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Testing cosmic acceleration from thermogravity without vacuum energy

यह शोध पत्र एक थर्मोग्रैविटी सिद्धांत के बैकग्राउंड-लेवल अवलोकनात्मक परीक्षण को प्रस्तुत करता है जहाँ ब्रह्मांडीय त्वरण एक कॉस्मोलॉजिकल कांस्टेंट के बजाय ऊर्जा के गैर-संरक्षण से उत्पन्न होता है, जिसमें यह पाया गया है कि जबकि गैर-संरक्षण को कोल्ड डार्क मैटर तक सीमित करने वाला एक मॉडल दूरी के डेटा के लिए $\Lambda$ CDM की तुलना में फिट में सुधार करता है, यह अनुमानित $H_0$ के मान को कम करके हबल टेंशन (Hubble tension) को और अधिक बढ़ा देता है।

मूल लेखक: Dong Ha Lee, João Magueijo, Carsten van de Bruck, Eleonora Di Valentino

प्रकाशित 2026-09-25

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Dong Ha Lee, João Magueijo, Carsten van de Bruck, Eleonora Di Valentino

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

ब्रह्मांड का विस्तार हो रहा है, और दशकों से, इस त्वरण (acceleration) के लिए अग्रणी स्पष्टीकरण एक रहस्यमय बल रहा है जिसे डार्क एनर्जी कहा जाता है, जिसे अक्सर एक कॉस्मोलॉजिकल कॉन्स्टेंट (cosmological constant) के रूप में मॉडल किया जाता है। यह अवधारणा बताती है कि खाली स्थान (empty space) में स्वयं एक अंतर्निहित ऊर्जा होती है जो आकाशगंगाओं को एक-दूसरे से दूर धकेलती है। हालाँकि, यह विचार एक गंभीर सैद्धांतिक समस्या का सामना करता है: खाली स्थान से अपेक्षित ऊर्जा के गणना किए गए मान, वास्तव में हम जो देखते हैं उससे कहीं अधिक बड़े हैं। इसके अलावा, ब्रह्मांड के विस्तार की दर के हालिया मापों ने प्रारंभिक ब्रह्मांड और निकटवर्ती ब्रह्मांड में जो हम देखते हैं, उनके बीच निरंतर असहमति को उजागर किया है। इन तनावों ने भौतिकविदों को यह सोचने पर मजबूर कर दिया है कि क्या मानक ब्रह्मांड विज्ञान मॉडल (standard model of cosmology) में कुछ मौलिक कमी है, शायद गुरुत्वाकर्षण की हमारी समझ में कोई खामी या सबसे बड़े पैमानों पर ऊर्जा के व्यवहार में कोई दोष।

शेफील्ड विश्वविद्यालय और इंपीरियल कॉलेज लंदन के शोधकर्ताओं द्वारा किया गया एक नया अध्ययन इस मानक मॉडल के एक क्रांतिकारी विकल्प की खोज करता है। यह मानने के बजाय कि खाली स्थान ब्रह्मांड को दूर धकेलता है, वे एक ऐसे सिद्धांत की जांच करते हैं जहाँ गुरुत्वाकर्षण और ऊष्मप्रवैगिकी (thermodynamics) गहराई से जुड़े हुए हैं। इस ढांचे में, गुरुत्वाकर्षण के समीकरणों को इस तरह संशोधित किया जाता है कि खाली स्थान की निर्वात ऊर्जा (vacuum energy) गुरुत्वाकर्षण में योगदान नहीं देती है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि यह सिद्धांत ऊर्जा संरक्षण के नियम का नियंत्रित उल्लंघन करने की अनुमति देता है। मानक दृष्टिकोण में, ऊर्जा को बनाया या नष्ट नहीं किया जा सकता है, लेकिन इस थर्मोग्रैविटी (thermogravity) मॉडल में, ब्रह्मांड बिना संवेग (momentum) बनाए समय के साथ ऊर्जा घनत्व उत्पन्न कर सकता है। शोधकर्ताओं ने एक सरल प्रश्न पूछा: यदि ब्रह्मांड स्वयं ऊर्जा उत्पन्न कर सकता है, तो क्या केवल यह प्रक्रिया देखे गए त्वरण को संचालित कर सकती है, जिससे कॉस्मोलॉजिकल कॉन्स्टेंट की आवश्यकता ही समाप्त हो जाए?

इसका उत्तर देने के लिए, टीम ने इस सिद्धांत के दो संस्करणों का वास्तविक खगोलीय डेटा के विरुद्ध परीक्षण किया। पहला संस्करण, जिसे 'यूनिवर्सल मॉडल' कहा गया, यह मानता था कि यह ऊर्जा निर्माण सभी प्रकार के पदार्थ और प्रकाश के लिए समान रूप से होता है। जब उन्होंने इस मॉडल की तुलना दूर स्थित सुपरनोवा और ब्रह्मांड की बड़ी संरचनाओं से की, तो परिणाम स्पष्ट थे। यूनिवर्सल मॉडल डेटा के साथ फिट होने में विफल रहा। इसने एक कठोर समझौता पैदा किया: ब्रह्मांड के इतिहास के मध्य में देखे गए विस्तार की दर से मेल खाने के लिए, मॉडल को वर्तमान त्वरण को बहुत कमजोर दिखाना पड़ा जो आज जो हम देखते हैं उससे मेल नहीं खाता। डेटा ने इस विचार को दृढ़ता से खारिज कर दिया, यह दिखाते हुए कि ऊर्जा का एक सरल, सार्वभौमिक निर्माण ब्रह्मांड की व्याख्या नहीं कर सकता जैसा कि हम देखते हैं।

शोधकर्ताओं ने फिर सिद्धांत के एक अधिक सूक्ष्म संस्करण की ओर रुख किया, जहाँ यह ऊर्जा निर्माण केवल कोल्ड डार्क मैटर (cold dark matter) तक सीमित है, वह अदृश्य पदार्थ जो आकाशगंगाओं को एक साथ थामे रखता है। इस परिदृश्य में, साधारण पदार्थ, प्रकाश और न्यूट्रिनो बिल्कुल उसी तरह व्यवहार करते हैं जैसे वे मानक मॉडल में करते हैं, जबकि केवल डार्क मैटर सेक्टर समय के साथ ऊर्जा प्राप्त करता है। यह दृष्टिकोण बहुत अधिक सफल रहा। जब इसे उसी खगोलीय डेटा के विरुद्ध परखा गया, तो इस मॉडल ने मानक कॉस्मोलॉजिकल कॉन्स्टेंट मॉडल की तुलना में बेहतर फिट प्रदान किया। इसमें सुधार सांख्यिकीय रूप से महत्वपूर्ण था, जिसमें डेटा इस नए स्पष्टीकरण को पुराने वाले की तुलना में एक स्पष्ट प्राथमिकता के अंतर से बेहतर बताता है। यह मॉडल पिछले समय के सापेक्ष विस्तार की दर को थोड़ा धीमा करके काम करता है, जो दूर की आकाशगंगाओं तक मापी गई दूरियों के साथ बेहतर तालमेल बिठाता है।

हालाँकि, कहानी केवल एक नए सिद्धांत की जीत के साथ समाप्त नहीं होती है। भले ही डार्क-मैटर-ओनली (dark-matter-only) संस्करण विस्तार के इतिहास को बेहतर ढंग से समझाता है, लेकिन यह ब्रह्मांड विज्ञान को परेशान करने वाली दूसरी बड़ी पहेली को हल नहीं करता है: हबल टेंशन (Hubble tension)। यह तनाव इसलिए उत्पन्न होता है क्योंकि प्रारंभिक ब्रह्मांड से ब्रह्मांड के विस्तार की दर के माप, निकटवर्ती ब्रह्मांड के मापों से असहमत हैं। जब शोधकर्ताओं ने अपने मॉडल को कैलिब्रेट करने के लिए प्रारंभिक ब्रह्मांड के डेटा का उपयोग किया, तो परिणाम यह निकला कि आज के लिए अनुमानित विस्तार दर और भी कम हो गई, जिससे निकटवर्ती मापों के साथ असहमति बेहतर होने के बजाय और भी बढ़ गई। नया सिद्धांत सफलतापूर्वक यह वर्णन करता है कि ब्रह्मांड कैसे फैलता है, लेकिन यह विस्तार को मापने के विभिन्न तरीकों के बीच संघर्ष को अभी तक हल नहीं कर पाया है।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि ऊर्जा का सार्वभौमिक निर्माण सही उत्तर नहीं है, लेकिन एक ऐसा संस्करण जहाँ केवल डार्क मैटर इस प्रक्रिया में भाग लेता है, एक व्यवहार्य और सम्मोहक संभावना बना हुआ है। यह एक ठोस, परीक्षण योग्य विकल्प प्रदान करता है जो अतिरिक्त पैरामीटर्स जोड़े बिना हमारे ब्रह्मांडीय इतिहास के विवरण में सुधार करता है। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि यह केवल एक पहला कदम है, जो ब्रह्मांड के सुचारू, बड़े पैमाने के बैकग्राउंड पर केंद्रित है। वास्तविक परीक्षा तब होगी जब वैज्ञानिक इस सिद्धांत को ब्रह्मांड की ऊबड़-खाबड़, उतार-चढ़ाव वाली संरचनाओं, जैसे कि कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड और गैलेक्सी क्लस्टर्स के विकास पर लागू कर सकेंगे। तब तक, यह विचार कि डार्क मैटर धीरे-धीरे स्पेसटाइम के ताने-बाने से ऊर्जा प्राप्त कर रहा है, यह समझने की खोज में एक गंभीर दावेदार बना हुआ है कि ब्रह्मांड क्यों त्वरित हो रहा है।

तकनीकी सारांश: बिना वैक्यूम ऊर्जा के थर्मोग्रैविटी से कॉस्मिक त्वरण का परीक्षण

समस्या विवरण
मानक $\Lambda$ CDM मॉडल प्रेक्षित ब्रह्मांड का सफलतापूर्वक वर्णन करता है, लेकिन यह कॉस्मोलॉजिकल कांस्टेंट $\Lambda$ पर निर्भर है, जिसका भौतिक उद्गम अस्पष्ट है (पुराना कॉस्मोलॉजिकल कांस्टेंट समस्या), और जो अपने प्राकृतिक क्वांटम फील्ड परिमाण के साथ गुरुत्वाकर्षण क्रिया नहीं करता है। इसके अलावा, प्रारंभिक और विलंबित ब्रह्मांड के प्रोब्स के बीच, विशेष रूप से हबल पैरामीटर $H_0$ और विलंबित समय की संरचना के आयाम के संबंध में निरंतर तनाव मौजूद हैं। यह शोध पत्र एक वैकल्पिक ढांचे की जांच करता है जहाँ विलंबित त्वरण को डार्क एनर्जी सेक्टर या वैक्यूम ऊर्जा द्वारा नहीं, बल्कि एक "थर्मोग्रैविटी" सिद्धांत से उत्पन्न होने वाले नियंत्रित ऊर्जा-संवेग संरक्षण उल्लंघन (energy-momentum conservation violation) द्वारा उत्पन्न किया जाता है। इस ढांचे में, आइंस्टीन समीकरणों को उनके ट्रेस-फ्री (trace-free) रूप तक सीमित किया जाता है, जिससे वैक्यूम ऊर्जा गुरुत्वाकर्षण के रूप में निष्क्रिय हो जाती है, जबकि ऊर्जा गैर-संरक्षण (non-conservation) $\Lambda$ को एक एकीकरण स्थिरांक (integration constant) के रूप में पुन: स्थापित करने से रोकता है। केंद्रीय प्रश्न यह है कि क्या ऐसा गैर-संरक्षण, फ्लैट $\Lambda$ CDM के सापेक्ष अतिरिक्त बैकग्राउंड पैरामीटर्स को पेश किए बिना, अकेले कॉस्मिक त्वरण को संचालित कर सकता है।

कार्यप्रणाली
लेखक संदर्भ [18] से प्राप्त थर्मोग्रैविटी सिद्धांत के दो विशिष्ट कार्यान्वयन का विश्लेषण करते हैं, जो स्थानीय लोरेन्त्ज़ और डिफियोमोर्फिज्म इनवेरिएंस (diffeomorphism invariance) के टूटने से जुड़ी जटिलताओं से बचने के लिए विशेष रूप से केवल होमोजेनियस बैकग्राउंड स्तर पर केंद्रित हैं।

यूनिवर्सल मॉडल (Universal Model): इस न्यूनतम बेंचमार्क में, सभी पदार्थ प्रजातियां (बेरियन, फोटॉन, CDM) ऊर्जा गैर-संरक्षण में भाग लेती हैं। यह उल्लंघन एक लंबाई स्केल $L^2$ द्वारा नियंत्रित होता है। लेखक नोट करते हैं कि एक यूनिवर्सल उल्लंघन स्वयं "अवलोकन संबंधी डिक्शनरी" (जैसे रेडशिफ्ट, ल्यूमिनोसिटी डिस्टेंस और स्टैंडर्ड रूलर की परिभाषाएं) को संशोधित करता है, जिससे एक स्व-सुसंगत बैकग्राउंड विश्लेषण कठिन हो जाता है। फलस्वरूप, वे इस मॉडल का परीक्षण मानक टाइप Ia सुपरनोवा (SNe) दूरियों और अनकैलिब्रेटेड बेरियन एकोस्टिक ऑसिलेशन (BAO) मापों का उपयोग करके करते हैं, यह स्वीकार करते हुए कि मानक धारणाओं के तहत इस मॉडल का बहिष्करण व्यापक सिद्धांत को खारिज नहीं कर सकता है।
CDM-ओनली मॉडल ( $\xi$ CDM): एक स्व-निहित विश्लेषण प्राप्त करने के लिए, लेखक गैर-संरक्षण उल्लंघन को केवल कोल्ड डार्क मैटर (CDM) सेक्टर तक ही सीमित रखते हैं। बेरियन, फोटॉन और न्यूट्रिनो मानक संरक्षण नियमों का पालन करते हैं। यह रेडशिफ्ट, ल्यूमिनोसिटी, बिग बैंग न्यूक्लियोसिंथेसिस (BBN) बाधाओं और BAO रूलर के मानक परिचालन अर्थ को बैकग्राउंड स्तर पर सुरक्षित रखता है। इस मॉडल को $\Lambda$ CDM के एक एक-पैरामीटर विस्तार के रूप में माना गया है, जहाँ $\xi_c \equiv 1/(H_0 L^2)$ CDM ऊर्जा निर्माण की शक्ति को परिमाणित करता है।

विश्लेषण Cobaya सैंपलर का उपयोग करके मार्कोव चेन मोंटे कार्लो (MCMC) विधियों का उपयोग करता है। डेटासेट्स में शामिल हैं:

SNe Ia: DES वर्ष 5 (DD) और पैंथियन+ (PP) नमूने।
BAO: DESI DR2 माप (अनकैलिब्रेटेड और कैलिब्रेटेड)।
अर्ली-यूनिवर्स एंकर्स: बेरियन घनत्व ( $\omega_b$ ) पर BBN बाधाएं और साउंड होराइजन एंगल $\theta_s$ के लिए संकुचित CMB लाइकलीहुड (Planck 2018)।
डिस्टेंस लैडर: SH0ES और $H_0$ DN से $H_0$ बाधाएं।

$\xi$ CDM मॉडल के लिए, लेखक एक "प्रभावी" (effective) CDM घनत्व ( $\omega_c^{\text{eff}}$ ) पेश करते हैं ताकि साउंड होराइजन ( $r_{\text{drag}}$ ) और पुनर्संयोजन युग (recombination epoch) को सही ढंग से कैलिब्रेट किया जा सके, जो इस तथ्य को ध्यान में रखता है कि अतीत में CDM घनत्व का विकास मानक $a^{-3}$ से भिन्न होता है।

प्रमुख योगदान और परिणाम

यूनिवर्सल मॉडल: यूनिवर्सल कार्यान्वयन को बैकग्राउंड डेटा द्वारा दृढ़ता से अवांछनीय पाया गया है। जबकि अकेले SNe डेटा को समायोजित किया जा सकता है, DESI BAO मापों को शामिल करने से फिट काफी खराब हो जाता है ( $\Lambda$ CDM के सापेक्ष $\Delta\chi^2 \simeq 51$ )। यह मॉडल एक अंतर्निहित कठोरता प्रदर्शित करता है: मध्यवर्ती-रेडशिफ्ट BAO नॉर्मलाइजेशन से मेल खाने के लिए पदार्थ घनत्व $\Omega_m$ को बढ़ाने से साथ ही वर्तमान मंदन पैरामीटर ( $q_0 = -1 + 3\Omega_m/2$ ) भी बढ़ जाता है, जिससे निम्न-रेडशिफ्ट SNe द्वारा आवश्यक वर्तमान त्वरण कमजोर हो जाता है। लेखक चेतावनी देते हैं कि यह बहिष्करण मानक अवलोकन संबंधी डिक्शनरी के तहत मानक अनुप्रयोग पर लागू होता है, न कि स्वयं थर्मोग्रैविटी ढांचे पर, क्योंकि एक पूर्णतः यूनिवर्सल परिदृश्य में डिक्शनरी को फिर से व्युत्पन्न करने की आवश्यकता होगी।
$\xi$ CDM मॉडल: CDM-ओनली मॉडल विचार किए गए बैकग्राउंड डेटासेट्स के लिए व्यवस्थित रूप से बेहतर फिट प्रदान करता है।
- फिट की गुणवत्ता: यह कुछ डेटासेट संयोजनों (जैसे DD+DESI) के लिए $\Lambda$ CDM के सापेक्ष $\Delta\chi^2 = -4.85$ (लगभग $2.2\sigma$ ) की कमी प्राप्त करता है।
- बायेसियन एविडेंस: मॉडल सकारात्मक बायेसियन प्राथमिकता दिखाता है, जिसमें DD+DESI संयोजन के लिए अधिकतम $\ln B = 2.77$ (लगभग $2.9\sigma$ ) है।
- तंत्र (Mechanism): सुधार इस तथ्य से आता है क्योंकि गैर-संरक्षण $\Lambda$ CDM के सापेक्ष अतीत में विस्तार दर $H(z)$ को दबा देता है, जिससे देखे गए दूरी-रेडशिफ्ट संबंध के लिए बेहतर फिट मिलता है।
- हबल तनाव (Hubble Tension): महत्वपूर्ण रूप से, यह मॉडल हबल तनाव को हल नहीं करता है। जब BAO रूलर को अर्ली-यूनिवर्स जानकारी (BBN या CMB) का उपयोग करके कैलिब्रेट किया जाता है, तो कम प्रभावी प्रारंभिक-समय CDM घनत्व साउंड होराइजन ( $r_{\text{drag}}$ ) को बढ़ा देता है। चूंकि अनकैलिब्रेटेड दूरियां $r_{\text{drag}}h$ के उत्पाद को कड़ाई से सीमित करती हैं, इसलिए यह $H_0$ को निचले मानों की ओर धकेलता है, जिससे डिस्टेंस-लैडर कैलिब्रेशन (जैसे SH0ES) के साथ तनाव बढ़ जाता है।

महत्ता और दावे
यह शोध पत्र दावा करता है कि यह संदर्भ [18] में प्रस्तावित थर्मोग्रैविटी परिदृश्य का पहला बैकग्राउंड-स्तर का अवलोकनात्मक परीक्षण प्रस्तुत करता है। इसकी प्राथमिक महत्ता सिद्धांत के विभिन्न कार्यान्वयनों के बीच व्यवहार्यता को अलग करने में निहित है:

औपचारिक बेंचमार्क: यूनिवर्सल मॉडल एक औपचारिक बेंचमार्क के रूप में कार्य करता है। मानक धारणाओं के तहत इसका प्रबल प्रतिकूल प्रभाव सार्वभौमिक पदार्थ निर्माण और देखी गई विस्तार इतिहास के बीच तनाव को उजागर करता है, लेकिन लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि यह यूनिवर्सल थर्मोग्रैविटी के पूर्ण भौतिक बहिष्करण के रूप में नहीं है, क्योंकि सिद्धांत उन अवलोकनीय वस्तुओं को मौलिक रूप से बदल देगा जिनका उपयोग इसके परीक्षण के लिए किया जाता है।
व्यवहार्य विकल्प: CDM-ओनली कार्यान्वयन ( $\xi$ CDM) को एक व्यवहार्य, स्व-निहित और प्रतिस्पर्धी लक्ष्य के रूप में पहचाना गया है। यह $\Lambda$ CDM के अतिरिक्त पैरामीटर्स जोड़े बिना विस्तार इतिहास डेटा के फिट में सुधार करने के लिए एक ठोस तंत्र प्रदान करता है।
सीमाएं: लेखक स्पष्ट रूप से कहते हैं कि ये परिणाम अनंतिम (provisional) हैं। विश्लेषण होमोजेनियस बैकग्राउंड तक सीमित है क्योंकि स्थानीय लोरेन्त्ज़ इनवेरिएंस का टूटना संरचनात्मक उतार-चढ़ाव (perturbations) के लिए फ्रेम का चयन को भौतिक रूप से प्रासंगिक बनाता है। एक निर्णायक मूल्यांकन के लिए CMB, वीक लेंसिंग और संरचना विकास के समर्पित पर्टर्बेटिव उपचार की आवश्यकता होगी, जिसे भविष्य के कार्य के लिए स्थगित कर दिया गया है।

निष्कर्षतः, यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि जबकि थर्मोग्रैविटी का मानक अनुप्रयोग वर्तमान बैकग्राउंड डेटा के साथ असंगत है, ऊर्जा गैर-संरक्षण को डार्क सेक्टर तक सीमित करना $\Lambda$ CDM का एक सफल विस्तार प्रदान करता है जो विस्तार इतिहास डेटा के फिट में सुधार करता है, हालांकि यह $H_0$ तनाव को कम करने में विफल रहता है।

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