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Illuminating the Physics of Cosmic Origin and Evolution: A UK Space Frontiers 2035 White Paper

यह श्वेत पत्र SIRMOS मिशन का समर्थन करता है, जो एक यूके-नेतृत्व वाला अंतरिक्ष स्पेक्ट्रोस्कोपिक सर्वेक्षण है जिसे मुद्रास्फीति, डार्क एनर्जी और न्यूट्रिनो द्रव्यमान के संबंध में मौलिक ब्रह्माण्ड संबंधी प्रश्नों को संबोधित करने के लिए 10 करोड़ से अधिक उच्च-रेडशिफ्ट आकाशगंगाओं का मानचित्रण करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, साथ ही राष्ट्रीय अंतरिक्ष अर्थव्यवस्था को मजबूत करने के लिए उन्नत उपकरणों का लाभ उठाना है।

मूल लेखक: Florian Beutler, Eva-Maria Mueller, Seshadri Nadathur, Yun Wang, David Alonso, Tessa Baker, Sownak Bose, Rebecca Canning, Shaun Cole, Fergus Cullen, Willem Elbers, Pedro Ferreira, Carlos Frenk, Oscar

प्रकाशित 2026-01-26

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Florian Beutler, Eva-Maria Mueller, Seshadri Nadathur, Yun Wang, David Alonso, Tessa Baker, Sownak Bose, Rebecca Canning, Shaun Cole, Fergus Cullen, Willem Elbers, Pedro Ferreira, Carlos Frenk, Oscar Gonzalez, Or Graur, Boryana Hadzhiyska, Alex Hall, Catherine Heymans, Sergey Koposov, Kazuya Koyama, Ofer Lahav, Baojiu Li, Avery Meiksin, Johannes Noller, John Peacock, Alkistis Pourtsidou, Giorgio Savini, Andy Taylor, Rita Tojeiro, David Wands, Massimo Robberto, Gregory Wirth, Mark Dickinson, Thomas Greene, Jeffrey Kruk, Will Percival, Andreas Faisst, Lynne Hillenbrand, Jeyhan Kartaltepe, Nikhil Padmanabhan, Lado Samushia, Lee Armus, Andrew Benson, Micol Bolzonella, Samuel Brieden, Jarle Brinchmann, Robert Content, Emanuele Daddi, Kyle Finner, Andrew Hearin, Cullan Howlett, Jon Lawrence, Gregory Mosby, Zoran Ninkov, Ken Osato, Casey Papovich, Jack Piotrowski, Lucia Pozzetti, Alvise Raccanelli, Jason Rhodes, Shun Saito, Hee-Jong Seo, Zachary Slepian, Steve Smee

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

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल, प्राचीन पुस्तकालय है। दशकों से, खगोलशास्त्री निचली अलमारियों (निकटवर्ती आकाशगंगाओं) की किताबें और सबसे पुरानी किताबों के शुरुआती पन्ने (कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड) पढ़ रहे हैं। लेकिन इस पुस्तकालय का एक बहुत बड़ा, धूल भरा मध्य भाग है जिसे हम अभी तक ठीक से नहीं पढ़ पाए हैं। यह बिग बैंग के 1 से 4 अरब साल बाद का युग है।

यह श्वेत पत्र (white paper) एक नए मिशन SIRMOS (सैटेलाइट फॉर इन्फ्रारेड मल्टी-ऑब्जेक्ट स्पेक्ट्रोस्कोपी) का प्रस्ताव देता है ताकि अंततः उस धूल को साफ किया जा सके और उन गायब पन्नों को पढ़ा जा सके। यहाँ इसका सरल विवरण दिया गया है कि वे क्या करना चाहते हैं और यह क्यों महत्वपूर्ण है।

बड़े प्रश्न: हम क्या हल करने की कोशिश कर रहे हैं?

पत्र कहता है कि भौतिकी के तीन विशाल रहस्य हैं जिन्हें SIRMOS हल करने का लक्ष्य रखता है:

"इन्फ्लेशन" (विस्तार) का रहस्य: क्या ब्रह्मांड की शुरुआत एक एकल, सरल "धक्के" (जैसे एक गुब्बारे का फूलना) के साथ हुई थी, या यह कई बलों का एक अराजक मिश्रण था? SIRMOS आकाशगंगाओं के वितरण में एक सूक्ष्म उंगलियों के निशान (फिंगरप्रिंट) को खोजना चाहता है जो हमें सटीक रूप से बताए कि ब्रह्मांड की शुरुआत कैसे हुई थी।
"डार्क एनर्जी" का रहस्य: हम जानते हैं कि ब्रह्मांड तेजी से फैल रहा है, लेकिन हम नहीं जानते कि क्यों। क्या यह एक निरंतर बल है, या समय के साथ बदलता है? SIR經過 ब्रह्मांड के विस्तार के इतिहास का मानचित्र बनाना चाहता है ताकि यह देखा जा सके कि क्या यह "डार्क एनर्जी" अतीत में अजीब व्यवहार कर रही है।
"न्यूट्रिनो" का रहस्य: न्यूट्रिनो भूत जैसे कण हैं जो लगातार हमारे शरीर से गुजरते हैं। हम जानते हैं कि उनका द्रव्यमान है, लेकिन हम नहीं जानते कि कितना है। SIRMOS उनके वजन को मापने की कोशिश करता है यह देखकर कि उनका गुरुत्वाकर्षण (या गुरुत्वाकर्षण की कमी) आकाशगंगाओं के विकास को कैसे प्रभावित करता है।

समाधान: एक ब्रह्मांडीय "सुपर-स्कैनर"

इन रहस्यों को सुलझाने के लिए, आप केवल कुछ आकाशगंगाओं को नहीं देख सकते। आपको उनमें से 10 करोड़ (100 मिलियन) को देखने की आवश्यकता है।

पृथ्वी के साथ समस्या: यदि आप इसे जमीन से करने की कोशिश करते हैं, तो पृथ्वी का वायुमंडल टूटे हुए चश्मे के लेंस की तरह काम करता है। यह प्रकाश के कुछ रंगों को रोकता है और बहुत अधिक "शोर" (जैसे रेडियो पर स्टेटिक) पैदा करता है, जिससे प्रारंभिक ब्रह्मांड के दूर स्थित, रेड-शिफ्टेड प्रकाश की स्पष्ट तस्वीर लेना कठिन हो जाता है।
SIRMOS का समाधान: SIRMOS एक उपग्रह है जो अंतरिक्ष में जाता है। इसमें एक 60 सेंटीमीटर का टेलीस्कोप (लगभग एक बड़े कूड़ेदान के ढक्कन के आकार का) और एक विशेष "आंख" है जो 1.25 से 2.5 माइक्रोन से इन्फ्रारेड प्रकाश (ऊष्मा) देखती है। अंतरिक्ष में होने के कारण, इसके पास एक स्पष्ट, निर्बाध दृश्य है।

जादू का खेल: डिजिटल मिरर

SIRMOS का सबसे चतुर हिस्सा यह है कि यह एक साथ इतनी सारी आकाशगंगाओं को कैसे देखता है।

कल्पना कीजिए कि आप एक कॉन्सर्ट में हैं और आप एक साथ भीड़ में 4,000 अलग-अलग लोगों से एक गाना रिकॉर्ड करना चाहते हैं। आप केवल एक माइक्रोफोन लेकर नहीं चल सकते।
SIRMOS एक डिजिटल माइक्रोमिरर डिवाइस (DMD) का उपयोग करता है। इसे लाखों छोटे दर्पणों वाली एक छोटी, उच्च गति वाली दर्पण दीवार के रूप में समझें।
टेलीस्कोप आकाश की एक तस्वीर लेता है। कंप्यूटर उन 4,000 विशिष्ट आकाशगंगाओं को चुनता है जिनका अध्ययन वह करना चाहता है। DMD 4,000 छोटे दर्पणों को घुमाता है ताकि केवल उन 4,000 आकाशगंगाओं से आने वाले प्रकाश को पकड़ सके और उसे स्पेक्ट्रोमीटर (एक मशीन जो प्रकाश को इंद्रधनुष में तोड़ती है) में परावर्तित कर सके।
यह SIRMOS को एक ही समय में 4,000 आकाशगंगाओं का "फिंगरप्रिंट" (स्पेक्ट्रम) लेने की अनुमति देता है। यह 10 करोड़ आकाशगंगाओं का 3D मानचित्र बनाने के लिए इसे बार-बार करता है।

योजना: एक 3-वर्षीय सड़क यात्रा

मार्ग: उपग्रह आकाश के एक विशाल हिस्से (14,000 वर्ग डिग्री, जो पूरे आकाश का लगभग एक-तिहाई है) को स्कैन करेगा।
अनुसूची: यह तीन वर्षों में तीन बार एक ही स्थानों पर जाएगा। प्रत्येक यात्रा लगभग 17 मिनट की होती है।
लक्ष्य: मिशन के अंत तक, इसने 10 करोड़ आकाशगंगाओं की दूरी और गति को माप लिया होगा, जिससे ब्रह्मांड के "किशोरावस्था" का अब तक का सबसे विस्तृत 3D मानचित्र तैयार होगा।

इसमें यूके (UK) क्यों शामिल है

यह नासा (NASA) और यूके के बीच एक साझेदारी है।

भूमिका: यूके के वैज्ञानिक और इंजीनियर टेलीस्कोप और ऑप्टिकल सिस्टम (दर्पण और लेंस) बनाने का नेतृत्व कर रहे हैं।
लाभ: यह उस तकनीक का उपयोग करता है जिसे यूके ने पहले ही अन्य मिशनों (जैसे यूक्लिड उपग्रह) के लिए विकसित करने में मदद की है। यह यूके में उच्च-तकनीकी नौकरियों को बनाए रखता है और यह सुनिश्चित करता है कि बड़ी खोजों के समय ब्रिटिश वैज्ञानिक सबसे आगे की पंक्ति में हों।

सारांश में

SIRMOS ब्रह्मांड के लिए एक उच्च-गति, अंतरिक्ष-आधारित बारकोड स्कैनर की तरह है। किराने के सामान को स्कैन करने के बजाय, यह ब्रह्मांड के विस्तार की गति, इसकी शुरुआत की प्रकृति और अदृश्य कणों के वजन को मापने के लिए 10 करोड़ आकाशगंगाओं को स्कैन करता है। ऐसा करके, यह इस उम्मीद के साथ काम कर रहा है कि वह उन सवालों के जवाब दे सके जिन्होंने दशकों से भौतिकविदों को उलझा रखा है।

तकनीकी सारांश: SIRMOS – इन्फ्रारेड मल्टी-ऑब्जेक्ट स्पेक्ट्रोस्कोपी के लिए उपग्रह

समस्या विवरण
ब्रह्मांड की उत्पत्ति और विकास के संबंध में वर्तमान ब्रह्मांड संबंधी समझ तीन मौलिक अंतराल (gaps) का सामना कर रही है: कॉस्मिक इन्फ्लेशन (cosmic inflation) का विशिष्ट भौतिकी, डार्क एनर्जी (DE) की प्रकृति जो वर्तमान त्वरित विस्तार को संचालित कर रही है, और न्यूट्रिनो का पूर्ण द्रव्यमान पैमाना (absolute mass scale)। जबकि कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड (CMB) और निम्न-रेडशिफ्ट गैलेक्सी सर्वेक्षणों ( $z \lesssim 2$ ) ने इस क्षेत्र को उन्नत किया है, उनमें महत्वपूर्ण शासन (regimes) में प्रतिस्पर्धी मॉडलों के बीच अंतर करने के लिए संवेदनशीलता की कमी है।

इन्फ्लेशन (Inflation): प्रिमॉर्डियल नॉन-गॉसियनिटी ( $f_{NL}$ ) के वर्तमान माप सिंगल-फील्ड इन्फ्लेशन मॉडल के विरुद्ध मल्टी-फील्ड इन्फ्लेशन मॉडलों को खारिज करने के लिए अपर्याप्त हैं।
डार्क एनर्जी (Dark Energy): उच्च रेडशिफ्ट ( $1.5 \lesssim z \lesssim 4$ ) पर समय-विकासशील DE समीकरण अवस्था ( $w(z)$ ) और "फैंटम" व्यवहार ( $w < -1$ ) के हालिया संकेत, इस "रेडशिफ्ट गैप" में स्पेक्ट्रोस्कोपिक डेटा की कमी के कारण अनकन्फर्म (unconfirmed) बने हुए हैं। मौजूदा सर्वेक्षण भी फेनोमेनोलॉजिकल पैरामीट्राइजेशन (CPL) पर निर्भर करते हैं जो मॉडल चयन को पक्षपाती बना सकते हैं।
न्यूट्रिनो मास (Neutrino Mass): न्यूट्रिनो के द्रव्यमान के योग ( $\sum m_\nu$ ) पर वर्तमान ब्रह्मांड संबंधी बाधाएं न्यूनतम द्रव्यमान परिदृश्य ( $\sim 0.06$ eV) को उच्च सार्थकता के साथ पहचानने के लिए पर्याप्त सटीक नहीं हैं, जिससे द्रव्यमान पदानुक्रम (mass hierarchy) अनिर्धारित रह जाता है।

ग्राउंड-आधारित अवलोकन वायुमंडलीय अवशोषण, परिवर्तनशील ट्रांसमिशन और OH स्काई एमिशन लाइनों द्वारा और भी सीमित हैं, जो निकट-इन्फ्रारेड (NIR) स्पेक्ट्रल विंडो को खंडित करती हैं और अत्यधिक बड़े पैमाने के मापन के लिए मॉडलिंग करने में कठिन व्यवस्थित अनिश्चितताएं पेश करती हैं।

कार्यप्रणाली और मिशन अवधारणा
यह शोध पत्र SIRMOS (Satellite for InfraRed Multi-Object Spectroscopy) का प्रस्ताव करता है, जो एक व्यापक-क्षेत्र, उच्च-थ्रूपुट स्पेक्ट्रोस्कोपिक सर्वेक्षण करने के लिए डिज़ाइन किया गया एक NASA MIDEX-क्लास मिशन है।

सर्वेक्षण का दायरा: मिशन 14,000 deg² के आकाश क्षेत्र को लक्षित करता है, जो $1 < z < 4$ रेडशिफ्ट रेंज को कवर करता है। लक्ष्य $10^8$ (10 करोड़) गैलेक्सियों के लिए स्पेक्ट्रोस्कोपिक रेडशिफ्ट प्राप्त करना है, जो $\sim 500$ Gpc³ के आयतन के साथ ब्रह्मांडीय संरचना का एक सघन, सजातीय 3D मानचित्र बनाता है।
उपकरण (Instrumentation):
- टेलीस्कोप: एक 60 सेमी व्यास वाला, ऑल-रिफ्लेक्टिव, ऑफ-एक्सिस टेलीस्कोप जिसे थर्मल बैकग्राउंड को कम करने के लिए 140 K तक ठंडा किया गया है। इसमें $\sim 1$ deg² का फील्ड ऑफ व्यू (FoV) है।
- स्पेक्ट्रोस्कोपी: $\sim 4,000$ लक्ष्यों से प्रकाश को एक साथ चुनने और स्पेक्ट्रोमीटर की ओर निर्देशित करने के लिए डिजिटल माइक्रो-मिरर डिवाइस (DMD) का उपयोग किया जाता है। यह उच्च-मल्टीप्लेक्सिंग स्लिट स्पेक्ट्रोस्कोपी को सक्षम बनाता है।
- डिटेक्टर्स: स्पेक्ट्रोमीटर एक Teledyne HAWAII-4RG (H4RG) 4K $\times$ 4K HgCdTe फोकल प्लेन ऐरे का उपयोग करता है, जो मध्यम रिज़ॉल्यूशन पर 1.25 से 2.5 $\mu$ m तक निरंतर तरंग दैर्ध्य कवरेज प्रदान करता है।
- इमेजर: एक ऑफ-एक्सिस इमेजर एलाइनमेंट स्टार्स की निगरानी करता है ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि DMD स्लिट पैटर्न आकाश की स्थितियों के साथ 0.1 आर्कसेकंड के भीतर संरेखित है।
परिचालन रणनीति: मिशन एक सन-सिंक्रोनस ऑर्बिट में संचालित होगा। $10^8$ स्पेक्ट्रा के लक्ष्य तक पहुँचने के लिए, प्रत्येक फील्ड का अवलोकन कुल 51 मिनट के लिए किया जाएगा, जिसे 3 साल के प्राइम मिशन के दौरान तीन 17-17 मिनट के विज़िट में विभाजित किया जाएगा। वे गैलेक्सियाँ जो सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात (S/N) $\ge 5$ प्राप्त करती हैं, उन्हें प्रत्येक विज़िट के बाद नए लक्ष्यों से बदल दिया जाएगा।
रेडशिफ्ट परिशुद्धता: स्लिट स्पेक्ट्रोस्कोपी दृष्टिकोण का लक्ष्य $\sigma_z/(1+z) \simeq 10^{-4}$ की रेडशिफ्ट सटीकता प्राप्त करना है, जो स्लिटलेस ग्रिसम मिशनों (जैसे Euclid और Roman) की तुलना में एक क्रम का सुधार है और फिल्टर-आधारित मिशनों (जैसे SPHEREx) की तुलना में काफी बेहतर है।

प्रमुख योगदान और तकनीकी व्यवहार्यता
शोध पत्र एक ऐसी मिशन आर्किटेक्चर की रूपरेखा तैयार करता है जो वर्तमान और नियोजित सुविधाओं की सीमाओं को संबोधित करने के लिए प्रमाणित तकनीकों का लाभ उठाती है:

तकनीकी तत्परता (Technology Readiness): पेलोड स्पेसक्राफ्ट बस और थर्मल डिज़ाइन (पैसिव V-ग्रूव रेडिएटर्स) के लिए SPHEREx मिशन की विरासत पर भारी रूप से निर्भर है। DMD, जो वर्तमान में TRL 5 पर है, को TRL 6 तक पहुँचने के लिए 2026 के रॉकेट प्रदर्शन के लिए निर्धारित किया गया है। शेष पेलोड घटक TRL $\ge 6$ पर हैं।
इंजीनियरिंग समाधान: टीम DMD की हर्मेटिकली सील्ड विंडो को NIR विकिरण के प्रति पारदर्शी विंडो से बदलने का प्रस्ताव करती है ताकि 1.0 $\mu$ m से परे संचालन संभव हो सके, जिसे एक लो-रिस्क इंजीनियरिंग अध्ययन के रूप में पहचाना गया है।
डेटा हैंडलिंग: मिशन एक प्रबंधनीय दैनिक डेटा वॉल्यूम (7.4 GB) उत्पन्न करता है, जो मानक Ka-बैंड एंटीना या साप्ताहिक डाउनलिंक के लिए 2,000 kbps S-बैंड रिसीवर की क्षमताओं के भीतर है।
UK की रणनीतिक भूमिका: शोध पत्र SIRMOS को UK नेतृत्व के वाहन के रूप में प्रस्तुत करता है, यह प्रस्तावित करते हुए कि UK उद्योग और अकादमिक क्षेत्र टेलीस्कोप और ऑप्टिकल सिस्टम के निर्माण का नेतृत्व करें, जो Euclid मिशन और ग्राउंड-बेस्ड DESI से प्राप्त विशेषज्ञता का लाभ उठाते हैं।

प्रक्षेपित परिणाम और वैज्ञानिक क्षमताएं
पूर्वानुमान संकेत देते हैं कि SIRMOS निम्नलिखित वैज्ञानिक मील के पत्थरों को प्राप्त करेगा:

इन्फ्लेशन भौतिकी: सर्वेक्षण को $5\sigma$ सार्थकता स्तर पर $|f_{NL}| = 1$ का पता लगाने का अनुमान है। यह परिशुद्धता सिंगल-फील्ड स्लो-रोल इन्फ्लेशन ( $f_{NL} \approx 0$ ) और मल्टी-फील्ड इन्फ्लेशन मॉडल ( $|f_{NL} \gtrsim 1$ ) के बीच निर्णायक रूप से अंतर करने के लिए पर्याप्त है।
डार्क एनर्जी विकास: $1 < z < 4$ रेंज में बेरियन एकोस्टिक ऑसिलेशन (BAO) और रेडशिफ्ट-स्पेस डिस्टॉर्शन (RSD) के माध्यम से विस्तार इतिहास और संरचना विकास को मापकर, SIRMOS टाइप Ia सुपरनोवा डेटा पर निर्भर किए बिना कॉस्मोलॉजिकल कांस्टेंट और विकसित होती DE मॉडलों (CPL और फैंटम परिदृश्यों सहित) के बीच अंतर कर सकता है। इसका लक्ष्य निम्न-रेडशिफ्ट सर्वेक्षणों में देखे गए "फैंटम" व्यवहार के संकेतों को सुलझाना है।
न्यूट्रिवो मास: Planck CMB प्रायर्स के साथ पावर स्पेक्ट्रम, बाइसपेक्ट्रम और मल्टी-ट्रेसर विश्लेषण को जोड़कर, मिशन $> 10\sigma$ सार्थकता के साथ न्यूनतम न्यूट्रिनो द्रव्यमान परिदृश्य ( $\sum m_\nu = 0.057$ eV) का पता लगाने का पूर्वानुमान लगाता है, जिससे पूर्ण न्यूट्रिनो द्रव्यमान स्केल स्थापित होगा।

महत्व और दावे
शोध पत्र का दावा है कि SIRMOS वायुमंडलीय सीमाओं के कारण ग्राउंड-बेस्ड सर्वेक्षण जो संबोधित नहीं कर सकते, उन्हें हल करने के लिए पृथ्वी पर सिद्ध तकनीकों (DMDs, बड़े डिटेक्टर एरे) को अंतरिक्ष में लागू करने का एक अनूठा अवसर है।

वैज्ञानिक प्रभाव: यह दावा किया गया है कि यह उच्च-रेडशिफ्ट ब्रह्मांड ( $1 < z < 4$ ) का मानचित्रण करने में सक्षम पहला सर्वेक्षण है जिसमें मैटर डोमिनेशन से डार्क एनर्जी डोमिनेशन के संक्रमण के दौरान ब्रह्मांडीय विकास के पुनर्निर्माण के लिए आवश्यक घनत्व और स्पेक्ट्रोस्कोपिक परिशुद्धता है।
रणनीतिक संरेखण: मिशन को UK स्पेस एजेंसी और STFC लक्ष्यों के रणनीतिक संरेखण के रूप में प्रस्तुत किया गया है, जिसका लक्ष्य एंड-टू-एंड स्पेस मिशनों में UK की क्षमता को प्रदर्शित करना और उच्च-मूल्य वाले औद्योगिक भागीदारी के माध्यम से राष्ट्रीय अंतरिक्ष अर्थव्यवस्था को मजबूत करना है।
सिनर्जी (Synergy): अपने प्राथमिक ब्रह्मांड संबंधी लक्ष्यों के अलावा, शोध पत्र उच्च-रेडशिफ्ट वातावरण में गैलेक्सी विकास को समझने और मिल्की वे के धूल-ढके क्षेत्रों की जांच करने में मिशन की क्षमता को नोट करता है, जो UK-नेतृत्व वाले ग्राउंड-बेस्ड NIR क्षमताओं जैसे MOONS के साथ सिनर्जी प्रदान करता है।