Observationanal and Thermodynamic Analysis of Power Law form of gravity
यह शोध पत्र सांख्यिकीय विश्लेषण को वर्तमान अवलोकनात्मक डेटा (हबल, पेंटियन, और SH0ES) और ऊष्मागतिक बाधाओं (सामान्यीकृत द्वितीय नियम और साम्यावस्था स्थितियों सहित) के साथ जोड़कर गुरुत्वाकर्षण के पावर-लॉ रूप की जांच करता है ताकि व्यवहार्य पैरामीटर श्रेणियों का निर्धारण किया जा सके और मानक CDM ब्रह्मांड विज्ञान के विरुद्ध मॉडल के विकास की तुलना की जा सके।
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ब्रह्मांड फैल रहा है, और दशकों से खगोलशास्त्री यह जानते हैं कि इस विस्तार की गति बढ़ रही है। इस त्वरण (acceleration) को समझाने के लिए, वैज्ञानिकों ने पारंपरिक रूप से दो मुख्य विचारों पर भरोसा किया है। एक सुझाव देता है कि डार्क एनर्जी नामक एक रहस्यमय, अदृश्य बल का अस्तित्व है जो आकाशगंगाओं को एक दूसरे से दूर धकेलता है। दूसरा प्रस्ताव करता है कि गुरुत्वाकर्षण के बारे में हमारी समझ अधूरी है और इसे फिर से लिखने की आवश्यकता है। गुरुत्वाकर्षण को फिर से लिखने के कई तरीकों में से, एक नया दृष्टिकोण एक ज्यामितीय गुण पर केंद्रित है जिसे 'नॉन-मेट्रिसिटी' (non-metricity) कहा जाता है। मानक भौतिकी में, गुरुत्वाकर्षण को अक्सर इस बात से वर्णित किया जाता है कि स्थान कैसे मुड़ता या घूमता है। यह नया सिद्धांत, जिसे f(Q) ग्रेविटी के रूप में जाना जाता है, गुरुत्वाकर्षण को पूरी तरह से नॉन-मेट्रिसिटी के माध्यम से वर्णित करता है, जो कि स्थान के परिवर्तन का एक माप है, जिसमें पुराने सिद्धांतों में पाए जाने वाले वक्रता (curvature) या घुमाव (twisting) नहीं होते। यह ढांचा बिना किसी नए प्रकार के पदार्थ की खोज किए, यह समझाने के लिए एक नया गणितीय मार्ग प्रदान करता है कि ब्रह्मांड तेजी से क्यों फैल रहा है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में इस सिद्धांत के एक विशिष्ट संस्करण का परीक्षण किया, जिसमें इसकी तुलना आज के ब्रह्मांड के सबसे विश्वसनीय अवलोकनों के साथ की गई। उन्होंने एक ऐसे मॉडल पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ गुरुत्वाकर्षण के नियम एक सरल 'पावर लॉ' (power law) के अनुसार बदलते हैं, जो एक गणितीय संबंध है जो नॉन-मेट्रिसिटी प्रभाव की शक्ति के बढ़ने या घटने को निर्धारित करता है। यह देखने के लिए कि क्या यह मॉडल सटीक है, वैज्ञानिकों ने तीन अलग-अलग स्रोतों से डेटा एकत्र किया: ब्रह्मांड के इतिहास के विभिन्न समयों पर विस्तार दर के माप, टाइप Ia सुपरनोवा के रूप में ज्ञात दूरस्थ विस्फोटित तारों के अवलोकन, और ब्रह्मांडीय दूरियों को मापने के लिए उपयोग किए जाने वाले नजदीकी तारों की चमक का डेटा। इस विशाल वास्तविक-दुनिया के आंकड़ों को एक सांख्यिकीय कंप्यूटर प्रोग्राम में फीड करके, उन्होंने मॉडल के मापदंडों (parameters) के उन विशिष्ट मानों की खोज की जो इस सिद्धांत को आकाश के समान बना सकें।
परिणाम उत्साहजनक थे। f(Q) ग्रेविटी का पावर-लॉ मॉडल ब्रह्मांड विज्ञान के मानक मॉडल (जो डार्क एनर्जी और कॉस्मोलॉजिकल कांस्टेंट पर निर्भर करता है) की तरह ही अवलोकन संबंधी डेटा के साथ लगभग उतना ही सटीक रूप से फिट बैठता है। वास्तव में, मॉडल ने ब्रह्मांड के वर्तमान विस्तार दर के लिए एक ऐसा मान प्रदान किया जो दो परस्पर विरोधी मापों के बीच सहजता से स्थित है, जिन्होंने वैज्ञानिकों को वर्षों से उलझा रखा है। प्रारंभिक ब्रह्मांड का एक सेट धीमी विस्तार दर का सुझाव देता है, जबकि नजदीकी ब्रह्मांड का दूसरा सेट तेज विस्तार का सुझाव देता है। शोधकर्ताओं का मॉडल इन विरोधाभासी विचारों के बीच एक संभावित सेतु के रूप में बिल्कुल बीच में आता है। डेटा ने संकेत दिया कि उनके गुरुत्वाकर्षण मॉडल का विशिष्ट गणितीय घातांक (exponent) 1.26 के मान के बहुत करीब है, एक ऐसा नंबर जो इस सिद्धांत को आज के ब्रह्मांड की हमारी समझ के समान व्यवहार करने योग्य बनाता है, लेकिन जब हम और पीछे या भविष्य में देखते हैं तो यह भिन्न हो जाता है।
हालाँकि, गुरुत्वाकर्षण के एक सिद्धांत को केवल संख्याओं के चार्ट में फिट होने से कहीं अधिक करना होता है; इसे ऊष्मागतिकी (thermodynamics) के नियमों के भीतर भी तर्कसंगत होना चाहिए, जो ऊष्मा, ऊर्जा और विकार (disorder) को नियंत्रित करने वाला भौतिकी की शाखा है। शोधकर्ताओं ने पूरे ब्रह्मांड को एक क्षितिज (horizon) द्वारा सीमित एक विशाल ऊष्मागतिक प्रणाली के रूप में माना, जो कि वह सबसे दूर का बिंदु है जिसे हम देख सकते हैं। इस दृष्टिकोण में, ब्रह्मांड एक पूर्णतः संतुलित मशीन नहीं है, बल्कि एक सक्रिय प्रणाली है जहाँ ऊर्जा का प्रवाह होता है और एंट्रॉपी (entropy), या विकार, लगातार उत्पन्न होता रहता है। टीम ने अपने मॉडल को यह देखने के लिए कि क्या यह एक स्थिर अवस्था बनाए रख सकता है, 'इरिवर्सिबल थर्मोडायनामिक्स' (irreversible thermodynamics) के नियमों को लागू किया। उन्होंने पाया कि मॉडल के काम करने के लिए, ब्रह्मांड को ऐसी अवस्था में होना चाहिए जहाँ एंट्रॉपी बढ़ रही हो, जो एक विकसित होते ब्रह्मांड के बारे में हमारी समझ के अनुरूप है। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने पाया कि मॉडल केवल तभी भौतिक रूप से मान्य रहता है जब गणितीय घातांक 1 के मान से ऊपर रहता है। यह ऊष्मागतिक आवश्यकता उनके उस मान के साथ पूरी तरह मेल खाती है जो उन्हें अवलोकन संबंधी डेटा से मिला था, जो यह सुझाव देता है कि ब्रह्मांड की ज्यामिति और इसकी ऊष्मा प्रवाह एक ही कहानी कह रहे हैं।
जब वैज्ञानिकों ने इस नए गुरुत्वाकर्षण के तहत ब्रह्मांड के व्यवहार को गहराई से देखा, तो उन्होंने यह जांचा कि त्वरण की दर समय के साथ कैसे बदली है। उन्होंने पाया कि जबकि यह मॉडल आज मानक सिद्धांत की तरह दिखता है, यह अतीत और भविष्य के बारे में एक अलग कहानी बताता है। दूर के अतीत में, मॉडल मानक सिद्धांत की तुलना में धीमी विस्तार दर की भविष्यवाणी करता है, और सुदूर भविष्य में, यह एक स्थिर, अपरिवर्तनीय अवस्था की ओर अभिसरित (converge) होता है। एक विशिष्ट विशेषता, जिसे "स्नैप" (snap) पैरामीटर कहा जाता है, जो त्वरण के परिवर्तन को मापता है, दोनों सिद्धांतों के बीच एक स्पष्ट अंतर दिखाती है। नया मॉडल इस पैरामीटर के लिए एक ऐसा मान भविष्यवाणी करता है जो सभी अवलोकन योग्य समयों में मानक मॉडल की तुलना में लगातार अधिक है। यह अंतर भविष्य के दूरबीनों के लिए दोनों विचारों के बीच अंतर करने का एक ठोस तरीका प्रदान करता है। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि जबकि उनका मॉडल वर्तमान अवलोकनों को सफलतापूर्वक समझाता है और ऊष्मागतिकी के नियमों का सम्मान करता है, इसे यह समझाने में चुनौती का सामना करना पड़ता है कि ब्रह्मांड ने ठीक कब त्वरित होना शुरू किया। मॉडल द्वारा अनुमानित समय हमारे द्वारा देखे जाने वाले समय से थोड़ा अलग है, जो यह सुझाव देता है कि हालांकि पावर-लॉ रूप में f(Q) ग्रेविटी एक मजबूत उम्मीदवार है, इसे हमारे पूर्ण ब्रह्मांडीय विकास के इतिहास के साथ पूरी तरह से मेल खाने के लिए थोड़े समायोजन की आवश्यकता हो सकती है।
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