कैसे ब्रह्मांडीय माइक्रोवेव पृष्ठभूमि विकिरण - बिग बैंग की अवशिष्ट चमक - हमारे ब्रह्मांड के जन्म पर प्रकाश डालना जारी रखती है

BICEP2 के परिणामों की घोषणा, पहला सबूत दिखाती है कि प्रारंभिक तरंगें ब्रह्मांड में दिखाई दे सकती हैं, वैज्ञानिकों और अन्य सभी के बीच ब्रह्मांड विज्ञान में रुचि दिखाई। गुरुत्वाकर्षण तरंगें निश्चित रूप से बिग बैंग के अवशिष्ट चमक KMFI को ध्रुवीकृत कर सकती हैं, और यह ध्रुवीकरण संकेत था जिसका पता BICEP2 द्वारा दक्षिण ध्रुव पर स्थित था। लेकिन सबसे हालिया डेटा प्लैंक टेलीस्कोप से आया है, और उनके द्वारा देखते हुए, BICEP2 के अधिकांश परिणामों को गुरुत्वाकर्षण तरंगों से नहीं, बल्कि आस-पास की धूल से समझाया जा सकता है, जो मनाया KMFI को देखता है।

हमें BICEP2 और प्लैंक के संयुक्त कार्य से और अन्य प्रयोगों से, अतिरिक्त डेटा के लिए प्रतीक्षा करने की आवश्यकता है, ताकि यह निर्धारित किया जा सके कि लौकिक धूल के अनुपात ने गुरुत्वाकर्षण तरंगों का क्या हिसाब रखा है। एक बात स्पष्ट है: विज्ञान ब्लॉग और समाचार साइटें नई खोजों का ट्रैक रखेंगी। यह पाठ KMFI-कॉस्मोलॉजी में नए शोध के भविष्य के लेखों के लेखकों को उस संदर्भ में प्रवेश करने में मदद करने का एक प्रयास है, जो KMFI की मूल बातों से शुरू होता है, यह कैसे बना और यह हमें क्या बता सकता है। लेख का मुख्य विषय केएमएफआई (हम इसे तापमान कहते हैं) की तीव्रता होगी, और अगले लेख में मैं ध्रुवीकरण के बारे में अधिक बात करूंगा।

कहानी

केएमएफआई की पहली खोज 1964 में दुर्घटना से हुई थी। अर्नो पेनज़ियास और रॉबर्ट विल्सन ने बेल की प्रयोगशाला में एक प्रयोग पर काम किया, और दो बिंदुओं पर माइक्रोवेव संचार संचारित करने के लिए रिफ्लेक्टर के रूप में गुब्बारे का उपयोग किया। ऐसा करने के लिए, उन्हें यह पता लगाने की आवश्यकता है कि क्या कोई पृष्ठभूमि शोर उनके माप को प्रभावित करेगा। उन्होंने लगभग सभी शोर को संसाधित किया, एक चीज़ को छोड़कर: 2.73 K पर सजातीय माइक्रोवेव विकिरण, जो बाद में निकला, बिग बैंग के 380,000 साल बाद दिखाई दिया।

खोज के बाद से (जिसके लिए वैज्ञानिकों ने 1978 में भौतिकी में नोबेल पुरस्कार प्राप्त किया था), पृथ्वी पर और अंतरिक्ष में कई प्रयोगों ने कभी भी बढ़ती सटीकता के साथ KMFI को मापा है। 1992 में, कॉस्मिक बैकग्राउंड एक्सप्लोरर (CoBE) प्रयोग ने विकिरण में अनियमितताओं का पहला अवलोकन किया - छोटा तापमान 2.73 K की औसत पृष्ठभूमि तापमान से 100,000 गुना छोटा है। तब विल्किंसन माइक्रोवेव अनीसोट्रॉफी जांच (WMAP) ने अनियमितताओं के बारे में हमारे ज्ञान का विस्तार किया है। 2003 में तापमान और 2013 में प्लैंक ने आज तक का सबसे सटीक माप दिया। नए प्रयोग न केवल तापमान माप की सटीकता को बढ़ाते हैं, बल्कि त्रुटियों के कोणीय आयाम को भी कम करते हैं।

KMFI क्या है?

केएमएफआई के गठन से पहले, ब्रह्मांड के सामान्य घटक प्रकाश (फोटॉन), हाइड्रोजन और हीलियम नाभिक और मुक्त इलेक्ट्रॉन थे। (हां, अभी भी न्यूट्रिनो और डार्क मैटर थे, लेकिन उनके बारे में दूसरी बार)। चूंकि मुक्त इलेक्ट्रॉनों को नकारात्मक रूप से चार्ज किया जाता है, इसलिए वे तथाकथित थॉमसन के बिखरने में फोटॉन के साथ बातचीत करते हैं। अगर फोटॉन और इलेक्ट्रॉन एक दूसरे को काटते हैं, तो वे एक दूसरे की तरह उछलते हैं, जैसे बिलियर्ड बॉल। उस समय, फोटॉनों में बहुत अधिक ऊर्जा थी, और ब्रह्मांड का औसत तापमान 3000 K से अधिक था। इस तापमान ने इलेक्ट्रॉनों को एक स्वतंत्र अवस्था में रखा, क्योंकि फोटॉनों की ऊर्जा परमाणुओं के आयनीकरण ऊर्जा से अधिक हो गई थी: एक परमाणु से एक इलेक्ट्रॉन को दस्तक देने के लिए आवश्यक ऊर्जा। हाइड्रोजन और हीलियम के सकारात्मक रूप से चार्ज नाभिक से जुड़े रहने के बजाय, इलेक्ट्रॉनों को फोटोन द्वारा लगभग तुरंत खटखटाया गया था।

ये दो प्रभाव, परमाणु के आयनीकरण में शामिल फोटॉन और इलेक्ट्रॉनों के साथ बातचीत करने वाले फोटॉन महत्वपूर्ण परिणाम देते हैं। इंटरैक्शन की उच्च आवृत्ति का मतलब है कि इलेक्ट्रॉन के फिर से टकराने और दिशा बदलने से पहले फोटॉन दूर तक नहीं उड़ेगा। घने कोहरे में ड्राइविंग की कल्पना करें जब सामने किसी वाहन की हेडलाइट्स दिखाई न दें, क्योंकि पानी के अणुओं द्वारा प्रकाश बिखरा हुआ है। केएमएफआई के प्रकट होने से पहले यह ब्रह्मांड में ठीक ऐसा ही मामला था - प्रकाश पूरी तरह से मुक्त इलेक्ट्रॉनों के कोहरे से अवशोषित हो गया था (वे अक्सर एक अपारदर्शी ब्रह्मांड के बारे में बात करते हैं)। अस्पष्टता और थॉमसन बिखरने का संयोजन भी KMFI को सभी दिशाओं में एक समान तापमान देता है।

यह भी ज्ञात है कि KMFI के समान तापमान के क्षेत्र में छोटे उतार-चढ़ाव होने चाहिए, क्योंकि बातचीत की एक उच्च आवृत्ति फोटॉनों की उपस्थिति को इंगित करती है जहां भी मामला मौजूद है। आपने सुना होगा कि KMPI हमें ब्रह्मांड में काले पदार्थ की सामग्री के बारे में जानकारी देता है, या यह कि KMPI के ठंडे और गर्म स्थान अधिक या कम घने क्षेत्रों के अनुरूप हैं - और इसीलिए। डार्क मैटर साधारण पदार्थ के साथ संपर्क नहीं करता है, इसलिए यह घने झुरमुटों में एकत्र करने में सक्षम है, जबकि फोटॉन को मुक्त इलेक्ट्रॉनों से कोहरे द्वारा हिरासत में लिया जाता है। अंधेरे पदार्थ के गुच्छों का गुरुत्वाकर्षण आकर्षण नाभिक और इलेक्ट्रॉनों को एक साथ लाता है, और उनके साथ - फोटॉन।

केएमएफआई में हमारे द्वारा देखे गए फोटॉन तापमान में उतार-चढ़ाव सीधे हमें बताते हैं कि मामला 13 अरब साल पहले कहां था। (और यदि आप प्रभावित नहीं हैं कि कॉस्मोलॉजिस्ट केएमएफआई को पंजीकृत करने में सक्षम थे, तो यह जान लें कि मनाया गया तापमान में उतार-चढ़ाव 2.73 K से 100,000 गुना कम है - ये माइक्रोकेल्विन हैं!)

उसी समय, अंतरिक्ष का विस्तार हो रहा था और फोटॉनों की तरंगों का विस्तार हो रहा था। फोटॉन ऊर्जा इसकी तरंग दैर्ध्य से संबंधित है, और जितनी अधिक लंबाई, उतनी कम ऊर्जा। अंत में, विस्तार फोटॉन को खींचता है ताकि उनकी ऊर्जा आयनीकरण ऊर्जा से नीचे गिर जाए। और इस समय, इलेक्ट्रॉनों नाभिक के साथ गठबंधन करते हैं और तटस्थ हाइड्रोजन और हीलियम (और कुछ अन्य चीजें) प्राप्त करते हैं, और फोटॉन को अनहेल्दी प्रसार की संभावना मिलती है।

तटस्थ परमाणुओं के निर्माण के क्षण को पुनर्संयोजन कहा जाता है, और इसे अक्सर ब्रह्मांड के पारदर्शी एक के रूप में वर्णित किया जाता है। इलेक्ट्रानिक कोहरे की सीमा से बाहर होने वाले फोटॉन, उस दिशा में यात्रा कर सकते हैं जिसमें वे अंततः पृथ्वी और हमारे वायुसेना सेंसर से मिलेंगे! फोटॉनों के बिखरने और तटस्थ परमाणुओं के गठन के बीच के संक्षिप्त क्षण को अंतिम प्रकीर्णन की सतह कहा जाता है। यह वह है जो केएमएफआई द्वारा हमें दिखाया गया है। चूंकि इस क्षण तक ब्रह्मांड अपारदर्शी था, हम सचमुच कुछ भी नहीं देख पाएंगे।

तो इन कार्डों के साथ क्या?

KMFI वितरण नक्शे से जानकारी निकालने का सबसे अच्छा तरीका ऊर्जा स्पेक्ट्रम की गणना करना है, और आप शायद लोकप्रिय विज्ञान लेखों में उनमें से एक से मिले। गर्म और ठंडे क्षेत्रों के बीच संबंध भ्रामक हो सकता है, लेकिन वास्तव में, सब कुछ बहुत सरल है।

इस कनेक्शन को समझने के लिए, हम एक सरल तरंग रूप में बदल जाते हैं। किसी भी गैर-आवधिक चिकनी लहर जिसे आप पा सकते हैं या आकर्षित कर सकते हैं एक महत्वपूर्ण गणितीय संपत्ति है: इसे कुछ आवृत्तियों और आयामों के साथ कई अलग-अलग आवधिक तरंगों के योग के रूप में लिखा जा सकता है। एक लहर को वास्तविक स्थान में वर्णित किया जा सकता है, जो कि x और y कुल्हाड़ियों पर बनाया गया है। लेकिन इसे एक हार्मोनिक फ़ंक्शन के माध्यम से भी वर्णित किया जा सकता है, अर्थात, उन आवृत्तियों की निर्भरता का निर्माण करने के लिए जिन्हें उनमें से प्रत्येक के आयाम पर अभिव्यक्त करने की आवश्यकता होती है। जीआईएफ लहर के बीच के संबंध को दर्शाता है कि कैसे इसे विभिन्न आवृत्तियों के योग में विभाजित किया जा सकता है, और यह सब हार्मोनिक फ़ंक्शन से कैसे संबंधित है। गणितीय शिक्षा वाले लोगों के लिए, हम बस कह सकते हैं कि यह फूरियर रूपांतरण है।

यदि किसी समतल पर लहरों के बजाय, सतह पर तरंगों का प्रतिनिधित्व किया जाता है, तो यह केएमपीआई होगा - अंतिम बिखरने की सतह पर स्थित गर्म स्थानों (चोटियों) और ठंडे बिंदुओं (डिप्स) का एक पैटर्न। केएमएफआई के तापमान में उतार-चढ़ाव की एक एकल छवि के बजाय, आप उन्हें विभिन्न पैटर्न के योग के रूप में लिख सकते हैं, जिनमें से प्रत्येक एक विशेष मोड से मेल खाती है या कई गुना है।

केएमएफआई के पावर स्पेक्ट्रम के रेखांकन बताते हैं कि प्रत्येक मोड कितना मजबूत है, और उन्हें संक्षेप में रखने के बाद, वे केएमएफआई की छवि को पुन: पेश करते हैं।

ब्रह्मांड विज्ञान में शक्ति स्पेक्ट्रम का सरल विचार यह है कि हम ब्रह्मांड के बारे में अपने विचारों के आधार पर इसके स्वरूप के बारे में भविष्यवाणियां कर सकते हैं। कॉस्मोलॉजी के लिए मानक मॉडल को लैम्ब्डासीडीएम कहा जाता है, अर्थात, लैम्ब्डा (डार्क एनर्जी) कोल्ड डार्क मैटर, और अधिकांश गुणकों के लिए यह उल्लेखनीय रूप से KMFI के तापमान स्पेक्ट्रम के साथ मेल खाता है। सबसे छोटी बहुओं में कुछ विषमताएँ होती हैं, जिनमें से कई का वर्णन यहाँ किया गया है।

अब तक, केवल देखे गए KMFI के तापमान की चर्चा हुई है, लेकिन फोटॉन का भी ध्रुवीकरण होता है। चूंकि प्रकाश एक विद्युत चुम्बकीय तरंग है, इसलिए इसमें आधार समन्वय प्रणाली के सापेक्ष तीव्रता और अभिविन्यास है। अभिविन्यास की दिशा ध्रुवीकरण है, और कारण अंधेरे चश्मा इतनी अच्छी तरह से चमक को अवरुद्ध करते हैं। वे एक ही दिशा में उन्मुख प्रकाश तरंगों को फिल्टर करते हैं, आमतौर पर एक सपाट सतह से परिलक्षित होता है। केएमएफआई का ध्रुवीकरण (जो दो प्रकार का है, ई-मोड और बी-मोड), तापमान में उतार-चढ़ाव के समान ही एक बिजली स्पेक्ट्रम में विघटित होता है।

ये स्पेक्ट्रा हमारे शुरुआती ब्रह्मांड के बारे में और भी जानकारी जोड़ते हैं, शायद यहां तक कि वे प्रागैतिहासिक गुरुत्वाकर्षण तरंगों के अस्तित्व के प्रमाण पा सकते हैं। लेकिन क्या वे कर सकते हैं? यह प्लैंक और BICEP2 के बीच का संघर्ष है जिसे वैज्ञानिक सुलझाने की कोशिश कर रहे हैं!

अवशेष विकिरण, भाग 1: बिग बैंग का प्रमाण

कहानी

KMFI क्या है?

तो इन कार्डों के साथ क्या?

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