Gravitational waves from strong first-order phase transitions in an expanding Universe

हमारे ब्रह्मांड के शुरुआती क्षणों में, बिग बैंग के ठीक कुछ अंश सेकंड बाद, कॉसमॉस वह सुचारू और ठंडा होता विस्तार नहीं था जैसा कि हम आज देखते हैं। इसके बजाय, यह ऊर्जा और कणों का एक उबलता हुआ, अत्यधिक गर्म सूप था जो एक नाटकीय परिवर्तन से गुजर रहा था। पानी के बर्फ में बदलने की तरह, प्रकृति के मौलिक क्षेत्र एक अवस्था से दूसरी अवस्था में बदल सकते हैं। जब यह बदलाव धीरे-धीरे होने के बजाय अचानक और हिंसक रूप से होता है, तो इसे 'प्रथम-क्रम चरण संक्रमण' (first-order phase transition) कहा जाता है। इन घटनाओं के दौरान, पुरानी, अस्थिर अवस्था के भीतर पदार्थ की नई, स्थिर अवस्था के बुलबुले बनने लगते हैं। जैसे-जैसे ये बुलबुले फैलते हैं और अंततः एक-दूसरे से टकराते हैं, वे ब्रह्मांडीय तरल को अत्यधिक बल के साथ हिला देते हैं। यह हिंसक हलचल अंतरिक्ष और समय के ताने-बाने में लहरें पैदा करती है, जिन्हें गुरुत्वाकर्षण तरंगें (gravitational waves) कहा जाता है। हालांकि ये तरंगें मानवीय हाथों द्वारा महसूस करने के लिए बहुत क्षीण हैं, फिर भी वे ब्रह्मांड के शैशव काल के एक अद्वितीय हस्ताक्षर को वहन करती हैं। आज, इन समय के आरंभ से आने वाली फुसफुसाहटों को सुनने के लिए शक्तिशाली उपकरण बनाए जा रहे हैं, इस उम्मीद में कि वे हमारे ब्रह्मांड के आकार लेने के इतिहास को डिकोड कर सकें।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब यह समझने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है कि ये गुरुत्वाकर्षण तरंगें वास्तव में कैसी सुनाई देनी चाहिए। प्रारंभिक ब्रह्मांड के जटिल, त्रि-आयामी कंप्यूटर सिमुलेशन चलाकर, उन्होंने यह मॉडल किया है कि जैसे-जैसे कॉसमॉस फैलता है, ये हिंसक चरण संक्रमण कैसे घटित होते हैं। उनका कार्य एक विशिष्ट परिदृश्य पर केंद्रित है जहाँ संक्रमण प्रबल है और पदार्थ के नए बुलबुले इतनी धीमी गति से बढ़ते हैं कि वे आसपास के तरल के साथ गहराई से परस्पर क्रिया कर सकें। वैज्ञानिकों ने पाया कि गुरुत्वाकर्षण तरंगों का प्राथमिक स्रोत बुलबुलों का प्रारंभिक टकराव नहीं है, जैसा कि कुछ पिछले सिद्धांतों ने सुझाव दिया था, बल्कि वे शक्तिशाली ध्वनि तरंगें हैं जो बुलबुलों के मिलने के बाद तरल के माध्यम से लहरें उत्पन्न करती हैं। ये ध्वनि तरंगें सिग्नल पर हावी हो जाती हैं, जिससे एक विशिष्ट पैटर्न बनता है जो बुलबुलों के टकराने के शोर की तुलना में कहीं अधिक तेज और महत्वपूर्ण होता है।

सिमुलेशन ने इन ध्वनि तरंगों द्वारा उत्पन्न गुरुत्वाकर्षण तरंगों में एक आश्चर्यजनक संरचना का खुलासा किया। एक एकल, सुचारू वक्र के बजाय, सिग्नल दो स्पष्ट शिखर (peaks) प्रदर्शित करता है। एक शिखर बुलबुलों के बनने के समय उनके बीच की औसत दूरी के अनुरूप है, जबकि दूसरा शिखर उस तरल के आवरण (shell) की मोटाई से संबंधित है जिसे फैलते बुलबुलों द्वारा बाहर धकेला गया था। यह दोहरे-शिखर वाली विशेषता एक फिंगरप्रिंट की तरह कार्य करती है, जो भविष्य के दूरबीनों को प्रारंभिक ब्रह्मांड की विशिष्ट स्थितियों को पहचानने का एक तरीका प्रदान करती है। शोधकर्ताओं ने यह भी खोजा कि चरण संक्रमण की शक्ति यह निर्धारित करती है कि ये ध्वनि तरंगें कितने समय तक बनी रहती हैं। कमजोर संक्रमणों के लिए, ध्वनि तरंगें ब्रह्मांड के आकार दोगुना होने के समय से अधिक समय तक बनी रह सकती हैं, जबकि सबसे हिंसक संक्रमणों के लिए, ऊर्जा अधिक तेजी से समाप्त हो जाती है। इसके अलावा, हिंसक टकराव तरल के भीतर भंवर जैसी गतियों, या घूर्णन मोड (rotational modes), को उत्पन्न करते हैं, और इन भंवरों की तीव्रता संक्रमण की शक्ति के साथ बढ़ती है।

अध्ययन ने बुलबुलों के विस्तार के दो अलग-अलग तरीकों की तुलना भी की: 'डेटोनेशन' (detonations), जो तरल में ध्वनि की गति से तेज़ चलते हैं, और 'डेफलग्रेशन' (deflagrations), जो धीमे चलते हैं। परिणामों ने दिखाया कि डेफलग्रेशन से उत्पन्न गुरुत्वाकर्षण तरंगों में डेटोनेशन की तुलना में उच्च आवृत्तियों (high frequencies) पर बहुत अधिक तीव्र गिरावट आती है। सिग्नल के आकार में यह अंतर विभिन्न प्रकार की ब्रह्मांडीय घटनाओं के बीच अंतर करने के लिए महत्वपूर्ण है। इसके अतिरिक्त, शोधकर्ताओं ने पाया कि जब उन्होंने ब्रह्मांड के विस्तार को ध्यान में रखा, तो गुरुत्वाकर्षण तरंगों की समग्र शक्ति उन पिछले सिमुलेशनों की तुलना में लगभग दस गुना कम थी जिन्होंने इस विस्तार को अनदेखा कर दिया था। यह सुधार यह सटीक भविष्यवाणी करने के लिए अत्यंत आवश्यक है कि भविष्य के डिटेक्टर, जैसे कि लेजर इंटरफेरोमीटर स्पेस एंटिना (LISA), वास्तव में क्या देखेंगे। इन ब्रह्मांडीय घटनाओं की हमारी समझ को परिष्कृत करके, यह कार्य हमें ब्रह्मांड के हिंसक जन्म की वास्तविक कहानी सुनने के और करीब लाता है।