Cosmic birefringence from a stiff axion field and its cosmological implications

अंतरिक्ष के विशाल खालीपन से होकर गुजरने वाली रोशनी केवल एक सीधी किरण नहीं है; इसमें एक छिपा हुआ अभिविन्यास (orientation) होता है, एक ध्रुवीकरण (polarization) जो एक विशिष्ट दिशा की ओर संकेत करता है। इस प्रकाश की कल्पना एक ऐसी तरंग के रूप में करें जो एक ही तल पर कंपन कर रही है, जैसे कि एक रस्सी को ऊपर-नीचे हिलाया जा रहा हो। दशकों से, खगोलविदों ने ब्रह्मांड के सबसे पुराने प्रकाश, 'कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड' का अध्ययन किया है, जो उस क्षण की एक मंद चमक है जब ब्रह्मांड पारदर्शी हो गया था। जब यह प्राचीन प्रकाश हम तक पहुँचता है, तो इसका ध्रुवीकरण तल उन अदृश्य क्षेत्रों द्वारा घुमाया जा सकता है जो ब्रह्मांड में व्याप्त हैं। यह घुमाव, जिसे 'कॉस्मिक बायरेफ्रिंजेंस' (cosmic birefringence) कहा जाता है, एक ब्रह्मांडीय दिशा-सूचक सुई की तरह कार्य करता है जिसे ब्रह्मांड के इतिहास द्वारा धीरे-धीरे घुमाया गया है। शक्तिशाली दूरबीनों के हालिया मापों ने इस प्रकाश में एक छोटा लेकिन महत्वपूर्ण मोड़ पकड़ा है, जो यह सुझाव देता है कि कुछ अदृश्य, फोटॉन के साथ अंतःक्रिया कर रहा है जब वे अरबों वर्षों की यात्रा करते हैं। वर्तमान शोध को प्रेरित करने वाला प्रश्न यह है कि वह अदृश्य शक्ति क्या हो सकती है। क्या यह डार्क एनर्जी का एक रूप है जो ब्रह्मांड को दूर धकेल रही है, या शायद डार्क मैटर का एक प्रकार जो गुच्छों में एकत्र होता है? या क्या यह कुछ पूरी तरह से अलग हो सकता है, जो उस समय का अवशेष है जब ब्रह्मांड अपने वर्तमान लय में स्थापित होने से पहले था?

टोरिनो विश्वविद्यालय और इतालवी राष्ट्रीय परमाणु भौतिकी संस्थान के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस पहेली का एक नया उत्तर प्रस्तावित किया है। वे सुझाव देते हैं कि प्रकाश का देखा गया घुमाव एक विशिष्ट प्रकार के अदृश्य क्षेत्र के कारण है जो उन डार्क मैटर और डार्क एनर्जी से अलग व्यवहार करता है जिनकी हम आमतौर पर चर्चा करते हैं। इस क्षेत्र को "स्टिफ" (stiff) के रूप में वर्णित किया गया है, जिसका अर्थ है कि यह एक अद्वितीय प्रकार का दबाव डालता है जिसके कारण ब्रह्मांड के विस्तार के साथ इसका ऊर्जा घनत्व तेजी से बदल जाता है। बहुत शुरुआती ब्रह्मांड में, यह 'स्टिफ' क्षेत्र सब पर हावी रहा होगा, जिसने 'काइनेशन' (kination) नामक तीव्र विस्तार के चरण को संचालित किया, इससे पहले कि यह फीका पड़कर आज के ब्रह्मांड का एक मामूली घटक बन गया। शोधकर्ताओं ने गणना की कि यदि यह क्षेत्र मौजूद है, तो यह प्रकाश के साथ इस तरह से अंतःक्रिया करेगा जो हाल के प्रयोगों, विशेष रूप से प्लैंक सैटेलाइट और अटाकामा कॉस्मोलॉजी टेलीस्कोप के डेटा के साथ मापे गए घुमाव कोण से पूरी तरह मेल खाता है।

इस मॉडल की सुंदरता इसकी परीक्षणयोग्यता और अन्य संभावनाओं को खारिज करने की इसकी क्षमता में निहित है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस 'स्टिफ' क्षेत्र के लिए प्रकाश के देखे गए घुमाव की व्याख्या करने और भौतिकी के ज्ञात नियमों को तोड़ने के लिए, प्रकाश के साथ इसकी अंतःक्रिया एक बहुत ही संकीर्ण सीमा के भीतर होनी चाहिए। यदि अंतःक्रिया बहुत कमजोर होती, तो यह डेटा से मेल खाने के लिए प्रकाश को पर्याप्त रूप से नहीं घुमा पाती। यदि यह बहुत मजबूत होती, तो इसने प्रारंभिक ब्रह्मांड में पहले परमाणु नाभिकों के निर्माण को बाधित कर दिया होता, जो कि बिग बैंग न्यूक्लियोसिंथेसिस (Big Bang Nucleosynthesis) नामक एक प्रक्रिया है, जिसे हम आज हीलियम जैसे तत्वों की प्रचुरता के माध्यम से देख सकते हैं। इन बाधाओं को संतुलित करके, टीम ने इस अंतःक्रिया की शक्ति के लिए एक विशिष्ट खिड़की की पहचान की, जो लगभग 8.9 और 50 गुना दस की घात ऋणात्मक तेरह (10^-13) इनवर्स गीगाइलेक्ट्रॉनवोल्ट के बीच है। यह संकीर्ण सीमा 'एक्सियन-लाइक पार्टिकल्स' (axion-like particles) की खोज करने वाले भविष्य के प्रयोगों के लिए एक स्पष्ट लक्ष्य प्रदान करती है, जो काल्पनिक कण हैं जो इस क्षेत्र का निर्माण कर सकते हैं।

इसके अलावा, यह मॉडल एक विशिष्ट भविष्यवाणी करता है जो इसे अन्य सिद्धांतों से अलग करती है। जबकि कुछ स्पष्टीकरण सुझाव देते हैं कि घुमाव का प्रभाव ब्रह्मांड के विभिन्न समयों में समान होगा, यह 'स्टिफ' क्षेत्र मॉडल भविष्यवाणी करता है कि 'रीआयनीकरण' (reionization) के युग के दौरान उत्सर्जित प्रकाश के लिए घुमाव कोण—जब पहले तारे चालू हुए थे—सबसे पुराने प्रकाश में देखे गए घुमाव की तुलना में काफी कम होगा। यदि भविष्य के अवलोकन पुष्टि करते हैं कि घुमाव का कोण इन शुरुआती समयों में कम हो जाता है, तो यह डार्क एनर्जी वाले सिद्धांतों के बजाय इस 'स्टिफ' क्षेत्र वाले स्पष्टीकरण का पुरजोर समर्थन करेगा। शोधकर्ताओं ने इसके गुरुत्वाकर्षण परिणामों का भी पता लगाया। उन्होंने पाया कि प्रारंभिक 'स्टिफ-फील्ड' युग से मानक 'रेडिएशन' युग में संक्रमण से स्पेसटाइम में लहरें उत्पन्न होंगी, जिन्हें गुरुत्वाकर्षण तरंगें (gravitational waves) कहा जाता है। इस प्रारंभिक चरण की सटीक अवधि के आधार पर, ये तरंगें आगामी वेधशालाओं द्वारा पता लगाने योग्य हो सकती हैं, जो इस सिद्धांत की पुष्टि करने का एक दूसरा, स्वतंत्र तरीका प्रदान करती हैं।

हालाँकि, यह अध्ययन पल्सर टाइमिंग एरे द्वारा हाल ही में गुरुत्वाकर्षण तरंग पृष्ठभूमि की खोज के संबंध में एक लोकप्रिय विचार पर संदेह भी व्यक्त करता है। कुछ वैज्ञानिकों ने सुझाव दिया है कि ये निम्न-आवृत्ति वाली लहरें उसी प्रकार के प्रारंभिक ब्रह्मांड के भौतिकी के कारण हो सकती हैं जो प्रकाश घुमाव पैदा करती है। शोधकर्ताओं ने उस विचार का परीक्षण किया और पाया कि यह असंभावित है। उन्होंने दिखाया कि यदि गुरुत्वाकर्षण तरंगें इतनी मजबूत होतीं कि पल्सर डेटा की व्याख्या कर सकें, तो संबंधित ऊर्जा घनत्व बहुत अधिक होता, जो ब्रह्मांड में न्यूट्रिनो प्रजातियों की संख्या की सीमाओं का उल्लंघन करता। दूसरे शब्दों में, ब्रह्मांड इस विशिष्ट 'स्टिफ-फील्ड' प्रभुत्व के तहत दोनों घटनाओं (प्रकाश घुमाव और पल्सर गुरुत्वाकर्षण तरंग संकेत) को एक साथ समाहित नहीं कर सकता है। यह प्रभावी रूप से इस विशिष्ट मॉडल के तहत दोनों घटनाओं के लिए एक एकीकृत स्पष्टीकरण को खारिज करता है।

यह कार्य निष्कर्ष निकालता है कि ब्रह्मांड एक ऐसे संक्षिप्त, तीव्र 'स्टिफ-फील्ड' प्रभुत्व के दौर से गुजरा जो रेडिएशन और मैटर युगों में बसने से पहले था। इस क्षणिक युग ने प्राचीन प्रकाश के ध्रुवीकरण पर एक सूक्ष्म छाप छोड़ी है और संभावित रूप से गुरुत्वाकर्षण तरंगों की एक मंद गूँज छोड़ी है। शोधकर्ताओं ने यह सिद्ध नहीं किया है कि यह 'स्टिफ' क्षेत्र मौजूद है, लेकिन उन्होंने यह मानचित्रित किया है कि इसे कहाँ देखना है। उन्होंने प्रकाश के साथ इसके अंतःक्रिया की सटीक शक्ति को परिभाषित किया है और भविष्यवाणी की है कि इसकी पहचान विभिन्न ब्रह्मांडीय युगों में कैसे बदलेगी। जैसे-जैसे नए टेलीस्कोप ऑनलाइन आ रहे हैं और एक्सियन-लाइक पार्टिकल्स की खगोलीय खोज जारी है, इस संभावना की संकीर्ण खिड़की का परीक्षण किया जाएगा। यदि अंतःक्रिया की शक्ति अनुमानित सीमा के भीतर आती है और घुमाव का कोण अपेक्षित व्यवहार करता है, तो यह ब्रह्मांड के इतिहास के एक नए अध्याय को प्रकट करेगा, जहाँ एक 'स्टिफ', अदृश्य क्षेत्र ने डार्क सेक्टर के बैकग्राउंड में फीका पड़ने से पहले एक समय में ब्रह्मांड पर शासन किया था।