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Time delay measurements with Broken Power Law model

यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि लेन्स्ट्रोनॉमी (Lenstronomy) ढांचे के भीतर लेंस वाले क्वासर WGD 2038–4008 के लिए एक लचीले ब्रोकन पावर लॉ (Broken Power Law) मास मॉडल को लागू करने से हबल स्थिरांक (Hubble constant) के ऐसे अनुमान प्राप्त होते हैं जो मानक एलिप्टिकल पावर लॉ (Elliptical Power Law) मॉडल का उपयोग करके प्राप्त अनुमानों से काफी भिन्न हैं, जिससे लेंस द्रव्यमान प्रोफाइल के बारे में धारणाओं के प्रति टाइम-डिले कॉस्मोग्राफी (time-delay cosmography) की महत्वपूर्ण संवेदनशीलता उजागर होती है।

मूल लेखक: Guanhua Rui, Bin Hu, Wei Du

प्रकाशित 2026-03-25
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मूल लेखक: Guanhua Rui, Bin Hu, Wei Du

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

मुख्य तस्वीर: "हबल टेंशन" (Hubble Tension) की पहेली

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल गुब्बारे की तरह है जो फूल रहा है। खगोलशास्त्री यह जानना चाहते हैं कि अभी यह कितनी तेजी से फैल रहा है। इस गति को हबल स्थिरांक (H0H_0) कहा जाता है।

समस्या यह है: हमारे पास इस गति को मापने के दो अलग-अलग तरीके हैं, और वे हमें दो अलग-अलग उत्तर देते हैं।

  • तरीका A (शिशु चित्र - The Baby Picture): ब्रह्मांड के सबसे पुराने प्रकाश (कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड) को देखने से पता चलता है कि गुब्बारा लगभग 67 किमी/सेकंड की दर से फैल रहा है।
  • तरीका B (स्थानीय मानचित्र - The Local Map): पास के फटने वाले सितारों और आकाशगंगाओं को मापने से पता चलता है कि यह तेजी से फैल रहा है, लगभग 73 किमी/सेकंड

यह असहमति "हबल टेंशन" कहलाती है। यह वैसा ही है जैसे दो डॉक्टर एक ही मरीज को देख रहे हों और अलग-अलग निदान दे रहे हों। एक कहता है, "वह ठीक है," और दूसरा कहता है, "उसे बुखार है।" या तो कोई गलत है, या हम कुछ बहुत महत्वपूर्ण मिस कर रहे हैं।

उपकरण: कॉस्मिक स्टॉपवॉच के रूप में गुरुत्वाकर्षण लेंसिंग (Gravitational Lensing)

यह शोध पत्र इस विस्तार दर को मापने के एक तीसरे, स्वतंत्र तरीके पर केंद्रित है: स्ट्रॉन्ग ग्रेविटेशनल लेंसिंग (Strong Gravitational Lensing)

कल्पना कीजिए कि एक विशाल आकाशगंगा हमारे और एक दूर स्थित, टिमटिमाते क्वासर (एक अत्यंत चमकीला ब्लैक होल) के बीच में स्थित है। उस आकाशगंगा का गुरुत्वाकर्षण एक विशाल, ब्रह्मांडीय फनहाउस मिरर (funhouse mirror) की तरह काम करता है। यह क्वासर के प्रकाश को मोड़ देता है, जिससे आकाशगंगा के चारों ओर एक ही वस्तु की कई छवियां बन जाती हैं।

चूंकि प्रकाश को हम तक पहुँचने के लिए अलग-अलग रास्तों से गुजरना पड़ता है, इसलिए छवियां थोड़े अलग समय पर टिमटिमाती हैं। यदि क्वासर अचानक चमक उठता है, तो हो सकता है कि हमें इमेज A आज चमकीली दिखे, और इमेज B तीन दिन बाद चमकीली दिखे।

इस टाइम डिले (समय अंतराल) को मापकर, हम आकाशगंगा और क्वासर की दूरी की गणना कर सकते हैं। चूंकि हम दूरी जानते हैं, इसलिए हम यह पता लगा सकते हैं कि ब्रह्मांड कितनी तेजी से फैल रहा है। यह किसी घाटी के आकार को मापने के लिए चिल्लाहट की गूँज (echo) का उपयोग करने जैसा है।

समस्या: "फनहाउस मिरर" विकृत है

सटीक समय मापने के लिए, हमें यह जानना होगा कि "दर्पण" (आकाशगंगा) वास्तव में कैसा दिखता है। हमें यह जानने की आवश्यकता है कि उस आकाशगंगा के भीतर द्रव्यमान (mass) कैसे वितरित है।

  • पुराना तरीका (EPL मॉडल): वर्षों से, खगोलशास्त्रियों ने माना कि ये आकाशगंगाएं द्रव्यमान के सरल, चिकने गोलों की तरह हैं, जो केंद्र की ओर अनुमानित तरीके से घनी होती जाती हैं। उन्होंने "सिंगल पावर लॉ" (Single Power Law) मॉडल का उपयोग किया। इसे ऐसे समझें जैसे मान लेना कि हर संतरे का छिलका पूरी तरह से चिकना और एक समान है।
  • नया विचार (BPL मॉडल): यह शोध पत्र सुझाव देता है कि यह धारणा बहुत सरल हो सकती है। वास्तविक आकाशगंगाओं के बीच में एक "कोर" (केंद्र) हो सकता है—एक ऐसा क्षेत्र जहाँ घनत्व अधिक सपाट हो, जैसे कि एक ऐसा संतरा जिसका केंद्र सख्त बीज के बजाय नरम और गूदेदार हो। वे इसे ब्रोकन पावर लॉ (BPL) मॉडल कहते हैं। यह कहने जैसा है कि, "रुको, शायद बाहरी छिलका चिकना है, लेकिन अंदर से यह नरम है।"

वैज्ञानिकों ने क्या किया

लेखकों ने एक विशिष्ट लेंस सिस्टम जिसे WGD 2038–4008 कहा जाता है (एक आकाशगंगा जिसके चारों ओर एक क्वासर की चार छवियां हैं) को लिया और इसे दो अलग-अलग कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से चलाया:

  1. सिमुलेशन A: उन्होंने माना कि आकाशगंगा एक साधारण, चिकने गोले की तरह थी (पुराना तरीका)।
  2. सिमुलेशन B: उन्होंने माना कि आकाशगंगा के बीच में एक नरम, सपाट कोर है (नया तरीका)।

उन्होंने द्रव्यमान को सटीक रूप से निर्धारित करने में मदद करने के लिए आकाशगंगा के भीतर सितारों की गति (स्टेलर किनेमैटिक्स) के डेटा को भी इसमें शामिल किया।

परिणाम: दर्पण मायने रखता है

यहाँ मुख्य बात है: "दर्पण" के आकार ने उत्तर बदल दिया।

  • सरल मॉडल का उपयोग करके (चिकना संतरा): उन्होंने गणना की कि ब्रह्मांड 61 किमी/सेकंड की दर से फैल रहा है।
  • लचीले मॉडल का उपयोग करके (नरम कोर वाला संतरा): उन्होंने गणना की कि ब्रह्मांड 75 किमी/सेकंड की दर से फैल रहा है।

यह एक बहुत बड़ा अंतर है! यह "शिशु चित्र" वाले उत्तर और "स्थानीय मानचित्र" वाले उत्तर के बीच का अंतर है।

उपमा: केक बनाना

कल्पना कीजिए कि आप ओवन में केक के फूलने के तरीके को देखकर यह पता लगाने की कोशिश कर रहे हैं कि उसमें कितना आटा है।

  • परिदृश्य 1: आप मानते हैं कि केक एक आदर्श सिलेंडर है। आप उभार को मापते हैं और आटे की गणना करते हैं।
  • परिदृश्य 2: आपको एहसास होता है कि केक वास्तव में एक सिलेंडर है जिसके बीच में खोखला हिस्सा है (डोनट के आकार का)। आप फिर से उभार को मापते हैं और आटे की गणना करते हैं।

भले ही केक बाहर से एक जैसा दिखता हो, लेकिन आपके आटे (हबल स्थिरांक) की गणना पूरी तरह से बदल जाती है क्योंकि आपके अंदरूनी हिस्से के बारे में आपकी धारणा अलग थी।

इस शोध पत्र में, "आटा" ब्रह्मांड के विस्तार की दर है। "केक का आकार" लेंसिंग आकाशगंगा के द्रव्यमान वितरण का है।

यह क्यों महत्वपूर्ण है

लेखक यह नहीं कह रहे हैं कि, "नरम कोर निश्चित रूप से वास्तविक है!" या "चिकना गोला निश्चित रूप से वास्तविक है!"

इसके बजाय, वे कह रहे हैं: "हमें अभी तक यह नहीं पता कि आकाशगंगा के कोर का सटीक आकार क्या है, और यह अनिश्चितता ब्रह्मांड के विस्तार को मापने में बाधा डाल रही है।"

  • हमारे पास जो डेटा है (लेंस की तस्वीरें) वह इतना स्पष्ट नहीं है कि यह बता सके कि कोर नरम है या चिकना।
  • क्योंकि हमें यह नहीं पता, इसलिए हमें अनुमान लगाना पड़ता है।
  • जिस भी अनुमान को हम लगाते हैं, हमारा हबल स्थिरांक का उत्तर 61 से 75 के बीच झूलने लगता है।

निष्कर्ष

यह शोध पत्र ब्रह्मांडविदों (cosmologists) के लिए एक चेतावनी लेबल है। यह कहता है कि "हबल टेंशन" को हल करने के लिए, हमें केवल बेहतर दूरबीनों की ही नहीं, बल्कि आकाशगंगाएँ अंदर से कैसे बनी हैं, इसके बेहतर मॉडलों की भी आवश्यकता है।

यदि हम यह मानकर चलते रहेंगे कि आकाशगंगाएं सरल चिकने गोले हैं जबकि वे वास्तव में जटिल, नरम कोर वाली हो सकती हैं, तो हम ब्रह्मांड के विस्तार की सटीक दर कभी नहीं जान पाएंगे। हमें अधिक लचीले मॉडल (जैसे ब्रोकन पावर लॉ) बनाने की आवश्यकता है जो यह स्वीकार करते हैं कि हमें आकाशगंगा के हृदय का सटीक आकार नहीं पता, और फिर यह देखना होगा कि यह अनिश्चितता हमारे अंतिम उत्तर को कैसे प्रभावित करती है।

संक्षेप में: ब्रह्मांड फैल रहा है, लेकिन हम इस पर सहमत नहीं हो पा रहे हैं कि यह कितनी तेजी से फैल रहा है क्योंकि हम यह सुनिश्चित नहीं हैं कि हम जिन "लेंसों" के माध्यम से देख रहे हैं, वे वास्तव में अंदर से कैसे दिखते हैं। जब तक हम इसे सुलझा नहीं लेते, रहस्य बना रहेगा।

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