Constraints on the Thomson optical depth to the CMB from the Lyman-$\alpha$ forest

ब्रह्मांड के इतिहास को समझने के लिए, खगोलशास्त्री अक्सर उस समय की ओर देखते हैं जब ब्रह्मांड एक अंधेरी, धुंधली जगह थी जो तटस्थ हाइड्रोजन गैस से भरी हुई थी। बिग बैंग के बाद सैकड़ों मिलियन वर्षों तक, इस गैस ने प्रकाश को अवरुद्ध कर दिया, जिससे ब्रह्मांड अपारदर्शी हो गया। फिर, एक परिवर्तन हुआ: पहले सितारों और आकाशगंगाओं ने प्रज्वलित होकर तीव्र पराबैंगनी विकिरण उत्सर्जित किया, जिसने हाइड्रोजन परमाणुओं से इलेक्ट्रॉनों को अलग कर दिया, जिससे वह धुंध एक पारदर्शी प्लाज्मा में बदल गई। इस युग को 'इपोक ऑफ रीआयोनाइजेशन' (पुनः आयनीकरण का युग) के रूप में जाना जाता है। हालांकि हम इस अवधि को अपनी आंखों से सीधे नहीं देख सकते, लेकिन हम इसके अवशेषों को इस बात का अध्ययन करके माप सकते हैं कि दूर स्थित वस्तुओं से आने वाले प्रकाश का मुक्त इलेक्ट्रॉनों द्वारा कितना प्रकीर्णन (scattering) हुआ है। यह प्रकीर्णन एक विशिष्ट "ऑप्टिकल डेप्थ" (प्रकाशिक गहराई) बनाता है, जो इस बात का माप है कि उस संक्रमण के दौरान धुंध कितनी घनी थी। इस गहराई के सटीक मान का निर्धारण करना महत्वपूर्ण है क्योंकि यह वैज्ञानिकों को ब्रह्मांड विज्ञान के मानक मॉडल का परीक्षण करने में मदद करता है। हाल ही में, आकाशगंगा सर्वेक्षणों के नए डेटा ने संकेत दिया है कि ब्रह्मांड शायद पहले की तुलना में तेजी से फैल रहा है या इसमें कम पदार्थ है, लेकिन ये संकेत इस धारणा पर बहुत अधिक निर्भर करते हैं कि ब्रह्लीय धुंध कितनी घनी थी। यदि धुंध हमारी सोच से अधिक घनी थी, तो यह डार्क एनर्जी और भौतिकी के मूलभूत नियमों के बारे में हमारी समझ को बदल सकती है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस ब्रह्रीय धुंध को मापने के लिए एक नया दृष्टिकोण अपनाया है, जो ब्रह्मांड के सबसे पुराने प्रकाश पर निर्भर रहने वाले पारंपरिक तरीकों को दरकिनार करता है। ब्रह्मांड के सबसे पुराने प्रकाश, यानी बिग बैंग की मंद चमक (कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड), पर ध्यान केंद्रित करने के बजाय, उन्होंने अपना ध्यान 'लाइमैन-अल्फा फॉरेस्ट' (Lyman-alpha forest) की ओर केंद्रित किया। यह घटना तब दिखाई देती है जब हम बहुत दूर स्थित क्वासरों (quasars) के प्रकाश को देखते हैं, जो सक्रिय आकाशगंगाओं के चमकदार केंद्र होते हैं। जैसे ही यह प्रकाश अरबों प्रकाश वर्ष की दूरी तय करके हम तक पहुँचता है, यह हाइड्रोजन गैस के विशाल बादलों से होकर गुजरता है। गैस प्रकाश के विशिष्ट रंगों को अवशोषित कर लेती है, जिससे स्पेक्ट्रम में गहरे रेखाओं की एक श्रृंखला बन जाती है जो एक जंगल (फॉरेस्ट) जैसी दिखती है। गैस के बादलों का घनत्व और तापमान प्रकाश पर एक विशिष्ट छाप छोड़ता है। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि इस गैस का तापमान इस बात से गहराई से जुड़ा हुआ है कि ब्रह्मांड का पुन: आयनीकरण कैसे हुआ था। जब पहले सितारों ने प्रज्वलन किया, तो उन्होंने न केवल गैस को आयनित किया; बल्कि उन्होंने इसे गर्म भी कर दिया। इस ऊष्मीकरण ने गैस के दबाव को बदल दिया, जिसने बदले में पदार्थ के सबसे छोटे समूहों को समतल (smooth out) कर दिया। लाइमैन-अल्फा फॉरेस्ट के पैटर्न का अध्ययन करके, टीम गैस के तापीय इतिहास का पता लगाने में सक्षम हुई और उससे, यह निष्कर्ष निकाल सकी कि पुन: आयनीकरण के दौरान कितना इलेक्ट्रॉन प्रकीर्णन हुआ था।

टीम ने ब्रह्मांड के इतिहास के एक विशिष्ट समय पर, लगभग तब जब ब्रह्मांड एक अरब वर्ष पुराना था, गैस के तापमान और घनत्व का मानचित्र बनाने के लिए क्वासरों के उच्च-रिज़ॉल्यूशन अवलोकनों का उपयोग किया। उन्होंने इन वास्तविक दुनिया के मापों को उन परिष्कृत कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ जोड़ा जो विभिन्न पुन: आयनीकरण परिदृश्यों के तहत हाइड्रोजन और हीलियम के व्यवहार को मॉडल करते हैं। उन्होंने दो मुख्य प्रकार के मॉडलों का परीक्षण किया: एक जहाँ पुन: आयनीकरण युग का अंत लाइमैन-अल्फा फॉरेस्ट से जो हम पहले से जानते हैं, उसके आधार पर निर्धारित था, और दूसरा जहाँ इस युग की अवधि को स्थिर माना गया था, जो अन्य अध्ययनों में एक सामान्य धारणा है। गैस कैसे गर्म होती है और आयनित होती है, इसे नियंत्रित करने वाले समीकरणों को हल करके, उन्होंने गैस के तापमान और पुन: आयनीकरण के दौरान हुए कुल इलेक्ट्रॉन प्रकीर्णन के बीच एक सीधा संबंध बनाया। इसने उन्हें कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड डेटा पर निर्भर हुए बिना ऑप्टिकल डेप्थ की गणना करने की अनुमति दी, जो दशकों से मानक रहा है।

उनके निष्कर्ष बताते हैं कि ब्रह्मांड में पुन: आयनीकरण की प्रक्रिया अपेक्षाकृत तीव्र और देर से हुई थी। उन्होंने गणना की कि ऑप्टिकल डेप्थ लगभग 0.040 है, जिसमें अनिश्चितता की एक छोटी सीमा है। यह मान उन उच्च आंकड़ों (लगभग 0.09) से काफी कम है, जो हाल के कुछ अध्ययनों में विभिन्न ब्रह्मांडीय डेटासेट के बीच तनाव को हल करने के लिए प्रस्तावित किए गए थे। शोधकर्ताओं ने पाया कि यदि ब्रह्मांड का पुन: आयनीकरण इस तरह से हुआ होता जो इतनी उच्च ऑप्टिकल डेप्थ उत्पन्न करता, तो गैस बहुत गर्म होती और लाइमैन-अल्फा फॉरेस्ट की सूक्ष्म संरचनाएं वास्तव में देखी जाने वाली संरचनाओं की तुलना में अधिक समतल हो जातीं। दूसरे शब्दों में, गैस के बादलों से प्राप्त भौतिक साक्ष्य इस विचार को खारिज करते हैं कि ब्रह्रीय धुंध उतनी घनी थी जितनी कि कुछ सिद्धांतों को आकाशगंगा वितरण डेटा के विसंगतियों को ठीक करने के लिए आवश्यक है। अध्ययन इंगित करता है कि मानक मॉडल, जो कम ऑप्टिकल डेप्थ मानता है, अंतर-गांगेय गैस की तापीय अवस्था के साथ सुसंगत बना हुआ है।

भविष्य की ओर देखते हुए, टीम ने सिम्युलेट किया कि यदि उनके पास क्वासरों का बहुत बड़ा नमूना होता, तो क्या होता, जैसा कि भविष्य के टेलीस्कोप जैसे कि जेमिनी हाई रेजोल्यूशन ऑप्टिकल स्पेक्ट्रोग्राफ सर्वेक्षण द्वारा प्रदान किया जाएगा। उन्होंने पाया कि अधिक डेटा के साथ, उनके प्रतिबंध (constraints) और भी कड़े हो जाएंगे, जो उच्च ऑप्टिकल डेप्थ मानों को और भी अधिक निश्चितता के साथ बाहर कर सकते हैं। यह कार्य यह प्रदर्शित करता है कि लाइमैन-अल्फा फॉरेस्ट ब्रह्मांड के इतिहास को समझने के लिए एक शक्तिशाली, स्वतंत्र उपकरण है। यह ब्रह्मांड के बाद के प्रकाश के बजाय स्वयं गैस का उपयोग करके प्रारंभिक ब्रह्मांड की स्थितियों को सत्यापित करने का एक तरीका प्रदान करता है। परिणाम एक ऐसे ब्रह्मांड की तस्वीर को पुख्ता करते हैं जहाँ अंधकार से प्रकाश में संक्रमण तेजी से हुआ और अपेक्षाकृत देर से समाप्त हुआ, जो ब्रह्मांडीय विकास की हमारी समझ के लिए एक स्पष्ट और अधिक सुसंगत आधार प्रदान करता है।