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Charting the expansion of the Universe from z $\sim$ 0 to z $\sim$ 14 with HII galaxies

यह शोध पत्र $z\sim0$ से $z\sim14$ तक के रेडशिफ्ट (redshift) में फैले 243 H II आकाशगंगाओं का एक अद्यतित हबल आरेख प्रस्तुत करता है, जो यह प्रदर्शित करता है कि $L(\mathrm{H}\beta)-\sigma$ संबंध एक स्थिर, स्वतंत्र ब्रह्मांड संबंधी प्रोब (cosmological probe) बना हुआ है जो लगभग पूरे ब्रह्मांड के इतिहास में अनुरूप $\Lambda$ CDM मॉडल के सुसंगत ब्रह्मांड संबंधी मापदंडों को प्रस्तुत करता है।

मूल लेखक: R. Chávez, R. Terlevich, A. L. González-Morán, S. Zamora, E. Terlevich, D. Fernández-Arenas, F. Bresolin, M. Plionis, S. Basilakos, R. Amorín, M. Llerena, F. D'Eugenio, Xihan Ji, J. Zavala, J. Rivera

प्रकाशित 2026-07-17

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CC BY 4.0

मूल लेखक: R. Chávez, R. Terlevich, A. L. González-Morán, S. Zamora, E. Terlevich, D. Fernández-Arenas, F. Bresolin, M. Plionis, S. Basilakos, R. Amorín, M. Llerena, F. D'Eugenio, Xihan Ji, J. Zavala, J. Rivera, N. Gómez-Cruz, L. Corral-Bustamante

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, अदृश्य गुब्बारे की तरह है जो इसके जन्म के क्षण से ही फूल रहा है। दशकों से, वैज्ञानिक यह पता लगाने की कोशिश कर रहे हैं कि यह गुब्बारा कितनी तेजी से फैल रहा है और क्या इसकी गति बदल रही है। ऐसा करने के लिए, उन्हें "स्टैंडर्ड कैंडल्स" (मानक मोमबत्तियों) की आवश्यकता होती है—अंतरिक्ष में ऐसी वस्तुएं जिनकी चमक विशिष्ट और अनुमानित होती है। इन वस्तुओं की चमक वास्तव में कितनी होनी चाहिए और पृथ्वी से वे कितनी चमकदार दिखती हैं, इसकी तुलना करके, खगोलशास्त्री यह गणना कर सकते हैं कि वे कितनी दूर हैं और हमारे और उनके बीच का स्थान कितनी तेजी से फैल रहा है।

लंबे समय तक, इस काम के लिए सबसे अच्छे उपकरण 'टाइप Ia सुपरनोवा' (फटते हुए तारे) और 'कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड' (बिग बैंग की अवशेष चमक) थे। लेकिन इन उपकरणों की सीमाएं हैं: सुपरनोवा बहुत शुरुआती ब्रह्मांड में देखना कठिन है, और बैकग्राउंड की चमक केवल शुरुआत के बारे में बताती है। ब्रह्मांडीय विस्तार की पूरी कहानी को वास्तव में समझने के लिए, वैज्ञानिकों को एक नए प्रकार के पैमाने (रूलर) की आवश्यकता थी जो "कॉस्मिक डॉन" (ब्रह्मांडीय भोर) तक पहुँच सके, वह युग जब पहले तारे बस टिमटिमा रहे थे। यहीं पर H II गैलेक्सी नामक एक विशेष प्रकार की आकाशगंगा काम आती है। ये अराजक, तीव्र तारा-निर्माण वाले नर्सरी हैं जो तीव्र प्रकाश के साथ चमकती हैं। यदि उनकी चमक और उनके गैस बादलों की गति आपस में एक विश्वसनीय तरीके से जुड़ी हुई है, तो वे हमारे स्थानीय पड़ोस से लेकर समय की शुरुआत तक पहुँचने वाले एक ब्रह्मांडीय पैमाने के रूप में काम कर सकती हैं।

कॉस्मिक रूलर जो भोर तक पहुँचता है

खगोलशास्त्रियों की एक टीम ने अभी-अभी ब्रह्मांडीय मानचित्रण का एक बड़ा कारनामा कर दिखाया है। उन्होंने H II गैलेक्सी से बने एक नए, सुपर-लॉन्ग रूलर का उपयोग करके ब्रह्मांड के विस्तार का मानचित्र तैयार किया है, जो हमारे स्थानीय परिवेश से लेकर उस समय तक फैला हुआ है जब ब्रह्मांड केवल कुछ सौ मिलियन वर्ष पुराना था। MNRAS में प्रकाशित यह अध्ययन "हबल डायग्राम" (एक मानचित्र जो दिखाता है कि दूरी रेडशिफ्ट—प्रकाश के खिंचाव—से कैसे संबंधित है—के साथ कैसे बदलती है) को रिकॉर्ड-तोड़ रेडशिफ्ट $z \sim 14$ तक विस्तारित करता है।

यह समझने के लिए कि उन्होंने क्या किया, एक संगीतकार की कल्पना करें जो गिटार को ट्यून करने की कोशिश कर रहा है। यदि आप जानते हैं कि एक विशिष्ट स्वर उत्पन्न करने के लिए एक विशिष्ट गति पर एक विशेष तार को कंपन करना चाहिए, तो आप केवल पिच सुनकर बता सकते हैं कि तार ढीला है या कसा हुआ। ब्रह्मांड में, H II गैलेक्सी उन गिटार के तारों की तरह हैं। ये गहन तारा-निर्माण के विस्फोट हैं जहाँ विशाल, युवा तारे ऊर्जा छोड़ते हैं, जिससे गैस के चमकते बादल बनते हैं। यह शोध पत्र ल्यूमिनोसिटी (आकाशगंगा कितनी चमकीली है) और वेलोसिटी डिस्पर्शन (उसके अंदर की गैस कितनी तेजी से घूम रही है) के बीच एक ज्ञात संबंध पर आधारित है। गैस जितनी तेजी से चलती है, आकाशगंगा उतनी ही अधिक चमकीली होने की प्रवृत्ति रखती है।

टीम ने इन गैलेक्सीज़ का एक विशाल नमूना एकत्र किया। इसमें 36 "एंकर" गैलेक्सीज़ शामिल थीं जो पास में स्थित हैं और जिनकी दूरियां अन्य विधियों (जैसे विशिष्ट प्रकार के तारों की चमक मापने) के माध्यम से पहले से ज्ञात हैं। फिर, उन्होंने 107 स्थानीय H II गैलेक्सीज़ और जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप (JWST) और ALMA रेडियो टेलीस्कोप द्वारा देखी गई दूर स्थित गैलेक्सीज़ का एक बड़ा समूह जोड़ा। इनमें से कुछ लक्ष्य इतने दूर हैं कि उनका प्रकाश 13 बिलियन वर्षों से अधिक समय से यात्रा कर रहा है, जो उस समय का है जब ब्रह्मांड अपने "कॉस्मिक डॉन" में था।

बड़ी खोज: नियम बदले नहीं हैं

सबसे रोमांचक बात यह है कि जब उन्होंने सबसे पुरानी, सबसे दूर की आकाशगंगाओं को देखा तो उन्हें क्या मिला। कुछ समय के लिए, यह चिंता थी कि "गिटार का तार" समय के साथ अपना सुर बदल सकता है। कुछ शोधकर्ताओं ने सुझाव दिया था कि शुरुआती ब्रह्मांड में, ये आकाशगंगाएँ अलग तरह से व्यवहार कर सकती हैं, जिससे उनकी चमक और गति का संबंध कमजोर या टूटा हुआ हो सकता है। यदि ऐसा होता, तो शुरुआती ब्रह्मांड के लिए उन्हें एक पैमाने के रूप में उपयोग करना एक ऐसे रबर बैंड से कमरे को मापने जैसा होता जो सुबह की तुलना में शाम को अलग तरह से खिंचता है।

हालाँकि, यह शोध पत्र दिखाता है कि नियम बिल्कुल नहीं बदले हैं। लेखकों ने पाया कि चमक और गैस की गति के बीच का संबंध $z \sim 14$ जैसे उच्च रेडशिफ्ट पर भी चट्टान की तरह मजबूत बना हुआ है। चाहे उन्होंने पास की आकाशगंगाओं को देखा हो या समय की भोर की आकाशगंगाओं को, "सुर" एक ही था। डेटा इस बात का कोई प्रमाण नहीं देता कि इन तारा-निर्माण क्षेत्रों को नियंत्रित करने वाले भौतिक विज्ञान में ब्रह्मांड के इतिहास के पिछले 98% भाग में कोई महत्वपूर्ण बदलाव आया है। यह एक बहुत बड़ी बात है क्योंकि इसका मतलब है कि H II गैलेक्सीज़ पूरे ब्रह्मांड के लगभग पूरे कालखंड में ब्रह्मांडीय दूरियों को मापने का एक विश्वसनीय और स्वतंत्र तरीका हैं।

यह हमें डार्क एनर्जी के बारे में क्या बताता है

इस विश्वसनीय पैमाने के साथ, टीम ने ब्रह्मांड के विस्तार के इतिहास की गणना की। उन्होंने ब्रह्मांड के विस्तार के विभिन्न मॉडलों का परीक्षण किया, विशेष रूप रूप से डार्क एनर्जी (डार्क एनर्जी) की जांच की, जो एक रहस्यमय बल है जो विस्तार को तेज करने के लिए धकेल रहा है।

$\Lambda$ CDM नामक एक मानक मॉडल का उपयोग करते हुए (जो यह मानता है कि डार्क एनर्जी एक स्थिर बल है), उन्होंने हबल स्थिरांक ( $h$ ) और पदार्थ घनत्व ( $\Omega_m$ ) की गणना की। उनके परिणाम हैं:

$h = 0.725 \pm 0.040$
$\Omega_m = 0.308^{+0.043}_{-0.053}$

उन्होंने उन मॉडलों का भी परीक्षण किया जहाँ डार्क एनर्जी समय के साथ बदल सकती है (उपकरणों $w_0$ और $w_a$ का उपयोग करके)। उनके निष्कर्ष बताते हैं कि डार्क एनर्जी बहुत हद तक एक स्थिर बल की तरह व्यवहार करती है, जिसके मान मानक ब्रह्मांडीय मॉडल के अनुरूप हैं। उदाहरण के लिए, उन्होंने पाया कि $w_0 = -0.96^{+0.53}_{-0.21}$ है, जो एक स्थिर डार्क एनर्जी के लिए अपेक्षित $-1$ के मान के बहुत करीब है।

यह क्यों महत्वपूर्ण है

यह शोध पत्र स्पष्ट रूप से इस विचार को खारिज करता है कि उच्च रेडशिफ्ट पर $L-\sigma$ संबंध (चमक-गति संबंध) महत्वपूर्ण रूप से बदल जाता है। वे तर्क देते हैं कि दूर स्थित आकाशगंगाओं के लिए "फ्लैट स्लोप" (सपाट ढलान) के पिछले सुझाव सीमित डेटा रेंज के कारण थे, न कि भौतिक विज्ञान में वास्तविक परिवर्तन के कारण। यह पुष्टि करके कि H II गैलेक्सीज़ शुरुआती ब्रह्मांड में भी आज की तरह ही व्यवहार करती हैं, लेखकों ने ब्रह्मांड के बारे में हमारी समझ का परीक्षण करने के लिए एक नया मार्ग खोल दिया है।

उन्होंने केवल एक नया नंबर नहीं खोजा; उन्होंने एक पद्धति को प्रमाणित किया है। यह दिखाकर कि H II गैलेक्सीज़ $z \sim 0$ से $z \sim 14$ तक एक "स्टैंडर्डाइजेबल कैंडल" के रूप में काम करती हैं, उन्होंने ब्रह्मांड के विस्तार के बारे में हमारे सिद्धांतों की जांच करने के लिए ब्रह्मांडविदों को एक शक्तिशाली नया उपकरण दिया है। उनके परिणाम सुपरनोवा का उपयोग करने वाले अन्य प्रमुख अध्ययनों के साथ निकटता से मेल खाते हैं, जो इस विचार को पुख्ता करते हैं कि ब्रह्मांड के बारे में हमारा वर्तमान मॉडल सही दिशा में है, भले ही हम ब्रह्मांड के पहले क्षणों की ओर देख रहे हों।

संक्षेप में, ब्रह्मांड के विस्तार की कहानी एक नए पेन से लिखी जा रही है, और अब तक, कहानी पहले पन्ने से लेकर आखिरी पन्ने तक सुसंगत दिख रही है। शुरुआती ब्रह्मांड के "गिटार के तार" भी उसी गाने को गा रहे हैं जो हमारे घर के पास के तारों का है, जो यह सिद्ध करता है कि भौतिक विज्ञान के मौलिक नियम अरबों वर्षों से स्थिर रहे हैं।

तकनीकी सारांश: $z \sim 0$ से $z \sim 14$ तक HII गैलेक्सीज़ के माध्यम से ब्रह्मांड के विस्तार का मानचित्रण

समस्या विवरण
मानक ब्रह्मांड संबंधी मॉडल (standard cosmological model) ब्रह्मांड के विस्तार के इतिहास और डार्क एनर्जी की प्रकृति को सीमित करने के लिए मुख्य रूप से टाइप Ia सुपरनोवा (SNIa), कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड (CMB) अनिसोट्रॉपीज़ और बेरियन एकोस्टिक ऑसिलेशन (BAO) पर निर्भर करता है। हालाँकि, कॉस्मिक डॉन ( $z > 6$ ) और पुनर्संयोजन (reionization) युग तक स्वतंत्र दूरी संकेतकों (distance indicators) का विस्तार करना एक महत्वपूर्ण चुनौती बनी हुई है। जबकि विशाल एक्स्ट्रागैलेक्टिक H II क्षेत्रों (GEHRs) और H II गैलेक्सीज़ (HIIGs) के लिए ल्यूमिनोसिटी-वेलोसिटी डिस्पर्शन ( $L-\sigma$ ) संबंध को स्थानीय और मध्यम रेडशिफ्ट ब्रह्मांड के लिए एक मानकीकृत मोमबत्ती (standardizable candle) के रूप में स्थापित किया गया है, अत्यंत उच्च रेडशिफ्ट ( $z \gtrsim 10$ ) पर इसकी वैधता का कड़ाई से परीक्षण नहीं किया गया था। इसके अलावा, हालिया साहित्य (जैसे, कैओ और रत्रा 2024) ने उच्च रेडशिफ्ट पर $L-\sigma$ संबंध के ढाल (slope) में संभावित विकास का सुझाव दिया, जो इसके ब्रह्मांडीय प्रोब (cosmological probe) के रूप में उपयोग को बाधित कर सकता है। यह शोध पत्र $L-\sigma$ संबंध की मजबूती का परीक्षण करने और विशेष रूप से हबल स्थिरांक ( $H_0$ ), द्रव्यमान घनत्व ( $\Omega_m$ ), और डार्क एनर्जी समीकरण अवस्था ( $w$ ) जैसे ब्रह्मांडीय मापदंडों पर स्वतंत्र बाधाएं प्रदान करने के लिए HIIG/GEHR हबल आरेख को अभूतपूर्व रेडशिफ्ट ( $z \approx 14$ ) तक विस्तारित करने की आवश्यकता को संबोधित करता है।

कार्यप्रणाली (Methodology)
लेखकों ने 243 वस्तुओं का एक एकीकृत नमूना तैयार किया, जिसमें शामिल हैं:

स्थानीय एंकर (Local Anchors): 36 निकटवर्ती प्रणालियाँ जिनमें प्राथमिक दूरी माप (सेफिड्स या TRGB) उपलब्ध हैं।
निम्न/मध्यम रेडशिफ्ट: पिछले संकलन से 107 HIIGs ( $0.01 \le z \le 0.15$ ) और $0.6 \le z \le 4$ से 49 वस्तुएं।
उच्च रेडशिफ्ट ( $z > 4$ ): JWST/NIRSpec लक्ष्यों का एक संयोजन और $z \sim 14$ तक विस्तारित एक नया उप-नमूना।

डेटा अधिग्रहण और समरूपीकरण (Data Acquisition and Homogenization):

नया उप-नमूना: इस अध्ययन में 12 नए उच्च-रेडशिफ्ट ऑब्जेक्ट्स शामिल हैं। नौ का अवलोकन JWST/NIRSpec के साथ किया गया (बामर और [O III] लाइनों को मापते हुए), जबकि तीन अत्यंत उच्च-रेडशिफ्ट लक्ष्यों ने $z > 12$ के लिए एक हाइब्रिड दृष्टिकोण का उपयोग किया: ALMA [O III] 88 $\mu$ m लाइन डिटेक्शन से प्राप्त वेलोसिटी डिस्पर्शन और JWST/MIRI रेस्ट-फ्रेम ऑप्टिकल लाइनों से प्राप्त फ्लक्स।
सुधार (Corrections): पूरे नमूने में मापों को समरूप बनाया गया। इसमें इंस्ट्रुमेंटल और थर्मल ब्रॉडनिंग, एक्सटिंक्शन (Gordon et al. 2003 SMC Bar कानून का उपयोग करके), और जहाँ आवश्यक हो वहां [O III]-आधारित वेलोसिटी डिस्पर्शन को बामर-लाइन स्केल में रूपांतरित करना शामिल था।
लेंसिंग उपचार (Lensing Treatment): उच्च रेडशिफ्ट पर मैग्निफिकेशन स्कैटर को ध्यान में रखने के लिए, लेखकों ने लॉग-नॉर्मल मैग्निफिकेशन फॉर्मलिज्म (Holz & Linder 2005) का उपयोग करके गुरुत्वाकर्षण लेंसिंग प्रभावों को मॉडल किया। इसे फ्लक्स कंजर्वेशन बायस को ठीक करने के लिए लाइक्लीहुड विश्लेषण में एक लेटेंट वेरिएबल के रूप में मार्जिनलाइज किया गया था।

ब्रह्मांडीय अनुमान (Cosmological Inference):
विश्लेषण ने ब्रह्मांडीय मापदंडों को अनुमानित करने के लिए एक नेस्टेड-सैंपलिंग एल्गोरिदम (MultiNest) का उपयोग किया। लाइक्लीहुड फंक्शन ने विभिन्न ब्रह्मांडीय मॉडलों द्वारा अनुमानित सैद्धांतिक दूरी मॉड्यूल के विरुद्ध प्रेक्षित दूरी मॉड्यूल (जो $L-\sigma$ संबंध से प्राप्त हुआ है) की तुलना की।

परीक्षण किए गए मॉडल: फ्लैट और नॉन-फ्लैट $\Lambda$ CDM, $w$ CDM (स्थिर डार्क एनर्जी समीकरण अवस्था), और शेवेलियर-पोलारस्की-लिनर (CPL) पैरामीट्रिज़ेशन (जो $w(z) = w_0 + w_a z/(1+z)$ के विकसित होने वाले $w(z)$ की अनुमति देता है)।
मापदंड (Parameters): अध्ययन ने $h$ , $\Omega_m$ , और डार्क एनर्जी मापदंडों $w_0$ और $w_a$ के साथ-साथ न्यूसेंस मापदंडों ( $\alpha, \beta$ ) को सीमित किया, जो $L-\sigma$ संबंध को परिभाषित करते हैं।

मुख्य परिणाम

$L-\sigma$ संबंध की स्थिरता: अध्ययन $z \sim 0$ से $z \sim 14$ की रेडशिफ्ट रेंज में $L-\sigma$ संबंध में किसी भी महत्वपूर्ण विकास का प्रमाण नहीं पाता है। उच्च-रेडशिफ्ट नमूने ( $z > 3$ ) के लिए प्राप्त ढाल (slope) और इंटरसेप्ट, स्थानीय एंकर नमूने और निम्न-रेडशिफ्ट HIIGs के अनुरूप हैं। यह पिछले निष्कर्षों के दावों का सीधे खंडन करता है कि उच्च रेडशिफ्ट पर ढाल कम (flattening) हो जाती है, और इन निष्कर्षों को पिछले डेटासेट में सीमित ल्यूमिनोसिटी रेंज का परिणाम बताता है।
ब्रह्मांडीय बाधाएं (Flat $\Lambda$ CDM): संयुक्त एंकर + HIIG नमूने का उपयोग करते हुए, लेखक प्राप्त करते हैं:
- $h = 0.725 \pm 0.040$
- $\Omega_m = 0.308^{+0.043}_{-0.53}$
  ये मान कॉनकॉर्डेंस कॉस्मोलॉजी और हालिया SNIa/BAO अनुमानों (जैसे, Pantheon+) के अनुरूप हैं।
डार्क एनर्जी बाधाएं:
- एक स्थिर $w$ मानते हुए: $w_0 = -0.96^{+0.53}_{-0.21}$ ।
- CPL पैरामीट्रिज़ेशन मानते हुए: $w_0 = -0.92^{+0.57}_{-0.34}$ और $w_a = -0.48^{+0.60}_{-1.50}$ ।
  सभी परिणाम वर्तमान अनिश्चितताओं के भीतर एक कॉस्मोलॉजिकल कांस्टेंट ( $w = -1$ ) के अनुरूप हैं।
फिगर ऑफ मेरिट (Figure of Merit): उच्च-रेडशिफ्ट JWST डेटा के समावेश ने पिछले HIIG-केवल विश्लेषणों की तुलना में CPL मॉडल के लिए फिगर ऑफ मेरिट (FoM) में लगभग 7% का सुधार किया।

महत्व और दावे
यह शोध पत्र दावा करता है कि H II गैलेक्सीज़ ब्रह्मांड के विस्तार के इतिहास के लिए एक व्यवहार्य, पूरी तरह से स्वतंत्र ट्रेसर के रूप में कार्य करती हैं, जो ब्रह्मांड के लगभग 98% समय को कवर करती हैं। इसका प्राथमिक महत्व निम्नलिखित है:

रेडशिफ्ट लीवर आर्म का विस्तार: कॉस्मिक डॉन और पुनर्संयोजन युगों के दौरान विस्तार के इतिहास का परीक्षण करते हुए, HIIG हबल आरेख को सफलतापूर्वक $z \sim 14$ तक पहुँचाना।
मानकीकृत मोमबत्ती का सत्यापन: यह प्रदर्शित करना कि $L-\sigma$ संबंध को नियंत्रित करने वाली भौतिक प्रक्रियाएं (विशाल युवा तारकीय समूहों के फोटो-काइनेटिक गुण) स्थानीय ब्रह्मांड से लेकर प्रारंभिक ब्रह्मांड तक समान रहती हैं, जो गैर-यूनिवर्सलिटी वाले स्टार फॉर्मेशन तंत्र के मॉडलों को चुनौती देती हैं।
स्वतंत्र सत्यापन: $H_0$ और डार्क एनर्जी के लिए स्वतंत्र बाधाएं प्रदान करना जो SNIa डिस्टेंस लैडर और CMB से स्वतंत्र हैं, जिससे मानक ब्रह्मांड संबंधी मॉडल को क्रॉस-वैलिडेट करने और व्यवस्थित पूर्वाग्रहों (systematic biases) को कम करने में मदद मिलती है।

लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि हालांकि वर्तमान अनिश्चितताएं अभी भी SNIa की तुलना में अधिक हैं, यह विधि $\Lambda$ CDM और डार्क एनर्जी विकास के परीक्षण के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान करती है, और भविष्य के JWST डेटा से इन बाधाओं को और अधिक सटीक बनाने की उम्मीद है।

कॉस्मिक रूलर जो भोर तक पहुँचता है

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