Testing MOND-like modifications to gravity using growth-rate measurements and one-loop corrections to the matter power spectrum

द दशकों से, ब्रह्मांड के बारे में हमारे पास बताने वाली सबसे सफल कहानी एक छिपे हुए घटक पर निर्भर करती है। खगोलशास्त्री देखते हैं कि आकाशगंगाओं के बाहरी क्षेत्रों में तारे उन सितारों की तुलना में बहुत तेज़ी से घूमते हैं जितना कि उन्हें दृश्य पदार्थ (visible matter) के खिंचाव के आधार पर घूमना चाहिए। गणित को सही साबित करने के लिए, ब्रह्मांड विज्ञान का मानक मॉडल, जिसे लैम्ब्डा कोल्ड डार्क मैटर (Lambda Cold Dark Matter) के रूप में जाना जाता है, यह प्रस्तावित करता है कि अदृश्य डार्क मैटर ब्रह्मांड को भरता है, जो इन आकाशगंगाओं को एक साथ थामे रखने के लिए आवश्यक अतिरिक्त गुरुत्वाकर्षण प्रदान करता है। इस मॉडल ने अनगिनत परीक्षणों को सफलतापूर्वक पार किया है, फिर भी यह बढ़ते दबाव का सामना कर रहा है। ब्रह्मांड कितनी तेज़ी से फैल रहा है और पदार्थ कितनी सघनता से आपस में जुड़ रहा है, इसके हालिया माप मॉडल के अनुमानों से असहमति दिखाने लगे हैं, जो एक ऐसा तनाव पैदा करता है जो यह संकेत देता है कि गुरुत्वाकर्षण या ब्रह्मांड की सामग्री के बारे में हमारी समझ अधूरी हो सकती है।

इन विसंगतियों के बीच, कुछ वैज्ञानिक मॉडिफाइड न्यूटोनियन डायनेमिक्स (Modified Newtonian Dynamics - MOND) नामक एक वैकल्पिक विचार पर फिर से विचार कर रहे हैं। अदृश्य पदार्थ जोड़ने के बजाय, यह सिद्धांत सुझाव देता है कि गुरुत्वाकर्षण के नियम स्वयं बदल जाते हैं जब खिंचाव बहुत कमजोर हो जाता है, जैसे कि तारों के बीच के विशाल, खाली स्थानों में। जबकि यह दृष्टिकोण व्यक्तिगत आकाशगंगाओं की गति की उल्लेखनीय रूप से व्याख्या करता है, यह ऐतिहासिक रूप से पूरे ब्रह्मांड के व्यवहार को समझाने में संघर्ष करता आया है, विशेष रूपकर यह कि अरबों वर्षों में आकाशगंगा समूहों जैसी बड़ी संरचनाएं कैसे बनीं। बड़ा सवाल यह रहा है कि क्या गुरुत्वाकर्षण का एक संशोधित संस्करण आधुनिक ब्रह्मांड विज्ञान के कठोर परीक्षणों में जीवित रह सकता है, या क्या डार्क मैटर का मानक मॉडल ही एकमात्र व्यवहार्य विकल्प बना हुआ है।

ब्राजील के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस समस्या पर एक नया दृष्टिकोण अपनाते हुए एक नया गणितीय ढांचा तैयार किया है ताकि ब्रह्मांड के नवीनतम डेटा के विरुद्ध MOND जैसे सिद्धांतों का परीक्षण किया जा सके। मानक मॉडल को पूरी तरह से बदलने के बजाय, उन्होंने एक अधिक विशिष्ट प्रश्न पूछा: क्या मानक मॉडल के ऊपर गुरुत्वाकर्षण के काम करने के तरीके में एक मामूली संशोधन, पदार्थ के आपस में जुड़ने के तरीके को बेहतर ढंग से समझा सकता है? उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार के संशोधन पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ गुरुत्वाकर्षण की शक्ति शामिल वस्तुओं के त्वरण (acceleration) पर निर्भर करती है। इस परिदृश्य में, गुरुत्वाकर्षण सामान्य व्यवहार करता है जब चीजें तेज़ी से त्वरित होती हैं, लेकिन जब त्वरण एक बहुत ही विशिष्ट, सूक्ष्म सीमा से नीचे गिर जाता है, तो यह एक अलग मोड में बदल जाता है।

इसकी जांच करने के लिए, शोधकर्ताओं ने यह ट्रैक करने का एक तरीका विकसित किया कि प्रारंभिक ब्रह्मांड के घनत्व में होने वाली सूक्ष्म लहरें आज दिखने वाली विशाल संरचनाओं में कैसे विकसित हुईं। उन्होंने समीकरणों का एक सेट बनाया जो इन लहरों के विकास का वर्णन करते हैं, यह ध्यान में रखते हुए कि उनके संशोधित सिद्धांत में, गुरुत्वाकर्षण मानक भौतिकी की तरह समान रूप से नहीं खींचता है। उन्होंने अपने विश्लेषण को केवल सरल, सुचारू विकास से आगे बढ़ाकर उस जटिल क्षेत्र में पहुँचाया जहाँ संरचनाएं आपस में टकराने लगती हैं और समूहों का निर्माण करती हैं। इसके लिए उन्हें पदार्थ की विभिन्न तरंगों के बीच सूक्ष्म अंतःक्रियाओं की गणना करने की आवश्यकता थी, एक ऐसी प्रक्रिया जो प्रकट करती है कि संशोधित गुरुत्वाकर्षण आकाशगंगाओं के वितरण पर एक अनूठा प्रभाव (fingerprint) कैसे छोड़ेगा।

इसके बाद टीम ने अपने सिद्धांत को नवीनतम और सबसे सटीक उपलब्ध अवलोकनों का उपयोग करके परीक्षण में डाला। उन्होंने अपने भविष्यवाणियों की तुलना आकाशगंगा समूहों के बढ़ने की दर के मापों, डार्क एनर्जी स्पेक्ट्रोस्कोपिक इंस्ट्रूमेंट द्वारा मैप की गई आकाशगंगाओं के वितरण के डेटा, और टाइप Ia सुपरनोवा के रूप में ज्ञात दूरस्थ विस्फोटित तारों के अवलोकनों से की। ये डेटासेट एक ब्रह्मांडीय पैमाने (ruler) और घड़ी के रूप में कार्य करते हैं, जिससे वैज्ञानिक ब्रह्मांड के विस्तार के इतिहास और पदार्थ के एकत्र होने की दर को माप सकते हैं। अपने संशोधित गुरुत्वाकर्षण मॉडल को इस प्रचुर डेटा के विरुद्ध चलाकर, वे देख सके कि क्या ब्रह्मांड मानक मॉडल की तुलना में भिन्न दिखता है।

परिणाम स्पष्ट थे: डेटा ने $\Lambda$CDM ब्रह्मांड विज्ञान से विचलन के लिए कोई सांख्यिकीय रूप से महत्वपूर्ण साक्ष्य नहीं दिखाया। हालाँकि, संशोधित मॉडल पूरी तरह से विफल नहीं हुआ; इसने सभी परीक्षण किए गए मामलों में, मानक मॉडल की तुलना में एक हल्का, हालांकि सांख्यिकीय रूप से महत्वपूर्ण नहीं, बल्कि बेहतर प्रदर्शन दिखाया, जो एक मामूली सुधार प्रदान करता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि संशोधित गुरुत्वाकर्षण की ताकत को नियंत्रित करने वाले पैरामीटर मानक मॉडल के अनुरूप थे, जिसका अर्थ है कि ब्रह्मांड बिल्कुल वैसा ही व्यवहार करता है जैसे कि वर्तमान अवलोकन संबंधी अनिश्चितताओं के भीतर कोई संशोधन नहीं लिया जा रहा है। जबकि संशोधित मॉडल ने सांख्यिकीय रूप से थोड़ा लाभ दिया, मानक मॉडल डेटा के साथ पूरी तरह से सुसंगत बना हुआ है, जो यह सुझाव देता है कि रहस्यमय डार्क मैटर घटक हमारे द्वारा देखे गए ब्रह्मांडीय ढांचे के लिए सबसे मजबूत स्पष्टीकरण बना हुआ है, हालांकि संशोधित सिद्धांत एक व्यवहार्य विकल्प बना हुआ है।

हालाँकि, अध्ययन ने यह भी उजागर किया कि ये सिद्धांत कहाँ निशान छोड़ सकते हैं। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि जहाँ इन मॉडलों के बीच के अंतर ब्रह्मांड के सबसे बड़े, चिकने पैमानों पर अदृश्य हैं, वहीं वे छोटे, अधिक भीड़भाड़ वाले पैमानों पर स्पष्ट हो सकते हैं जहाँ आकाशगंगाएँ घनी रूप से क्लस्टर बनाती हैं। इन गैर-रैखिक (nonlinear) क्षेत्रों में, संशोधित गुरुत्वाकर्षण सिद्धांत पदार्थ के वितरण में एक थोड़ा अलग पैटर्न की भविष्यवाणी करता है—एक सूक्ष्म संकेत जिसे वर्तमान टेलीस्कोप अभी तक पकड़ने के लिए पर्याप्त सटीक नहीं हो सकते हैं। यह सुझाव देता है कि अगली पीढ़ी के उच्च-परिशुद्धता सर्वेक्षण, जो ब्रह्मांड का अभूतपूर्व विवरण के साथ मानचित्रण करेंगे, अंततः इन गैर-रैखिक पैमानों की जांच कर सकते हैं और या तो इन संशोधित सिद्धांतों को पूरी तरह से खारिज कर सकते हैं या उस धुंधले साक्ष्य को खोज सकते हैं जो अब तक बच निकला है।

अंततः, यह कार्य आइंस्टीन के सामान्य सापेक्षता (general relativity) से परे जाने वाले गुरुत्वाकर्षण के विचारों का परीक्षण करने का एक व्यवस्थित तरीका प्रदान करता है। यह गैलेक्टिक रोटेशन कर्व्स को ठीक करने के लिए प्रस्तावित सैद्धांतिक समायोजनों और ब्रह्मांड की विशाल, दृश्य संरचनाओं के बीच एक सेतु स्थापित करता है। यह दिखाते हुए कि वर्तमान डेटा संशोधित मॉडल के लिए कोई सांख्यिकीय रूप से महत्वपूर्ण लाभ नहीं पाता है, फिर भी एक मामूली फिट सुधार की अनुमति देता है, यह अध्ययन हमारे वर्तमान ब्रह्मांडीय चित्र की मजबूती को पुख्ता करता है और साथ ही विकल्पों की व्यवहार्यता को भी स्वीकार करता है। फिर भी, यह पहचानकर कि ये वैकल्पिक सिद्धांत कहाँ और कैसे अभी भी छिप सकते हैं, यह भविष्य के अवलोकनों के लिए मार्ग प्रशस्त करता है। ब्रह्मांड, ऐसा लगता है, अपने रहस्य बनाए रखता है, लेकिन अब हमारे पास उन्हें खोजने के लिए एक स्पष्ट मानचित्र है।