Investigating The Effects of Early Dark Energy on Large-scale Structure Within the EDENS Suite

ब्रह्मांड फैल रहा है, और दशकों से, खगोलशास्त्री इस बारे में एक उल्लेखनीय रूप से सुसंगत कहानी सुनाते रहे हैं कि इसकी शुरुआत कैसे हुई, यह कैसे विकसित हुआ और यह किससे बना है। यह कहानी, जिसे ब्रह्मांड विज्ञान का मानक मॉडल (standard model of cosmology) कहा जाता है, कुछ प्रमुख तत्वों पर आधारित है: सामान्य पदार्थ, अदृश्य डार्क मैटर जो आकाशगंगाओं को थामे रखता है, और डार्क एनर्जी नामक एक रहस्यमय बल जो ब्रह्मांड को दूर धकेल रहा है। लंबे समय तक, यह मॉडल डेटा के साथ पूरी तरह फिट बैठता रहा। हालांकि, एक परेशान करने वाली विसंगति उभर कर आई है। जब वैज्ञानिक पास के तारों और सुपरनोवा का उपयोग करके आज ब्रह्मांड कितनी तेजी से फैल रहा है, इसका मापन करते हैं, तो उन्हें एक संख्या मिलती है। जब वे बिग बैंग की गूँज (afterglow) का उपयोग करके बहुत शुरुआती ब्रह्मांड को देखते हैं, तो उन्हें एक अलग, धीमी संख्या मिलती है। यह अंतर, जिसे हबल टेंशन (Hubble Tension) कहा जाता है, यह सुझाव देता है कि हमारी वर्तमान कहानी में शायद एक अध्याय छूट गया है। इस कहानी में एक प्रस्तावित जोड़ "अर्ली डार्क एनर्जी" (Early Dark Energy) है, एक सिद्धांत जो बताता है कि ब्रह्मांड के पहले क्षणों में डार्क एनर्जी का एक संक्षिप्त विस्फोट हुआ था जो बाद में फीका पड़ गया, जो विस्तार दर को ठीक इतना बदल सकता है कि इस संघर्ष को सुलझाया जा सके।

इस विचार की जांच करने के लिए कि क्या यह धारणा सही है, अर्गोन नेशनल लेबोरेटरी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने बड़े पैमाने पर कंप्यूटर सिमुलेशन चलाए ताकि यह देखा जा सके कि ऐसा ऊर्जा विस्फोट ब्रह्मांड के स्वरूप को कैसे बदल देगा। उन्होंने दो आभासी ब्रह्मांड बनाए: एक जो मानक नियमों का पालन करता है, और दूसरा जिसमें इस प्रारंभिक ऊर्जा का विस्फोट शामिल है। इसके बाद उन्होंने देखा कि कैसे गुरुत्वाकर्षण ने आकाशगंगाओं और क्लस्टरों के विशाल कॉस्मिक वेब को बनाने के लिए पदार्थ को एक साथ खींचा। शोधकर्ताओं ने पाया कि दोनों संस्करण बिल्कुल एक जैसे नहीं थे। प्रारंभिक ऊर्जा वाले विस्फोट वाले संस्करण ने अधिक विशाल आकाशगंगा समूहों (galaxy clusters) का निर्माण किया और आकाशगंगाओं के बीच के स्थान के पैटर्न को थोड़ा अलग बना दिया। ये अंतर, हालांकि सूक्ष्म हैं, इतने बड़े हैं कि भविष्य के टेलीस्कोप इन्हें देख पाने में सक्षम हो सकते हैं, जिससे यह तय करने का मार्ग मिलेगा कि क्या मानक मॉडल को एक अतिरिक्त घटक की आवश्यकता है या तनाव किसी और चीज़ के कारण है।

शोधकर्ताओं ने, जिनका नेतृत्व सोफी हॉजडन और उनके सहयोगियों ने किया, इन विचारों का पता लगाने के लिए EDENS नामक एक शक्तिशाली सिमुलेशन सूट का उपयोग किया। उन्होंने केवल गणित नहीं देखा; उन्होंने विस्तृत, त्रि-आयामी मानचित्र बनाए कि कैसे अरबों वर्षों में पदार्थ कैसे गुच्छों में बंधता है। अपने आभासी संसारों में, उन्होंने पदार्थ के एक सुचारू वितरण के साथ शुरुआत की और गुरुत्वाकर्षण को अपना काम करने दिया, और डार्क मैटर के 'हेलो' (halos) के निर्माण को ट्रैक किया—जो आकाशगंगाओं के लिए मचान (scaffolding) के रूप में कार्य करते हैं। मानक ब्रह्मांड की तुलना डार्क एनर्जी वाले ब्रह्मांड से करके, वे विशिष्ट विशेषताओं को माप सके, जैसे कि कितने गैलेक्सी क्लस्टर बने और उनमें पदार्थ कितनी सघनता से भरा था। उन्होंने अपने आभासी ब्रह्मांडों को कृत्रिम आकाशगंगाओं से भी भरा, उन्हें डार्क मैटर हेलो के भीतर ठीक वैसे ही रखा जैसे वे वास्तविक आकाश में दिखाई देते हैं, ताकि यह देखा जा सके कि क्या प्रकाश का वितरण छिपे हुए अंतरों को प्रकट करेगा।

परिणामों ने दिखाया कि अर्ली डार्क एनर्जी वाला ब्रह्मांड कई प्रमुख तरीकों से अलग व्यवहार करता है। इस परिदृश्य में, ब्रह्मांड ने मानक मॉडल की तुलना में अधिक विशाल गैलेक्सी क्लस्टर बनाए। विशेष रूप से, वर्तमान समय में इन भारी क्लस्टरों की संख्या लगभग बारह प्रतिशत अधिक थी और जब हम एक ऐसे समय में पीछे देखते हैं जब ब्रह्मांड छोटा था, तो यह अठारह प्रतिशत अधिक हो गई थी। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि ऊर्जा का प्रारंभिक विस्फोट प्रारंभिक ब्रह्मांड की स्थितियों को बदल देता है, जिससे बाद में गुरुत्वाकर्षण का खिंचाव थोड़ा मजबूत हो जाता है, जो पदार्थ को अधिक कुशलता से एकत्र होने के लिए प्रोत्साहित करता है। शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि इन क्लस्टरों के भीतर पदार्थ कितनी सघनता से भरा था। जबकि अर्ली डार्क एनर्जी वाले ब्रह्मांड में क्लस्टर आम तौर पर अधिक केंद्रित थे, लेकिन यह अंतर छोटा था और सबसे विशाल क्लस्टरों में इसे पहचानना कठिन हो गया, जिससे पता चलता है कि यह विशिष्ट विशेषता दोनों मॉडलों के बीच अंतर करने का सबसे अच्छा तरीका नहीं हो सकती है।

शायद सबसे स्पष्ट अंतर तब दिखाई दिए जब शोधकर्ताओं ने ब्रह्मांड के बड़े पैमाने के पैटर्न को देखा। उन्होंने "पावर स्पेक्ट्रम" (power spectrum) को मापा, जो अनिवार्य रूप से एक मानचित्र है कि विभिन्न दूरियों पर कितना पदार्थ मौजूद है। मानक मॉडल में, इस मानचित्र के शिखर (peaks) और घाटियाँ (valleys) एक अनुमानित लय का पालन करती हैं। अर्ली डार्क एनर्जी मॉडल में, यह लय थोड़ी बदल गई, विशेष रूप से उस पैमाने पर जहाँ प्रारंभिक ब्रह्मांड से आने वाली ध्वनि तरंगों की छाप सबसे स्पष्ट होती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि दोहराए जाने वाले इन पैटर्न के बीच की दूरी थोड़ी अलग थी, जिससे शिखर एक छोटे लेकिन मापने योग्य मात्रा में खिसक गए। यह बदलाव महत्वपूर्ण है क्योंकि यह एक संभावित 'फिंगरप्रिंट' प्रदान करता है जिसे भविष्य के सर्वेक्षण, जैसे कि यूक्लिड (Euclid) और रुबिन (Rubin) वेधशालाओं द्वारा नियोजित किए जा रहे हैं, इस सिद्धांत का परीक्षण करने के लिए उपयोग कर सकते हैं।

अपने निष्कर्षों को खगोलविदों के लिए अधिक प्रासंगिक बनाने के लिए, टीम ने अपनी सिमुलेशन को आभासी आकाशगंगाओं से भरा, विशेष रूप से एक विशिष्ट प्रकार की आकाशगंगाओं पर ध्यान केंद्रित किया जिन्हें 'ल्यूमिनस रेड गैलेक्सी' (luminous red galaxies) कहा जाता है। ये चमकीले, पुराने तारे हैं जिन्हें पहचानना आसान है और वे ब्रह्मांड की अंतर्निहित संरचना के लिए उत्कृष्ट मार्कर के रूप में कार्य करते हैं। जब उन्होंने इन आभासी आकाशगंगाओं की गिनती की, तो उन्होंने पाया कि अर्ली डार्क एनर्जी वाले ब्रह्मांड ने मानक मॉडल की तुलना में लगभग इक्कीस प्रतिशत अधिक उत्पादित कीं। यह वृद्धि यादृच्छिक नहीं थी; यह सीधे तौर पर इस परिणाम का हिस्सा थी कि ब्रह्मांड ने उन्हें होस्ट करने के लिए अधिक विशाल हेलो बनाए। जिस तरह से ये आकाशगंगाएँ एक साथ क्लस्टर में थीं, वह भी एक स्पष्ट अंतर दिखाता था। उनके स्थानों के बीच का सहसंबंध (correlation), जो यह बताता है कि उनके एक-दूसरे के करीब पाए जाने की कितनी संभावना है, अर्ली डार्क एनर्जी मॉडल में थोड़ा कमजोर था, और इस क्लस्टरिंग पैटर्न का शिखर थोड़े कम दूरी पर खिसक गया था।

यह अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि इसने हबल टेंशन को हल कर लिया है, न ही यह सिद्ध करता है कि अर्ली डार्क एनर्जी ही सही उत्तर है। इसके बजाय, यह महत्वपूर्ण भविष्यवाणियां प्रदान करता है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि यदि अर्ली डार्क एनर्जी मौजूद है, तो यह ब्रह्मांड की बड़े पैमाने की संरचना पर एक विशिष्ट हस्ताक्षर छोड़ती है: अधिक विशाल क्लस्टर, आकाशगंगाओं का अलग वितरण, और ब्रह्मांडीय लय में एक सूक्ष्म बदलाव। ये अंतर छोटे हैं, अक्सर पाँच प्रतिशत के आसपास घूमते हैं, जिसका अर्थ है कि उन्हें पहचानने के लिए अत्यंत सटीक माप की आवश्यकता है। हालांकि, तथ्य यह है कि मॉडल इन विशिष्ट तरीकों से अलग होते हैं, वैज्ञानिकों को एक स्पष्ट लक्ष्य देता है। यदि वास्तविक ब्रह्मांड के अवलोकन उन पैटर्नों से मेल खाते हैं जो अर्ली डार्क एनर्जी सिमुलेशन में पाए गए हैं, तो यह दृढ़ता से संकेत देगा कि हमारे ब्रह्मांड के अध्ययन की आवश्यकता को अपडेट करने की जरूरत है। यदि वास्तविक ब्रह्मांड मानक मॉडल से मेल खाता है, तो अर्ली डार्क एनर्जी सिद्धांत को संभवतः खारिज कर दिया जाएगा।

अंततः, यह कार्य सिद्धांत और अवलोकन के बीच एक सेतु के रूप में कार्य करता है। इन जटिल सिमुलेशन को चलाकर, टीम ने एक संदर्भ पुस्तकालय बनाया है कि अलग-अलग नियमों के तहत ब्रह्मांड कैसा दिखना चाहिए। उन्होंने दिखाया है कि मानक मॉडल और अर्ली डार्क एनर्जी मॉडल के बीच के अंतर वास्तविक और मापने योग्य हैं, भले ही वे सूक्ष्म हों। जैसे-जैसे आकाश को स्कैन करने वाले टेलीस्कोपों से नया डेटा प्राप्त होता है, वैज्ञानिक वास्तविक कॉस्मिक वेब की तुलना इन आभासी संस्करणों से कर सकेंगे। यदि वास्तविक ब्रह्मांड उस संस्करण के साथ संरेखित होता है जिसमें ऊर्जा का प्रारंभिक विस्फोट शामिल है, तो यह विस्तार दर पर लंबे समय से चले आ रहे तनाव को सुलझा देगा और ब्रह्मांड के बारे में हमारी समझ में एक नया अध्याय खोलेगा। यदि नहीं, तो मानक मॉडल खड़ा रहेगा, लेकिन डार्क एनर्जी की वास्तविक प्रकृति की खोज जारी रहेगी।