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Forward-modelling the Tolman and distance-duality tests with IllustrisTNG

यह शोध पत्र यह प्रदर्शित करता है कि अनुभवजन्य मॉक चयन (empirical mock selection) के साथ इलस्ट्रिसटीएनजीजी (IllustrisTNG) कॉस्मोलॉजिकल सिमुलेशन का फॉरवर्ड-मॉडलिंग, हाल के टोलमैन सतह-चमक और दूरी-द्वैत परीक्षणों में देखे गए अप्रत्याशित रूप से सपाट रेडशिफ्ट स्केलिंग को मानक ब्रह्मांड विज्ञान से विचलन के बजाय मानक गैलेक्सी निर्माण भौतिकी के एक परिणाम के रूप में स्पष्ट कर सकता है।

मूल लेखक: Harry Desmond, Tariq Yasin, Richard Stiskalek, Sebastian von Hausegger

प्रकाशित 2026-06-26

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Harry Desmond, Tariq Yasin, Richard Stiskalek, Sebastian von Hausegger

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 बड़ा रहस्य: क्या ब्रह्मांड फैल रहा है?

कल्पना कीजिए कि आप एक लंबे गलियारे में आपसे दूर जा रहे लोगों की भीड़ को देख रहे हैं। एक मानक, फैलते हुए ब्रह्मांड में, जैसे-जैसे वे दूर जाते हैं, दो चीजें होनी चाहिए:

उन्हें धुंधला दिखना चाहिए (क्योंकि उनका प्रकाश फैलता जाता है)।
उन्हें छोटा दिखना चाहिए (क्योंकि वे दूर होते जा रहे हैं)।

भौतिकी में एक सख्त गणितीय नियम है (जिसे "ईदरिंगटन संबंध" कहा जाता है) जो इस बात को जोड़ता है कि वे कितने धुंधले होते हैं और कितने छोटे होते हैं। यदि ब्रह्मांड सामान्य रूप से फैल रहा है, तो यह नियम सच साबित होता है।

हालाँकि, शक्तिशाली नए टेलीस्कोपों (JWST) और रेडियो डेटा का उपयोग करते हुए दो हालिया अध्ययनों में कुछ अजीब पाया गया।

"टोलमैन" परीक्षण: उन्होंने देखा कि आकाशगंगाएँ कितनी तेजी से धुंधली होती हैं जब वे दूर जाती हैं। डेटा ने सुझाव दिया कि वे उम्मीद से कहीं अधिक धीरे धुंधली हो रही हैं।
"दूरी-द्वैतता" (Distance-Duality) परीक्षण: उन्होंने देखा कि रेडियो स्रोत कितनी तेजी से छोटे होते हैं। डेटा ने सुझाव दिया कि वे नियम के अनुमान की तुलना में बहुत धीमे सिकुड़ रहे हैं।

कुछ वैज्ञानिकों ने इन परिणामों को देखकर कहा, "एक मिनट रुकिए! यदि वे उतनी तेजी से धुंधले या छोटे नहीं हो रहे हैं जितनी उन्हें होना चाहिए, तो शायद ब्रह्मांड फैल ही नहीं रहा है। शायद यह एक स्थिर (static) ब्रह्मांड है जहाँ प्रकाश समय के साथ बस थक जाता है।"

लेखकों की जांच: "कॉस्मिक सिम्युलेटर"

इस पेपर के लेखक, हैरी डेसमंड और उनकी टीम ने इस "स्थिर ब्रह्मांड" के विचार का परीक्षण करने का निर्णय लिया। केवल अनुमान लगाने के बजाय, उन्होंने हमारे ब्रह्मांड के एक विशाल, अत्यंत जटिल कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया जिसे IllustrisTNG कहा जाता है।

इस सिमुलेशन को एक डिजिटल वीडियो गेम की तरह समझें जो अरबों वर्षों से चल रहा है। यह गुरुत्वाकर्षण, गैस, सितारों और ब्लैक होल द्वारा आकाशगंगाओं के बनने की प्रक्रिया का अनुकरण करता है। यह एक फैलते हुए ब्रह्मांड (जिसे $\Lambda$ CDM कहा जाता है) के मानक नियमों का पालन करता है।

टीम ने पूछा: "यदि हम फैलते हुए ब्रह्मांड के इस सिमुलेशन को चलाएं, और हम आभासी आकाशगंगाओं को ठीक उसी तरह देखें जैसे वास्तविक टेलीस्कोप देखते हैं, तो क्या आभासी आकाशगंगाएँ भी नियमों को तोड़ती हुई दिखाई देंगी?"

"नकली स्पेक्ट्रोस्कोपिक" फ़िल्टर

यहाँ एक पेच था। वास्तविक टेलीस्कोप (JWST) केवल हर आकाशगंगा को नहीं देखते; वे अध्ययन के लिए विशिष्ट आकाशगंगाओं को चुनते हैं जो अपनी चमक और रंग के आधार पर चुनी जाती हैं। इसे "चयन पूर्वाग्रह" (selection bias) कहा जाता है।

एक निष्पक्ष तुलना करने के लिए, लेखकों को अपने कंप्यूटर सिमुलेशन को उसी तरह आकाशगंगाओं को चुनना सिखाना था जैसे वास्तविक खगोलविदों ने किया। उन्होंने एक "डिजिटल क्लासिफायर" (एक प्रकार का AI) को वास्तविक टेलीस्कोप डेटा पर प्रशिक्षित किया। इस AI ने सीखा कि "यह आभाली आकाशगंगा उस प्रकार की आकाशगंगा है जिसे वास्तविक टेलीस्कोप वास्तव में चुनेगा।"

खोज: यह ब्रह्मांड नहीं, आकाशगंगाएँ हैं

जब उन्होंने परीक्षण किया, तो उन्हें एक आश्चर्यजनक बात पता चली।

उपमा: कल्पना कीजिए कि आप कारों के एक जुलूस को देखते हैं जो आपसे दूर जा रही हैं।

मानक नियम: जैसे-जैसे कारें दूर जाती हैं, उन्हें एक विशिष्ट, अनुमानित दर पर छोटा और धुंधला होना चाहिए।
"स्थिर" दावा: कारें उतनी तेजी से छोटी या धुंधली नहीं हो रही हैं, इसलिए शायद सड़क आगे नहीं बढ़ रही है; शायद कारें किसी अन्य कारण से फीकी पड़ रही हैं।
पेपर का निष्कर्ष: लेखकों ने महसूस किया कि कारें स्वयं बदल रही हैं। जैसे-जैसे कारें सड़क पर आगे बढ़ती हैं, वे वास्तव में अधिक चमकदार और अधिक शक्तिशाली होती जा रही हैं (उनके निर्माण और उनके इंजन के विकास के कारण)।

क्योंकि सिमुलेशन में आभासी आकाशगंगाएँ समय के साथ विकसित (चमकदार और आकार में परिवर्तन) हो रही हैं, वे स्वाभाविक रूप से "धुंधला होने और सिकुड़ने" के नियम को तोड़ती हुई प्रतीत होती हैं।

परिणाम:

सिमुलेशन डेटा से मेल खाता है: जब लेखकों ने आभासी आकाशगंगाओं को मापा, तो उन्होंने बिल्कुल वही "सपाट" ढलान पाई जो वास्तविक टेलीस्कोपों ने पाई थी।
किसी नए भौतिक विज्ञान की आवश्यकता नहीं: इसका अर्थ है कि आपको फैलते हुए ब्रह्मांड के सिद्धांत को छोड़ने की आवश्यकता नहीं है। यह "विसंगति" आकाशगंगाओं के समय के साथ बदलने के कारण है, न कि ब्रह्मांड के अजीब व्यवहार के कारण।
एक नियम सभी के लिए: उन्होंने पाया कि एक ही "विकास कारक" (evolution factor) धुंधलेपन के परीक्षण (टोलमैन) और सिकुड़ने के परीक्षण (दूरी-द्वैतता) दोनों की व्याख्या करता है।

"रेडियो" बनाम "आकाशगंगा" का अंतर

वहाँ एक छोटा सा अंतर था। रेडियो स्रोत (जिसका उपयोग दूसरे परीक्षण में किया गया था) आभासी आकाशगंगाओं की तुलना में थोड़ा अधिक तीव्रता से विकसित होते दिखे।

उपमा: यह ऐसा है जैसे रेडियो परीक्षण की "कारें" थोड़े अधिक हाई-परफॉर्मेंस स्पोर्ट्स कार की तरह हैं जो ऑप्टिकल परीक्षण के "सेडान" की तुलना में अधिक तेजी से चमकती हैं।
निष्कर्ष: यह सुझाव देता है कि रेडियो स्रोत एक अलग प्रकार की वस्तु (जैसे सक्रिय ब्लैक होल) हो सकते हैं जो सामान्य आकाशगंगाओं की तुलना में थोड़ा अलग तरीके से विकसित होते हैं, लेकिन यह फैलते हुए ब्रह्मांड के सिद्धांत को नहीं तोड़ता है।

मुख्य निष्कर्ष

यह पेपर निष्कर्ष निकालता है कि JWST और रेडियो टेलीस्कोपों से मिलने वाले "अजीब" संकेत इस बात का प्रमाण नहीं हैं कि ब्रह्मांड फैल नहीं रहा है।

इसके बजाय, यह इस बात का प्रमाण है कि आकाशगंगाएँ उम्र के साथ बदलती हैं। ठीक वैसे ही जैसे एक मानव बच्चा बढ़ता और बदलता है, आकाशगंगाएँ ब्रह्मांडीय समय के माध्यम से आगे बढ़ते हुए अधिक चमकदार और विकसित होती हैं। यदि आप इस "विकास" को ध्यान में नहीं रखते हैं, तो गणित गलत दिखता है। लेकिन एक बार जब आप कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके इस विकास को शामिल कर लेते हैं, तो सब कुछ एक फैलते हुए ब्रह्मांड के मानक मॉडल में पूरी तरह फिट बैठता है।

संक्षेप में: ब्रह्मांड अभी भी फैल रहा है। आकाशगंगाएँ बस हमारी सोच से थोड़ी अधिक जटिल निकलीं।

तकनीकी सारांश: IllustrisTNG के साथ टॉलमैन और दूरी-द्वैत परीक्षणों का फॉरवर्ड-मॉडलिंग

समस्या विवरण
हाल के अवलोकनों ने ऐसे संकेत प्रस्तुत किए हैं जो मानक $\Lambda$ CDM ब्रह्मांडीय मॉडल और एथरिंगटन दूरी-द्वैत संबंध ( $D_L = (1+z)^2 D_A$ ) को चुनौती देते प्रतीत होते हैं। विशेष रूप से, JWST/ASTRODEEP सतह चमक (surface brightness - SB) के मापन सुझाव देते हैं कि रेडशिफ्ट स्केलिंग गैर-विकसित स्रोतों के अपेक्षित $(1+z)^{-4}$ (बोलोमेट्रिक) या $(1+z)^{-(3+\alpha_{SED})}$ (विशिष्ट फ्लक्स) की तुलना में काफी सपाट है। इसी प्रकार, अल्ट्राकॉम्पैक्ट रेडियो स्रोतों के विश्लेषणों से पता चलता है कि दूरी-द्वैत अनुपात ( $D_L/D_A$ ) $(1+z)^2$ के बजाय $(1+z)$ के करीब स्केलिंग करता है। हालांकि इन निष्कर्षों की व्याख्या कुछ लोगों द्वारा गैर-विस्तारित ब्रह्मांडों (जैसे, 'टायर्ड-लाइट' मॉडल) के प्रमाण के रूप में की गई है, वे खगोलीय स्रोत विकास (astrophysical source evolution) और यंत्रवत व्यवस्थित त्रुटियों (instrumental systematics) के प्रति भी संवेदनशील हैं। मुख्य समस्या जिसे संबोधित किया गया है वह यह है कि क्या ये "विसंगतियां" मानक फ्राइडमैन-रॉबर्टसन-वॉकर (FRW) ब्रह्मांड विज्ञान के भीतर आंतरिक चमक और आकार के विकास से समझाई जा सकती हैं, या क्या वे मेट्रिक ग्रेविटी (metric gravity) के टूटने की आवश्यकता रखती हैं।

कार्यप्रणाली
लेखक यह परीक्षण करने के लिए IllustrisTNG-100 कॉस्मोलॉजिकल हाइड्रोडायनामिकल सिमुलेशन का उपयोग करते हुए एक फॉरवर्ड-मॉडलिंग दृष्टिकोण अपनाते हैं कि क्या स्रोत विकास, न कि गैर-मानक ब्रह्मांड विज्ञान, देखे गए संकेतों को संचालित करता है।

डेटा स्रोत:
- अवलोकन संबंधी (Observational): टॉलमैन परीक्षण के लिए ASTRODEEP-JWST कैटलॉग (Merlin et al. 2024) और दूरी-द्वैत परीक्षण (DDR) के लिए अल्ट्राकॉम्पैक्ट रेडियो स्रोतों (JJ2.29 और GKF5.0) का Li (2023) संकलन।
- सिमुलेशन: MAST आर्काइव से नकली HST/JWST इमेजिंग का उपयोग करते हुए IllustrisTNG-100-1 रन।
नकली स्पेक्ट्रोस्कोपिक चयन (Mock Spectroscopic Selection):
चूंकि TNG सिमुलेशन में वास्तविक स्पेक्ट्रा का अभाव है, इसलिए लेखकों ने ASTRODEEP कैटलॉग पर एक बाइनरी लॉजिस्टिक-रिग्रेशन क्लासिफायर को प्रशिक्षित किया ताकि यह भविष्यवाणी की जा सके कि एक गैलेक्सी के फोटोट्रॉमेट्रिक गुणों (मैग्निट्यूड, कलर्स, सरफेस ब्राइटनेस, अपर्चर एरिया और रेडशिफ्ट प्रॉक्सी) के आधार पर उसे कन्फर्म स्पेक्ट्रोस्कोपिक रेडशिफ्ट प्राप्त होने की संभावना ( $p_{spec}$ ) क्या है। इस क्लासिफायर को वास्तविक अवलोकन संबंधी डेटा के चयन पूर्वाग्रहों (selection biases) की नकल करने के लिए TNG नकली गैलेक्सीज पर लागू किया गया था।
विकास का फॉरवर्ड मॉडलिंग (Forward Modelling of Evolution):
अध्ययन दो अलग-अलग विकास घातांक (evolution exponents) को परिभाषित करता है:
- $\gamma_\Sigma$ : प्रक्षिप्त ल्यूमिनोसिटी डेंसिटी (projected luminosity density) का घातांक ( $\Sigma_L \propto (1+z)^{\gamma_\Sigma}$ ), जो टॉलमैन SB परीक्षण को नियंत्रित करता है।
- $\gamma_\rho$ : वॉल्यूमेट्रिक ल्यूमिनोसिटी डेंसिटी का घातांक ( $\rho_L \propto (1+z)^{\gamma_\rho}$ ), जो Li (2023) कॉम्पैक्ट-सोर्स धारणा के तहत DDR को नियंत्रित करता है।

लेखक व्यवस्थित अनिश्चितताओं को मापने के लिए चार अलग-अलग अपर्चर कन्वेंशन (कैटलॉग फ्लक्स, फिक्स्ड सर्कुलर इमेज अपर्चर, वोरोनोई-डीब्लेन्डेड इमेज अपर्चर, और एडेप्टिव अपर्चर) का उपयोग करके TNG सिमुलेशन में इन घातांकों की गणना करते हैं। इसके बाद वे सीधे अवलोकन संबंधी डेटा के साथ तुलना करने के लिए सिमुलेटेड घातांकों को दृश्य स्केलिंग मापदंडों ( $\alpha_{Tol}$ और $\alpha_{DDR}$ ) पर मैप करते हैं।

व्यवस्थित जाँच (Systematic Checks):
विश्लेषण में रेडशिफ्ट वितरण मिलान, अपर्चर परिभाषाओं, डीब्लेन्डिंग एल्गोरिदम (वोरोनोई बनाम गौसियन), PSF कॉंवल्यूशन, स्काई नॉइज़ और कॉस्मिक वेरिएंस पर कठोर जाँच शामिल है।

प्रमुख परिणाम

विकास शब्दों का एकीकरण (Unification of Evolution Terms): TNG सिमुलेशन में, मैच किए गए ब्राइट-गैलेक्सी सैंपल के लिए प्रक्षिप्त ल्यूमिनोसिटी डेंसिटी घातांक ( $\gamma_\Sigma$ ) और वॉल्यूमेट्रिक ल्यूमिनोसिटी डेंसिटी घातांक ( $\gamma_\rho$ ) प्रभावी रूप से समान पाए गए ( $\gamma_\Sigma \approx \gamma_\rho$ )। यह दो अलग-अलग परीक्षणों को एक एकल प्रभावी विकास घातांक ( $\gamma$ ) के तहत एकीकृत करने की अनुमति देता है।
सिमुलेटेड विकास मान: यथार्थवादी अपर्चर कन्वेंशन के माध्यम से, TNG सिमुलेशन एक प्रभावी ल्यूमिनोसिटी-डेंसिटी विकास घातांक $\gamma = 2.23 \pm 0.20$ प्रदान करता है।
अवलोकन संबंधी संकेतों का पुनरुत्पादन:
- टॉलमैन टेस्ट: TNG फॉरवर्ड मॉडल एक टॉलमैन स्लोप ( $\alpha_{Tol}$ ) का उत्पादन करता है जो $-0.88 \pm 0.03$ (वोरोनोई-डीब्लेन्डेड) है, जो बिना-विकास वाले FRW अनुमान $-3.3 $(जब$ \alpha_{SED}=0.3$ हो) की तुलना में काफी सपाट है और ASTRODEEP के देखे गए स्लोप $-1.28 \pm 0.05$ के साथ निकटता से मेल खाता है।
- दूरी-द्वैत परीक्षण: TNG-व्युत्पन्न $\gamma$ एक DDR स्लोप $\alpha_{DDR} \approx 1.26$ की भविष्यवाणी करता है, जो रेडियो-सोर्स डेटा मान $\alpha_{DDR} = 1.17 \pm 0.09$ (जो $\gamma = 2.50 \pm 0.26$ के अनुरूप है) के साथ अच्छी सहमति में है।
विसंगति विश्लेषण: TNG ब्राइट-गैलेक्सी $\gamma$ और रेडियो-सोर्स $\gamma$ के बीच एक छोटा अवशेष अंतर मौजूद है ( $\Delta\gamma \approx 0.27 \pm 0.33$ )। लेखक इसकी व्याख्या एक संभावित संकेत के रूप में करते हैं कि कॉम्पैक्ट रेडियो AGN, ब्राइट गैलेक्सीज (जो TNG में मॉडल की गई हैं) की तुलना में ल्यूमिनोसिटी डेंसिटी में थोड़ा अधिक तीव्रता से विकसित होते हैं, न कि ब्रह्मांडीय मॉडल की विफलता के रूप में।
नॉर्मलाइजेशन स्पष्टीकरण: शोधपत्र यह प्रदर्शित करता है कि पिछले अध्ययनों में रेडियो डेटा का "गैर-विस्तारित" रेखा ( $D_L = (1+z)D_A$ ) के साथ स्पष्ट संरेखण, रेस्ट-फ्रेम साइज स्केल ( $d_0$ ) के लिए उपयोग किए गए मनमाने नॉर्मलाइजेशन कन्वेंशन का एक आर्टिफैक्ट (artifact) है। जब केवल स्लोप के संदर्भ में देखा जाता है, तो डेटा बिना-विकास वाले FRW भविष्यवाणी और गैर-विस्तारित सीमा के बीच स्थित है, न कि सख्ती से दूसरे पर।

महत्व और दावे
शोधपत्र का दावा है कि हाल के टॉलमैन और दूरी-द्वैत परीक्षणों में रिपोर्ट की गई "विसंगतियां" मानक ब्रह्मांड विज्ञान में संशोधन या गैर-विस्तारित मॉडलों को पेश करने की आवश्यकता नहीं रखती हैं। इसके बजाय, परिणाम मानक $\Lambda$ CDM गैलेक्सी फॉर्मेशन भौतिकी के साथ पूरी तरह से सुसंगत हैं, जहाँ आंतरिक स्रोत विकास (विशेष रूप से रेडशिफ्ट के साथ ल्यूमिनोसिटी डेंसिटी में वृद्धि) स्वाभाविक रूप से देखे गए उथले स्केलिंग स्लोप उत्पन्न करता है।

लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि:

टॉलमैन और DDR परिणाम स्वतंत्र विसंगतियां नहीं हैं जिन्हें समन्वित ब्रह्मांडीय स्पष्टीकरण की आवश्यकता हो, बल्कि वे एक ही अंतर्निहित स्रोत विकास के दो माप हैं।
विकास का परिमाण IllustrisTNG सिमुलेशन द्वारा सही ढंग से भविष्यवाणी किया गया है।
डेटा स्पष्ट रूप से गैर-विस्तारित ब्रह्मांड का समर्थन नहीं करता है; बल्कि, यह बिना-विकास वाले FRW और गैर-विस्तारित मॉडलों के बीच के क्षेत्र में स्थित है।
भविष्य के ब्रह्मांडीय अनुमानों के लिए मेट्रिक ग्रेविटी के सिद्धांत के संशोधन के बजाय सटीक स्रोत विकास और फोटोट्रॉमेट्रिक व्यवस्थित त्रुटियों (विशेष रूप से अपर्चर परिभाषाओं और डीब्लेन्डिंग) के अंशांकन (calibration) की आवश्यकता है।

यह कार्य इन परीक्षणों को उच्च-रेडशिफ्ट गैलेक्सी विकास और उनके मापन में निहित व्यवस्थित त्रुटियों के प्रोब (probes) के रूप में पुनर्गठित करता है, जो नई भौतिकी का आह्वान किए बिना गैलेक्सी फॉर्मेशन मॉडल को सीमित करने का एक मार्ग प्रदान करता है।