The optimal redshift for dark energy I: formalism and interpretation

ब्रह्मांड का विस्तार हो रहा है, और इस त्वरण को चलाने वाले बल को डार्क एनर्जी (dark energy) के रूप में जाना जाता है। दशकों से, प्रमुख सिद्धांत यह रहा है कि यह बल एक कॉस्मोलॉजिकल कांस्टेंट (cosmological constant) है—एक स्थिर, अपरिवर्तनीय ऊर्जा जो अंतरिक्ष के भीतर निहित है और आकाशगंगाओं को एक निश्चित दर पर एक-दूसरे से दूर धकेलती है। इस मानक दृष्टिकोण में, "इक्वेशन ऑफ स्टेट" (equation of state)—एक संख्या जो इस ऊर्जा के व्यवहार का वर्णन करती है—हमेशा बिल्कुल एक समान रहती है। हालाँकि, हाल के अवलोकनों ने संकेत दिया है कि डार्क एनर्जी इतनी स्थिर नहीं हो सकती है। यह विकसित हो सकती है, समय के साथ अपना स्वरूप बदल सकती है, जिसका अर्थ होगा कि ब्रह्मांड एक अधिक जटिल और गतिशील बल द्वारा संचालित है जैसा कि पहले सोचा गया था। वैज्ञानिक अब यह निर्धारित करने की दौड़ में हैं कि क्या यह ऊर्जा वास्तव में स्थिर है या जैसे-जैसे ब्रह्मांड की आयु बढ़ रही है, यह बदल रही है; यह एक ऐसा प्रश्न है जो ब्रह्मांड के अतीत और भविष्य के बारे में हमारी समझ को मौलिक रूप से बदल देगा।

इसका उत्तर देने के लिए, शोधकर्ताओं को यह जानना होगा कि ठीक कहाँ और कब देखना है। एक नए अध्ययन में, भौतिकविदों की एक टीम ने ब्रह्मांडीय इतिहास के उस विशिष्ट क्षण को चिन्हित करने की विधि विकसित की है जहाँ एक स्थिर ऊर्जा और एक परिवर्तनशील ऊर्जा के बीच का अंतर सबसे स्पष्ट होता है। वे इसे "ऑप्टिमल रेडशिफ्ट" (optimal redshift) कहते हैं। खगोल विज्ञान में, रेडशिफ्ट किसी दूर स्थित वस्तु से आने वाले प्रकाश के कितना खिंच जाने (stretch) का माप है, जो ब्रह्मांड के विस्तार के कारण होता है; यह समय के एक प्रतिनिधि (proxy) के रूप में कार्य करता है, जहाँ उच्च रेडशिफ्ट का अर्थ है कि हम इतिहास में और पीछे देख रहे हैं। टीम ने महसूस किया कि केवल उस क्षण की तलाश करना पर्याप्त नहीं है जहाँ हमारे माप सबसे सटीक हों। इसके बजाय, उन्हें वह क्षण खोजने की आवश्यकता थी जहाँ अनिश्चितता के शोर (noise) के सापेक्ष परिवर्तन का संकेत सबसे मजबूत हो। इस विशिष्ट कालखंड को खोजने के लिए एक गणितीय ढांचा तैयार करके, उन्होंने ब्रह्मांड के मानक मॉडल का पहले की तुलना में अधिक प्रभावी ढंग से परीक्षण करने का एक तरीका खोज निकाला।

शोधकर्ताओं ने अपने नए तरीके को हाल के डेटा के एक शक्तिशाली संयोजन पर लागू किया, जिसमें डार्क एनर्जी स्पेक्ट्रोस्कोपिक इंस्ट्रूमेंट (Dark Energy Spectroscopic Instrument) से गैलेक्सी क्लस्टरिंग के माप, डार्क एनर्जी सर्वे (Dark Energy Survey) से स्वतंत्र दूरी के मार्कर और सुपरनोवा (supernovae) के रूप में ज्ञात फटने वाले सितारों का एक पुनर्गठित कैटलॉग शामिल है। जब उन्होंने इस डेटा का विश्लेषण अपने नए "ऑप्टिमल" टाइम मार्कर का उपयोग करके किया, तो उन्हें मानक मॉडल के साथ एक तनाव (tension) दिखाई दिया। इस विशिष्ट रेडशिफ्ट पर, डेटा ने सुझाव दिया कि डार्क एनर्जी मानक मॉडल द्वारा अनुमानित स्थिर मान से लगभग 2.8 मानक विचलन (standard deviations) भिन्न है। यह एक सांख्यिकीय रूप से महत्वपूर्ण संकेत है कि ब्रह्मांड को चलाने वाली ऊर्जा बदल रही होगी। तुलना के लिए, जब उसी डेटा का विश्लेषण पहले से पसंदीदा "पिवट" (pivot) रेडशिफ्ट पर किया गया था—एक ऐसा बिंदु जिसे केवल इसलिए चुना गया था क्योंकि यह न्यूनतम माप त्रुटि प्रदान करता था—तो तनाव थोड़ा कम, 2.6 मानक विचलन था। यह परिणाम प्रदर्शित करता है कि सबसे सटीक माप हमेशा सबसे अधिक प्रकट करने वाला नहीं होता है; ऑप्टिमल रेडशिफ्ट, हालांकि इसमें त्रुटि का थोड़ा अधिक मार्जिन होता है, अपेक्षित मान से एक बड़ा विचलन पकड़ता है, जिससे नई भौतिकी की संभावित खोज अधिक स्पष्ट हो जाती है।

इस कार्य का मूल एक रणनीति में बदलाव है। पारंपरिक रूप से, कॉस्मोलॉजिस्ट "पिवट" रेडशिफ्ट पर ध्यान केंद्रित करते रहे हैं, जो समय का वह क्षण है जहाँ डार्क एनर्जी के माप में अनिश्चितता न्यूनतम होती है। यह वह बिंदु है जहाँ डेटा सबसे स्पष्ट होता है। हालाँकि, नया अध्ययन तर्क देता है कि स्पष्टता, सार्थकता (significance) के समान नहीं है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि ऑप्टिमल रेडशिफ्ट समय का एक अलग बिंदु है, जो मानक मॉडल से विचलन के आकार और माप की अनिश्चितता के बीच संतुलन बनाता है। अपने विश्लेषण में, ऑप्टिमल रेडशिफ्ट पिवट की तुलना में थोड़े अलग समय पर आया, जिससे डेटा को डार्क एनर्जी के देखे गए व्यवहार और एक स्थिर ब्रह्मांड की भविष्यवाणी के बीच एक बड़ा अंतर दिखाने में मदद मिली। इस अंतर को जब माप की त्रुटि के विरुद्ध तौला गया, तो इसने एक बदलते हुए डार्क एनर्जी की संभावना के लिए एक मजबूत सांख्यिकीय मामला प्रस्तुत किया।

यह दृष्टिकोण आधुनिक दूरबीनों से प्राप्त विशाल मात्रा में डेटा की व्याख्या करने का एक नया तरीका प्रदान करता है। अध्ययन बताता है कि ऑप्टिमल रेडशिफ्ट सभी समय के लिए एक निश्चित संख्या नहीं है; यह विशिष्ट डेटासेट और ब्रह्मांड का वर्णन करने वाले गणितीय मॉडल पर निर्भर करता है। हालाँकि, इसके पीछे का सिद्धांत सार्वभौमिक है: यह उस क्षण की पहचान करता है जहाँ मानक मॉडल से विचलन का प्रमाण सबसे मजबूत होता है। शोधकर्ताओं ने अपने डेटा की ज्यामिति का उपयोग करके इस अवधारणा को दृश्य रूप में प्रस्तुत किया, यह दिखाते हुए कि कैसे ऑप्टिमल बिंदु त्रुटि के बार (error bars) के आकार के सापेक्ष मानक भविष्यवाणी से दूरी को अधिकतम करता है। जबकि पिवट बिंदु त्रुटि के बार को न्यूनतम करता है, ऑप्टिमल बिंदु अंतर और त्रुटि के अनुपात को अधिकतम करता है। यह अंतर महत्वपूर्ण है क्योंकि यह सुनिश्चित करता है कि वैज्ञानिक न केवल सबसे स्पष्ट चित्र देख रहे हैं, बल्कि वह चित्र देख रहे हैं जो ब्रह्मांड की प्रकृति के बारे में सबसे नाटकीय कहानी बताता है।

निष्कर्ष बताते हैं कि एक स्थिर डार्क एनर्जी के मानक मॉडल पर बढ़ता दबाव है, हालांकि साक्ष्य अभी भी इसे पलटने के लिए निर्णायक नहीं हैं। 2.8 मानक विचलन का तनाव एक उल्लेखनीय विसंगति को दर्शाता है जो आगे की जांच की मांग करता है, लेकिन यह भौतिकी में एक खोज का दावा करने के लिए आवश्यक पांच-मानक-विचलन की सीमा से कम है। लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि उनकी विधि भविष्य के सर्वेक्षणों के लिए फोकस को तेज करने का एक उपकरण है। जैसे-जैसे आगामी मिशनों जैसे कि यूक्लिड (Euclid) स्पेस टेलीस्कोप और रोमन (Roman) स्पेस टेलीस्कोप से नया डेटा आ रहा है, यह ढांचा शोधकर्ताओं को उन विशिष्ट युगों को लक्षित करने की अनुमति देगा जहाँ एक स्थिर ब्रह्मांड और एक विकसित होते एक के बीच की लड़ाई जीतने की सबसे अधिक संभावना है। यह जानकर कि ठीक कब देखना है, कॉस्मोलॉजिस्ट ऐसे प्रयोगों को डिजाइन कर सकते हैं जो यह प्रकट करने के लिए बेहतर रूप से सुसज्जित हों कि हमारे ब्रह्मांड को चलाने वाला बल एक सरल स्थिरांक है या एक गतिशील, परिवर्तनशील इकाई।