Oscillatory dark energy with phantom crossings in Einstein-Gauss-Bonnet gravity

ब्रह्मांड का विस्तार हो रहा है, और यह केवल धीरे-धीरे दूर नहीं जा रहा है, बल्कि एक निरंतर बढ़ती दर से त्वरित हो रहा है। दशकों से, खगोलविदों को पता है कि साधारण पदार्थ—वे तारे, ग्रह और गैस जिन्हें हम देख सकते हैं—ब्रह्मांड का केवल एक छोटा सा हिस्सा बनाते हैं। बाकी एक रहस्यमय पदार्थ है जिसे 'डार्क एनर्जी' (dark energy) कहा जाता है, जो आकाशगंगाओं को एक-दूसरे से दूर धकेलती है। लंबे समय तक, सबसे सरल स्पष्टीकरण यह था कि यह ऊर्जा अंतरिक्ष के ताने-बाने में रची-बसी एक स्थिर, अपरिवर्तित शक्ति है। हालाँकि, ब्रह्मांड की संरचना के हालिया, अत्यधिक सटीक मापों ने संकेत देना शुरू कर दिया है कि यह ऊर्जा इतनी स्थिर नहीं हो सकती है। इसके बजाय, यह विकसित हो सकती है, समय के साथ अपना व्यवहार बदल सकती है, और शायद दबाव की विभिन्न अवस्थाओं के बीच भी बदल सकती है।

यही बदलता व्यवहार वह स्थान है जहाँ "फैंटम एनर्जी" (phantom energy) की अवधारणा प्रवेश करती है। कॉस्मोलॉजी की भाषा में, डार्क एनर्जी का आमतौर पर एक विशिष्ट मान होता है जो यह बताता है कि वह कैसे धकेलती या खींचती है। यदि यह मान एक निश्चित सीमा से नीचे गिर जाता है, तो ऊर्जा "फैंटम" बन जाती है, एक ऐसी अवस्था जो इतनी आक्रामक है कि यह अंततः ब्रह्मांड को एक विनाशकारी समापन में फाड़ देगी। जबकि कुछ डेटा सुझाव देते हैं कि ब्रह्मांड हाल के अतीत में इस फैंटम अवस्था के करीब पहुँचा था, और फिर वापस एक शांत अवस्था में लौट आया, लेकिन इस तरह का संक्रमण मानक भौतिकी के साथ समझाना कठिन है। इसके लिए अक्सर ऐसे सिद्धांतों की आवश्यकता होती है जो स्थिरता के मौलिक नियमों को तोड़ते हैं, जिससे गणितीय अराजकता पैदा होती है। शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस व्यवहार को मॉडल करने का एक नया तरीका प्रस्तावित किया है जो इन खामियों से बचता है, यह सुझाव देते हुए कि ब्रह्मांड का विस्तार एक ऐसे क्षेत्र (field) द्वारा संचालित हो सकता है जो स्थिर होने के दौरान दोलन करता है, या कंपन करता है।

शोधकर्ता, आइंस्टीन के गुरुत्वाकर्षण सिद्धांत का विस्तार करने वाले एक ढांचे के भीतर काम करते हुए, यह देखने के लिए आगे बढ़े कि क्या वे एक ऐसा मॉडल बना सकते हैं जहाँ डार्क एनर्जी बिना ब्रह्मांड को अस्थिरता में धकेले स्वाभाविक रूप से फैंटम सीमा को पार कर सके। उन्होंने गुरुत्वाकर्षण के एक विशिष्ट प्रकार पर ध्यान केंद्रित किया जिसमें एक अतिरिक्त ज्यामितीय पद शामिल है, जिसे 'गॉस-बोनेट इनवेरिएंट' (Gauss-Bonnet invariant) कहा जाता है, जो एक 'स्केलर फील्ड' (scalar field)—एक प्रकार का ऊर्जा क्षेत्र जो अंतरिक्ष में व्याप्त है—से जुड़ा होता है। गणित को सफल बनाने के लिए, उन्होंने इस क्षेत्र के लिए एक 'पोटेंशियल एनर्जी लैंडस्केप' (potential energy landscape) तैयार किया जो एक सपाट फर्श वाले उथले घाटी जैसा दिखता है। कल्पना कीजिए कि एक गेंद एक पहाड़ी से नीचे उतरकर एक घाटी में आती है; इस मॉडल में, गेंद नीचे की ओर लुढ़कती है, लेकिन क्योंकि घाटी का आकार एक विशिष्ट तरीके से है, वह केवल रुकती नहीं है। इसके बजाय, वह इतनी गति प्राप्त कर लेती है कि दूसरी ओर ऊपर की ओर लुढ़क जाती है, और फिर वापस नीचे की ओर आती है, जिससे एक आगे-पीछे की गति उत्पन्न होती है।

अपने सिमुलेशन में, वैज्ञानिकों ने पाया कि जब यह क्षेत्र अपनी पोटेंशियल घाटी के निचले हिस्से के आसपास दोलन करता है, तो यह डार्क एनर्जी के दबाव में एक लयबद्ध भिन्नता पैदा करता है। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने क्षेत्र और अंतरिक्ष की ज्यामिति के बीच एक विशिष्ट प्रकार का संबंध पेश किया जो केवल तभी सक्रिय होता है जब क्षेत्र घाटी के निचले हिस्से के पास होता है। यह जुड़ाव एक अस्थायी एम्पलीफायर (प्रवर्धक) की तरह कार्य करता है। जैसे-जैसे यह क्षेत्र कंपन करता है, यह युग्मन (coupling) डार्क एनर्जी के प्रभावी दबाव को फैंटम सीमा से नीचे गिरा देता है, जिससे यह कई बार इस विभाजन को पार कर जाता है। यह मॉडल उस प्रकार के दोलनात्मक व्यवहार को सफलतापूर्वक पुनरुत्पादित करता है जो हाल के खगोलीय डेटा द्वारा सुझाया गया है, जहाँ ब्रह्मांड उच्च रेडशिफ्ट (समय में पीछे) पर फैंटम जैसा प्रतीत हुआ था और फिर हाल के अतीत में एक शांत अवस्था में परिवर्तित हो गया।

हालाँकि, शोधकर्ता इस बात की जांच करने में भी सावधान थे कि क्या इस दोलन की कोई कीमत चुकानी होगी। कई सैद्धांतिक मॉडलों में, फैंटम सीमा को पार करने से "घोस्ट" (ghost) अस्थिरताएँ उत्पन्न होती हैं, जहाँ ऊर्जा असीमित हो जाती है और ब्रह्मांड भौतिक रूप से निरर्थक हो जाता है, या "ग्रेडिएंट" (gradient) अस्थिरताएँ होती हैं, जहाँ अंतरिक्ष में छोटी लहरें तेजी से बढ़ती हैं और ब्रह्मांड की संरचना को नष्ट कर देती हैं। टीम ने पाया कि जबकि मजबूत युग्मन वास्तव में इन घातक अस्थिरताओं को जन्म दे सकते हैं, मॉडल के मापदंडों (parameters) में एक विशिष्ट, संकीर्ण क्षेत्र है जहाँ दोलन स्वस्थ रहते हैं। इस सुरक्षित क्षेत्र में, क्षेत्र फैंटम सीमा को पार करता है, लेकिन ब्रह्मांड की लहरों की ध्वनि गति सकारात्मक रहती है, और ऊर्जा सीमित रहती है। इसका अर्थ है कि मॉडल एक ऐसे ब्रह्मांड का वर्णन कर सकता है जो खुद को फाड़ने के बजाय अलग-अलग विस्तार दरों के बीच डोलता रहता है।

अध्ययन इस निष्कर्ष पर पहुँचता है कि यह दोलनात्मक परिदृश्य विकसित होती डार्क एनर्जी के हालिया संकेतों को समझाने के लिए एक व्यवहार्य उम्मीदवार है। मॉडल भविष्यवाणी करता है कि ब्रह्मांड अंततः दोलन करना बंद कर देगा क्योंकि क्षेत्र अपनी ऊर्जा खो देता है और 'डी सिटर फेज' (de Sitter phase) नामक एक स्थिर, स्थिर विस्तार की अवस्था में स्थिर हो जाता है। यह एक सुसंगत चित्र प्रदान करता है जहाँ ब्रह्मांड एक जटिल, दोलनात्मक व्यवहार के क्षणिक काल का अनुभव करता है और फिर एक शांत, स्थिर भविष्य की ओर बढ़ता है। जबकि यह मॉडल सैद्धांतिक आवश्यकताओं को पूरा करता है और हाल के व्यापक अवलोकनों से मेल खाता है, लेखक नोट करते हैं कि मॉडल को स्थिर रखने के लिए आवश्यक विशिष्ट मान काफी सटीक हैं। भविष्य के अवलोकनों को यह निर्धारित करने की आवश्यकता होगी कि क्या वास्तविक ब्रह्मांड इस विशिष्ट पथ का अनुसरण करता है या क्या दोलनात्मक व्यवहार केवल एक गणितीय संभावना है जिसका प्रकृति वास्तव में उपयोग नहीं करती है। फिलहाल, यह कार्य एक ठोस, स्थिर तंत्र प्रदान करता है कि कैसे डार्क एनर्जी ने फैंटम सीमा को पार किया होगा, जिससे यह एक सैद्धांतिक जिज्ञासा से ब्रह्मांडीय विकास की एक भौतिक रूप से प्रशंसनीय कहानी में बदल गया।