From Non-Thermal to Thermal: Cosmological Imprints of Self-Interacting Secluded Dark Matter

डार्क मैटर हमारे ब्रह्मांड का अदृश्य ढांचा है। हम जानते हैं कि यह वहां मौजूद है क्योंकि इसका गुरुत्वाकर्षण आकाशगंगाओं को एक साथ थामे रखता है और विशाल कॉस्मिक वेब को आकार देता है, फिर भी यह प्रकाश या साधारण पदार्थ के साथ उस तरह से संवाद करने से इनकार करता है जिसे हम आसानी से पहचान सकें। दशकों से, वैज्ञानिक यह समझने की कोशिश कर रहे हैं कि यह पदार्थ किस चीज से बना है और बिग बैंग के बाद के उग्र क्षणों में यह कैसा व्यवहार करता था। एक केंद्रीय प्रश्न यह रहा है कि क्या डार्क मैटर कभी "गर्म" (hot) था—जो प्रकाश की गति के करीब की गति से चल रहा था—या "ठंडा" (cold), जो आकाशगंगाओं के बीज बनाने के लिए एक साथ जुड़ने के लिए पर्याप्त धीमा था। यदि यह बहुत गर्म होता, तो यह घने क्षेत्रों से बहकर दूर निकल जाता, जिससे आज हम जो सूक्ष्म संरचनाएं देखते हैं, वे मिट जातीं। डार्क मैटर को आकाशगंगाओं के निर्माण के लिए पर्याप्त भारी होने और ब्रह्मांड के विस्तार की व्याख्या करने के लिए पर्याप्त हल्का होने की आवश्यकता के बीच का यह तनाव आधुनिक ब्रह्मांड विज्ञान (cosmology) का एक बड़ा हिस्सा रहा है।

एक नए अध्ययन में, इंडियन इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस एजुकेशन एंड रिसर्च और साहा इंस्टीट्यूट ऑफ न्यूक्लियर फिजिक्स के शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट परिदृश्य की खोज की है जहाँ डार्क मैटर पहले की तुलना में अलग व्यवहार करता है। उन्होंने एक ऐसे प्रकार के डार्क मैटर पर ध्यान केंद्रित किया जो एक "विलग" (secluded) क्षेत्र में रहता है, जिसका अर्थ है कि यह स्टैंडर्ड मॉडल के सामान्य कणों, जैसे कि इलेक्ट्रॉन या प्रोटॉन, से बात नहीं करता है। इसके बजाय, इस छिपे हुए क्षेत्र के अपने आंतरिक नियम हैं। टीम ने एक ऐसे ब्रह्मांड की कल्पना की जहाँ डार्क मैटर के कण साधारण पदार्थ के गर्म सूप से नहीं, बल्कि 'इन्फ्लैटन' (inflaton) नामक एक क्षेत्र के क्षय (decay) से उत्पन्न होते हैं, जिसने प्रारंभिक ब्रह्मांड के तीव्र विस्तार को संचालित किया था। इस मॉडल में, डार्क मैटर के कण एक बहुत ही विशिष्ट, गैर-यादृच्छिक (non-random) गति वितरण के साथ शुरू होते हैं। शोधकर्ताओं ने एक सरल लेकिन गहन प्रश्न पूछा: यदि ये कण आपस में टकरा सकते हैं, तो क्या वे अंततः एक शांत, तापीय अवस्था (thermal state) में स्थिर हो जाएंगे, और आज के ब्रह्मांड के लिए इसका क्या अर्थ होगा?

इसका उत्तर देने के लिए, वैज्ञानिकों ने प्रारंभिक ब्रह्मांड का एक विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन बनाया। उन्होंने इन अदृश्य कणों के एक बादल को ट्रैक किया, जो इन्फ्लैटन के क्षय से उत्पन्न हुए थे, और यह देखा कि समय के साथ वे कैसे विकसित हुए। प्रारंभ में, कण साम्यावस्था (equilibrium) में नहीं थे; वे इस तरह से चल रहे थे जो एक मानक गैस के समान नहीं था। हालाँकि, शोधकर्ताओं ने एक तंत्र को शामिल किया जहाँ ये कण एक-दूसरे से टकरा सकते थे, जो एक स्व-अंतःक्रिया बल (self-interaction force) द्वारा संचालित होता है। फैलते हुए ब्रह्मांड में कणों के वितरण को बदलने वाले जटिल समीकरणों को हल करके, उन्होंने सिस्टम के विकास को देखा। उन्होंने पाया कि यदि कण आपस में पर्याप्त बार अंतःक्रिया करते हैं, तो वे वास्तव में तापीयकरण (thermalize) करते हैं। वे अपनी ऊर्जा का पुनर्वितरण करते हैं और एक तापमान और एक रासायनिक क्षमता (chemical potential) द्वारा परिभाषित एक स्थिर अवस्था में बस जाते हैं, जो उपलब्ध ऊर्जा के सापेक्ष कणों की संख्या का माप है।

इस कार्य की सबसे उल्लेखनीय खोजों में से एक यह है कि यह विलग डार्क मैटर साधारण पदार्थ की तुलना में काफी अधिक गर्म हो सकता है, भले ही यह सभी ज्ञात ब्रह्मांडीय बाधाओं का पालन करता हो। कई पिछले सिद्धांतों में, वैज्ञानिकों ने माना था कि यदि डार्क मैटर विलग है, तो यह दृश्य ब्रह्मांड की तुलना में ठंडा होगा। यह नया अध्ययन इसके विपरीत संभावना दिखाता है। यदि इन्फ्लटन क्षेत्र मुद्रास्फीति (inflation) के बाद जिस तापमान पर ब्रह्मांड का पुन: तापन (reheating) हुआ था, उसकी तुलना में पर्याप्त भारी था, तो डार्क मैटर क्षेत्र का तापमान अधिक हो सकता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह "गर्म" अवस्था इसलिए संभव है क्योंकि डार्क मैटर के कण एक ऋणात्मक रासायनिक क्षमता (negative chemical potential) रखते हैं। सरल शब्दों में, यह ऋणात्मक मान ऊर्जा घनत्व पर एक ब्रेक की तरह कार्य करता है, जो डार्क मैटर को इतना ऊर्जावान होने से रोकता है कि वह प्रारंभिक ब्रह्मांड में हल्के तत्वों के निर्माण (बिग बैंग न्यूक्लियोसिंथेसिस) को बाधित कर सके।

अध्ययन ने इन डार्क मैटर कणों के द्रव्यमान की निचली सीमा की भी गणना की। स्व-अंतःक्रिया की मदद के बिना, कण लंबे समय तक स्वतंत्र रूप से बहते (stream freely), जिससे ब्रह्лось की छोटी संरचनाएं मिट जातीं। इसके लिए कणों को अपेक्षाकृत भारी होना आवश्यक होता ताकि वे उन बौनी आकाशगंगाओं (dwarf galaxies) को नष्ट न कर दें जिन्हें हम देखते हैं। हालाँकि, शोधकर्ताओं ने पाया कि तापीयकरण की प्रक्रिया स्वयं परिणाम को बदल देती है। जब कण टकराते हैं और संवेग (momentum) का आदान-प्रदान करते हैं, तो वे प्रभावी रूप से उस दूरी को कम कर देते हैं जहाँ वे स्वतंत्र रूप से यात्रा कर सकते हैं। यह "फ्री-स्ट्रीमिंग लंबाई" (free-streaming length) कम हो जाती है, जिसका अर्थ है कि डार्क मैटर पहले की तुलना में कम द्रव्यमान वाला हो सकता है फिर भी ब्रह्मांडीय संरचना को नष्ट किए बिना अस्तित्व में रह सकता है। उच्च पुन: तापन तापमान वाले परिदृश्य के लिए, निचली द्रव्यमान सीमा लगभग $2.2 \times 10^{-10}$ GeV तक गिर जाती है। कम पुन: तापन तापमान के लिए, यह सीमा लगभग 0.47 GeV है। ये मान उन परिदृश्यों की तुलना में काफी कम हैं जहाँ डार्क मैटर स्वयं के साथ अंतःक्रिया नहीं करता है, जो यह सुझाव देता है कि डार्क मैटर कैसे उत्पन्न हुआ और वह कैसे ठंडा हुआ, इसका इतिहास उसके अंतिम द्रव्यमान जितना ही महत्वपूर्ण है।

यह कार्य अरबों कणों के संवेग को ब्रह्मांड के विस्तार के दौरान ट्रैक करने के लिए संख्यात्मक सिमुलेशन (numerical simulations) पर निर्भर करता है। शोधकर्ताओं ने सत्यापित किया कि उनके कोड ने कणों की कुल संख्या और ऊर्जा को सही ढंग से संरक्षित किया, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि उनके द्वारा देखा गया तापीयकरण एक वास्तविक भौतिक प्रभाव था न कि कोई गणितीय त्रुटि। उन्होंने पुष्टि की कि डार्क मैटर को इस तापीय अवस्था तक पहुँचने में लगने वाला समय स्व-अंतःक्रिया की शक्ति पर निर्भर करता है। यदि अंतःक्रिया पर्याप्त मजबूत है, तो कण तेजी से तापीयकृत होते हैं, जिससे वे अपने अराजक जन्म को "भूलकर" एक सुचारू वितरण में बस जाते हैं। यदि अंतःक्रिया बहुत कमजोर है, तो वे अपनी प्रारंभिक, गैर-तापीय अवस्था में ही रहते हैं। अध्ययन सटीक रूप से मानचित्रित करता है कि यह संक्रमण कहाँ होता है, यह दिखाते हुए कि प्रशंसनीय स्थितियों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए, तापीयकरण एक सुदृढ़ परिणाम है।

अंततः, यह शोध डार्क मैटर के लिए निर्धारित सीमाओं के प्रति हमारे दृष्टिकोण को नया आकार देता है। यह दर्शाता है कि डार्क मैटर का द्रव्यमान किसी एक सार्वभौमिक नियम द्वारा तय नहीं होता है, बल्कि यह प्रारंभिक ब्रह्मांड के विशिष्ट इतिहास, विशेष रूप से इन्फ्लटन के द्रव्यमान और पुन: तापन के तापमान पर बहुत अधिक निर्भर करता है। निष्कर्ष बताते हैं कि "वॉर्म" (warm) डार्क मैटर के परिदृश्य, जो आकाशगंगा निर्माण के अवलोकन द्वारा लंबे समय से प्रतिबंधित रहे हैं, उन तरीकों से व्यवहार्य हो सकते हैं जिन्हें पहले अनदेखा किया गया था। एक गैर-शून्य रासायनिक क्षमता के साथ एक गर्मกว่า डार्क सेक्टर की अनुमति देकर, ब्रह्मांड उन हल्के डार्क मैटर कणों को भी समायोजित कर सकता है जो आज की आकाशगंगाओं का निर्माण करते हैं। यह डार्क मैटर के लिए क्या हो सकता है, इसकी संभावनाओं का एक नया द्वार खोलता है, जो सरल धारणा से आगे बढ़ता है कि इसे ठंडा और गैर-संवादात्मक होना चाहिए, और यह उजागर करता है कि ब्रह्मांड के पहले क्षणों में कितनी समृद्ध और जटिल भौतिकी घटित हुई होगी।