Observational Manifestations of Primordial Objects in the Early Universe Through the Hydrogen Subordinate Lines

ब्रह्मांड के सबसे शुरुआती क्षणों में यह कैसा था, इसे समझने के लिए खगोलविदों को एक गहन चुनौती का सामना करना पड़ता है: वह काल जिसे "डार्क एजेस" (Dark Ages) या अंधकार युग कहा जाता है। यह युग बिग बैंग के कुछ समय बाद शुरू हुआ, जब ब्रह्मांड इतना ठंडा हो गया था कि हाइड्रोजन परमाणु बन सकें, लेकिन इससे पहले कि पहले तारे और आकाशगंगाएँ ब्रह्मांड को रोशन करने के लिए प्रज्वलित होतीं। इस दौरान, ब्रह्मांड तटस्थ हाइड्रोजन गैस के एक विशाल, अंधेरे समुद्र से भरा हुआ था, जो बिग बैंग की अपनी मंद, ठंडी होती अवशेष चमक (afterglow) से व्याप्त था, जिसे कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड (cosmic microwave background) के रूप में जाना जाता है। चूंकि इस गैस को रोशन करने के लिए कोई चमकदार तारे नहीं थे, और क्योंकि उस दूरस्थ युग का प्रकाश ऐसे तरंग दैर्ध्य (wavelengths) में खिंच गया है जो ऑप्टिकल दूरबीनों के लिए अदृश्य है, यह युग काफी हद तक प्रत्यक्ष दृष्टि से छिपा रहा है। वैज्ञानिकों ने लंबे समय से इस अंधकार में झांकने का तरीका खोजने की आशा की है, न कि उन वस्तुओं को सीधे देखने के माध्यम से, बल्कि इस माध्यम से कि वे आसपास की गैस और उस प्राचीन प्रकाश को कैसे बाधित करती हैं जो इसके माध्यम से गुजर रहा है।

एक नए अध्ययन में, शोधकर्ता इस प्राचीन युग की विशाल, अदृश्य वस्तुओं का पता लगाने के लिए एक विशिष्ट विधि प्रस्तावित करते हैं, जो कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड पर उनके द्वारा डाली गई सूक्ष्म छायाओं को देखने पर आधारित है। टीम का सुझाव है कि यदि इस डार्क एज के दौरान विशाल प्रिमॉर्डियल ब्लैक होल्स (primordial black holes) या इसी तरह की विलक्षण वस्तुएं मौजूद थीं, तो वे ऐसी विकिरण उत्सर्जित करेंगी जो उनके निकटवर्ती हाइड्रोजन परमाणुओं को उत्तेजित (excite) करने में सक्षम होगी। यह उत्तेजना हाइड्रोजन परमाणुओं को पृष्ठभूमि विकिरण के विशिष्ट आवृत्तियों (frequencies) को अवशोषित करने के लिए प्रेरित करेगी, जिससे एक विशिष्ट, वलय-नुमा (ring-like) अवशोषण पैटर्न बनेगा जिसे आधुनिक रेडियो दूरबीनों द्वारा पकड़ा जा सकता है। वस्तु को सीधे देखने के बजाय, खगोलविद एक "फ्रौनहोफर-सदृश" (Fraunhofer-like) अवशोषण स्पेक्ट्रम देखेंगे—रेडियो आकाश में एक गहरा वलय—जो एक विशाल, छिपी हुई इकाई की उपस्थिति को प्रकट करेगा जो अब तक अदृश्य रही है।

शोधकर्ता ब्रह्मांड के इतिहास के एक विशिष्ट समय अंतराल पर ध्यान केंद्रित करते हैं, जो लगभग वर्तमान ब्रह्मांड की आयु के 100 और 1,000 गुना के बीच का समय है, एक ऐसा काल जब पहली विशाल संरचनाएं बनना शुरू हो रही थीं। ब्रह्मांड विज्ञान के मानक मॉडल में, इस समय के दौरान ब्रह्मांड गैस का एक समान, अंधेरा कोहरा था। हालांकि, यदि इस कोहरे के भीतर कोई विशाल वस्तु, जैसे कि प्रिमॉर्डियल ब्लैक होल मौजूद था, तो वह ऊर्जा के एक शक्तिशाली स्रोत के रूप में कार्य करता। जैसे ही पदार्थ ऐसी किसी वस्तु की ओर गिरता, वह गर्म हो जाता और विकिरण उत्सर्जित करता, जिसमें पराबैंगनी (ultraviolet) प्रकाश भी शामिल होता। यह प्रकाश बाहर की ओर यात्रा करता, आसपास के हाइड्रोजन परमाणुओं से टकराता।

सामान्यतः, प्रारंभिक ब्रह्मांड में हाइड्रोजन परमाणु अपनी निम्नतम ऊर्जा अवस्था, या ग्राउंड स्टेट (ground state) में रहते, क्योंकि ब्रह्मांड का पृष्ठभूमि विकिरण इतना कमजोर था कि वह उन्हें उच्च ऊर्जा स्तरों तक नहीं धकेल सके। शोधकर्ताओं का कहना है कि एक विशाल वस्तु से निकलने वाला विकिरण, हालांकि, इन परमाणुओं की एक महत्वपूर्ण संख्या को उच्च, "उपरिवर्ती" (subordinate) ऊर्जा स्तरों में पंप करने के लिए पर्याप्त मजबूत होगा। यह प्रक्रिया इस तरह के समान है जैसे एक विशिष्ट प्रकार का प्रकाश कुछ सामग्रियों को चमका सकता है, लेकिन इस मामले में, इसका प्रभाव उन उत्तेजित परमाणुओं की एक आबादी बनाना है जो अन्यथा इतनी संख्या में मौजूद नहीं होते।

एक बार जब ये परमाणु उत्तेजित हो जाते हैं, तो वे कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड के साथ एक अनूठे तरीके से परस्पर क्रिया करते हैं। क्योंकि वस्तु के आसपास की गैस स्वयं पृष्ठभूमि विकिरण की तुलना में थोड़ी ठंडी है, इसलिए उत्तेजित हाइड्रोजन परमाणु एक फिल्टर के रूप में कार्य करते हैं। वे पृष्ठभूमि विकिरण के गुजरने पर उसकी विशिष्ट आवृत्तियों को अवशोषित करते हैं। यह वस्तु के चारों ओर गैस के बादल के माध्यम से गुजरने वाले कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड में एक छाया, या एक अवशोषण रेखा (absorption line) बनाता है। शोधकर्ता इसे "फ्रौनहोफर-सदृश" अवशोषण के रूप में वर्णित करते हैं, जो सूर्य के स्पेक्ट्रम में देखी जाने वाली गहरी रेखाओं से लिया गया एक शब्द है, जो ठंडी गैसों द्वारा प्रकाश के विशिष्ट रंगों को अवशोषित करने के कारण होती हैं। इस ब्रह्मांडीय परिदृश्य में, "सूर्य" संपूर्ण पृष्ठभूमि का ब्रह्मांड है, और "ठंडी गैस" छिपी हुई विशाल वस्तु के चारों ओर का बादल है।

अध्ययन यह पहचान करता है कि ये अवशोषण विशेषताएं रेडियो इलेक्ट्रोमैग्नेटिक स्पेक्ट्रम के भाग में दिखाई देंगी। यह एक महत्वपूर्ण विवरण है क्योंकि, ब्रह्मांड के विस्तार के कारण प्रारंभिक ब्रह्मांड से आने वाला प्रकाश खिंच गया है, फिर भी हाइड्रोजन के इन उच्च ऊर्जा स्तरों के बीच के विशिष्ट संक्रमण (transitions) ऐसी आवृत्ति सीमा में आते हैं जिसे आधुनिक रेडियो दूरबीनें पकड़ सकती हैं। शोधकर्ता बताते हैं कि ये संकेत आकाश में गोलाकार या वलय-नुमा आकृतियों के रूप में दिखाई देंगे, जो विशाल वस्तु के स्थान पर केंद्रित होंगे। इन वलयों का आकार उस दूरी से निर्धारित होगा जहाँ तक वस्तु का विकिरण यात्रा कर सकता है इससे पहले कि गैस इतनी विरल हो जाए कि वह परस्पर क्रिया कर सके, एक ऐसा क्षेत्र जो दस हजार प्रकाश वर्ष तक फैला हो सकता है।

लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि यह पद्धति उन वस्तुओं का पता लगाने का एक तरीका प्रदान करती है जिन्हें अन्यथा देखना असंभव है। पारंपरिक दूरबीनें उन वस्तुओं को नहीं देख सकतीं क्योंकि वे बहुत दूर और बहुत धुंधली हैं, और उनसे निकलने वाला प्रकाश ऐसे तरंग दैर्ध्य में स्थानांतरित हो गया है जो पृथ्वी के वायुमंडल द्वारा अवरुद्ध है या जो पता लगाने के लिए बहुत कमजोर है। हालांकि, इन वस्तुओं द्वारा डाली गई छाया को देखकर, खगोलविद उनकी उपस्थिति का अनुमान लगा सकते हैं। शोधकर्ता गणना करते हैं कि इस अवशोषण छाया की गहराई स्क्वेयर किलोमीटर ऐरे (Square Kilometre Array) या अपग्रेड किए गए जायंट मेट्रवेव रेडियो टेलीस्कोप (Giant Metrewave Radio Telescope) जैसे नियोजित बड़े पैमाने के रेडियो दूरबीनों द्वारा पता लगाने के लिए पर्याप्त महत्वपूर्ण होगी।

पत्र इन डिटेक्शन (पता लगाने) के संभावित अवरोधों को भी संबोधित करता है। एक चिंता यह है कि क्या विकिरण द्वारा इन वस्तुओं के आसपास की गैस बहुत अधिक गर्म हो जाएगी, जिससे गैस और पृष्ठभूमि विकिरण के बीच का अंतर कम हो जाएगा। शोधकर्ता दिखाते हैं कि जिन रेडशिफ्ट्स (redshifts) पर वे विचार कर रहे हैं, वहां गैस पृष्ठभूमि विकिरण के सापेक्ष इतनी ठंडी रहती है कि अवशोषण प्रभाव मजबूत बना रहे। वे अन्य प्रतिस्पर्धी संकेतों को भी खारिज करते हैं, जैसे कि थर्मल सुनियायेव-ज़ेल्दोविच प्रभाव (thermal Sunyaev-Zel'dovich effect) या फ्री-फ्री उत्सर्जन (free-free emission), यह दिखाते हुए कि वे उस अवशोषण सिग्नल को ढकने के लिए बहुत कमजोर होंगे जिसे वे खोज रहे हैं।

अध्ययन बताता है कि यदि ऐसे विशाल प्रिमॉर्डियल ऑब्जेक्ट्स मौजूद हैं, तो वे ब्रह्मांड पर एक विशिष्ट छाप छोड़ेंगे जिसे हम अब खोजने की आशा कर सकते हैं। शोधकर्ता अभी इन वस्तुओं को खोजने का दावा नहीं कर रहे हैं, बल्कि वे यह देखने के लिए एक ठोस रोडमैप प्रदान करते हैं कि उन्हें कैसे खोजा जाए। वे तर्क देते हैं कि इस प्रभाव के घटित होने के लिए आवश्यक स्थितियां प्रशंसनीय हैं, भले ही वे वस्तुएं दुर्लभ और विलक्षण हों। ऐसे पिंडों का अस्तित्व प्रारंभिक ब्रह्मांड में विशाल ब्लैक होल्स के निर्माण के बारे में प्रत्यक्ष प्रमाण प्रदान करेगा, जो ब्रह्मांड विज्ञान के महान रहस्यों में से एक बना हुआ है।

लेखक नोट करते हैं कि इन संकेतों का पता लगाना एक बड़ी सफलता होगी, जो "डार्क एजेस" की एक ऐसी झलक प्रदान करेगा जो पहले कभी संभव नहीं थी। यह वैज्ञानिकों को यह परीक्षण करने की अनुमति देगा कि ब्रह्मांड की पहली संरचनाएं कैसे बनीं और क्या प्रिमॉर्डियल ब्लैक होल्स ने उस प्रक्रिया में भूमिका निभाई थी। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि यह प्रभाव वर्तमान और भविष्य की तकनीक की पहुंच के भीतर है, बशर्ते खगोलविदों को पता हो कि वास्तव में क्या देखना है। इन विशिष्ट आवृत्तियों के लिए अपनी रेडियो दूरबीनों को ट्यून करके जहाँ ये अवशोषण रेखाएं दिखाई देनी चाहिए, और आकाश में विशिष्ट वलय-नुमा छायाओं को स्कैन करके, वैज्ञानिक समुदाय जल्द ही हमारे ब्रह्मांडीय इतिहास के सबसे अंधेरे कोनों को रोशन करने में सक्षम हो सकता है।

यह दृष्टिकोण इस बात का प्रतिनिधित्व करता है कि कैसे खगोलविद प्रारंभिक ब्रह्मांड की खोज कर सकते हैं। पहले सितारों या आकाशगंगाओं के धुंधले प्रकाश को देखने के बजाय, वे प्रकाश की अनुपस्थिति को एक बहुत ही विशिष्ट पैटर्न में देखने का प्रस्ताव करते हैं। यह एक ऐसी विधि है जो पूरे कॉस्मिक बैकग्राउंड को एक स्क्रीन में बदल देती है, जिसके विरुद्ध ब्रह्मांड की पहली विशाल वस्तुओं की छायाओं को प्रक्षेपित किया जा सकता है। यदि सफल हुआ, तो यह तकनीक उन वस्तुओं की आबादी को प्रकट कर सकती है जो अब तक आंखों के सामने छिपी हुई थीं, केवल सही प्रकार के अवलोकन की प्रतीक्षा कर रही थीं ताकि उन्हें फोकस में लाया जा सके। शोधकर्ताओं ने भौतिक तंत्र, अपेक्षित संकेत और उन्हें खोजने के लिए आवश्यक उपकरणों को व्यवस्थित किया है, जिससे एक सैद्धांतिक संभावना को अगली पीढ़ी की खगोलीय खोज के लिए एक मूर्त लक्ष्य में बदल दिया गया है।