🔭 खगोलीय भौतिकी

The road to $H_0$ , $\Omega_m$ , and $w$ with a global neutrino-telescope network

यह शोध पत्र पूर्वानुमान लगाता है कि 2030 तक, न्यूट्रिनो दूरबीनों (IceCube, KM3NeT-ARCA, और Baikal-GVD) का एक वैश्विक नेटवर्क हबल स्थिरांक के न्यूट्रिनो-आधारित मापन को महत्वपूर्ण रूप से परिष्कृत करेगा, न्यूट्रिनो-एक्स-रे ल्यूमिनोसिटी संबंध की गैर-कैलोरीमेट्रिक प्रकृति की पुष्टि करेगा, और उच्च-रेडशिफ्ट न्यूट्रिनो स्रोतों का उपयोग करके ब्रह्मांड संबंधी मापदंडों $\Omega_m$ और $w$ के स्वतंत्र निर्धारण को संभावित रूप से सक्षम बनाएगा।

मूल लेखक: Pavel Zhelnin, Gonzalo Herrera, Nicholas Kamp, Carlos A. Argüelles

प्रकाशित 2026-10-12

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Pavel Zhelnin, Gonzalo Herrera, Nicholas Kamp, Carlos A. Argüelles

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ब्रह्मांड का विस्तार हो रहा है, लेकिन खगोलशास्त्री इस बात पर सहमत नहीं हैं कि यह कितनी तेजी से हो रहा है। एक विधि, जो बिग बैंग की गूँज (afterglow) को देखती है, एक विशिष्ट गति का सुझाव देती है। दूसरी विधि, पास के फटने वाले तारों की दूरी को मापने के माध्यम से, एक अधिक तीव्र गति का सुझाव देती है। यह असहमति, जिसे हबल टेंशन (Hubble tension) कहा जाता है, आधुनिक ब्रह्मांड विज्ञान की सबसे गंभीर पहेलियों में से एक है। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिकों को ब्रह्मांडीय दूरियों को मापने के एक पूरी तरह से नए तरीके की आवश्यकता है, जो विभिन्न धारणाओं पर आधारित हो और मौजूदा विधियों की संभावित त्रुटियों से बच सके। दशकों से, उच्च-ऊर्जा न्यूट्रिनो—वे भूतिया कण जो पदार्थ से लगभग अछूते होकर ब्रह्मांड में दौड़ते हैं—ऐसे एक उपकरण के रूप में एक लुभावनी संभावना रहे हैं, लेकिन वे स्पष्ट उत्तर देने के लिए बहुत धुंधले और दुर्लभ रहे हैं।

एक नया अध्ययन इन मायावी कणों को एक सटीक ब्रह्मांडीय पैमाने (cosmic ruler) में बदलने का प्रस्ताव करता है। न्यूट्रिनो डिटेक्टरों के एक वैश्विक नेटवर्क से प्राप्त डेटा को सक्रिय आकाशगंगाओं से एक्स-रे के अवलोकनों के साथ जोड़कर, शोधकर्ताओं ने ब्रह्मांड के विस्तार की दर को पहले की तुलना में बहुत अधिक सटीकता के साथ मापने का मार्ग प्रशस्त किया है। यह कार्य बताता है कि 2030 तक, आर्कटिक, भूमध्य सागर और अंटार्कटिक के टेलीस्कोपों के बीच एक समन्वित प्रयास ब्रह्मांड के विस्तार की दर को कुछ प्रतिशत के भीतर निर्धारित कर सकता है। यह केवल एक संख्या मात्र नहीं है, बल्कि यह दृष्टिकोण ब्रह्मांड को आकार देने वाली अदृश्य शक्तियों पर एक नया परिप्रेक्ष्य प्रदान करता है, जो पदार्थ के घनत्व और डार्क एनर्जी (dark energy) की प्रकृति के बारे में नए विवरण प्रकट कर सकता है।

इस नई विधि की कुंजी दो बहुत अलग प्रकार के प्रकाश के बीच एक आश्चर्यजनक संबंध में निहित है। सक्रिय आकाशगंगाएँ, विशेष रूप से 'सेफ़र्ट गैलेक्सीज़' (Seyfert galaxies) नामक एक प्रकार, अपने केंद्रों में स्थित सुपरमैसिव ब्लैक होल द्वारा संचालित होती हैं। जैसे-जैसे गैस इन ब्लैक होल में घूमती है, वह गर्म हो जाती है और एक्स-रे उत्सर्जित करती है। साथ ही, हिंसक वातावरण कणों को त्वरित करके उच्च-ऊर्जा न्यूट्रिनो बनाता है। हालिया अवलोकनों ने एक सुसंगत पैटर्न का खुलासा किया है: एक आकाशगंगा एक्स-रे में जितनी चमकीली होती है, वह उतने ही अधिक न्यूट्रिनो उत्पन्न करती है। यह संबंध एक 'स्टैंडर्ड कैंडल' (standard candle) की तरह कार्य करता है। यदि वैज्ञानिक जानते हैं कि एक आकाशगंगा को अपने न्यूट्रिनो आउटपुट के आधार पर कितना एक्स-रे प्रकाश उत्सर्जित करना चाहिए, तो वे उस अनुमानित चमक की तुलना वास्तव में देखी गई चमक से कर सकते। क्योंकि प्रकाश और न्यूट्रिनो दोनों एक ही गति से चलते हैं और इन विशाल दूरियों पर धूल द्वारा मंद नहीं होते हैं, इसलिए चमक में कोई भी अंतर उन्हें ठीक-ठीक बताता है कि आकाशगंगा कितनी दूर है।

अब तक, यह विधि देखी जा सकने वाली आकाशगंगाओं की संख्या और हमारे उपकरणों की सटीकता द्वारा सीमित थी। वर्तमान अध्ययन इस तकनीक के पहले सफल माप को लेता है और अनुमान लगाता है कि अगले कुछ वर्षों में यह कैसे बेहतर होगा। शोधकर्ताओं ने अंटार्कटिका की बर्फ में दबे एक विशाल न्यूट्रिनो डिटेक्टर, 'आइसक्यूब' (IceCube) के डेटा से शुरुआत की। उन्होंने इसे दक्षिणी आकाश की आकाशगंगाओं के एक नए विश्लेषण के साथ जोड़ा, जिन्हें पहले कठिन माना जाता था क्योंकि वे अंटार्कटिक डिटेक्टर के लिए क्षितिज के नीचे दिखाई देते हैं। भूमध्य सागर में KM3NeT और बैकल झील में Baikal-GVD जैसे दो अन्य प्रमुख डिटेक्टरों से डेटा जोड़कर, टीम ने एक वैश्विक नेटवर्क बनाया जो पूरे आकाश को देख सकता है।

इस वैश्विक नेटवर्क के परिणाम प्रभावशाली हैं। ब्रह्मांड के विस्तार की वर्तमान दर, जिसे हबल स्थिरांक (Hubble constant) के रूप में जाना जाता है, में त्रुटि की एक बड़ी गुंजाइश है, जो व्यापक रूप से बदलती रहती है। नया विश्लेषण, मौजूदा डेटा का उपयोग करते हुए, इसे 66 के केंद्रीय मान के साथ परिष्कृत करता है। 2030 की ओर देखते हुए, जब नए डिटेक्टर पूरी तरह से चालू हो जाएंगे और अधिक डेटा एकत्र किया जाएगा, तो अनिश्चितता नाटकीय रूप से कम होने की उम्मीद है। पूर्वानुमान बताता है कि माप और सटीक होगा, जिसका केंद्रीय मान 66 होगा। यह अनिश्चितता में लगभग दो-तिहाई की कमी को दर्शाता है, जिससे न्यूट्रिनो-आधारित माप बहुत अधिक स्पष्ट हो जाता है।

विस्तार दर के साथ-साथ, यह अध्ययन एक्स-रे और न्यूट्रिनो उत्सर्जन के बीच के संबंध को भी स्पष्ट करता है। डेटा एक विशिष्ट गणितीय ढलान (slope) की ओर संकेत करता है जो यह बताता है कि दो प्रकार के प्रकाश एक-दूसरे के साथ कैसे स्केल करते हैं। वर्तमान डेटा बताता है कि यह ढलान लगभग 0.72 है, जिसका अर्थ है कि न्यूट्रिनो आउटपुट, एक्स-रे आउटपुट की तुलना में धीमी गति से बढ़ता है। 2030 तक, शोधकर्ताओं का अनुमान है कि वे इस ढलान को इतनी सटीकता से माप पाएंगे कि वे एक सरल, "कैलोरीमेट्रिक" मॉडल को निश्चित रूप से खारिज कर सकें, जहाँ दोनों समान दर से बढ़ते हैं। इस विशिष्ट ढलान की पुष्टि करना महत्वपूर्ण है क्योंकि यह उस भौतिक मॉडल को मान्य करता है जिसका उपयोग न्यूट्रिनो गणनाओं को दूरी के मापों में बदलने के लिए किया जाता है।

इस नेटवर्क की शक्ति केवल आज ब्रह्मांड कितनी तेजी से फैल रहा है, इसे मापने तक ही सीमित नहीं है। शोधकर्ता प्रस्तावित करते हैं कि यदि यही संबंध बहुत दूर की, उच्च-रेडशिफ्ट (high-redshift) आकाशगंगाओं—विशेष रूप से जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप द्वारा हाल ही में खोजी गई कॉम्पैक्ट, लाल वस्तुओं के एक वर्ग—के लिए सत्य रहता है, तो इन न्यूट्रिनो का उपयोग ब्रह्मांड के विस्तार के इतिहास की जांच करने के लिए किया जा सकता है। इन दूरस्थ स्रोतों तक 'डिस्टेंस लैडर' (distance ladder) का विस्तार करके, न्यूट्रिनो नेटवर्क ब्रह्मांड में पदार्थ के घनत्व और डार्क एनर्जी के गुणों के स्वतंत्र माप प्रदान कर सकता है, जो त्वरित विस्तार को चलाने वाला रहस्यमय बल है। हालांकि यह भविष्य का अनुप्रयोग इस धारणा पर निर्भर करता है कि ये दूरस्थ वस्तुएं पास की आकाशगंगाओं के समान नियमों का पालन करती हैं, लेकिन ब्रह्मांड के इन मौलिक मापदंडों का परीक्षण करने के लिए एक नए प्रकार के कॉस्मिक मैसेंजर का उपयोग करने की क्षमता एक महत्वपूर्ण कदम है।

इन परिणामों को प्राप्त करने के लिए न्यूट्रिनो और एक्स-रे समुदायों के बीच घनिष्ठ सहयोग की आवश्यकता होगी। दूरी के मापों की सटीकता काफी हद तक कुछ प्रमुख "एंकर" आकाशगंगाओं की सटीक एक्स-रे चमक जानने पर निर्भर करती है। उन मॉडलों को सुधारना जो यह हिसाब रखते हैं कि गैस इन आकाशगंगाओं में एक्स-रे को कैसे अवशोषित करती है, और उन्हें देखने के लिए अधिक टेलीस्कोप समय समर्पित करना, उतना ही महत्वपूर्ण होगा जितना कि बेहतर न्यूट्रिनो डिटेक्टर बनाना। ब्रह्मांड के विस्तार की स्पष्ट समझ की राह केवल अधिक कणों को पकड़ने के बारे में नहीं है; यह अवलोकन की पूरी श्रृंखला को परिष्कृत करने के बारे में है, दूरस्थ आकाशगंगाओं में प्रकाश के अवशोषण से लेकर पृथ्वी पर भूतिया कणों के पता लगाने तक। जैसे-जैसे आने वाले दशक में वैश्विक नेटवर्क सक्रिय होगा, यह न्यूट्रिनो को दुर्लभ कौतूहल से बदलकर ब्रह्मांड के मानचित्रण के लिए एक मजबूत, स्वतंत्र उपकरण में बदलने का वादा करता है।

तकनीकी सारांश: एक वैश्विक न्यूट्रिनो-टेलीस्कोप नेटवर्क के साथ $H_0$ , $\Omega_m$ , और $w$ की ओर यात्रा

समस्या और प्रेरणा
आधुनिक ब्रह्मांड विज्ञान (cosmology) प्लैंक (Planck) द्वारा प्रारंभिक ब्रह्मांड के अवलोकनों से अनुमानित हबल स्थिरांक ( $H_0 = 67.4 \pm 0.5$ किमी सेकंड $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ ) और SH0ES द्वारा स्थानीय मापों ( $73.0 \pm 1.0$ किमी सेकंड $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ ) के बीच $\sim 5\sigma$ के तनाव (tension) का सामना कर रहा है। इस विसंगति को हल करने के लिए विस्तार दर के स्वतंत्र मापन की आवश्यकता है जो विशिष्ट धारणाओं और व्यवस्थित त्रुटि स्रोतों पर निर्भर करते हैं। सेयफ़र्ट आकाशगंगाओं (Seyfert galaxies) से उच्च-ऊर्जा न्यूट्रिनो एक नवीन "न्यूट्रिनो दूरी सीढ़ी" (neutrino distance ladder) प्रदान करते हैं। हालिया कार्य ने इन स्रोतों के न्यूट्रिनो और एक्स-रे ल्युमिनोसिटी के बीच एक पावर-लॉ संबंध ( $L_\nu \propto L_X^\beta$ ) स्थापित किया है, जिससे वे मानकीकृत मोमबत्तियों (standardizable candles) के रूप में कार्य कर सकते हैं। क्योंकि न्यूट्रिनो और एक्स-रे मेगापारसेक दूरियों तक बिना किसी बाधा के यात्रा करते हैं, यह विधि अन्य दूरी सीढ़ियों में सामान्य इन-ट्रांजिट सिस्टमैटिक्स (in-transit systematics) से बचती है, जिससे अनिश्चितताएं मुख्य रूप से स्रोत अंशांकन (calibration) और एंकर दूरियों तक सीमित हो जाती हैं।

कार्यप्रणाली
यह अध्ययन हेरेरा एट अल. [6] के प्रारंभिक न्यूट्रिनो-आधारित $H_0$ माप का तीन प्राथमिक माध्यमों से विस्तार करता है:

वर्तमान डेटा विश्लेषण (2026 विन्यास): लेखक आइसक्यूब (IceCube) के 14-वर्षीय सार्वजनिक डेटा रिलीज का उपयोग करके 26 सेयफ़र्ट आकाशगंगाओं (12 उत्तरी, 14 दक्षिणी) के ऑल-स्काई सैंपल का विश्लेषण करते हैं। विश्लेषण स्पेक्ट्रल इंडेक्स $\gamma$ और ल्युमिनोसिटी रिलेशन पैरामीटर्स को सीमित करने के लिए प्रत्येक स्रोत के लिए एक टू-डायमेंशनल लाइकलीहुड सरफेस का उपयोग करता है। दूरी के पैमाने को दो आकाशगंगाओं द्वारा एंकर किया गया है जिनके रेडशिफ्ट-स्वतंत्र दूरियां हैं: उत्तर में NGC 1068 (सेफिड दूरी) और दक्षिण में NGC 4945 (टिप-ऑफ-द-रेड-जायंट-ट्राइब दूरी)।
2030 पूर्वानुमान: लेखक एक वैश्विक नेटवर्क (जिसमें IceCube, KM3NeT-ARCA, और Baikal-GVD शामिल है) की संवेदनशीलता का 2030 तक अनुमान लगाते हैं। मुख्य धारणाएं हैं:
- KM3NeT और Baikal-GVD की पूर्ण परिचालन स्थिति।
- एंकर आकाशगंगाओं के लिए बेहतर एक्स-रे अंशांकन।
- पुनर्निर्माण सुधारों के कारण प्रति-स्रोत सिग्नल दक्षता में दो गुना वृद्धि।
- विशेष वेग (peculiar velocity) अनिश्चितताओं में 2.5 गुना की कमी।
- एंकर सेट का पांच स्रोतों तक विस्तार (NGC 5643, NGC 4151, और NGC 7469 को जोड़ना)।
- वर्तमान सर्वोत्तम-फिट संबंध ( $H_0 = 66$ , $\beta = 0.72$ ) पर आधारित असिमदेव (Asimov) डेटा का इंजेक्शन, ताकि डिटेक्टर प्रदर्शन का अनुकरण किया जा सके।
उच्च-रेडशिफ्ट विस्तार: यह शोध पत्र पदार्थ घनत्व ( $\Omega_m$ ) और डार्क एनर्जी इक्वेशन-ऑफ-स्टेट पैरामीटर ( $w$ ) को मापने के लिए दूरी सीढ़ी को उच्च-रेडशिफ्ट आबादी तक विस्तारित करने का प्रस्ताव करता है, विशेष रूप से JWST द्वारा देखे गए "लिटिल रेड डॉट्स" ( $z \sim 4-7$ )। इसमें इन स्रोतों से प्राप्त कुल विसरित न्यूट्रिनो फ्लक्स (aggregate diffuse neutrino flux) की तुलना उनके रेडशिफ्ट वितरण से प्राप्त भविष्यवाणियों के विरुद्ध करना शामिल है।

मुख्य परिणाम

वर्तमान मापन (2026): मौजूदा आइसक्यूब डेटा और दो-एंकर वाले सैंपल का उपयोग करते हुए, अध्ययन $H_0 = 66^{+44}_{-37}$ किमी सेकंड $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ और डिस्क-कोरोना स्लोप $\beta = 0.72^{+0.14}_{-0.16}$ प्रदान करता है। यह परिणाम प्लैंक और SH0ES दोनों के अनुरूप है लेकिन $\sim 70\%$ अनिश्चितता के साथ बना हुआ है।
2030 पूर्वानुमान: KM3NeT-ARCA और Baikal-GVD का समावेश दक्षिणी आकाश के स्रोतों के प्रति संवेदनशीलता को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है, जो वर्तमान में आइसक्यूब के डाउन-गोइंग व्यू में वायुमंडलीय मयून बैकग्राउंड के नीचे दबे हुए हैं। 2030 तक, नेटवर्क के निम्नलिखित लक्ष्य होने का अनुमान है:
- $H_0$ के मापन को $66^{+15}_{-13}$ किमी सेकंड $^{-1}$ Mpc $^{-1}$ तक तीक्ष्ण बनाना, जो अनिश्चितता में लगभग 65% की कमी है।
- स्लोप $\beta$ को $\pm 0.04$ ( $\beta = 0.72 \pm 0.04$ ) तक सीमित करना। यह परिशुद्धता कैलोरीमेट्रिक मान $\beta = 1$ को $\ge 5\sigma$ के साथ बाहर करने में सक्षम बनाती है।
- NGC 4945 जैसे दक्षिणी स्रोतों को $\sim 20$ के सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात के साथ, और सेंटोरस ए (Centaurus A) और सर्कस (Circinus) जैसे अन्य स्रोतों को 7-12 के अनुपात के साथ डिटेक्ट करना।
डार्क एनर्जी बाधाएं: यदि "लिटिल रेड डॉट्स" उसी ल्युमिनोसिटी रिलेशन का पालन करते हैं जो सेयफ़र्ट्स का है, तो लेखक एक फिशर फोरकास्ट (Fisher forecast) करते हैं जो इंगित करता है कि यह उच्च-रेडशिफ्ट आबादी $\Omega_m$ को $\sigma(\Omega_m) \approx 0.14$ और $w$ को $\sigma(w) \approx 1.0$ तक सीमित कर सकती है। इन मापदंडों के कंटूर (contours) एक नकारात्मक सहसंबंध प्रदर्शित करते हैं, जो CMB बाधाओं में पाए जाने वाले सकारात्मक सहसंबंध से भिन्न है, क्योंकि यह अलग रेडशिफ्ट बेसलाइन को प्रोब करता है।

महत्व और दावे
यह पत्र दावा करता है कि एक वैश्विक न्यूट्रिनो-टेलीस्कोप नेटवर्क 2030 तक हबल स्थिरांक के लिए एक प्रतिस्पर्धी जांच के रूप में न्यूट्रिनो दूरी सीढ़ी को बदल देगा, जो $H_0$ तनाव पर एक स्वतंत्र जांच प्रदान करेगा। इस पद्धति का महत्व इसके अद्वितीय व्यवस्थित प्रोफाइल में निहित है: यह एक्स-रे स्रोत अंशांकन और एंकर दूरियों पर निर्भर करता है लेकिन इन-ट्रांजिट प्रसार प्रभावों से मुक्त है।

लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि $H_0$ परिशुद्धता में सुधार अप्रत्यक्ष है, जो दक्षिणी आकाश के सक्रिय होने और नए एंकर्स के माध्यम से स्लोप $\beta$ के कड़ा होने के माध्यम से मध्यस्थ है। इसके अलावा, यह कार्य यह भी प्रतिपादित करता है कि यदि उच्च-रेडशिफ्ट न्यूट्रिनो स्रोतों की पहचान और मानकीकरण किया जा सकता है, तो न्यूट्रिनो $\Omega_m$ और $w$ जैसे ब्रह्मांडीय मापदंडों पर एक नया, स्वतंत्र दृष्टिकोण प्रदान कर सकते हैं, जो सुपरनोवा और CMB से प्राप्त बाधाओं के पूरक होंगे।

लेखक नोट करते हैं कि इन अनुमानों को साकार करने के लिए एंकर आकाशगंगाओं के फ्लक्स मापन में सुधार करने और विशेष रूप से कॉम्पटन-थिक (Compton-thick) स्रोतों के लिए अवशोषण मॉडलिंग को परिष्कृत करने के लिए न्यूट्रिनो और एक्स-रे समुदायों के बीच घनिष्ठ समन्वय की आवश्यकता है। वे यह भी स्वीकार करते हैं कि नए सेयफ़र्ट स्रोतों की खोज, विशेष रूप से दक्षिणी आकाश में, भविष्य के मापों को और बढ़ा सकती है।

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