⚛️ high-energy experiments

Measurement of the Hubble constant with high-energy neutrinos

यह शोध पत्र हबल स्थिरांक को मापने के लिए 12 सिफर्ट आकाशगंगाओं से उच्च-ऊर्जा खगोलीय न्यूट्रिनो का उपयोग करके एक नए न्यूट्रिनो-आधारित दूरी सीढ़ी (डिस्टेंस लैडर) विधि के पहले अवलोकनात्मक यथार्थोन्मादन को प्रस्तुत करता है, जो $H_0 = 49^{+40}_{-30}\,\mathrm{km\,s^{-1}\,Mpc^{-1}}$ का परिणाम देता है जो मौजूदा निर्धारणों के अनुरूप है और एक नवीन दृष्टिकोण को प्रदर्शित करता है जो विद्युत चुम्बकीय प्रसार की व्यवस्थित त्रुटियों से मुक्त है।

मूल लेखक: Gonzalo Herrera, Nicholas Kamp, Carlos A. Argüelles

प्रकाशित 2026-08-04

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Gonzalo Herrera, Nicholas Kamp, Carlos A. Argüelles

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 गुब्बारे के रूप में करें। दशकों से, वैज्ञानिक इस बात को मापने की कोशिश कर रहे हैं कि यह गुब्बारा वास्तव में कितनी तेजी से फूल रहा है। इस गति को हबल स्थिरांक ( $H_0$ ) कहा जाता है, और इसे जानना महत्वपूर्ण है क्योंकि यह हमें ब्रह्मांड की आयु और इसके अंत के बारे में बताता है। लेकिन पेचीदा हिस्सा यह है: विस्तार की गति को मापने के लिए, आपको पहले दूर स्थित वस्तुओं की सटीक दूरी जाननी होगी। ब्रह्मांडीय दूरियों को मापना अंधेरे कमरे में अपने दोस्त की आवाज कितनी तेज सुनाई दे रही है, इसके आधार पर यह अनुमान लगाने जैसा है कि वह आपसे कितनी दूर है। आमतौर पर, हम प्रकाश (फोटोन) का उपयोग हमारी आवाज़ के रूप में करते हैं। लेकिन प्रकाश एक चंचल संदेशवाहक है; यह धूल द्वारा अवरुद्ध हो जाता है, गैस द्वारा अवशोषित हो जाता है, और बादलों द्वारा बिखट जाता है, जिससे यह जानना कठिन हो जाता है कि आवाज़ वास्तव में कितनी तेज़ शुरू हुई थी। इसने भौतिकी की दुनिया में एक बड़ा मतभेद पैदा कर दिया है: वैज्ञानिकों का एक समूह, जो ब्रह्मांड के सबसे पुराने प्रकाश का उपयोग कर रहा है, कहता है कि गुब्बारा एक गति से फैल रहा है, जबकि दूसरा समूह, जो फटने वाले सितारों का उपयोग कर रहा है, कहता है कि यह अधिक तेज है। इसे "हबल टेंशन" (Hubble tension) के रूप में जाना जाता है, और यह आधुनिक भौतिकी के सबसे बड़े रहस्यों में से एक है।

अब, एक ऐसे संदेशवाहक की कल्पना करें जिसे धूल, गैस या अंधेरे से कोई फर्क नहीं पड़ता। न्यूट्रिनो का आगमन होता है: एक छोटा, भूतिया कण जो बिना किसी चीज़ से टकराए पूरे ग्रहों के बीच से गुजर सकता है। क्योंकि वे बिना किसी रुकावट के यात्रा करते हैं, न्यूट्रिनो ब्रह्मांडीय दूरियों को मापने के लिए प्रकाश की तुलना में बेहतर हैं, क्योंकि वे उस "शोर" से मुक्त होते हैं जो प्रकाश के मापन को बिगाड़ देता है। इस नए अध्ययन में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक साहसिक प्रयोग करने का निर्णय लिया: ब्रह्मांड के विस्तार को मापने के लिए एक नए पैमाने के रूप में उच्च-ऊर्जा न्यूट्रिनो का उपयोग करना। उन्होंने केवल इसका सिमुलेशन नहीं किया; उन्होंने अंटार्कटिका की बर्फ में दबे आइसक्यूब (IceCube) न्यूट्रिनो वेधशाला के वास्तविक डेटा का उपयोग किया, जो इन भूतिया कणों के गुजरने का इंतजार कर रहा है।

टीम ने 12 विशिष्ट आकाशगंगाओं पर ध्यान केंद्रित किया जिन्हें सेयर्ट आकाशगंगाएँ (Seyfert galaxies) कहा जाता है। ये ब्रह्طीय शक्ति केंद्र हैं जिनके केंद्रों में सुपरमैसिव ब्लैक होल होते हैं, जो प्लाज्मा के एक गर्म, चमकते हुए "कोरोना" से घिरे होते हैं। शोधकर्ताओं ने इन दो प्रकार की ऊर्जाओं के बीच संबंध पर आधारित एक चतुर तकनीक का उपयोग किया जो ये आकाशगंगाएँ उत्सर्जित करती हैं: एक्स-रे और न्यूट्रिनो। सोचिए कि कोरोना एक रसोई की तरह है। एक्स-रे चूल्हे से आने वाली गर्मी है, और न्यूट्रिनो पके हुए भोजन की गंध है। वैज्ञानिकों ने परिकल्पना की कि यदि आप जानते हैं कि चूल्हा कितना गर्म है (एक्स-रे चमक), तो आप भविष्यवाणी कर सकते हैं कि भोजन की गंध कितनी तेज होनी चाहिए (न्यूट्रिनो चमक)। यदि दी गई गर्मी के लिए गंध उम्मीद से कम या अधिक है, तो यह आपको बताता है कि रसोई कितनी दूर है।

आइसक्यूब के 14 वर्षों के संग्रह के डेटा का उपयोग करते हुए, टीम ने पाया कि इन 12 आकाशगंगाओं के लिए, एक्स-रे की गर्मी और न्यूट्रिनो की गंध के बीच का संबंध सरल 1-से-1 का मेल नहीं है। इसके बजाय, उन्होंने पाया कि जैसे-जैसे आकाशगंगाएँ एक्स-रे में अधिक चमकदार होती हैं, न्यूट्रिनो का संकेत कुछ सिद्धांतों की तुलना में उतनी तेजी से नहीं बढ़ता है जितना अपेक्षित था। विशेष रूप से, उन्होंने एक ढलान मान $\beta = 0.67^{+0.16}_{-0.25}$ मापा। यह परिणाम बताता है कि "रसोई" पूरी तरह से कुशल नहीं है; जैसे-जैसे आकाशगंगा अधिक चमकदार होती है, न्यूट्रिनो उत्पादन कम कुशल हो जाता है, जो एक विशिष्ट "कैलोरीमेट्रिक" सीमा को खारिज करता है जहाँ दक्षता पूर्ण होती (मान $\beta = 1$ ), लगभग 2 मानक विचलन की निश्चितता के साथ।

इस नए "न्यूट्रिनो पैमाने" को कैलिब्रेट करने के बाद, उन्होंने हबल स्थिरांक की गणना की। उनका परिणाम $H_0 = 49^{+40}_{-30}$ किमी सेकंड $^{-1}$ मेगापार्सेक $^{-1}$ है। हालांकि इस संख्या में त्रुटि की एक बड़ी सीमा है (जिसका अर्थ है कि वास्तविक मान 19 से 89 के बीच कहीं भी हो सकता है), यह एक क्रांतिकारी पहला कदम है। यह दिखाता है कि न्यूट्रिनो वास्तव में ब्रह्मांड विज्ञान के लिए एक नए उपकरण के रूप में उपयोग किए जा सकते हैं, जो उस धूल और गैस से मुक्त हैं जो प्रकाश-आधारित मापों को भ्रमित करते हैं। यह परिणाम पिछले अध्ययनों के दो परस्पर विरोधी मूल्यों के बीच सहजता से स्थित है, जो सुझाव देता है कि न्यूट्रिनो अंततः हबल टेंशन को हल करने में मदद कर सकते हैं, लेकिन फिलहाल, यह माप एक अंतिम उत्तर के बजाय एक 'प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट' (सिद्धांत की पुष्टि) अधिक है। लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि हालांकि अनिश्चितता बड़ी है, लेकिन विधि ठोस है और विस्तारते हुए ब्रह्मांड को देखने का एक नया, व्यवस्थित-मुक्त तरीका प्रदान करती है।

तकनीकी सारांश: उच्च-ऊर्जा न्यूट्रिनो के साथ हबल स्थिरांक का मापन

समस्या विवरण
ब्रह्मांड के पैमाने का निर्धारण करना और "हबल तनाव" (Hubble tension) को हल करना—जो प्रारंभिक ब्रह्मांड (Planck CMB) और देर के ब्रह्मांड (Cepheid–supernova) के हबल स्थिरांक ( $H_0$ ) के निर्धारणों के बीच $\sim 5\sigma$ का विसंगति है—आधुनिक ब्रह्मांड विज्ञान की एक केंद्रीय चुनौती है। लगभग सभी मौजूदा दूरी प्रोब फोटॉन पर निर्भर हैं, जो प्रसार संबंधी व्यवस्थित त्रुटियों (propagation systematics) के अधीन हैं, जिनमें धूल का क्षीणन (dust extinction), अंतर-आकाशगंगा अवशोषण, प्रकीर्णन और जटिल विकिरण-स्थानांतरण मॉडलिंग शामिल है। ये प्रभाव ऐसी अनिश्चितताएं उत्पन्न करते हैं जिन्हें अंतर्निहित स्रोत गुणों से अलग करना कठिन होता है। एक ऐसा दूरी मापन जो ऐसे संदेशवाहक (messenger) का उपयोग करता है जो बिना क्षीण हुए ब्रह्मांड को पार करता है, इन विद्युत चुम्बकीय व्यवस्थित त्रुटियों को पूरी तरह से दरकिनार कर देगा।

कार्यप्रणाली
यह कार्य उच्च-ऊर्जा खगोलीय न्यूट्रिनो को "मानक योग्य मोमबत्तियों" (standardizable candles) के रूप में उपयोग करके कॉस्मिक डिस्टेंस लैडर (cosmic distance ladder) पर एक नया पायदान प्रस्तुत करता है। यह विधि सेफ़र्ट आकाशगंगाओं (Seyfert galaxies) के कोरोना में न्यूट्रिनो चमक ( $L_\nu$ ) और एक्स-रे चमक ( $L_X$ ) के बीच भौतिक सहसंबंध पर आधारित है, जिसे पावर-लॉ संबंध द्वारा वर्णित किया गया है:
$L_\nu = \kappa L_X^\beta$
जहाँ $\kappa$ एक सामान्यीकरण स्थिरांक (normalization constant) है और $\beta$ एक ढलान (slope) है जो कोरोना भौतिकी को दर्शाता है।

विश्लेषण IceCube के 14-वर्षीय सार्वजनिक पॉइंट-सोर्स रिलीज में पहचाने गए 12 एक्स-रे-चयनित सेफ़र्ट आकाशगंगाओं के नमूने का उपयोग करता है। पद्धति इस प्रकार है:

एंकरिंग (Anchoring): इस लैडर को NGC 1068 के गैर-रेडशिफ्ट दूरी द्वारा एंकर किया गया है, जो सेफिड वेरिएबल्स और टिप ऑफ द रेड जायंट ब्रांच (TRGB) के संयोजन से प्राप्त की गई है ( $10.93 \pm 0.74$ Mpc)। यह $\kappa$ और $H_0$ के बीच के अपभ्रष्टता (degeneracy) को तोड़ता है।
डेटा निष्कर्षण (Data Extraction): प्रत्येक स्रोत के लिए न्यूट्रिनो सिग्नल काउंट्स ( $\hat{n}_s$ ) और उनकी अनिश्चितताओं को 14-वर्षीय IceCube डेटा पर लागू SkyLLH अनबिनड लाइकलीहुड फ्रेमवर्क का उपयोग करके निकाला गया है। एक्स-रे फ्लक्स ( $F_X$ ) को BASS (BAT AGN Spectroscopic Survey) से लिया गया है, जिसे अवशोषण के लिए सुधारा गया है।
लाइकलीहुड निर्माण: लेखक ल्यूमिनोसिटी स्पेस में एक गॉसियन लाइकलीहुड का निर्माण करते हैं। अनुमानित न्यूट्रिनो सिग्नल हबल स्थिरांक के माध्यम से ल्यूमिनोसिटी डिस्टेंस $d_L(z, H_0)$ पर निर्भर करता है। विशेष रूप से, अपेक्षित सिग्नल $d_L^{2(\beta-1)}$ के रूप में स्केल होता है। यदि $\beta = 1$ (कैलोरीमेट्रिक लिमिट), तो दूरी की निर्भरता रद्द हो जाती है, जिससे यह विधि $H_0$ के प्रति अंध (blind) हो जाती है। इसलिए, मापन के लिए एक गैर-इकाई (non-unity) ढलान की आवश्यकता है।
सांख्यिकीय अनुमान (Statistical Inference): पैरामीटर स्पेस $\{H_0, \beta, d_{1068}\}$ पर एक मार्कोव चेन मोंटे कार्लो (MCMC) विश्लेषण किया जाता है। प्रत्येक लाइकलीहुड मूल्यांकन पर $\kappa$ को विश्लेषणात्मक रूप से प्रोफाइल किया जाता है। विश्लेषण विशेष रूप से कम-रेडशिफ्ट स्रोतों के लिए पक्यूलर वेलोसिटी (peculiar velocities) और CMB-फ्रेम रेडशिफ्ट सुधारों को ध्यान में रखता है।

मुख्य परिणाम
12-स्रोत वाले नमूने का उपयोग करते हुए, लेखक उच्च-ऊर्जा खगोलीय न्यूट्रिनो का उपयोग करके हबल स्थिरांक का पहला मापन रिपोर्ट करते हैं:
$H_0 = 49^{+40}_{-30} \text{ km s}^{-1} \text{ Mpc}^{-1} \quad (68\% \text{ विश्वसनीय अंतराल})$
विश्लेषण एक साथ न्यूट्रिनो–एक्स-रे ल्यूमिनोसिटी ढलान का पहला जनसंख्या-स्तरीय मापन भी प्रदान करता है:
$\beta = 0.67^{+0.16}_{-0.25} \quad (68\% \text{ विश्वसनीय अंतराल})$

मुख्य निष्कर्ष और भौतिक निहितार्थ

सब-कैलोरीमेटिक ढलान (Sub-calorimetric Slope): डेटा एक उप-रैखिक ढलान ( $\beta < 1$ ) का समर्थन करता है, जो कैलोरीमेट्रिक लिमिट ( $\beta = 1$ ) को लगभग $2\sigma$ पर खारिज करता है। यह सुझाव देता है कि इन सेफ़र्ट कोरोना में, जैसे-जैसे स्रोत उज्ज्वल होता है, प्रति इकाई एक्स-रे ल्यूमिनोसिटी न्यूट्रिनो उत्पादन कम कुशल हो जाता है। लेखक सुझाव देते हैं कि यह सघन, चुंबकीय कोरोना में माध्यमिक पायॉन्स/म्यूऑन के सिनक्रोट्रॉन कूलिंग या बेथे-हाइटलर पेयर प्रोडक्शन लॉस के कारण हो सकता है।
मौजूदा प्रोब के साथ निरंतरता: मापा गया $H_0$ , $1\sigma$ के भीतर दोनों Planck CMB मान ( $67.4 \pm 0.5$ ) और SH0ES सेफिड–सुपरनोवा मान ( $73.0 \pm 1.0$ ) के साथ सुसंगत है, हालांकि बड़ी अनिश्चितता इस मापन को वर्तमान में हबल तनाव को हल करने से रोकती है।
व्यवस्थित स्वतंत्रता (Systematic Freedom): यह मापन विद्युत चुम्बकीय प्रसार की व्यवस्थित त्रुटियों (विस्तार, प्रकीर्णन) से मुक्त है। प्राथमिक अनिश्चितताएं न्यूट्रिनो डेटा के प्रति-स्रोत काउंटिंग सांख्यिकी और $L_\nu$ – $L_X$ संबंध के अंतर्निहित बिखराव (जिसे एक्स-रे फ्लक्स अनिश्चितता में समाहित किया गया है) से उत्पन्न होती हैं।

महत्व और दावे
यह शोध पत्र एक नवीन कॉस्मोग्राफिकल प्रोब के रूप में उच्च-ऊर्जा न्यूट्रिनो की व्यवहार्यता को प्रदर्शित करने का दावा करता है। इसका प्राथमिक महत्व एक नए कॉस्मिक डिस्टेंस लैडर के पायदान को स्थापित करना है जहाँ फोटॉन की आवश्यकता केवल स्थानीय एंकर (NGC 1068) पर होती है और प्रेक्षक तक पहुँचने वाले मार्ग पर कभी नहीं होती है। जबकि वर्तमान परिशुद्धता छोटे नमूने के आकार और IceCube के प्रभावी क्षेत्र (effective area) द्वारा सीमित है, लेखक अनुमान लगाते हैं कि आगामी IceCube-Gen2 वेधशाला, जो $\sim 8\times$ अधिक प्रभावी क्षेत्र प्रदान करेगी, $H_0$ पर अनिश्चितता को $\sim 50$ हल किए गए स्रोतों के साथ $\sim 16\text{--}20 \text{ km s}^{-1} \text{ Mpc}^{-1}$ तक कम कर सकती है। यह कार्य स्थापित करता है कि न्यूट्रिनो स्वतंत्र दूरी बाधाएं प्रदान कर सकते हैं जो उन धूल और अवशोषण संबंधी व्यवस्थित त्रुटियों से मुक्त हैं जो सभी वर्तमान दूरी प्रोब को सीमित करती हैं।

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