाव कम हो गया।
हालाँकि, उन्होंने पाया कि लेंस कारक उम्मीद से 2.8 गुना बड़ा था। यह सुझाव देता है कि प्लैंक डेटा में दिखने वाला "स्मूथिंग" वास्तविक है न कि केवल एक इत्तेफाक, लेकिन यह ब्रह्मांड के विस्तार के रहस्य को पूरी तरह से हल नहीं करता है।

4. हबल स्थिरांक (स्पीडोमीटर)
कॉस्मोलॉजी की सबसे बड़ी बहसों में से एक यह है कि ब्रह्मांड कितनी तेजी से फैल रहा है (हबल स्थिरांक, $H_0$ )।

मानक मॉडल अक्सर ऐसी गति की भविष्यवाणी करता है जो स्थानीय मापों (जैसे कार की गति को रडार गन से मापने बनाम मानचित्र से गणना करने) से मेल नहीं खाती।
इस पेपर का मॉडल 67.5 किमी/सेकंड/Mpc की गति की भविष्यवाणी करता है।
फैसला: यह संख्या बिल्कुल बीच में है। यह कुछ स्थानीय मापों के साथ सहमत है लेकिन अन्य (जैसे सेफिड सितारों से प्राप्त 73 किमी/सेकंड का मापन) के साथ असहमत है। यह "हबल टेंशन" को पूरी तरह से हल नहीं करता है, लेकिन यह एक मध्यवर्ती दृष्टिकोण के साथ सुसंगत रहता है।

निष्कर्ष: क्या मानक नुस्खा गलत है?

लेखकों ने यह देखने के लिए सांख्यिकीय उपकरणों (AIC और DIC) का उपयोग करके एक "टेस्ट टेस्ट" चलाया कि कौन सा नुस्खा बेहतर स्वाद देता है।

परिणाम: मानक नुस्खा ( $\Lambda$ CDM) अभी भी उत्कृष्ट स्वाद देता है। नया "डिमर स्विच" नुस्खा ( $\phi$ CDM) भी उतना ही अच्छा लगता है, लेकिन काफी बेहतर नहीं है।
ट्विस्ट: यदि आप "लेंस" समायोजन ( $\phi$ CDM+ $A_L$ ) जोड़ते हैं, तो नया नुस्खा कुछ मामलों में थोड़ा अधिक पसंदीदा हो जाता है।

मुख्य बात:
ब्रह्मांड अभी भी मानक मॉडल द्वारा बहुत अच्छी तरह से वर्णित है जहाँ डार्क एनर्जी एक स्थिर है। हालाँकि, डेटा इस संभावना को पूरी तरह से खारिज नहीं करता कि डार्क एनर्जी एक "क्विंटेसेंस" (quintessence) क्षेत्र है जो धीरे-धीरे विकसित हो रहा है। यह कोई नाटकीय क्रांति नहीं है, लेकिन यह धीरे-धीरे बदलते हुए डार्क एनर्जी के लिए दरवाजा थोड़ा खुला छोड़ देता है, बशर्ते कि यह "फैंटम" क्षेत्र (जहाँ भौतिकी टूट जाती है) में न जाए।

संक्षेप में: ब्रह्मांड संभवतः अभी भी पुराने नियमों का पालन कर रहा है, लेकिन एक सूक्ष्म, धुंधली संभावना है कि नियम धीरे-धीरे बदल रहे हैं।

तकनीकी सारांश: $\phi$ CDM गतिशील डार्क एनर्जी कॉस्मोलॉजिकल मॉडल्स पर अद्यतित प्रेक्षण संबंधी बाधाएं

समस्या विवरण
मानक स्थानिक रूप से सपाट $\Lambda$ CDM कॉस्मोलॉजिकल मॉडल, हालांकि अनुभवजन्य रूप से सफल है, कॉस्मोलॉजिकल कांस्टेंट के फाइन-ट्यूनिंग और संभावित प्रेक्षण संबंधी विसंगतियों के संबंध में वैचारिक चुनौतियों का सामना करता है। फलस्वरूप, गतिशील डार्क एनर्जी मॉडल्स में निरंतर रुचि बनी हुई है। फेनोमेनोलॉजिकल पैरामीट्राइजेशन (जैसे कि $X$ CDM, $w(z)$ CDM, या $w_0w_a$ CDM) के विपरीत, जो काल्पनिक ध्वनि की गति (imaginary speeds of sound) जैसी भौतिक विसंगतियों से ग्रस्त हो सकते हैं, $\phi$ CDM मॉडल एक भौतिक रूप से सुसंगत ढांचा प्रदान करता है। इस मॉडल में, डार्क एनर्जी को एक व्युत्क्रम पावर-लॉ पोटेंशियल $V(\phi) = V_0\phi^{-\alpha}$ वाले न्यूनतम रूप से युग्मित स्केलर फील्ड $\phi$ द्वारा वर्णित किया जाता है। पैरामीटर $\alpha$ गतिकी को नियंत्रित करता है: $\alpha=0$ कॉस्मोलजिकल कांस्टेंट को पुनः प्राप्त करता है, जबकि $\alpha > 0$ धीरे-धीरे विकसित होने वाले क्विंटेसेंस-जैसे डार्क एनर्जी को दर्शाता है। Planck 2015 डेटा और विभिन्न गैर-CMB डेटासेट्स का उपयोग करने वाले पिछले विश्लेषणों ने संकेत दिया था कि केवल मामूली गतिकी ही अनुमत है। इस शोध पत्र का उद्देश्य Planck 2018 डेटासेट और गैर-CMB डेटा के एक व्यापक, परस्पर सुसंगत संकलन का उपयोग करके स्थानिक रूप से सपाट $\phi$ CDM मॉडल पर अद्यतित बाधाएं प्रदान करना है, साथ ही विस्तारित $\phi$ CDM+ $A_L$ मॉडल का भी परीक्षण करना है जहाँ CMB लेंसिंग कंसिस्टेंसी पैरामीटर $A_L$ को बदलने की अनुमति दी गई है।

कार्यप्रणाली
लेखक कॉस्मोलॉजिकल पैरामीटर्स को बाधित करने के लिए CMB और गैर-CMB अवलोकनात्मक डेटा के संयोजन का उपयोग करते हैं।

डेटा सेट्स:
- CMB: Planck 2018 तापमान, ध्रुवीकरण ( $P18$ ), और लेंसिंग पावर स्पेक्ट्रा।
- गैर-CMB: एक संकलन जिसमें 16 बेरियन एकोस्टिक ऑसिलेशन (BAO) माप ( $0.122 \le z \le 2.334$ ), Pantheon+ संकलन से 1590 टाइप Ia सुपरनोवा (SNIa) आभासी परिमाण माप ( $z > 0.01$ ), कॉस्मिक क्रोनोमीटर से प्राप्त 32 हबल पैरामीटर $H(z)$ डेटा बिंदु, और 9 अतिरिक्त ग्रोथ रेट ( $f\sigma_8$ ) माप शामिल हैं। विशेष रूप से, हालिया DESI विश्लेषणों से स्वतंत्रता बनाए रखने के लिए DESI BAO डेटा को बाहर रखा गया है।
मॉडेल्स:
- $\phi$ CDM: एक न्यूनतम रूप से युग्मित स्केलर फील्ड और व्युत्क्रम पावर-लॉ पोटेंशियल वाला एक फ्लैट मॉडल। प्राथमिक पैरामीटर्स में $\Omega_b h^2$ , $\Omega_c h^2$ , $H_0$ , $\tau$ , $n_s$ , $\ln(10^{10}A_s)$ , और गतिशील पैरामीटर $\alpha$ शामिल हैं।
- $\phi$ CDM+ $A_L$ : एक विस्तार जहाँ लेंसिंग कंसिस्टेंसी पैरामीटर $A_L$ को आठवें प्राथमिक पैरामीटर के रूप में बदलने की अनुमति दी गई है।
विश्लेषण उपकरण: स्थानिक विषमताओं के सैद्धांतिक अनुमानों की गणना करने के लिए CAMB कोड का उपयोग किया जाता है, और लाइकलहुड्स निर्धारित करने के लिए COSMOMC, मार्कोव चेन मोंटे कार्लो (MCMC) विधियों का उपयोग करता है। अभिसरण (convergence) का आकलन गेलमैन-रुबिन सांख्यिकी ( $R-1 < 0.01$ ) का उपयोग करके किया जाता है।
प्रायर्स और अभिसरण: $P18$ डेटा के साथ $\phi$ CDM+ $A_L$ मॉडल के लिए, $\alpha$ पर एक विस्तृत प्रायर ( $0 \le \alpha \le 10$ ) के परिणामस्वरूप बाइमॉडल लाइकलहुड्स और धीमा अभिसरण देखा गया। इसे संबोधित करने के लिए, लेखकों ने अंतिम रिपोर्ट किए गए परिणामों के लिए प्रायर को $0 \le \alpha \le 2$ तक सीमित कर दिया, जिससे मजबूत अभिसरण सुनिश्चित हुआ।
मॉडल तुलना: $\Lambda$ CDM मॉडल के विरुद्ध $\phi$ CDM और $\phi$ CDM+ $A_L$ के फिट की तुलना करने के लिए एकेइक इंफॉर्मेशन क्राइटेरियन (AIC) और डेविएंस इंफॉर्मेशन क्राइटेरियन (DIC) का उपयोग किया जाता है। डेटा सेट्स के बीच संगति का मूल्यांकन $\log_{10} I$ एस्टीमेटर और टेंशन प्रोबेबिलिटी ( $p$ ) मानों का उपयोग करके किया जाता है।

प्रमुख योगदान और परिणाम

$\alpha$ पर बाधाएं:
- पूर्ण डेटासेट ( $P18$ + लेंसिंग + गैर-CMB) का उपयोग करते हुए, लेखक $\phi$ CDM मॉडल में $\alpha = 0.055 \pm 0.041$ और $\phi$ CDM+ $A_L$ मॉडल में $\alpha = 0.095 \pm 0.056$ पाते हैं।
- ये परिणाम $\alpha=0$ ( $\Lambda$ CDM सीमा) के अनुरूप हैं लेकिन क्रमशः $1.3\sigma$ और $1.7\sigma$ सार्थकता पर मामूली रूप से विकसित डार्क एनर्जी का पक्ष लेते हैं।
- शोध पत्र नोट करता है कि स्केलर फील्ड पैरामीटर $\alpha$ , CMB डेटा की तुलना में गैर-CMB डेटा द्वारा अधिक कड़ाई से बाधित है। जब गैर-CMB डेटा का पृथक रूप से विश्लेषण किया जाता है, तो $3.5\sigma$ पर क्विंटेसेंस-जैसे गतिकी के लिए प्राथमिकता देखी जाती है, हालांकि CMB डेटा के साथ संयोजन करने पर यह प्राथमिकता कम हो जाती है।
हबल स्थिरांक ( $H_0$ ) और पदार्थ घनत्व ( $\Omega_m$ ):
- पूर्ण डेटा के साथ $\phi$ CDM मॉडल में, $H_0 = 67.55^{+0.53}_{-0.46}$ किमी s $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ है। यह मान मीडियन सांख्यिकी और कुछ स्थानीय निर्धारणों (जैसे JWST TRGB+JAGB) के अनुरूप है, लेकिन अन्य स्थानीय मापों (जैसे Cepheids+SNIa) के साथ तनाव (tension) में बना हुआ है।
- फ्लैट $\phi$ CDM मॉडल में पदार्थ घनत्व $\Omega_m = 0.3096 \pm 0.0055$ और क्लस्टरिंग आयाम $\sigma_8 = 0.8013^{+0.0077}_{-0.0067}$ सांख्यिकीय रूप से $\Lambda$ CDM मानों के साथ सहमत हैं।
लेंसिंग कंसिस्टेंसी पैरामीटर ( $A_L$ ):
- $\phi$ CDM+ $A_L$ मॉडल में, $A_L = 1.105 \pm 0.037$ है, जो एकता (unity) से $2.8\sigma$ अधिक है। यह Planck डेटा में देखे गए अतिरिक्त स्मूथिंग के अनुरूप है।
- $A_L$ को बदलने की अनुमति देने से CMB और गैर-CMB डेटा बाधाओं के बीच तनाव कम हो जाता है। $\phi$ CDM मॉडल में, $P18$ और गैर-CMB डेटा के बीच तनाव $2.2\sigma$ है; $\phi$ CDM+ $A_L$ मॉडल में, यह घटकर लगभग $1.9\sigma$ हो जाता है ( $0 \le \alpha \le 2$ प्रायर के लिए)।
मॉडल तुलना:
- AIC और DIC का उपयोग करने वाला मॉडल तुलना इंगित करती है कि $\phi$ CDM मॉडल $\Lambda$ CDM के तुल्य फिट प्रदान करता है।
- $\phi$ CDM+ $A_L$ विस्तार को कुछ मामलों में मानक $\Lambda$ CDM मॉडल की तुलना में थोड़ा प्राथमिकता दी गई है, जो विस्तारित मॉडल के लिए सकारात्मक साक्ष्य ( $\Delta DIC < -2$ ) दिखाता है।
डेटा संगति:
- लेखक फ्लैट $\phi$ CDM मॉडल में $P18$ और गैर-CMB डेटा के बीच मजबूत असंगतता ( $\log_{10} I < -0.5$ ) पाते हैं, हालांकि तनाव मॉडल को खारिज करने के लिए अपनाए गए $3\sigma$ थ्रेसहोल्ड से नीचे है। $A_L$ का समावेश इस असंगतता को कम करता है।

महत्व और दावे
शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि जबकि $\Lambda$ CDM मॉडल वर्तमान डेटा के लिए एक उत्कृष्ट फिट बना हुआ है, परिणाम कॉस्मिक कांस्टेंट के विकल्प के रूप में मामूली रूप से विकसित क्विंटेसेंस-जैसे गतिशील डार्क एनर्जी की संभावना को खारिज नहीं करते हैं। विशेष रूप से:

डेटा मध्यम सार्थकता स्तरों ( $1.3\sigma$ से $1.7\sigma$ ) पर एक छोटे, सकारात्मक $\alpha$ की अनुमति देता है, जो यह सुझाव देता है कि फैंटम-डिवाइड क्रॉसिंग के बिना गतिशील डार्क एनर्जी, कॉस्मोलॉजिकल कांस्टेंट का एक व्यवहार्य विकल्प है।
$X$ CDM या $w_0w_a$ CDM पैरामीट्राइजेशन के पिछले निष्कर्षों के विपरीत, जहाँ $A_L$ को बदलने की अनुमति देने से गतिकी के समर्थन में कमी आई थी, $\phi$ CDM मॉडल दिखाता है कि $A_L$ को बदलने की अनुमति देने से वास्तव में $A_L=1$ मामले की तुलना में डार्क एनर्जी गतिकी के लिए समर्थन बढ़ जाता है।
$\phi$ CDM मॉडल में पदार्थ घनत्व और क्लस्टरिंग आयाम पर प्रतिबंध $\Lambda$ CDM के साथ सांख्यिकीय रूप से सुसंगत हैं, जो विभिन्न डार्क एनर्जी परिदृश्यों में इन पैरामीटर्स की मजबूती को पुष्ट करते हैं।
लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि $\phi$ CDM जैसे भौतिक रूप से सुसंगत मॉडल्स द्वारा अनुमानित गतिशील विकास और कॉस्मोलॉजिकल कांस्टेंट के बीच अंतर करने के लिए भविष्य के, अधिक सटीक अवलोकन आवश्यक हैं।

एक बड़ी तस्वीर: ब्रह्मांड किससे बना है?

सामग्री: उन्होंने जिस डेटा का उपयोग किया

जांच: उन्हें क्या मिला?

निष्कर्ष: क्या मानक नुस्खा गलत है?

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