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First Determination of the Cosmic Microwave Background Radiation Temperature at $z\!=\!0.68$ Using Molecular Absorption Lines

क्वासर B0218+357 (रेडशिफ्ट $z=0.68$ ) की ओर आणविक संक्रमणों के मिलीमीटर-तरंग अवशोषण स्पेक्ट्रा का विश्लेषण करके, लेखकों ने कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड तापमान को $4.50 \pm 0.17$ K निर्धारित किया, जो इस रेडशिफ्ट पर इस रेडशिफ्ट पर मानक बिग बैंग ब्रह्मांड विज्ञान मॉडल का पुरजोर समर्थन करने वाला पहला और सबसे सटीक मापन है।

मूल लेखक: Tatsuya Kotani, Tomoharu Oka, Rei Enokiya

प्रकाशित 2026-02-27

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Tatsuya Kotani, Tomoharu Oka, Rei Enokiya

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, फैलते हुए गुब्बारे की तरह है। जब यह गुब्बारा पहली बार फुलाया गया था (बिग बैंग), तब यह अविश्वसनीय रूप से गर्म और सघन था। जैसे-जैसे यह अरबों वर्षों में फैला, यह ठंडा होता गया, जिससे पीछे एक मंद, ठंडी "पश्च-छवि" (afterglow) रह गई जो पूरे अंतरिक्ष में व्याप्त है। यह कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड (CMB) है। यह एक बुझी हुई कैंपफायर की अवशिष्ट गर्मी की तरह है, जिसे आप अभी भी महसूस कर सकते हैं यदि आप उसके पास खड़े हों।

वैज्ञानिकों के पास एक बहुत ही विशिष्ट भविष्यवाणी है: जैसे-जैसे ब्रह्मांड फैलता है, यह पृष्ठभूमि "तापमान" एक सटीक, अनुमानित तरीके से गिरना चाहिए, ठीक वैसे ही जैसे मेज पर रखी कॉफी का तापमान कम होता है। इसका सूत्र सरल है: आप समय में जितना पीछे देखते हैं (जिसका अर्थ है उन वस्तुओं को देखना जो बहुत दूर हैं), ब्रह्मांड उतना ही गर्म होना चाहिए।

मिशन: ब्रह्मांड का तापमान लेना

इस शोध पत्र में, तात्सुया कोटानी के नेतृत्व वाली खगोलविदों की एक टीम ने ब्रह्मांड के इतिहास के एक विशिष्ट क्षण में उसका तापमान लेने का लक्ष्य रखा। वे यह जांचना चाहते थे कि क्या ब्रह्मांड ठीक उसी तरह ठंडा हो रहा है जैसा कि "बिग बैंग सिद्धांत" भविष्यवाणी करता है।

इसे करने के लिए, उन्होंने किसी तारे या आकाशगंगा को सीधे नहीं देखा। इसके बजाय, उन्होंने एक क्वेसर (एक अत्यंत चमकीला, दूर का लाइटहाउस जो ब्लैक होल द्वारा संचालित होता है) को देखा जिसका नाम B0218+357 है।

कॉस्मिक "परछाई" वाला तरीका

यहाँ उनकी विधि का चतुर हिस्सा है:

प्रकाश स्रोत: क्वासर पृष्ठभूमि में चमक रहा है।
बादल: हमारे और क्वासर के बीच, एक आकाशगंगा (एक "कॉस्मिक क्लाउड") संयोग से क्वासर के प्रकाश के ठीक सामने आ गई है।
अवशोषण (Absorption): जैसे ही क्वासर का प्रकाश इस बादल से गुजरता है, इसके भीतर के अणु (जैसे HCN और HNC) एक स्पंज की तरह कार्य करते हैं। वे प्रकाश के विशिष्ट रंगों को "सोख" लेते हैं, जिससे स्पेक्ट्रम में गहरे निशान बन जाते हैं।

इसे ऐसे समझें जैसे आप एक चमकदार स्ट्रीटलैंप के सामने रंगीन कांच का एक टुकड़ा पकड़ते हैं। कांच कुछ रंगों को सोख लेता है, जिससे एक छाया बनती है। इन "छायाओं" (अवशोषण रेखाओं) के आकार और गहराई का अध्ययन करके, वैज्ञानिक उस बादल में गैस के तापमान का पता लगा सकते हैं।

यह बादल विशेष क्यों है?

आमतौर पर, अंतरिक्ष में गैस पास के तारों या कणों के बीच टकराव से गर्म होती है। लेकिन यह विशिष्ट बादल बहुत विरल (पतला) है और चमकीले तारों से बहुत दूर है। यह इतना अलग-थलग है कि इसे गर्म करने वाली एकमात्र चीज़ कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड ही है।

यह एक ऐसे कमरे में रखे थर्मामीटर की तरह है जहाँ न तो कोई हीटर है, न धूप और न ही लोग। केवल कमरे की परिवेशी गर्मी ही इसे गर्म कर रही है। यदि थर्मामीटर 4.5 डिग्री पढ़ता है, तो कमरा 4.5 डिग्री ही है।

जासूसी कार्य

टीम ने इन अणुओं की "फुसफुसाहट" सुनने के लिए ALMA टेलीस्कोप (चिली के रेगिस्तान में स्थित रेडियो डिशों का एक विशाल समूह) का उपयोग किया। उन्हें कुछ पेचीदा पहेलियों को हल करना था:

"कवरिंग" की समस्या: कल्पना कीजिए कि आप एक कमरे का तापमान मापने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन आपका थर्मामीटर पूरी दीवार को नहीं, बल्कि केवल एक छोटे से हिस्से को छू रहा है। वैज्ञानिकों को सटीक रीडिंग प्राप्त करने के लिए यह गणना करनी थी कि पृष्ठभूमि के प्रकाश को बादल ने कितना अवरुद्ध किया था। उन्होंने इस अनिश्चितता को ध्यान में रखने के लिए "मोंटे कार्लो सैंपलिंग" नामक एक सांख्यिकीय पद्धति का उपयोग किया (जो मूल रूप से लाखों कंप्यूटर सिमुलेशन चलाना है)।
"असमानता" की समस्या: बादल एक आदर्श, समान शीट नहीं है; यह गांठदार (clumpy) है। कुछ हिस्से घने हैं, कुछ पतले। वैज्ञानिकों को इन गांठों के लिए अपने गणित को ठीक करना पड़ा, ताकि उन्हें गलत रीडिंग न मिले।
"शोर" फिल्टर: उन्होंने कई अलग-अलग प्रकार के अणुओं का अध्ययन किया। कुछ अणुओं पर टक्करों का प्रभाव था (जैसे भीड़ वाले कमरे में लोगों का आपस में टकराना), जो तापमान की रीडिंग को बिगाड़ सकता था। उन्होंने महसूस किया कि HCO+ टक्करों के कारण "बहुत गर्म" हो रहा था, इसलिए उन्होंने उस डेटा को हटा दिया। वे HCN और HNC पर ध्यान केंद्रित कर रहे थे, जो सबसे विश्वसनीय थर्मामीटर थे।

परिणाम: एक सटीक मिलान

सभी गणनाओं के बाद, टीम ने उस विशिष्ट समय (6 अरब वर्ष पहले, जब ब्रह्मांड अपने वर्तमान आकार का आधा था) में ब्रह्मांड का तापमान 4.50 केल्विन (लगभग -449°F) पाया।

मानक बिग बैंग मॉडल ने भविष्यवाणी की थी कि यह 4.59 केल्विन होना चाहिए।

फैसला? माप भविष्यवाणी के अविश्वसनीय रूप से करीब है। अंतर बहुत सूक्ष्म है—त्रुटि की सीमा (margin of error) से भी छोटा।

यह क्यों मायने रखता है?

यह एक ऐसी कार के स्पीडोमीटर की जांच करने जैसा है जो 13 अरब वर्षों से चल रही है। यदि स्पीडोमीटर कहता है कि आप 60 मील प्रति घंटे की गति से जा रहे हैं, लेकिन भौतिकी के नियम कहते हैं कि आपको 65 मील प्रति घंटे की गति से जाना चाहिए, तो आपको संदेह हो सकता है कि कार का इंजन खराब है या भौतिकी के नियम गलत हैं।

इस मामले में, "स्पीडोमीटर" (तापमान माप) "भौतिकी के नियमों" (बिग बैंग मॉडल) से पूरी तरह मेल खाता है। यह पुष्टि करता है कि ब्रह्मांड कैसे फैलता है और ठंडा होता है, इसकी हमारी समझ सही है। यह उन किसी भी "अजीब" नए सिद्धांतों के लिए एक सख्त नियम भी निर्धारित करता है जो ब्रह्मांड के काम करने के तरीके को बदलने की कोशिश करते हैं; अब उन्हें इस सटीक तापमान मिलान को प्रभावित किए बिना खुद को समझाना होगा।

संक्षेप में: वैज्ञानिकों ने एक दूरस्थ कॉस्मिक छाया को देखा, सभी जटिल विवरणों को सुधारा, और पुष्टि की कि ब्रह्मांड बिल्कुल उसी तरह ठंडा हो रहा है जैसा कि हमने सोचा था। बिग बैंग सिद्धांत एक और परीक्षण में शानदार सफलता के साथ उत्तीर्ण हुआ है।

यहाँ "First Determination of the Cosmic Microwave Background Radiation Temperature at z = 0.68 Using Molecular Absorption Lines" शोध पत्र का विस्तृत तकनीकी सारांश दिया गया है।

1. समस्या विवरण (Problem Statement)

कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड (CMB) का तापमान ( $T_{CMB}$ ) मानक बिग बैंग ब्रह्मांड संबंधी मॉडल का एक मौलिक पूर्वानुमान है, जो यह प्रस्तावित करता है कि $T_{CMB}$ रेडशिफ्ट ( $z$ ) के साथ संबंध $T_{CMB}(z) = T_0(1+z)$ के अनुसार विकसित होता है। जबकि इस संबंध का विभिन्न रेडशिफ्ट पर परीक्षण किया गया है, मध्यवर्ती रेडशिफ्ट ( $0.5 \lesssim z \lesssim 1$ ) में माप ऐतिहासिक रूप से बड़े अनिश्चितताओं से ग्रस्त रहे हैं या थर्मल सनयाव-ज़ेल्डोविच (SZ) प्रभाव जैसे विशिष्ट तरीकों पर निर्भर रहे हैं।

$z \approx 0.68$ पर $T_{CMB}$ के उच्च-परिशुद्धता, स्वतंत्र मापों का अभाव था। इस रेडशिफ्ट रेंज में आणविक अवशोषण रेखाओं (molecular absorption lines) का उपयोग करने वाले पिछले प्रयास निरंतर कवरेज फैक्टर ( $f_c$ ), कॉलम घनत्व की गैर-एकरूपता, और कोलिजनल एक्साइटेशन (collisional excitation) से संभावित संदूषण द्वारा सीमित थे। यह अध्ययन क्वासर अवशोषण रेखाओं का उपयोग करके $z = 0.68$ पर $T_{CMB}$ का पहला सटीक निर्धारण करने का लक्ष्य रखता है, विशेष रूप से B0218+357 सिस्टम को लक्षित करते हुए।

2. कार्यप्रणाली (Methodology)

अवलोकन संबंधी डेटा (Observational Data):

लक्ष्य (Target): क्वासर B0218+357 ( $z_{em} = 0.944$ ) और इसका इंटरवीनिंग एब्जॉर्बर (intervening absorber) $z_{abs} = 0.68466$ । यह सिस्टम गुरुत्वाकर्षण लेंसिंग के कारण दो छवियों (A और B) में विभाजित है। यह अध्ययन A घटक पर केंद्रित है, जो एक समृद्ध आणविक अवशोषण प्रणाली प्रदर्शित करता है।
उपकरण (Instrument): अटाकामा लार्ज मिलीमीटर/सबमिलीमीटर एरे (ALMA)।
डेटा: बैंड 3 और बैंड 4 अवलोकन (प्रोजेक्ट 2016.1.00031.S) जो अत्यधिक ध्रुवीय अणुओं: HCN, HCO+, HNC, और उनके आइसोटोपोलॉग्स H $^{13}$ CN और H $^{13}$ CO $^+$ के रोटेशनल ट्रांजिशन $J=2–1$ और $J=3–2$ को कवर करते हैं।

विश्लेषण पाइपलाइन (Analysis Pipeline):

डेटा रिडक्शन (Data Reduction): अंशांकन (calibration) के लिए मानक CASA प्रक्रियाओं का उपयोग किया गया। दो लेंस छवियों को हल करने के लिए फूरियर प्लेन में विज़िबिलिटी को सीधे फिट करके घटकों A और B के स्पेक्ट्रा निकाले गए।
ऑप्टिकल डेप्थ गणना (Optical Depth Calculation):
- ऑप्टिकल डेप्थ ( $\tau_\nu$ ) को निरंतरता ( $I_c$ ) के सापेक्ष अवशोषण गहराई का उपयोग करके $\tau_\nu = -\ln(1 - \Delta I / f_c I_c)$ से प्राप्त किया गया।
- कंटिन्यूम कवरेज फैक्टर ( $f_c$ ): $f_c$ में अनिश्चितता (जिसे पहले 0.77 और 1.0 के बीच अनुमानित किया गया था) को संबोधित करने के लिए, लेखकों ने मोंटे कार्लो सैंपलिंग का उपयोग किया। उन्होंने माना कि $f_c$ 0.77 और 1.0 के बीच एक समान वितरण (uniform distribution) का पालन करता है और $\tau_\nu$ की संभाव्यता वितरण प्राप्त करने के लिए इस अनिश्चितता को अवशोषण गहराई में सांख्यिकीय शोर के साथ प्रसारित किया।
कॉलम डेंसिटी सुधार (Column Density Correction):
- यह पहचानते हुए कि अवशोषक बादल एकसमान नहीं होते हैं, लेखकों ने उन पूर्वाग्रहों को ठीक किया जहाँ उच्च-घनत्व वाले क्षेत्र अवशोषण को संतृप्त (saturate) कर देते हैं, जिससे ऑप्टिकल डेप्थ कम आंकी जाती है।
- उन्होंने एक लॉग-नॉर्मल कॉलम-घनत्व संभाव्यता वितरण फलन (N-PDF) का उपयोग किया, जिसमें ओरियन A विशाल आणविक बादल (Ma et al. 2020) से प्राप्त मापदंडों को प्रॉक्सी के रूप में उपयोग किया गया, ताकि देखे गए ऑप्टिकल डेप्थ ( $\tau_{obs}$ ) को वास्तविक ऑप्टिकल डेप्थ ( $\tau_{real}$ ) में परिवर्तित किया जा सके।
एक्साइटेशन तापमान ( $T_{ex}$ ) व्युत्पत्ति (Derivation):
- $T_{ex}$ की गणना $J=2–1$ और $J=3–2$ ट्रांजिशन के ऑप्टिकल डेप्थ पर बोल्ट्ज़मैन वितरण (समीकरण 3) को फिट करके की गई।
- ऑप्टिकली थिन रिजीम (Optically Thin Regime): फोटॉन ट्रैपिंग और कोलिजनल प्रभावों को न्यूनतम करने के लिए विश्लेषण को केवल उन वेग बिन (velocity bins) तक सीमित रखा गया जहाँ $\tau < 1$ है।
- कोलिजनल एक्साइटेशन चेक: लेखों ने अवशोषक की भौतिक स्थितियों ( $T_{kin} \approx 55$ K, $n(H_2) \sim 10^2-10^4$ cm $^{-3}$ ) के साथ RADEX सिमुलेशन का उपयोग करके यह सत्यापित किया कि चयनित प्रजातियों के लिए कोलिजनल एक्साइटेशन की तुलना में CMB द्वारा रेडिएटिव एक्साइटेशन प्रभावी है।

3. प्रमुख योगदान (Key Contributions)

$z=0.68$ पर प्रथम मापन: यह एक क्वासर अवशोषण रेखा प्रणाली का उपयोग करके इस विशिष्ट रेडशिफ्ट पर $T_{CMB}$ का पहला निर्धारण है।
कठोर त्रुटि प्रसार (Rigorous Error Propagation): यह अध्ययन निरंतर कवरेज फैक्टर ( $f_c$ ) में अनिश्चितताओं को प्रसारित करने के लिए एक मजबूत मोंटे कार्लो फ्रेमवर्क पेश करता है, जो पिछले अध्ययनों में व्यवस्थित त्रुटि का एक प्रमुख स्रोत है।
गैर-एकरूपता सुधार (Non-Uniformity Correction): कॉलम घनत्व की विषमता को ध्यान में रखते हुए ऑप्टिकल डेप्थ अनुमानों को परिष्कृत करने के लिए लॉग-नॉर्मल N-PDF सुधार का अनुप्रयोग।
प्रजाति चयन रणनीति (Species Selection Strategy): लेखकों ने प्रदर्शित किया कि जबकि HCO+ एक सामान्य ट्रेसर है, इसका निम्न क्रिटिकल घनत्व इसे कोलिजनल एक्साइटेशन और वेग घटक संदूषण के प्रति संवेदनशील बनाता है। फलस्वरूप, उन्होंने अधिक विश्वसनीय HCN और HNC डेटा पर भरोसा करते हुए, अंतिम $T_{CMB}$ निर्धारण से HCO+ को बाहर कर दिया।

4. परिणाम (Results)

अवशोषण घटक (Absorption Components): HCN, HCO+, और HNC स्पेक्ट्रा में दो अलग-अलग वेग घटक पहचाने गए (सिस्टमेटिक वेलोसिटी के सापेक्ष $+5$ km s $^{-1}$ और $-6$ km s $^{-1}$ पर केंद्रित)। $+5$ km s $^{-1}$ घटक ने HCN में संतृप्ति (saturation) दिखाई, जिससे $f_c$ पर एक प्रतिबंध लगाने में मदद मिली।
एक्साइटेशन तापमान (Excitation Temperatures):
- HCN: $T_{ex} = 4.42^{+0.20}_{-0.20}$ K
- HNC: $T_{ex} = 4.71^{+0.35}_{-0.32}$ K
- HCO+: $T_{ex} = 5.62^{+0.26}_{-0.25}$ K (कोलिजनल बायस और तीसरे वेग घटक के संदूषण के प्रमाण के कारण अंतिम औसत से बाहर रखा गया)।
- आइसोटोपोलॉग्स (H $^{13}$ CN, H $^{13}$ CO $^+$ ): परिणाम मानक मॉडल के अनुरूप थे लेकिन कम सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात के कारण उनमें अनिश्चितता अधिक थी।
अंतिम निर्धारण (Final Determination):
HCN और HNC (सबसे विश्वसनीय ट्रेसर) के एक्साइटेशन तापमान के भारित माध्य (weighted mean) को लेकर, लेखकों ने निकाला:
$T_{CMB}(z=0.68) = 4.50 \pm 0.17 \text{ K}$

5. महत्व (Significance)

मानक ब्रह्मांड विज्ञान का सत्यापन (Validation of Standard Cosmology): मापा गया मान $4.50 \pm 0.17$ K, $z=0.68$ पर मानक बिग बैंग मॉडल के पूर्वानुमान $T_{CMB} = T_0(1+z) \approx 4.59$ K के साथ उत्कृष्ट तालमेल में है।
परिशुद्धता (Precision): यह परिणाम इस रेडशिफ्ट पर अब तक का सबसे सटीक निर्धारण है, जो समान रेडशिफ्ट पर पिछले SZ-आधारित मापों (जैसे Hurier et al. 2014; Saro et al. 2014) में $\sim 0.3$ K की अनिश्चितता में महत्वपूर्ण सुधार करता है।
गैर-मानक मॉडलों पर प्रतिबंध (Constraints on Non-Standard Models): यह परिणाम मानक एडियाबेटिक विस्तार नियम से विचलन पर कड़े प्रतिबंध लगाता है। जब इसे फेनोमेनोलॉजिकल मॉडल $T_{CMB}(z) = T_0(1+z)^{1-\beta}$ में अन्य मापों के साथ जोड़ा जाता है, तो प्राप्त पैरामीटर $\beta = (3.9^{+7.4}_{-8.2}) \times 10^{-3}$ शून्य के अनुरूप है, जो मानक मॉडल को सुदृढ़ करता है।
कार्यप्रणाली का आधार (Methodological Foundation): यह अध्ययन भविष्य के उच्च-परिशुद्धता $T_{CMB}$ मापों के लिए एक परिष्कृत कार्यप्रणाली स्थापित करता है, जो कवरेज फैक्टर्स और कॉलम घनत्व की विषमताओं को ठीक करने और कोलिजनल बायस से बचने के लिए उच्च क्रिटिकल डेंसिटी वाले आणविक ट्रेसर के सावधानीपूर्वक चयन के महत्व पर जोर देता है।

निष्कर्षतः, यह शोध पत्र उन्नत ALMA डेटा और कठोर सांख्यिकीय सुधारों का उपयोग करके मध्यवर्ती-रेडशिफ्ट ब्रह्मांड में CMB तापमान के विकास की पुष्टि करने वाला एक मील का पत्थर है।