Holographic dark energy in Einstein-Cartan spin cosmology

ब्रह्मांड फैल रहा है, और केवल फैल ही नहीं रहा, बल्कि इसकी गति बढ़ रही है। दूर स्थित विस्फोट होने वाले तारों और बिग बैंग की हल्की चमक के अवलोकन से पुष्ट इस खोज ने भौतिकविदों को एक गहन रहस्य का सामना करने के लिए मजबूर कर दिया है: ब्रह्मांड को क्या चीज फैला रहा है? मुख्य व्याख्या में एक रहस्यमय बल शामिल है जिसे 'डार्क एनर्जी' (dark energy) कहा जाता है, जो आकाशगंगाओं के बीच खाली स्थान को भरने वाले एक प्रतिकर्षी दबाव की तरह कार्य करता है। हालाँकि, इस सिद्धांत का सबसे सामान्य संस्करण, जो डार्क एनर्जी को अंतरिक्ष का एक स्थिर, अपरिवलाब्दी गुण मानता है, गंभीर गणितीय और तार्किक समस्याओं से जूझता है। यह समझाने में संघर्ष करता है कि ब्रह्मांड अभी क्यों त्वरित हो रहा है, और डार्क एनर्जी की मात्रा हमारे द्वारा देखे जा सकने वाले पदार्थ की मात्रा के साथ इतनी सटीक रूप से ट्यून क्यों प्रतीत होती है। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिक अक्सर गुरुत्वाकर्षण के वर्णन के नए तरीकों की तलाश करते हैं, यह सोचते हुए कि क्या स्थान और समय के मुड़ने (curvature) के बारे में हमारी वर्तमान समझ अपूर्ण है।

एक ऐसा विकल्प एक सिद्धांत है जो ब्रह्मांड की ज्यामिति (geometry) में एक सूक्ष्म घुमाव जोड़ता है। जहाँ मानक गुरुत्वाकर्षण अंतरिक्ष को एक चिकने कपड़े के रूप में वर्णित करता है जो पदार्थ के भार के नीचे झुकता है, वहीं यह वैकल्पिक सिद्धांत सुझाव देता है कि अंतरिक्ष में 'टॉर्शन' (torsion) नामक एक गुण भी होता है। आप टॉर्सन को स्पेसटाइम के ताने-बाने में एक सूक्ष्म घुमाव या पेंच जैसे विरूपण के रूप में सोच सकते हैं, जो कणों के आंतरिक स्पिन (spin) के कारण होता है, ठीक वैसे ही जैसे एक घूमते हुए लट्टू की एक विशिष्ट दिशा होती है। आइंस्टीन-कार्टन थ्योरी (Einstein-Cartan theory) के रूप में ज्ञात इस ढांचे में, पदार्थ का स्पिन केवल निष्क्रिय नहीं रहता; यह सक्रिय रूप से ब्रह्मांड की ज्यामिति को इस तरह से विकृत करता है जिसे मानक गुरुत्वाकर्षण अनदेखा कर देता है। शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब यह पता लगाने के लिए अन्वेषण किया है कि यह घुमावदार ज्यामिति डार्क एनर्जी के एक विशिष्ट मॉडल के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती है, ताकि यह देखा जा सके कि क्या यह विभिन्न ब्रह्मांडीय घटकों के बीच नए, रहस्यमय अंतर्संबंधों की आवश्यकता के बिना ब्रह्मांड के वर्तमान त्वरण की व्याख्या कर सकती है।

शोधकर्ताओं ने 'होलोग्राफिक डार्क एनर्जी' (holographic dark energy) नामक एक मॉडल पर ध्यान केंद्रित किया। यह विचार भौतिकी के एक सिद्धांत से उपजा है जो यह सुझाव देता है कि अंतरिक्ष के एक क्षेत्र में ऊर्जा की मात्रा उस क्षेत्र के आकार द्वारा सीमित होती है, ठीक वैसे ही जैसे ब्लैक होल का द्रव्यमान उसके आकार द्वारा सीमित होता है। इस मॉडल के मानक संस्करण में, यदि वैज्ञानिक दृश्यमान ब्रह्मांड के आकार को एक सीमा के रूप में उपयोग करते हैं, तो डार्क एनर्जी साधारण धूल की तरह व्यवहार करती है। यह आपस में गुच्छे बनाती है और विस्तार को धीमा कर देती है बजाय इसके कि वह विस्तार को तेज करे। मानक गुरुत्वाकर्षण में इस मॉडल को काम करने के योग्य बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को आमतौर पर डार्क मैटर और डार्क एनर्जी के बीच एक अंतःक्रिया (interaction) को थोपना पड़ता है, जिसका अर्थ है उन्हें एक-दूसरे से इस तरह बात करने के लिए मजबूर करना जैसा कि कभी देखा नहीं गया है। नया अध्ययन एक अलग प्रश्न पूछता है: क्या अंतरिक्ष की ज्यामिति स्वयं, विशेष रूप से घूमते हुए कणों द्वारा उत्पन्न टॉर्सन, इस डार्क एनर्जी के व्यवहार को बदल सकता है ताकि इसे बिना किसी कृत्रिम अंतःक्रिया के ब्रह्मांड को त्वरित करने के लिए प्रेरित किया जा सके?

इसका उत्तर देने के लिए, टीम ने आइंस्टीन-कार्टन थ्योरी के समीकरणों को एक घूमते हुए कणों के तरल (fluid) वाले ब्रह्मांड पर लागू किया, जो ब्रह्मांड में मौजूद पदार्थ और डार्क एनर्जी का प्रतिनिधित्व करता है। उन्होंने पाया कि टॉर्सन की उपस्थिति मौलिक रूप से नियमों को बदल देती है। उनकी गणनाओं में, स्थान का घुमाव एक छिपे हुए बल की तरह कार्य करता है जो होलोग्राफिक डार्क एनर्जी के व्यवहार को बदल देता है। चीजों को धीमा करने वाली धूल के रूप में कार्य करने के बजाय, डार्क एनर्जी उस अवस्था की ओर बढ़ जाती है जहाँ यह नकारात्मक दबाव डालती है, जो ब्रह्मांडीय त्वरण को चलाने के लिए बिल्कुल आवश्यक है। महत्वपूर्ण रूप से, यह स्वाभाविक रूप से होता है। डार्क मैटर और डार्क एनर्जी पूरी तरह से अलग रहते हैं, वे कभी भी सीधे परस्पर क्रिया नहीं करते, फिर भी ब्रह्मांड की ज्यामिति स्वयं उनके बीच के अंतर को पाट देती है, जिससे त्वरण संभव हो पाता है। यह सुझाव देता है कि जो त्वरण हम देखते हैं वह किसी नए प्रकार की ऊर्जा या ब्रह्मांडीय घटकों के बीच किसी गुप्त समझौते के कारण नहीं हो सकता, बल्कि यह ब्रह्मांड की अंतर्निहित ज्यामितीय संरचना का एक परिणाम है।

इसके बाद टीम ने परीक्षण किया कि क्या यह सैद्धांतिक चित्र वास्तव में आकाश में जो हम देखते हैं उससे मेल खाता है। उन्होंने अपने मॉडल की तुलना दूर स्थित सुपरनोवा (supernovae) के विरुद्ध की, जो ब्रह्मांडीय मील के पत्थरों के रूप में कार्य करते हैं। अपने मॉडल में एक एकल स्वतंत्र पैरामीटर (free parameter) को समायोजित करके, उन्होंने पाया कि यह देखे गए डेटा के साथ उल्लेखनीय रूप से अच्छी तरह से फिट बैठता है। यह सर्वोत्तम-फिट मान इंगित करता है कि ब्रह्मांड वर्तमान में त्वरित हो रहा है, और इस त्वरण की शक्ति उन मापों के अनुरूप है जो हमने नजदीकी आकाशगंगाओं से लिए हैं। मॉडल भविष्यवाणी करता है कि डार्क एनर्जी एक 'कॉस्मोलॉजिकल कांस्टेंट' (cosmological constant) के बहुत समान व्यवहार करती है, जो अक्सर खाली स्थान की ऊर्जा का वर्णन करने के लिए उपयोग किया जाने वाला शब्द है, लेकिन यह पदार्थ के स्पिन से जुड़े एक अलग तंत्र के माध्यम से इस परिणाम तक पहुँचती है। शोधकर्ताओं ने यह भी गणना की कि अंतरिक्ष के इस "घुमाव" या टॉर्सन का इस प्रभाव में कितना योगदान है। उन्होंने पाया कि हालांकि घुमाव छोटा है, फिर भी यह मापने योग्य स्तर पर महत्वपूर्ण है और ब्रह्मांड के विस्तार की वर्तमान दर के अनुरूप है।

त्वरण की व्याख्या करने के अलावा, अध्ययन ने यह भी देखा कि यह घुमावदार ज्यामिति ब्रह्मांड में दूरियों को मापने के तरीके को कैसे प्रभावित करती है। मानक भौतिकी में, एक दूर स्थित वस्तु की चमक और उसके आभासी आकार के बीच एक सख्त नियम होता है; यदि आप एक को जानते हैं, तो आप दूसरे की गणना कर सकते हैं। हालाँकि, टॉर्सन की उपस्थिति इस नियम को थोड़ा तोड़ देती है। जैसे-जैसे प्रकाश किसी दूर के स्रोत से पृथ्वी तक यात्रा करता है, अंतरिक्ष का घुमाव उसके पथ के साथ संचित होता जाता है, जिससे चमक और आकार के बीच के संबंध में एक सूक्ष्म विचलन पैदा होता है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि यह विचलन वस्तु की दूरी बढ़ने के साथ बढ़ता जाता है। हालांकि यह प्रभाव वर्तमान में मौजूदा दूरबीनों के साथ देखा जाने योग्य नहीं है, फिर भी यह एक ठोस, परीक्षण योग्य भविष्यवाणी प्रदान करता है। यदि भविष्य के उपकरण अत्यधिक सटीकता के साथ ब्रह्मांडीय दूरियों को माप सकते हैं, तो वे टॉर्सन के इस विशिष्ट हस्ताक्षर को पहचान सकते हैं, जो डार्क एनर्जी के इस ज्यामितीय स्पष्टीकरण की पुष्टि करने या उसे खारिज करने का एक तरीका प्रदान करेगा।

अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि आइंस्टीन-कार्टन ढांचा त्वरित होते ब्रह्मांड के लिए एक व्यवहार्य, आत्म-सुसंगत स्पष्टीकरण प्रदान करता है। यह प्रदर्शित करता है कि पदार्थ का आंतरिक स्पिन, टॉर्सन के तंत्र के माध्यम से, डार्क एनर्जी के व्यवहार को इस तरह से संशोधित कर सकता है जैसा कि मानक गुरुत्वाकर्षण नहीं कर सकता। यह ब्रह्मांड को बिना डार्क मैटर और डार्क एनर्जी के बीच अंतःक्रिया की आवश्यकता के त्वरित होने की अनुमति देता है, जिससे ब्रह्मांडीय मॉडलिंग की एक लंबे समय से चली आ रही पहेली सुलझ जाती है। निष्कर्ष कम रेडशिफ्ट (low redshifts) पर ब्रह्मांड के एक सुसंगत विवरण के रूप में प्रस्तुत किए गए हैं, जिसका अर्थ है कि वे ब्रह्मांड के अपेक्षाकृत हालिया इतिहास पर लागू होते हैं। हालांकि यह मॉडल अभी तक पूरे ब्रह्मांड के इतिहास (बिग बैंग से आज तक) को समझाने का दावा नहीं करता है, लेकिन यह त्वरण के वर्तमान युग का सफलतापूर्वक वर्णन करता है। यह कार्य सुझाव देता है कि स्पेसटाइम की ज्यामिति पहले की तुलना में अधिक समृद्ध और जटिल है, जिसमें अंतरिक्ष के विशाल विस्तार में यात्रा करने वाले प्रकाश पर ब्रह्मांडीय घुमावों के सूक्ष्म, संचित प्रभावों के माध्यम से नई भौतिकी को प्रकट करने की क्षमता है।