N-body Simulations of Large-Scale Structure in the Generalized Cubic Covariant Galileon Model

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल, अदृश्य महासागर है। दशकों से, वैज्ञानिक यह समझने की कोशिश कर रहे हैं कि इस महासागर को तेजी से और तेजी से क्यों फैल रहा है। मानक कहानी कहती है कि एक रहस्यमय, अपरिवर्तित "डार्क एनर्जी" (dark energy) सब कुछ दूर धकेल रही है, जैसे ब्रह्मांड के पाल में बहने वाली एक निरंतर हवा। लेकिन हाल ही में, कुछ खगोलविदों ने देखा है कि हवा बिल्कुल स्थिर नहीं हो सकती; यह समय के साथ अपनी गति या दिशा बदल सकती है। इसने नई थ्योरीज़ की खोज को जन्म दिया है, जिसमें एक ऐसी थ्योरी भी शामिल है जो बताती है कि गुरुत्वाकर्षण स्वयं सबसे बड़े पैमानों पर अलग तरह से व्यवहार कर सकता है, जो खेल के नियमों को बदलने वाले एक छिपे हुए हाथ की तरह काम करता है। इन जंगली विचारों का परीक्षण करने के लिए, वैज्ञानिक केवल आकाश को नहीं देख सकते; उन्हें एक सुपरकंप्यूटर के भीतर एक डिजिटल ब्रह्मांड बनाना होगा और देखना होगा कि इन नए नियमों के तहत आकाशगंगाएँ कैसे बनती हैं।

यह शोध पत्र एक ऐसी टीम के बारे में है जिसने इन नए विचारों का परीक्षण करने के लिए ऐसा ही एक डिजिटल ब्रह्मांड बनाया है, जिसे "जनरलाइज्ड क्यूबिक कोवेरियंट गैलिलियन" (Generalized Cubic Covariant Galileon - GCCG) नामक एक विशिष्ट, फैंसी थ्योरी कहा जाता है। इस थ्योरी को एक नए निर्देश सेट के रूप में समझें कि गुरुत्वाकर्षण कैसे काम करता है, जिसमें एक छिपा हुआ "स्केलर फील्ड" (scalar field) शामिल है जो एक भूतिया बल की तरह कार्य करता है, और ब्रह्मांडीय संरचनाओं के निर्माण में थोड़ा अतिरिक्त धक्का जोड़ता है। बड़ा सवाल यह था: यदि यह भूतिया बल मौजूद है, तो यह आकाशगंगाओं और गैलेक्सी क्लस्टर्स के रूप में पदार्थ के इकट्ठा होने के तरीके को कैसे बदलेगा? टीम ने यह देखने के लिए बड़े पैमाने पर कंप्यूटर सिमुलेशन चलाए कि क्या यह नई थ्योरी आज के ब्रह्मांड की व्याख्या कर सकती है, विशेष रूप से यह जांचते हुए कि क्या यह ब्रह्मांड के "कंकाल" (आकाशगंगाओं के जाल) को मानक मॉडल की तुलना में तेजी से या धीरे विकसित करती है।

क्लम्प्स का ब्रह्मांडीय खेल

हमारे ब्रह्मांड की मानक कहानी में, सब कुछ चिकना (smooth) था और फिर गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव में धीरे-धीरे आपस में जुड़ने लगा, जिससे वे तारे, आकाशगंगाएँ और विशाल ब्रह्मांडीय जाल बने जिन्हें हम आज देखते हैं। इस प्रक्रिया को आमतौर पर $\Lambda$CDM मॉडल द्वारा वर्णित किया जाता है, जो यह मानता है कि गुरुत्वाकर्षण ठीक वैसा ही काम करता है जैसा आइंस्टीन ने भविष्यवाणी की थी और डार्क एनर्जी एक सरल, अपरिवर्तित स्थिरांक है। हालाँकि, हालिया अवलोकन बताते हैं कि ब्रह्मांड इस तरह से फैल रहा है जो इस सरल चित्र में पूरी तरह फिट नहीं बैठता।

यहाँ GCCG मॉडल आता है। गुरुत्वाकर्षण को एक ट्रैम्पोलिन (trampoline) के रूप में कल्पना करें। मानक मॉडल में, यदि आप उस पर एक भारी बॉलिंग बॉल (एक आकाशगंगा) रखते हैं, तो ट्रैम्पोलिन सुचारू रूप से झुकता है। GCCG मॉडल सुझाव देता है कि उस ट्रैम्पोलिन के ऊपर रबर की एक अतिरिक्त, अदृश्य परत है जो इसके झुकने के तरीके को बदल देती है, लेकिन केवल कुछ विशेष स्थितियों में। यह अतिरिक्त परत "स्केलर फील्ड" है, और इसके पास एक विशेष चाल है जिसे वेंसटीन स्क्रीनिंग (Vainshtein screening) कहा जाता है।

वेंसटीन स्क्रीनिंग को गुरुत्वाकर्षण के लिए "प्राइवेसी मोड" (privacy mode) की तरह समझें। आकाशगंगाओं के बीच के खाली, शांत स्थानों (कम घनत्व) में, यह अतिरिक्त परत पूरी तरह खुली होती है, और स्केलर फील्ड पदार्थ पर धक्का और खिंचाव डाल सकता है, जिससे गुरुत्वाकर्षण सामान्य से थोड़ा अधिक मजबूत या अलग तरह से कार्य करता है। लेकिन ब्रह्मांड के भीड़भाड़ वाले, शोर वाले शहरों में—जैसे कि विशाल गैलेक्सी क्लस्टर्स के भीतर जहाँ पदार्थ बहुत सघन है—स्केलर फील्ड "छिप" जाता है। यह अपनी अतिरिक्त शक्तियों को बंद कर देता है, जिससे गुरुत्वाकर्षण फिर से मानक आइंस्टीन संस्करण जैसा दिखने लगता है। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि यह थ्योरी को स्थानीय गुरुत्वाकर्षण परीक्षणों को पास करने की अनुमति देता है, जबकि बड़े पैमाने पर ब्रह्मांड के व्यवहार को बदलने की क्षमता भी रखता है।

डिजिटल प्रयोग

यह देखने के लिए कि क्या यह "प्राइवेसी मोड" वाली थ्योरी काम करती है, लेखकों, लुइस अतायडे, नोएमी फ्रुसिआंटे और बाओजीउ ली ने केवल कागज पर गणित नहीं किया; उन्होंने ब्रह्मांड का एक पूर्ण-स्तरीय सिमुलेशन बनाया। उन्होंने ECOSMOG नामक एक सुपरकंप्यूटर कोड का उपयोग किया, जो एक हाई-टेक वीडियो गेम इंजन की तरह है जिसे विशेष रूप से भौतिकी के लिए डिज़ाइन किया गया है। पात्रों के साथ खेलने के बजाय, उन्होंने इंजन को GCCG मॉडल के जटिल, नॉन-लीनियर समीकरणों का पालन करने के लिए प्रोग्राम किया।

उन्होंने अंतरिक्ष का एक क्यूबिक बॉक्स बनाया, जिसकी प्रत्येक भुजा $1024$ इकाइयाँ थी (जहाँ प्रत्येक इकाई एक विशिष्ट खगोलीय दूरी है), और इसे एक अरब से अधिक कणों से भर दिया जो डार्क मैटर का प्रतिनिधित्व करते थे। उन्होंने इस डिजिटल ब्रह्मांड को एक चिकनी शुरुआत से लेकर वर्तमान समय तक विकसित होने दिया, और देखा कि कण कैसे आपस में जुड़ते हैं। यह सुनिश्चित करने के लिए कि उनके परिणाम वास्तविक हैं और केवल उनके नए कोड का कोई संयोग नहीं हैं, उन्होंने एक "कंट्रोल ग्रुप" सिमुलेशन चलाया। इस दूसरे सिमुलेशन ने बिल्कुल समान शुरुआती स्थितियों और विस्तार के इतिहास का उपयोग किया लेकिन बिना किसी अतिरिक्त स्केलर फील्ड के मानक गुरुत्वाकर्षण (जनरल रिलेटिविटी) के नियमों का पालन किया। इसने उन्हें यह अलग करने की अनुमति दी कि GCCG मॉडल वास्तव में क्या अलग कर रहा है।

सिमुलेशन ने क्या दिखाया

परिणाम स्पष्ट और रोमांचक थे। जब उन्होंने दोनों डिजिटल ब्रह्मांडों की तुलना की, तो GCCG नियमों वाले ब्रह्मांड ने मानक वाले की तुलना में थोड़े अधिक "क्लंपी" (clumpy - गुच्छेदार) संरचनाएं बनाईं।

1. धक्के की शक्ति
टीम ने "मैटर पावर स्पेक्ट्रम" (matter power spectrum) को मापा, जो मूल रूप से विभिन्न आकारों पर चीजें कितनी अधिक जुड़ी हुई हैं, इसका एक स्कोरकार्ड है। उन्होंने पाया कि GCCG ब्रह्मांड का स्कोर मानक वाले से अधिक था। वर्तमान समय (रेडशिफ्ट $z=0$) पर, सबसे बड़े पैमाने पर मैटर पावर स्पेक्ट्रम लगभग 5.5% बढ़ गया था। जैसे-जैसे उन्होंने छोटे पैमानों को देखा, जहाँ चिकने से क्लंपी होने का संक्रमण होता है, यह उछाल लगभग 7% तक पहुँच गया।

हालाँकि, "प्राइवेसी मोड" (वेंसटीन स्क्रीनिंग) ने अपना काम किया। जैसे-जैसे उन्होंने और भी छोटे पैमानों (उच्च वेव नंबर) को देखा, अतिरिक्त उछाल कम होने लगा। यह स्केलर फील्ड का घने क्षेत्रों में छिपना है, जिससे गुरुत्वाकर्षण सामान्य होने लगता है। इस गिरावट के बावजूद, $z=0$ पर सबसे छोटे पैमाने पर भी GCCG ब्रह्मांड में क्लम्पिनेस (गुच्छेदार होने) का लगभग 4% का उछाल बना रहा। इसका मतलब है कि अतिरिक्त बल केवल गायब नहीं हुआ; इसने ब्रह्मांड की संरचना पर एक स्थायी निशान छोड़ा।

2. गैलेक्सी की गिनती
टीम ने "हेलोस" (halos) की भी गिनती की—जो डार्क मैटर के अदृश्य बुलबुले हैं जो आकाशगंगाओं को थामे रखते हैं। उन्होंने पाया कि GCCG ब्रह्मांड में अधिक हेलो थे, विशेष रूप से विशाल वाले। $z=0$ पर, सबसे भारी हेलो की संख्या मानक मॉडल की तुलना में 10–15% अधिक थी। यह तर्कसंगत है: यदि बड़े पैमाने पर गुरुत्वाकर्षण थोड़ा अधिक मजबूत है, तो बड़े द्रव्यमान वाले गुच्छों का बनना आसान हो जाता है। यह प्रभाव शुरुआती समय (उच्च रेडशिफ्ट) और छोटे गुच्छों के लिए कम ध्यान देने योग्य था, लेकिन रुझान सुसंगत था: GCCG मॉडल एक "भारी" ब्रह्मांड बनाता है।

3. अनुमानों की जाँच
इन महंगे सिमुलेशन को चलाने से पहले, वैज्ञानिक अक्सर एक शॉर्टकट विधि का उपयोग करते हैं जिसे "हेलो-मॉडल रिएक्शन" कहा जाता है ताकि यह अनुमान लगाया जा सके कि परिणाम क्या होंगे। यह बारिश का इंतज़ार करने के बजाय तूफान की भविष्यवाणी करने के लिए मौसम ऐप का उपयोग करने जैसा है। लेखकों ने अपने सुपरकंप्यूटर परिणामों की इन शॉर्टकट भविष्यवाणियों से तुलना की। उन्होंने पाया कि बड़े पैमाने पर शॉर्टकट काफी अच्छा था, जो संख्याओं को 1% के भीतर सही रखता था। लेकिन जैसे-जैसे उन्होंने गहराई से क्लंपी, नॉन-लीनियर क्षेत्रों को देखा, शॉर्टकट विफल होने लगा, और $z=0$ पर अतिरिक्त क्लम्पिनेस को 5–6% तक कम करके बताया। यह हमें बताता है कि हालांकि शॉर्टकट उपयोगी हैं, वे पूर्ण नहीं हैं, और विवरणों को सही ढंग से प्राप्त करने के लिए हमें वास्तव में इन पूर्ण सिमुलेशन की आवश्यकता है।

बड़ी तस्वीर

यह शोध पत्र यह दावा नहीं करता है कि इसने डार्क एनर्जी के रहस्य को सुलझा लिया है या यह सिद्ध कर दिया है कि GCCG मॉडल ही सही है। इसके बजाय, यह एक विस्तृत, नॉन-लीनियर मानचित्र प्रदान करता है कि ब्रह्मांड कैसा दिखता यदि यह विशिष्ट थ्योरी सच होती। यह दिखाता है कि GCCG मॉडल एक विशिष्ट छाप छोड़ता है: एक ऐसा ब्रह्मांड जो थोड़ा अधिक क्लंपी है, जिसमें अधिक विशाल गैलेक्सी क्लस्टर्स हैं, लेकिन जहाँ अतिरिक्त बल घने क्षेत्रों में चतुराई से छिपे हुए हैं।

लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि ये परिणाम मापदंडों के एक विशिष्ट सेट और एक "डार्क-मैटर-ओनली" सिमुलेशन (यानी उन्होंने गैस और तारों के जटिल भौतिक विज्ञान को अभी तक शामिल नहीं किया है) पर आधारित हैं। हालाँकि, यह कार्य एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर है। यह खगोलविदों को यूक्लिड (Euclid) और वेरा सी. रुबिन ऑब्जर्वेटरी जैसे आगामी सर्वेक्षणों में क्या देखना है, इसके लिए अपेक्षाओं का एक नया सेट देता है। यदि भविष्य के अवलोकन वास्तविक ब्रह्मांड में क्लम्पिनेस के ठीक उसी तरह 7% बढ़े हुए रूप में दिखाई देते हैं जैसा कि ये सिमुलेशन भविष्यवाणी करते हैं, तो यह एक संकेत हो सकता है कि हमें अपने गुरुत्वाकर्षण की समझ को एक गंभीर अपग्रेड की आवश्यकता है। फिलहाल, डिजिटल ब्रह्मांड ने अपनी बात कह दी है, और यह सुझाव देता है कि गुरुत्वाकर्षण के नियम हमारी सोच से कहीं अधिक लचीले हो सकते हैं।