Cosmological consequences of a dynamical dark matter in the light of DESI DR2 measurements

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल, फैलते हुए गुब्बारे की तरह है। दशकों से, वैज्ञानिक यह समझने की कोशिश कर रहे हैं कि उस गुब्बारे के अंदर वास्तव में क्या है और वह कैसे फूल रहा है। वे जानते हैं कि वहां "डार्क मैटर" नामक एक रहस्यमय चीज़ है जो अदृश्य गोंद की तरह काम करती है, जिससे आकाशगंगाएँ आपस में जुड़ी रहती हैं ताकि वे बिखर न जाएं। वे यह भी जानते हैं कि "डार्क एनर्जी" नाम की एक रहस्यमय शक्ति है जो गुब्बारे को तेज़ी से और तेज़ी से फैलाने के लिए धकेल रही है। मानक कहानी, जिसे "लैम्ब्डा-सीडीएम मॉडल" (Lambda-CDM model) कहा जाता है, कहती है कि डार्क मैटर पूरी तरह से ठंडा और दबावहीन है (जैसे धूल का एक ढेर जो पीछे कोई दबाव नहीं डालता) और डार्क एनर्जी एक स्थिर, अपरिवतित बल है। लेकिन हाल ही में, नए, अत्यंत सटीक मापों ने इस कहानी में दरारें दिखाना शुरू कर दिया है, जो संकेत देते हैं कि ब्रह्मांड शायद उन तरीकों से व्यवहार कर रहा है जिन्हें मानक मॉडल पूरी तरह से समझाने में सक्षम नहीं है। यह ऐसा है जैसे आप एक कार को सड़क पर चलते हुए देख रहे हों और ध्यान दें कि वह थोड़ा भटक रही है, जिससे यह सुझाव मिलता है कि ड्राइवर कुछ अप्रत्याशित कर रहा है, या स्वयं सड़क ही बदल रही है।

अभिजीत अजीत और उत्कर्ष कुमार का एक नया अध्ययन इस भटकती हुई कार को एक अलग दृष्टिकोण से देखता है। यह मान लेने के बजाय कि ड्राइवर (डार्क एनर्जी) कुछ अजीब कर रहा है, वे पूछते हैं: "क्या होगा अगर यात्री (डार्क मैटर) ही बदतमीजी कर रहे हों?" डेसी (DESI) नामक एक विशाल टेलीस्कोप सर्वे के नवीनतम डेटा का उपयोग करते हुए, लेखक एक ऐसा मॉडल प्रस्तावित करते हैं जहाँ डार्क मैटर केवल एक निष्क्रिय धूल का ढेर नहीं है। वे सुझाव देते हैं कि इसका एक "डायनामिकल" (गतिशील) स्वभाव है, जिसका अर्थ है कि ब्रह्मांड के पुराना होने के साथ यह थोड़ा दबाव या "प्रतिरोध" विकसित कर सकता है। उनका विश्लेषण बताता है कि जबकि शुरुआती ब्रह्मांड में डार्क मैटर बिल्कुल मानक धूल की तरह व्यवहार कर रहा था, इसने आज थोड़ा नकारात्मक दबाव विकसित करना शुरू कर दिया है। यह विचार नए डेटा के साथ आश्चर्यजनक रूप से अच्छी तरह फिट बैठता है, जो एक नया स्पष्टीकरण प्रदान करता है कि ब्रह्मांड वैसा क्यों दिखता है जैसा वह है, और इसके लिए डार्क एनर्जी को नियंत्रित करने वाले भौतिकी के मौलिक नियमों को तोड़ने की आवश्यकता नहीं है।

कॉस्मिक ड्रिफ्ट और नया सिद्धांत

लंबे समय से, ब्रह्मांडविद हमारे मानक मॉडल से खुश रहे हैं। यह एक ऐसी रेसिपी की तरह है जो उनके द्वारा बनाए गए हर केक के लिए पूरी तरह से काम करती रही है: सामान्य पदार्थ, कोल्ड डार्क मैटर (जो अदृश्य गोंद की तरह काम करता है), और एक कॉस्मोलॉजिकल कांस्टेंट (डार्क एनर्जी) का मिश्रण जो सब कुछ दूर धकेलता है। लेकिन हाल ही में, डार्क एनर्जी स्पेक्ट्रोस्कोपिक इंस्ट्रूमेंट (DESI) से प्राप्त माप के एक नए सेट ने इस व्यवस्था में व्यवधान डाल दिया है। जब उन्होंने इन नए मापों को कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड (बिग बैंग की गूँज) और सुपरनोवा के डेटा के साथ जोड़ा, तो परिणामों ने एक अजीब बात की ओर इशारा किया: ब्रह्मांड इस तरह से फैल रहा है जो बताता है कि इसे चलाने वाली "डार्क एनर्जी" समय के साथ बदल सकती है, और यहाँ तक कि ऐसे व्यवहार कर सकती है जो ऊर्जा के कुछ मौलिक नियमों को तोड़ता है।

आमतौर पर, जब वैज्ञानिक इस तरह का डेटा देखते हैं, तो वे मान लेते हैं कि "ड्राइवर" (डark Energy) बदल रहा है। लेकिन अजीत और कुमार ने इस कहानी को पलटने का फैसला किया। उन्होंने पूछा: क्या होगा अगर "यात्री" (डार्क मैटर) बदल रहे हों? अपने नए मॉडल में, वे प्रस्ताव देते हैं कि डार्क मैटर केवल एक स्थिर, दबावहीन पदार्थ नहीं है। इसके बजाय, यह एक "डायनामिकल डार्क मैटर" (DDM) है। डार्क मैटर को केवल धूल के ढेर के रूप में नहीं, बल्कि एक तरल पदार्थ के रूप में सोचें जो धीरे-धीरे अपना व्यक्तित्व बदल सकता है। शुरुआती ब्रह्मांड में, इसने मानक ठंडी धूल की तरह बिल्कुल वैसा ही व्यवहार किया जैसा हम उम्मीद करते हैं। लेकिन जैसे-जैसे ब्रह्मांड फैला और ठंडा हुआ, इस तरल पदार्थ ने एक सूक्ष्म, नकारात्मक दबाव विकसित करना शुरू कर दिया। यह ऐसा है जैसे अदृश्य गोंद अरबों वर्षों में थोड़ा "दबाया" गया या "चिपचिपा" हो गया है, जो सूक्ष्म रूप से आकाशगंगाओं के आपस में जुड़ने और ब्रह्मांड के विस्तार के तरीके को बदल रहा है।

डेटा क्या कहता है

लेखकों ने इस विचार का परीक्षण डेटा के एक पहाड़ के विरुद्ध किया, जिसमें नवीनतम DESI परिणाम, कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड के माप और विस्फोट होते सितारों (सुपरनोवा) के अवलोकन शामिल हैं। उन्होंने पाया कि उनका "बदलते डार्क मैटर" वाला मॉडल डेटा के साथ बहुत अच्छी तरह फिट बैठता है। वास्तव में, डेटा सेटों के सबसे अच्छे संयोजन के लिए, मॉडल सुझाव देता है कि वर्तमान "इक्वेशन ऑफ स्टेट" (यह बताने का एक फैंसी तरीका कि डार्क मैटर में कितना दबाव है) नकारात्मक है, जिसका मान लगभग -0.060 है।

इसे समझने के लिए, मानक डार्क मैटर का मान ठीक 0 (कोई दबाव नहीं) होता है। नया डेटा बताता है कि यह शून्य नहीं है, बल्कि थोड़ा नकारात्मक है। लेखकों ने पाया कि यह परिणाम सांख्यिकीय रूप से महत्वपूर्ण है, जो डेटा सेटों के संयोजन के आधार पर एक हल्के संकेत से लेकर एक मजबूत प्राथमिकता तक भिन्न होता है। जब उन्होंने आकाशगंगाओं के बढ़ने की गति (ग्रोथ रेट) के बारे में डेटा जोड़ा, तो नकारात्मक दबाव के लिए प्राथमिकता वास्तव में मजबूत हो गई, जो 3.02σ तक पहुँच गई। इसका मतलब है कि इसकी संभावना बहुत कम है कि यह एक यादृच्छिक संयोग (रैंडम फ्लूक) है; ब्रह्मांड वास्तव में इस तरह व्यवहार कर रहा है जैसे डार्क मैटर ने हाल के ब्रह्मांडीय इतिहास में थोड़ा "प्रतिरोध" विकसित किया है।

तनाव को सुलझाना (और एक नया तनाव पैदा करना)

यह नया मॉडल उन संख्याओं के साथ दिलचस्प चीजें करता है जिनकी ब्रह्मांडविदों को परवाह है। सबसे पहले, यह एक लंबे समय से चले आ रहे पहेली को सुलझाने में मदद करता है जिसे S8 टेंशन कहा जाता है। यह इस बात पर असहमति है कि आज हम ब्रह्मांड में कितनी "गुच्छेबाजी" (clumpiness) देखते हैं बनाम मानक मॉडल क्या भविष्यवाणी करता है। मानक मॉडल भविष्यवाणी करता है कि ब्रह्मांड थोड़ा अधिक घना होना चाहिए। हालाँकि, DDM मॉडल भविष्यवाणी करता है कि पदार्थ मानक मॉडल की तुलना में कम गुच्छेदार होता है। परिणाम दिखाते हैं कि क्लंपिनेस पैरामीटर S8 का मान लगभग 0.783 है, जो वास्तव में आकाशगंगाओं के वितरण को देखने के लिए टेलीस्कोप द्वारा देखे गए डेटा के बहुत करीब है। यह ऐसा है जैसे मॉडल ने अंततः रेसिपी को इस तरह समायोजित किया है कि केक बहुत घना न हो।

हालाँकि, यह मॉडल सब कुछ ठीक नहीं करता है। यह हबल टेंशन को पूरी तरह से अछूता छोड़ देता है। यह शुरुआती ब्रह्मांड के डेटा बनाम स्थानीय मापों के आधार पर ब्रह्मांड कितनी तेज़ी से फैल रहा है, इस पर प्रसिद्ध असहमति है। DDM मॉडल अभी भी हबल स्थिरांक (H0) की लगभग 68 km s⁻¹ Mpc⁻¹ की भविष्यवाणी करता है, जो मानक मॉडल के अनुरूप है लेकिन स्थानीय मापों के साथ अभी भी संघर्ष करता है जो कहते हैं कि यह लगभग 73 km s⁻¹ Mpc⁻¹ है। इसलिए, जबकि "बदलते डार्क मैटर" का विचार ब्रह्मांड को कम घना बनाता है और नए DESI डेटा के साथ फिट बैठता है, यह इस बात की व्याख्या नहीं करता कि ब्रह्मांड हमारी सोच से अधिक तेज़ी से क्यों फैल रहा है।

निर्णय: एक नया पसंदीदा, लेकिन अभी विजेता नहीं

लेखकों ने अपने DDM मॉडल की तुलना मानक मॉडल और एक अन्य लोकप्रिय मॉडल से की जो डार्क एनर्जी को बदलता है (जिसे CPL पैरामीटराइजेशन कहा जाता है)। परिणाम उत्साह और सावधानी का मिश्रण हैं। DDM मॉडल मानक मॉडल की तुलना में एक स्पष्ट सुधार है, जिसमें सांख्यिकीय प्राथमिकता काफी मजबूत है (ची-स्क्वायर मान में अंतर -14.093 है)। यह सुझाव देता है कि "बदलते डार्क मैटर" का विचार नए डेटा को समझाने का एक बहुत ही व्यवहार्य तरीका है, बिना डार्क एनर्जी के भौतिकी के नियमों को तोड़े।

हालाँकि, जब उन्होंने डार्क एनर्जी को बदलने वाले मॉडल के साथ इसकी तुलना की, तो DDM मॉडल हार गया। डार्क एनर्जी मॉडल अभी भी डेटा के साथ थोड़ा बेहतर फिट बैठता है। यह समझ में आता है क्योंकि डार्क एनर्जी मॉडल के पास डेटा के अनुसार ढलने के लिए अधिक "स्वतंत्रता" होती है। लेकिन यहाँ मुख्य बात यह है: DDM मॉडल बहुत सरल है। यह डार्क मैटर की तरफ केवल कुछ पैरामीटर जोड़ता है, जबकि डार्क एनर्जी मॉडल डार्क एनर्जी की तरफ जटिलता जोड़ता है। यह तथ्य कि डार्क मैटर में एक साधारण बदलाव इतने सारे डेटा की व्याख्या कर सकता है, एक बड़ी बात है। यह सुझाव देता है कि शायद हमें डार्क एनर्जी के लिए नई, विलक्षण भौतिकी आविष्कार करने की आवश्यकता नहीं है; शायद उत्तर डार्क मैटर में ही छिपा हुआ था।

अंत में, यह पेपर यह दावा नहीं करता है कि इसने ब्रह्मांड के रहस्य को सुलझा लिया है। यह यह साबित नहीं करता है कि डार्क मैटर बदल रहा है; यह केवल यह दिखाता है कि यह विचार एक बहुत ही मजबूत, सांख्यिकीय रूप से ठोस उम्मीदवार है जो पुराने मानक की तुलना में नए डेटा के साथ बेहतर फिट बैठता है। यह एक ताज़ा, चंचल दृष्टिकोण प्रदान करता है: शायद ब्रह्मांड इसलिए नहीं भटक रहा है क्योंकि इंजन खराब है, बल्कि इसलिए क्योंकि यात्री आखिरकार अपनी सीटों पर हिलना-डुलना शुरू कर रहे हैं।