Evidence for a thermal pressure deficit in galaxy groups from the tSZ effect and weak lensing
DESI ल्यूमिनस रेड गैलेक्सी नमूने के कमजोर लेंसिंग डेटा के साथ थर्मल सनयाव-ज़ेल्डोविच प्रभाव मापों को जोड़कर, यह अध्ययन प्रकट करता है कि वर्तमान हाइड्रोडायनामिकल सिमुलेशन गैलेक्सी समूहों में थर्मल दबाव का काफी अधिक अनुमान लगाते हैं, जो कि संभवतः गैर-तापीय दबाव समर्थन की कमी या हाइड्रोस्टैटिक संतुलन से विचलन के कारण होने वाली कमी का सुझाव देता है।
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ब्रह्मांड की कल्पना एक विशाल, अदृश्य महासागर के रूप में करें। जबकि हम द्वीपों (आकाशगंगाओं) और लहरों (प्रकाश) को देख सकते हैं, वह पानी स्वयं—वह गर्म गैस जो आकाशगंगाओं के बीच के स्थान को भरती है—हमारी आँखों से अधिकतर छिपी हुई है। यह गैस, जिसे इंट्राक्लस्टर मीडियम (intracluster medium) कहा जाता है, अविश्वसनीय रूप से गर्म और अत्यधिक दबाव में है, जैसे अंतरिक्ष के निर्वात में रखा गया एक विशाल प्रेशर कुकर। वैज्ञानिक लंबे समय से यह समझने की कोशिश कर रहे हैं कि यह गैस कैसे व्यवहार करती है। वे जानते हैं कि विशाल आकाशगंगाएँ और आकाशगंगाओं के समूह भारी लंगर (anchors) की तरह काम करते हैं, जो अपने गुरुत्वाकर्षण से इस गैस को अपनी ओर खींचते हैं। लेकिन यहाँ एक मोड़ है: आकाशगंगाएँ केवल निष्क्रिय लंगर नहीं हैं; वे सक्रिय रसोइये (chefs) भी हैं। तारों के हिंसक विस्फोटों और ब्लैक होल से निकलने वाली शक्तिशाली जेट्स के माध्यम से, वे गैस को गर्म करते हैं और उसे धकेलते हैं, जिससे इसके दबाव और घनत्व में परिवर्तन आता है।
इस अदृश्य दबाव को मापने के लिए, वैज्ञानिक कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड (CMB) का उपयोग करने वाली एक चतुर तकनीक का उपयोग करते हैं, जो बिग बैंग की एक हल्की चमक है जो एक विशाल, ठंडे बैकड्रॉप की तरह कार्य करती है। जब आकाशगंगा समूहों में मौजूद गर्म गैस CMB फोटॉन्स पर दबाव डालती है, तो यह उन्हें एक सूक्ष्म धक्का देती है, जिससे उनकी ऊर्जा बदल जाती है। यह प्रभाव, जिसे थर्मल सनयाव-ज़ेल्डोविच (tSZ) प्रभाव कहा जाता है, तालाब में छिपे पत्थर के कारण उत्पन्न होने वाली लहरों को देखने जैसा है। इन लहरों को मापकर, खगोलशास्त्री यह गणना कर सकते हैं कि गैस का दबाव कितना है। बड़ा सवाल यह है: क्या गैस बिल्कुल वैसा ही व्यवहार करती है जैसा हमारे कंप्यूटर मॉडल भविष्यवाणी करते हैं, या हमारी समझ में यह जानने के लिए कुछ कमी है कि आकाशगंगाएँ और उनके आसपास की गैस कैसे परस्पर क्रिया करती हैं?
यह शोध पत्र उस अदृश्य महासागर के रहस्य को सुलझाने का प्रयास करता है। लेखकों ने, जो खगोलविदों की एक टीम है, विशाल आकाशगंगाओं के समूहों के आसपास गैस के दबाव पर एक नया दृष्टिकोण अपनाने का निर्णय लिया, विशेष रूप से वे जिन्हें लुमिनस रेड गैलेक्सीज़ (LRGs) के रूप में जाना जाता है। उन्होंने tSZ प्रभाव को मापने के लिए अटाकामा कॉस्मोलॉजी टेलीस्कोप (ACT) के डेटा का उपयोग किया, लेकिन उन्होंने केवल कच्चे डेटा को नहीं देखा। वे समझ गए थे कि इस दबाव को मापने के पिछले प्रयास एक शोर भरे कमरे में फुसफुसाहट सुनने की कोशिश करने जैसे थे; सिग्नल अक्सर आकाशगंगाओं से आने वाली धूल और रेडियो तरंगों के "शोर" द्वारा दबा दिया जाता था।
इसे ठीक करने के लिए, टीम ने वास्तविक दबाव सिग्नल को ब्रह्मांडीय शोर से अलग करने के लिए एक परिष्कृत मॉडल बनाया। उन्होंने डेटा को एक जटिल गीत की तरह माना जिसमें तीन वाद्य यंत्र एक साथ बज रहे थे: दबाव सिग्नल (tSZ), धूल, और रेडियो तरंगें। उन विशिष्ट गुणों का उपयोग करके जिनका उपयोग उन आकाशगंगाओं के अध्ययन के लिए किया जा रहा था, धूल और रेडियो घटकों को सावधानीपूर्वक मॉडल करके, वे दबाव सिग्नल को पहले की तुलना में बहुत अधिक स्पष्ट रूप से अलग करने में सक्षम हुए। इसके बाद, उन्होंने अपने नए, स्वच्छ मापों की तुलना ब्रह्मांड के सबसे उन्नत कंप्यूटर सिमुलेशन के विरुद्ध की, विशेष रूप से एक विशाल सिमुलेशन जिसे FLAMINGO कहा जाता है।
परिणाम आश्चर्यजनक थे। लेखकों ने पाया कि कंप्यूटर सिमुलेशन गैस के दबाव को वास्तव में मापे गए दबाव से लगभग दोगुना अधिक होने की भविष्यवाणी कर रहे थे। यह ऐसा ही था जैसे सिमुलेशन एक ऐसे प्रेशर कुकर का वर्णन कर रहे हों जिसे "हाई" पर सेट किया गया हो, जबकि वास्तविक ब्रह्मांड "मीडियम" पर चल रहा था। यह विसंगति विभिन्न आकाशगंगा द्रव्यमानों और दूरियों में सुसंगत थी, जो यह सुझाव देती है कि यह केवल एक इत्तेफाक नहीं था।
हालाँकि, कहानी और भी दिलचस्प हो जाती है। टीम जानती थी कि सिमुलेशन को पहले ही गैस की मात्रा (एक माप जिसे किनेटिक SZ प्रभाव कहा जाता है) से मेल खाने के लिए ट्यून किया गया था। दूसरे शब्दों में, सिमुलेशन पहले से ही सही थे कि वहां कितनी गैस है, लेकिन वे फिर भी इस बारे में गलत थे कि गैस कितनी गर्म और दबावयुक्त थी। इसका मतलब यह नहीं है कि सिमुलेशन में बहुत अधिक गैस है; बल्कि इसका मतलब यह है कि वे सोचते हैं कि गैस बहुत गर्म है।
लेखक तर्क देते हैं कि यह हमारे ब्रह्मांड की समझ में एक गायब सामग्री की ओर इशारा करता है। सिमुलेशन यह मान लेते हैं कि गैस संतुलन की स्थिति में है, जहाँ अंदर खींचने वाला गुरुत्वाकर्षण, बाहर धकेलने वाले गैस दबाव के साथ पूरी तरह से मेल खाता है। लेकिन यदि वास्तविक गैस उतनी ठंडी है जितनी कि सिमुलेशन कहते हैं, फिर भी वह अपने आकार को बनाए रखने में सक्षम है, तो इसे थामे रखने में मदद करने के लिए कोई अन्य अदृश्य बल होना चाहिए। शोध पत्र सुझाव देता है कि यह गायब समर्थन गैर-तापीय स्रोतों से आ सकता है, जैसे कि चुंबकीय क्षेत्र, कॉस्मिक किरणें, या अशांत गतियाँ (turbulent motions) जिन्हें वर्तमान सिमुलेशन पूरी तरह से कैप्चर नहीं कर पा रहे हैं।
संक्षेप में, यह शोध पत्र केवल यह नहीं कहता कि "हमारे मॉडल थोड़े गलत हैं।" यह सुझाव देता है कि आकाशगंगा समूहों के काम करने के मानक नुस्खे में एक मुख्य मसाला गायब है। आकाशगंगा समूहों में गैस ठंडी और कम दबावयुक्त है जितना कि उनके सर्वोत्तम कंप्यूटर मॉडल भविष्यवाणी करते हैं, जो यह दर्शाता है कि ब्रह्मांड के पास अपनी गैस को सहारा देने के छिपे हुए तरीके हैं जिन्हें हमने अभी तक पूरी तरह से नहीं समझा है। यह एक याद दिलाता है कि आकाशगंगाओं के बीच के विशाल, गर्म महासागरों में भी, अभी भी ऐसे रहस्य छिपे हैं जिनकी खोज की जानी बाकी है।
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