Discovering Substellar Dark Matter Halos with Astrometric Weak Lensing of Multiply Imaged Quasars

डार्क मैटर ब्रह्मांड का अदृश्य ढांचा है। हम जानते हैं कि यह वहां मौजूद है क्योंकि इसका गुरुत्वाकर्षण आकाशगंगाओं को एक साथ थामे रखता है और दूर के तारों से आने वाले प्रकाश के पथ को मोड़ देता है, फिर भी हमने कभी इसका एक भी कण नहीं देखा है। दशकों से, वैज्ञानिक यह मानकर चल रहे हैं कि यह रहस्यमय पदार्थ "कोल्ड" (ठंडा) है, जिसका अर्थ है कि यह धीरे चलता है और आसानी से आपस में जुड़कर गुच्छे बना लेता है, जिससे विशाल गैलेक्सी क्लस्टर्स से लेकर सूक्ष्म, उप-तारकीय बादलों तक फैला एक विशाल ब्रह्कीय जाल बनता है। हालांकि, इनमें से सबसे छोटे बादल अब तक पहुंच से बाहर रहे हैं। सिद्धांत भविष्यवाणी करते हैं कि वे भारी संख्या में मौजूद होने चाहिए, लेकिन वर्तमान दूरबीनें उन्हें देख नहीं सकतीं क्योंकि वे कोई प्रकाश उत्सर्जित नहीं करते और पृष्ठभूमि की वस्तुओं की छवियों को इस तरह से विकृत करने के लिए बहुत छोटे हैं जिसे हम आसानी से माप सकें। यह हमारी समझ में एक अंतराल छोड़ देता है: यदि ब्रह्मांड इन छोटे डार्क मैटर के गुच्छों से भरा है, तो हमें उन्हें खोजने का एक तरीका चाहिए, और ऐसा करके हम अंततः यह जान सकते हैं कि डार्क मैटर किससे बना है।

एक नया अध्ययन इन अदृश्य कणों को खोजने का एक चतुर तरीका प्रस्तावित करता है, जो यह देखकर कि प्रकाश समय के साथ कैसे चलता है। शोधकर्ता, केन वैन टिलबर्ग और डेविड ई. कपलान, 'टाइम-डोमेन एस्ट्रोमेट्रिक वीक लेंसिंग' नामक तकनीक का उपयोग करने का सुझाव देते हैं। कल्पना कीजिए कि आप एक दूर स्थित क्वासर (quasar) को देख रहे हैं, जो एक ब्लैक होल द्वारा संचालित प्रकाश का एक चमकदार संकेत है, जिसे एक विशाल आकाशगंगा या आकाशगंगाओं के समूह ने पृथ्वी और उसके बीच स्थित होने के कारण कई छवियों में विभाजित कर दिया है। जैसे ही इन छवियों से निकलने वाला प्रकाश हमारी ओर यात्रा करता है, यह अनगिनत सूक्ष्म डार्क मैटर हेलो (halos) के गुरुत्वीय क्षेत्रों से होकर गुजरता है। ये हेलो अदृश्य लेंसों की तरह कार्य करते हैं, जो प्रकाश के पथ को बहुत मामूली सा मोड़ देते हैं। चूंकि पृथ्वी, लेंसिंग आकाशगंगा और क्वासर सभी गतिमान हैं, इसलिए प्रकाश की किरणें इन सूक्ष्म हेलोओं के ऊपर से गुजरती हैं। यह गति क्वासर की छवियों के आभासी स्थानों में एक विशिष्ट, अनुमानित पैटर्न में थरथराहट और विचलन पैदा करती है। कई वर्षों तक अत्यधिक सटीकता के साथ इन सूक्ष्म आंदोलनों को मापकर, वैज्ञानिक ब्रह्मांड की सबसे छोटी डार्क मैटर संरचनाओं के सामूहिक गुरुत्वीय खिंचाव का पता लगा सकते हैं।

टीम ने इस विचार का परीक्षण करने के लिए दो विशिष्ट ब्रह्कीय प्रयोगशालाओं पर ध्यान केंद्रित किया: एक गैलेक्सी-लेंस्ड क्वासर जिसे B1422+231 कहा जाता है, और एक क्लस्टर-लेंस्डड क्वासर जिसे SDSS J1029+2623 कहा जाता है। पहले सिस्टम में, एक अग्रभूमि आकाशगंगा क्वासर के प्रकाश को चार चमकीली छवियों में विभाजित करती है। दूसरे में, आकाशगंगाओं का एक विशाल क्लस्टर तीन व्यापक रूप से अलग छवियों का निर्माण करता है। शोधकर्ताओं ने एक दस साल के अभियान का अनुकरण किया, जिसमें एक भविष्य के उपकरण का उपयोग किया गया जो इन प्रकाश बिंदुओं की स्थिति को एक-दशवें माइक्रोआर्कसेकंड (microarcsecond) की सटीकता के साथ मापने में सक्षम है। यह समझने के लिए कि यह कितना छोटा है, कल्पना कीजिए कि आप 100 किलोमीटर की दूरी से एक मानव बाल की चौड़ाई को माप रहे हैं; यह उस स्तर की स्पष्टता है जिसकी आवश्यकता है। उन्होंने पाया कि यदि कोल्ड डार्क मैटर का मानक सिद्धांत सही है, तो इन क्वासरों की छवियों में एक मापने योग्य "कंपन" (wobble) और उनकी गति में एक मामूली, विसंगतिपूर्ण त्वरण दिखाई देना चाहिए। यह संकेत उन डार्क मैटर हेलो के लिए सबसे मजबूत होगा जिनका द्रव्यमान एक-दस लाखवें हिस्से से लेकर एक सौर द्रव्यमान के बीच है, जो कि अब तक पता लगाए गए सबसे छोटे डार्क मैटर संरचनाओं से बारह से चौदह क्रम (orders of magnitude) छोटा है।

अध्ययन का पूर्वानुमान है कि ऐसा सर्वेक्षण उच्च स्तर के विश्वास के साथ इन माइक्रो-हेलो की उपस्थिति का पता लगा सकता है, बशर्ते कि डेटा अन्य शोर (noise) के स्रोतों से मुक्त हो। सबसे बड़ी बाधा उपकरण नहीं है, बल्कि लेंसिंग आकाशगंगाओं के भीतर के तारे हैं। तारे भी प्रकाश को मोड़ सकते हैं, जिससे "माइक्रोलेंसिंग" का एक बैकग्राउंड बन जाता है जो सूक्ष्म डार्क मैटर सिग्नल को छिपा सकता है। हालांकि, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि गैलेक्सी लेंस के लिए, तारे क्वासर छवियों के पास इतने विरल हैं कि उन्हें उन्नत तीव्रता व्युत्क्रममिति (intensity interferometry) का उपयोग करके एक-एक करके पहचाना और हटाया जा सकता है। क्लस्टर लेंस के लिए, वातावरण और भी खाली है, जो एक स्वच्छ दृश्य प्रदान करता है, हालांकि छवियां धुंधली हैं। यदि सर्वेक्षण इस थरथराहट का पता लगाने में सफल होता है, तो यह पुष्टि करेगा कि ब्रह्मांड वास्तव में इन सूक्ष्म, पृथ्वी-द्रव्यमान के डार्क मैटर गुच्छों से भरा हुआ है। यह डार्क मैटर कण के गुणों पर भी सख्त सीमाएं लगाएगा, जिससे उन कई सैद्धांतिक मॉडलों को खारिज किया जा सकेगा जो एक चिकने, कम गुच्छेदार वितरण की भविष्यवाणी करते हैं।

इसके विपरीत, यदि सर्वेक्षण में कुछ भी नहीं मिलता है, तो इसके निहितार्थ भी उतने ही गहरे हैं। इस थरथराहट की कमी यह सुझाव देगी कि सबसे छोटे डार्क मैटर हेलो मौजूद नहीं हैं या नष्ट हो गए हैं, जिसका अर्थ होगा कि डार्क मैटर कण या तो बहुत भारी है या ऐसे तरीकों से परस्पर क्रिया करता है जो इसे इतने छोटे पैमाने पर गुच्छे बनाने से रोकता है। यह प्रारंभिक ब्रह्मांड, विशेष रूप से बिग बैंग के ठीक बाद की स्थितियों के बारे में हमारी समझ को फिर से लिखने के लिए मजबूर करेगा जब ये संरचनाएं बनी होंगी। यह शोध पत्र इस बात पर जोर देता है कि हालांकि वर्तमान में कोई भी दूरबीन आवश्यक सटीकता प्राप्त नहीं कर सकती है, लेकिन प्रस्तावित EPIC सुविधा जैसे अगली पीढ़ी के उपकरणों के लिए यह तकनीक पहुंच के भीतर है। आकाश को एक विशाल, दीर्घकालिक प्रयोग में बदलकर, खगोलशास्त्री अंततः ब्रह्मांड के अदृश्य निर्माण खंडों का वजन कर सकते हैं, जिससे वे डार्क मैटर की प्रकृति के बारे में केवल अनुमान लगाने से सीधे उसे मापने की ओर बढ़ सकते हैं।