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Probing dark energy evolution with Quaia quasars through the integrated Sachs-Wolfe effect

यह अध्ययन क्वाया (Quaia) क्वासर कैटलॉग और प्लैंक (Planck) सीएमबी (CMB) मानचित्रों के टोमोग्राफिक क्रॉस-कोरिलेशन का उपयोग करके 2.8σ सार्थकता पर इंटीग्रेटेड सैक्स-वोल्फ (Integrated Sachs-Wolfe) प्रभाव का पता लगाता है, जो मानक ΛCDM भविष्यवाणियों की तुलना में मध्यम रूप से उच्च आयाम को प्रकट करता है जिसे वर्तमान वैकल्पिक डार्क एनर्जी मॉडलों द्वारा स्पष्ट नहीं किया जा सकता है।

मूल लेखक: M. Ghodsi Yengejeh, J. R. Bermejo-Climent, A. Kovács, I. Szapudi, I. Csabai

प्रकाशित 2026-07-27

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CC BY 4.0

मूल लेखक: M. Ghodsi Yengejeh, J. R. Bermejo-Climent, A. Kovács, I. Szapudi, I. Csabai

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

ब्रह्मांड की कल्पना एक विशाल, फैलते हुए ट्रैम्पोलिन के रूप में करें। इस ट्रैम्पोलिन के बीच में, आकाशगंगाओं के विशाल समूह भारी बॉलिंग बॉल्स की तरह काम करते हैं, जो अंतरिक्ष के ताने-बाने में गहरे गड्ढे बनाते हैं। यदि आप इस ट्रैम्पोलिन पर एक कंचा (प्रकाश का फोटॉन) लुढ़काते, तो वह गड्ढे में गिरते समय तेज़ हो जाता और गड्ढे से बाहर निकलते समय धीमा हो जाता। एक स्थिर ब्रह्मांड में, गड्ढे में गिरते समय जो गति इसे प्राप्त होती, वह बाहर निकलते समय खोई हुई गति के बिल्कुल बराबर होती, जिससे कंचे की ऊर्जा में कोई शुद्ध परिवर्तन नहीं होता।

लेकिन हमारा ब्रह्मांड स्थिर नहीं है; यह फैल रहा है। यहीं से चीजें जटिल हो जाती हैं। जैसे-जैसे कंचा ट्रैम्पोलिन पर लुढ़कता है, एक अदृश्य, रहस्यमय बल जिसे "डार्क एनर्जी" (dark energy) कहा जाता है, स्वयं कपड़े को खींच रहा होता है। यह बल ब्रह्मांड को तेजी से और अधिक तेजी से फैला रहा है। क्योंकि कंचा लुढ़कते समय ब्रह्मांड खिंच रहा है, इसलिए वह "गड्ढा" जिसमें कंचा गिर रहा है, उसके तल तक पहुँचने से पहले ही उथला हो सकता है, या वह "पहाड़ी" जिसे उसे चढ़ना है, वहाँ पहुँचने से पहले ही नीची हो सकती है। इसका मतलब है कि कंचा जितनी ऊर्जा प्राप्त करता है, वह पूरी ऊर्जा नहीं खोता, या उसे थोड़ी अतिरिक्त ऊर्जा मिल जाती है। ऊर्जा में यह सूक्ष्म, बचा हुआ परिवर्तन प्रकाश के थोड़े गर्म या ठंडे होने के रूप में दिखाई देता है। इस घटना को इंटीग्रेटेड सैक्स-वोल्फ प्रभाव (Integrated Sachs–Wolfe - ISW effect) कहा जाता है। यह एक ब्रह्मांडीय गूँज की तरह है, ब्रह्मांड के विस्तार के इतिहास से एक मंद फुसफुसाहट जो हमें बताती है कि डार्क एनर्जी कैसे व्यवहार कर रही है। वैज्ञानिक इस कारण से इस पर गहराई से ध्यान देते हैं क्योंकि हालांकि हम जानते हैं कि डार्क एनर्जी मौजूद है, लेकिन हमें यह नहीं पता कि यह क्या है। क्या यह एक स्थिर बल है, या यह समय के साथ बदल रहा है? ISW प्रभाव उन कुछ तरीकों में से एक है जिससे हम यह जानने के लिए उस फुसफुसाहट को सुन सकते हैं कि डार्क एनर्जी कैसा व्यवहार कर रही है।

इस अध्ययन में, खगोलविदों की एक टीम ने "क्वैया" (Quaia) नामक क्वासरों के एक विशाल, अखिल-आकाश कैटलॉग का उपयोग करके उस फुसफुसाहट को सुनने का निर्णय लिया। क्वासर दूर स्थित आकाशगंगाओं के चमकदार, सक्रिय केंद्र हैं, जो ब्रह्मांड में बिखरे हुए ब्रह्मांडीय लाइटहाउस (प्रकाश स्तंभों) की तरह कार्य करते हैं। शोधकर्ताओं ने इन क्वासरों को ब्रह्मांड की बड़े पैमाने की संरचना के एक मानचित्र के रूप में माना—वे "बॉलिंग बॉल्स" जो हमारे ट्रैम्पोलिन एनालॉजी में गड्ढे बना रहे हैं। फिर उन्होंने इस मानचित्र की तुलना कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड (CMB) के मानचित्र के विरुद्ध की, जो बिग बैंग की अवशिष्ट चमक है, जो ब्रह्मांड के माध्यम से चमकने वाली एक "बैकलाइट" की तरह कार्य करती है।

इन क्वासरों की स्थिति को CMB के तापमान उतार-चढ़ाव के साथ क्रॉस-रेफरेंस करके, टीम ने ISW प्रभाव के विशिष्ट हस्ताक्षर की तलाश की। उन्होंने अनिवार्य रूप से पूछा: "क्या प्राचीन प्रकाश के गर्म और ठंडे धब्बे क्वासरों के सुपर-क्लस्टर्स और विशाल रिक्त स्थानों (voids) के साथ इस तरह मेल खाते हैं जो यह सुझाव देते हैं कि ब्रह्मांड का विस्तार प्रकाश की ऊर्जा को बदल रहा है?"

टीम को एक संकेत मिला। उन्होंने 2.8 σ (सिग्मा) की सांख्यिकीय सार्थकता के साथ ISW प्रभाव का पता लगाया। विज्ञान की दुनिया में, यह एक "मध्यम" पहचान है—यह एक इत्तेफाक से कहीं अधिक है, लेकिन एक निश्चित खोज के स्वर्ण मानक (जिसके लिए आमतौर पर 5 σ की आवश्यकता होती है) के करीब नहीं है। उन्होंने इस संकेत की शक्ति को मानक भविष्यवाणी के सापेक्ष AISW ≃ 1.69 ± 0.61 के आयाम के रूप में मापा। इसे एक वॉल्यूम नॉब (आवाज़ नियंत्रित करने वाला बटन) की तरह समझें: ब्रह्मांड का मानक मॉडल (जिसे ΛCDM कहा जाता है) 1.0 का वॉल्यूम बताता है। टीम ने पाया कि वॉल्यूम लगभग 1.69 तक बढ़ा हुआ था, लेकिन इसमें त्रुटि की इतनी गुंजाइश है कि वास्तविक वॉल्यूम लगभग 1.08 और 2.30 के बीच कहीं भी हो सकता है। इसलिए, हालांकि संकेत मानक मॉडल की तुलना में थोड़ा तेज़ है, लेकिन अनिश्चितता इतनी बड़ी है कि यह अभी भी मानक मॉडल के अनुरूप है।

शोधकर्ताओं ने बहुत सावधानी से जांच की कि क्या यह "तेज़" संकेत वास्तविक था या केवल उनके उपकरण या विश्लेषण में कोई गड़बड़ी थी। उन्होंने अपने निष्कर्षों का परीक्षण CMB डेटा को साफ करने के विभिन्न तरीकों, क्वासरों की गिनती करने के विभिन्न तरीकों और यहाँ तक कि आकाश को उत्तरी और दक्षिणी हिस्सों में विभाजित करके भी किया। हर मामले में, परिणाम स्थिर रहा, जिससे पता चलता है कि संकेत मजबूत है और यह उनकी विधियों का कोई कृत्रिम परिणाम (artifact) नहीं है।

हालाँकि, जब उन्होंने हाल ही में लोकप्रिय हुए डार्क एनर्जी के नए सिद्धांतों (विशेष रूप से वे मॉडल जहाँ डार्क एनर्जी समय के साथ बदलती है, जिन्हें w0waCDM के रूप में जाना जाता है) का उपयोग करके इस थोड़े तेज़ संकेत की व्याख्या करने की कोशिश की, तो परिणाम पूरी तरह से फिट नहीं बैठे। वास्तव में, उन वैकल्पिक मॉडलों ने एक ऐसा संकेत दिया था जो मानक मॉडल की तुलना में कमजोर था, न कि अधिक। उनके द्वारा एकत्र किए गए डेटा ने इन विशिष्ट विकसित होती डार्क एनर्जी थ्योरी का समर्थन नहीं किया; यदि कुछ कहना हो, तो डेटा थोड़ा एक ऐसे मजबूत संकेत की ओर झुका हुआ था जो मानक मॉडल से भी अधिक है, जिसे वैकल्पिक मॉडल स्पष्ट नहीं कर सके।

अंततः, शोध पत्र यह निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि उन्होंने इन क्वासरों का उपयोग करके ISW प्रभाव को सफलतापूर्वक मापा है, लेकिन वर्तमान डेटा इतना सटीक नहीं है कि यह बता सके कि डार्क एनर्जी बदल रही है या स्थिर है। "वॉल्यूम" थोड़ा अधिक है, लेकिन त्रुटि की सीमा (error bars) काफी विस्तृत है। लेखक सुझाव देते हैं कि भविष्य के सर्वेक्षणों, जिनमें और भी अधिक क्वासर और बेहतर मानचित्र होंगे, की आवश्यकता होगी ताकि इस मध्यम पहचान को डार्क एनर्जी की प्रकृति के बारे में एक स्पष्ट, निश्चित उत्तर में बदला जा सके। फिलहाल, ब्रह्मांडीय फुसफुसाहट सुनी गई है, लेकिन इसका सटीक अर्थ एक रहस्य बना हुआ है जो एक तेज़ आवाज़ का इंतज़ार कर रहा है।

तकनीकी सारांश: क्वाइया (Quaia) क्वासरों के माध्यम से डार्क एनर्जी के विकास की जांच: एकीकृत सैक्स-वोल्फ (ISW) प्रभाव के माध्यम से

समस्या और प्रेरणा
डार्क एनर्जी की भौतिक प्रकृति अज्ञात बनी हुई है, जबकि ब्रह्मांडीय ऊर्जा बजट में इसका प्रभुत्व है। मानक $\Lambda$ CDM मॉडल एक कॉस्मोलॉजिकल कांस्टेंट ( $w = -1$ ) का प्रस्ताव करता है, लेकिन DESI, DES और अन्य सर्वेक्षणों के हालिया अवलोकन संभावित विचलन का सुझाव देते हैं, जो गतिशील डार्क एनर्जी मॉडलों (जैसे $w_0w_a$ CDM) का पक्ष लेते हैं जहाँ समीकरण अवस्था (EoS) समय के साथ विकसित होती है। इन परिदृश्यों के बीच अंतर करना चुनौतीपूर्ण है क्योंकि वे अक्सर समान विस्तार इतिहास प्रदर्शित करते हैं, लेकिन बड़े पैमाने की संरचनाओं के विकास दर और गुरुत्वाकर्षण विभव (gravitational potentials) के विकास के लिए अलग-अलग भविष्यवाणियां करते हैं। एकीकृत सैक्स-वोल्फ (ISW) प्रभाव इस विकास की जांच के लिए एक अनूठा माध्यम प्रदान करता है: जैसे-जैसे कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड (CMB) फोटॉन डार्क-एनर्जी-प्रधान ब्रह्मांड में समय के साथ बदलते गुरुत्वाकर्षण विभवों से गुजरते हैं, वे ऊर्जा प्राप्त करते या खोते हैं, जिससे बड़े पैमाने की संरचना ट्रैसर्स के साथ सह-संबंधित एक माध्यमिक अनिसोट्रॉपी (secondary anisotropy) अंकित होती है। हालाँकि, प्राथमिक CMB अनिसोट्रॉपी के सापेक्ष इसके छोटे आयाम और मौलिक कॉस्मिक वेरिएंस सीमाओं के कारण ISW प्रभाव का पता लगाना कठिन है।

कार्यप्रणाली
यह अध्ययन क्वाइया (Quaia) क्वासर कैटलॉग (Storey-Fisher et al. 2024) और Planck CMB टेम्परेचर मैप्स के बीच एक टोमोग्राफिक क्रॉस-कोरिलेशन विश्लेषण करता है।

डेटा: विश्लेषण में Planck PR3 (2018) फुल-मिशन डेटा का उपयोग किया गया है, मुख्य रूप से SMICA कंपोनेंट-सेपरेशन मैप का उपयोग किया गया है, जबकि मजबूती की जांच के लिए NILC और SEVEM मैप्स का उपयोग किया गया है। Quaia कैटलॉग $\sim$ 1.3 मिलियन क्वासरों का एक फुल-स्काई सैंपल प्रदान करता है (सीमित मैग्नीट्यूड $G < 20.5$ ) जिसके फोटोमेट्रिक रेडशिफ्ट $z \sim 4$ तक विस्तृत हैं।
टोमोग्राफी: Quaia सैंपल को दो रेडशिफ्ट बिन ( $\bar{z} \approx 0.97$ और $\bar{z} \approx 2.10$ ) में विभाजित किया गया है और इसे एक कुल सैंपल ( $\bar{z} \approx 1.54$ ) के रूप में विश्लेषित किया गया है, जो लगभग $(10 h^{-1} \text{ Gpc})^3$ का कोमूविंग वॉल्यूम कवर करता है।
मॉडलिंग: सैद्धांतिक कोणीय पावर स्पेक्ट्रा ( $C_\ell^{Tg}$ ) को लिम्बर सन्निकटन (Limber approximation) के तहत pyCCL लाइब्रेरी का उपयोग करके परिकलित किया गया है। बेसलाइन मॉडल फ्लैट $\Lambda$ CDM (Planck 2018 पैरामीटर्स) है। वैकल्पिक मॉडलों में, DES ईयर 6 और DESI BAO बाधाओं से प्राप्त सर्वश्रेष्ठ-फिट पैरामीटर्स का उपयोग करते हुए शेवेलियर-पोलार्सकी-लेंडर (CPL) पैरामीट्राइजेशन ( $w(a) = w_0 + w_a(1-a)$ ) शामिल है।
विश्लेषण: मास्क-प्रेरित मोड कपलिंग को ठीक करने के लिए NaMaster के साथ एक pseudo- $C_\ell$ फॉर्मलिज्म का उपयोग करके क्रॉस-पावर स्पेक्ट्रा का अनुमान लगाया गया है। ISW आयाम ( $A_{\text{ISW}}$ ) को मापे गए सिग्नल और सैद्धांतिक $\Lambda$ CDM भविष्यवाणी के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है।
मजबूती (Robustness): कोवेरिएंस मैट्रिसेस का अनुमान 2,000 सह-संबंधित गॉसियन रियलाइजेशन से लगाया गया है। विश्लेषण विभिन्न CMB मैप्स, क्वासर बायस मॉडल्स (Laurent et al. 2017 मॉडल सहित), स्काई कवरेज (उत्तर/दक्षिण विभाजन), और मल्टीपोल रेंज ( $\ell_{\text{max}}$ ) के बदलावों के विरुद्ध स्थिरता का परीक्षण करता है।

मुख्य परिणाम

डिटेक्शन सिग्निफिकेंस: अध्ययन कुल सैंपल के लिए $2.8\sigma$ ( $2.78\sigma$ ) की सार्थकता के साथ ISW प्रभाव का पता लगाता है।
मापा गया आयाम: सर्वश्रेष्ठ-फिट आयाम, Planck $\Lambda$ $Λ$ CDM भविष्यवाणी के सापेक्ष $A_{\text{ISW}} = 1.69 \pm 0.61$ है।
- लो-रेडशिफ्ट बिन ( $\bar{z}=0.97$ ): $A_{\text{ISW}} = 1.19 \pm 0.56$ ( $2.13\sigma$ )।
- हाई-रेडशिफ्ट बिन ( $\bar{z}=2.10$ ): $A_{\text{ISW}} = 2.86 \pm 1.62$ ( $1.77\sigma$ )।
मॉडल तुलना:
- मापा गया आयाम फिडुशियल $\Lambda$ CDM भविष्यवाणी ( $A_{\text{ISW}}=1$ ) की तुलना में मध्यम रूप से अधिक है, हालांकि $1.1\sigma$ के भीतर सुसंगत है।
- वैकल्पिक $w_0w_a$ CDM मॉडल (जो DES/DESI द्वारा समर्थित हैं) $\Lambda$ CDM की तुलना में कम ISW आयाम की भविष्यवाणी करते हैं (20% तक दबा हुआ)। फलस्वरूप, ये मॉडल इस विसंगति को हल नहीं करते; बल्कि, वे रिसकेल्ड $\Lambda$ CDM की तुलना में फिट को खराब करते हैं ( $\Delta\chi^2 > 0$ )।
- एक खोजपूर्ण परीक्षण जिसमें निरंतर $w = -0.65$ मॉडल का उपयोग किया गया, उसने रिसकेल्ड $\Lambda$ CDM के समान फिट दिया, जो EoS के प्रति सिग्नल की संवेदनशीलता को उजागर करता है, हालांकि ऐसा मान अन्य डेटा द्वारा बाधित है।
मजबूती: परिणाम विभिन्न CMB कंपोनेंट सेपरेशन मैप्स (SMICA, NILC, SEVEM), बायस मॉडल्स, हेमिस्फेरिक स्प्लिट्स, और मल्टीपोल बिनिंग चॉइस के विरुद्ध स्थिर है। सिग्नल रैखिक शासन (linear regime, $\ell_{\text{max}} = 100$ ) तक सीमित होने पर भी सुसंगत रहता है, जो यह सुझाव देता है कि माप गैर-रैखिक रीस-साइमैक्स (Rees-Sciama) प्रभावों या लघु-पैमाने की व्यवस्थित त्रुटियों (systematics) द्वारा हावी नहीं है।

महत्व और निष्कर्ष
यह शोध पत्र Quaia क्वासर कैटलॉग का उपयोग करके ISW प्रभाव के एक मजबूत डिटेक्शन को स्थापित करता है, जो व्यापक रेडशिफ्ट रेंज तक पिछले मापों का विस्तार करता है। प्राथमिक निष्कर्ष यह है कि मापा गया $A_{\text{ISW}}$ मानक $\Lambda$ CDM अपेक्षाओं की तुलना में थोड़ा बढ़ा हुआ है, एक प्रवृत्ति जो अन्य हालिया अध्ययनों (जैसे Stölzner et al. 2018) में देखी गई है। महत्वपूर्ण रूप से, वर्तमान में DESI और DES बाधाओं द्वारा समर्थित वैकल्पिक डायनेमिकल डार्क एनर्जी मॉडल इस विसंगति की व्याख्या नहीं करते हैं, क्योंकि वे $\Lambda$ CDM की तुलना में कमजोर सिग्नल की भविष्यवाणी करते हैं।

लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि वर्तमान डेटा बड़े अनिश्चितताओं (कॉस्मिक वेरिएंस और क्वासर ट्रेसर्स की विरल प्रकृति के कारण) के कारण $\Lambda$ CDM और परीक्षण किए गए CPL मॉडलों के बीच सांख्यिकीय रूप से अंतर नहीं कर सकता है, फिर भी यह परिणाम एक मूल्यवान निरंतरता जांच (consistency check) के रूप में कार्य करता है। यह मामूली अतिरिक्त सिग्नल भविष्य के कार्य को प्रेरित करता है। शोध पत्र का तर्क है कि बेहतर टोमोग्राफिक ISW मापन के लिए उच्च स्रोत घनत्व और गहरे रेडशिफ्ट कवरेज की आवश्यकता होगी, जो Gaia DR4, Euclid, और DESI के आगामी डेटा से प्राप्त होगा। ये भविष्य के सर्वेक्षण डार्क एनर्जी के समय विकास को बेहतर ढंग से प्रतिबंधित करने और इस आयाम विसंगति के मूल को स्पष्ट करने की उम्मीद जगाते हैं।

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