ब्रह्मांड में पहले परमाणुओं की खोज कैसे की गई थी

हम नहीं जानते कि एक तारा कैसे दिखाई देता है, लेकिन हम जानना चाहते हैं कि 10 अरब सितारे कैसे दिखाई देते हैं
- कार्लोस फ्रैंक

ब्रह्मांड के सुदूर हिस्सों में देखते हुए, हम इसके अतीत पर गौर करते हैं। वस्तु जितनी दूर होगी, उतनी देर उसकी रोशनी हमारी आंखों तक जाएगी। और हर बार जब हम पहले की तुलना में आगे बढ़ने का प्रबंधन करते हैं, तो हम एक गहरे अतीत में देखते हैं - बिग बैंग के करीब।



सबसे पहले हमने देखा, निश्चित रूप से, विकिरण से छुटकारा, बिग बैंग से अवशिष्ट चमक। जब हम एक समय में उत्सर्जित इस पृष्ठभूमि विकिरण का निरीक्षण करते हैं, जब ब्रह्मांड आखिरकार तापमान को ठंडा करने की अनुमति देता है, तो हमें 380,000 वर्ष की आयु में ब्रह्मांड की एक तस्वीर मिलती है!



लेकिन बिग बैंग के बारे में एक सैद्धांतिक भविष्यवाणी है, जो पहले के समय से भी उत्पन्न हुई थी। यह शायद सभी भविष्यवाणियों में से सबसे पहला है जिसे सत्यापित किया जा सकता है! बड़ा धमाका न केवल उस समय के बारे में बात करता है जब पहली बार परमाणुओं का निर्माण किया जाना था, लेकिन यह भी कि वे किस प्रकार के परमाणु थे।

यह कैसा है? उन शुरुआती चरणों के लिए तेजी से आगे बढ़ें जिनके बारे में हम बात कर सकते हैं, और जिन पर हम अभी भी भौतिकी की शुद्धता के बारे में 100% सुनिश्चित हैं।



याद रखें कि ब्रह्मांड का विस्तार और शीतलन हो रहा है, जिसका अर्थ है कि यह पहले से अधिक गर्म और घनी थी! बेशक, जब ब्रह्मांड 380,000 साल से कम पुराना था, यह तटस्थ परमाणुओं के लिए बहुत गर्म था, लेकिन अगर हम आगे भी चले जाएं तो क्या होगा?

एक बिंदु पर, यह नाभिक के लिए बहुत गर्म और घना था, और पहले भी - प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के अस्तित्व के लिए बहुत ऊर्जावान! जब ब्रह्मांड की आयु एक सेकंड के एक छोटे से अंश से अधिक नहीं थी, तो हमारे पास केवल क्वार्क, ग्लून्स, लेप्टन, एंटीलिपटन और सुपरहोट विकिरण का एक समुद्र था, और यह सब प्रारंभिक ब्रह्मांड के प्राथमिक सूप में तैरता था!



इस अवस्था में, सब कुछ बहुत जल्दी टकराता है और थर्मल संतुलन में होता है। कणों / एंटीपार्टिकल्स के युग्मों का निर्माण और विनाश बहुत जल्दी होता है। हालांकि, लगभग सभी कण अस्थिर हैं। ब्रह्मांड के विस्तार और शीतलन के साथ, भारी लेप्टान और क्वार्क क्षय, अधिक पदार्थ और एंटीमैटर होते हैं और नष्ट हो जाते हैं, और शेष क्वार्क (लगभग बराबर मात्रा में ऊपरी और निचले क्वार्क) व्यक्तिगत कंडक्टर और न्यूट्रॉन में संघनित होने के लिए पर्याप्त ठंडा होते हैं। जब तक ब्रह्मांड 10 माइक्रोसेकंड तक पहुंचता है, तब तक लगभग समान संख्या में प्रोटॉन और न्यूट्रॉन होते हैं।



हालांकि, ब्रह्मांड को इलेक्ट्रॉनों और एंटीलेरोन से भी भरा गया है, जिसे पॉज़िट्रॉन के रूप में जाना जाता है। हर बार एक प्रोटॉन पर्याप्त रूप से ऊर्जावान इलेक्ट्रॉन से टकराता है, एक न्यूट्रॉन (और न्यूट्रिनो) का जन्म होता है, और हर बार एक न्यूट्रॉन पर्याप्त ऊर्जावान पॉज़िट्रॉन से टकराता है, एक प्रोटॉन (और एंटीनेत्रिनो) पैदा होता है। प्रारंभ में, ये प्रतिक्रियाएं उसी गति से आगे बढ़ती हैं, और हमें सामान्य पदार्थ के साथ एक ब्रह्मांड मिलता है, जिसमें 50% प्रोटॉन और 50% न्यूट्रॉन होते हैं।

लेकिन इस तथ्य के कारण कि प्रोटॉन न्यूट्रॉन की तुलना में हल्के होते हैं, यह प्रोटॉन की संख्या में वृद्धि करने और न्यूट्रॉन की संख्या को कम करने के लिए अधिक लाभदायक हो जाता है। जब तक ब्रह्मांड 3 सेकंड पुराना हो जाता है और सभी परिवर्तनों को व्यावहारिक रूप से रोक दिया जाता है, तब तक ब्रह्मांड में पहले से ही 85% प्रोटॉन और 15% न्यूट्रॉन होते हैं । और इस समय, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के लिए अभी भी यह गर्म और घना है कि हाइड्रोजन का पहला भारी आइसोटोप, ड्यूटेरियम का परमाणु संलयन शुरू करने की कोशिश करेगा!



लेकिन ब्रह्माण्ड में प्रति प्रोटॉन या न्यूट्रॉन में एक बिलियन से अधिक फोटॉन होते हैं, और परिणामी ड्यूटेरियम के तुरंत नष्ट न होने के लिए तापमान अभी भी बहुत अधिक है। इसलिए हम प्रतीक्षा करते हैं, प्रतीक्षा करते हैं, और प्रतीक्षा करते हैं जब तक कि यूनिवर्स ड्यूटेरियम बनाने के लिए ठंडा नहीं हो जाता है और इसे तुरंत नहीं तोड़ता है। इस बीच, परेशानी यह है कि न्यूट्रॉन अस्थिर है, और कुछ न्यूट्रॉन प्रोटॉन, इलेक्ट्रॉनों और एंटीन्यूट्रिनो में क्षय होते हैं।



अंत में, ब्रह्मांड के अस्तित्व के 3 से 4 मिनट के बीच, फोटोन को काफी ठंडा किया जाता है ताकि प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की तुलना में तेजी से ड्यूटेरियम को न तोड़ सकें। ब्रह्मांड ड्यूटेरियम से जुड़ी एक अड़चन से गुजरता है। इस समय, ब्रह्मांडों में, decays के कारण, प्रोटॉन के 88% और न्यूट्रॉन के 12% हैं।

जब यूनिवर्स में ड्यूटेरियम बनना शुरू होता है, तो यह तुरंत प्रोटॉन और / या न्यूट्रॉन को जोड़ देता है, तत्वों की सीढ़ी ट्रिटियम या हीलियम -3 पर चढ़ जाता है, और फिर बेहद स्थिर हीलियम -4 में!



इस न्यूक्लियोसिंथेसिस के बाद द्रव्यमान से सभी परमाणुओं के 24% के लिए लेखांकन, हीलियम -4 परमाणुओं में लगभग सभी न्यूट्रॉन पाए गए थे। हाइड्रोजन नाभिक - केवल व्यक्तिगत प्रोटॉन - शेष 76% बना। हीलियम -3 का एक छोटा सा अंश (0.001% से 0.01% तक), ट्रिटियम (हीलियम -3 के लिए क्षय) और ड्यूटेरियम, और लिथियम और बेरिलियम के विभिन्न रूपों का एक भी छोटा अनुपात होता है जो हीलियम -4 कोर के साथ न्यूक्लियोसिंथेसिस के परिणामस्वरूप दिखाई देते हैं।

लेकिन कारकों के संयोजन के कारण - 5 या 8 के द्रव्यमान के साथ स्थिर नाभिक की कमी, इस समय तक ब्रह्मांड का अपेक्षाकृत कम तापमान और घनत्व, और भारी आइसोटोप का मजबूत विद्युत प्रतिकर्षण - कुछ भी भारी नहीं बना था।



और ऐसे तत्वों की भविष्यवाणी बिग बैंग सिद्धांत द्वारा की गई थी। सीएमबी के हमारे ज्ञान के साथ, हम निर्धारित कर सकते हैं - अविश्वसनीय सटीकता के साथ - आज विशेष रूप से हीलियम -4, हीलियम -3, ड्यूटेरियम और लिथियम -7 कितना होना चाहिए। यह भविष्यवाणी - प्रकाश तत्वों की प्रारंभिक बहुतायत - बिग बैंग मॉडल से निकली सबसे बड़ी भविष्यवाणियों में से एक है।



उसके बाद, ब्रह्मांड बस फैलता है और ठंडा होता है, और अस्थिर आइसोटोप (जैसे ट्रिटियम) स्थिर होते हैं, जब तक कि ये परमाणु नाभिक - बिग बैंग परमाणु भट्टी में नहीं बनाए जाते हैं - इलेक्ट्रॉनों को पकड़ते हैं और तटस्थ परमाणुओं में बदल जाते हैं।

बेशक, इन परमाणुओं को देखना और उनकी बहुतायत को मापना विशेष रूप से कठिन काम है। क्यों? आइए देखें कि यदि आप प्रारंभिक ब्रह्मांड में देखते हैं तो आप क्या देख सकते हैं।



हम बहुत पहले परमाणुओं को देखना चाहते हैं: वे जो अंतरिक्ष के अंधेरे समय में मौजूद थे। लेकिन यह बेहद मुश्किल है।

हम ब्रह्मांड में तत्वों की उपस्थिति उनके परमाणु संक्रमण से निर्धारित करते हैं। वे या तो उत्सर्जन लाइनें दिखाते हैं अगर परमाणु पर्याप्त गर्म होते हैं और उनके उत्साहित इलेक्ट्रॉन कम ऊर्जा की स्थिति में चले जाते हैं, या अवशोषण रेखाएं अगर परमाणु कम ऊर्जा के साथ ठंडे राज्य में हैं, लेकिन उनके पीछे एक गर्म स्रोत है, जिनके फोटोन सही ऊर्जा स्तर पर अवशोषित होते हैं परमाणुओं।



निस्संदेह, समस्या यह है कि ये "अंधेरे युग" परमाणु उत्सर्जन लाइनों को बंद करने के लिए खुद को बहुत ठंडा कर रहे हैं, और उनके पीछे विकिरण अवशोषण लाइनों को पैदा करने के लिए बहुत कमजोर है! इसलिए, हमें तब तक इंतजार करना होगा जब तक कि गुरुत्वाकर्षण अपना काम न करे और उनमें से पर्याप्त को एक स्थान पर खींच ले, ताकि हम कुछ ऊर्जावान का उपयोग करके उन्हें अवशोषण रेखाएँ बना सकें!



एक पर्याप्त रूप से मजबूत गुरुत्वाकर्षण पतन के बाद, कुछ स्थानों पर ब्रह्मांड पहली बार तारे बनाने के लिए पर्याप्त घना हो जाता है! बिग बैंग के 50-150 मिलियन वर्ष बाद अन्य क्षेत्रों की तुलना में तेजी से घने होते जाने वाले क्षेत्र पहले बनते हैं - और अन्य क्षेत्र तटस्थ, सितारों से मुक्त और अछूते रहते हैं।



पहली समस्या यह है कि जब ये पहले तारे बनते हैं, तो उनसे निकलने वाली रोशनी को तटस्थ परमाणुओं द्वारा अवरुद्ध किया जाता है, ठीक उसी तरह जैसे कि तारों को इंटरस्टेलर गैस के घने बादल से अवरुद्ध किया जाता है।



इसलिए, हमें ज़रूरत है, अगर हम इन तारों (या किसी भी प्रकाश स्रोत) के प्रकाश को देखना चाहते हैं, तो इन तटस्थ परमाणुओं से छुटकारा पाएं। इसके लिए, ब्रह्मांड में पर्याप्त तारों को बनाने के लिए आवश्यक है ताकि अधिकांश (99% +) तटस्थ परमाणुओं को पुन: उत्पन्न किया जा सके। सौभाग्य से, ब्रह्मांड अपने दम पर ऐसा करता है, और एक अरब वर्षों से भी कम समय में।



एक और समस्या यह है कि जब गुरुत्वाकर्षण का पतन होता है और पहले तारे दिखाई देते हैं, तो वे न केवल यूनिवर्स को उन भारी तत्वों के साथ रोकते हैं जो वे बनाते हैं, बल्कि इन अल्प प्रकाश तत्वों - ड्यूटेरियम, लिथियम, हीलियम -3 को भी नष्ट करते हैं - जिसे हम मापना चाहते हैं!

तो आप सोच सकते हैं कि यहां ट्रिक -22 काम करता है। हम इन पहले, अछूते परमाणुओं को कैसे माप सकते हैं, अगर हम उन्हें केवल एक अरब वर्षों के बाद ही माप सकते हैं, जब ऐसा होने वाला सब कुछ ब्रह्मांड के परमाणुओं को प्रदूषित करेगा?

लेकिन उम्मीद है।



ब्रह्माण्ड में - हालांकि वे खोजना मुश्किल हैं - अल्ट्रा-छोटे द्रव्यमान के पृथक आकाशगंगाओं, जैसे कि बौना आकाशगंगा पंप (नक्षत्र पंप से ), ऊपर चित्रित।

सैद्धांतिक रूप से, पदार्थ के बेहद अलग-थलग टुकड़े, जिनका द्रव्यमान हमारे मिल्की वे गैलेक्सी के द्रव्यमान का लगभग 0.0001% है, किसी भी तारे का निर्माण किए बिना जीवित रह सकता है और एक अरब से अधिक वर्षों तक उनके बाद के तारकीय द्रव्यमान से दूषित नहीं होता है। लेकिन इस तरह के टुकड़े को खोजने के लिए, हमें बहुत भाग्यशाली होना चाहिए।

खैर, हम खुशकिस्मत थे जैसे हमें उम्मीद थी।



ब्रह्मांड के दूर किनारों पर दिखाई देने वाली सबसे चमकदार और चमकदार वस्तुएं क्वासर हैं, जिनमें से अधिकांश पुनर्संयोजन के अंतिम चरण में दिखाई देती हैं - जब मामला प्रकाश में पारदर्शी हो जाता है - ब्रह्मांड में। 58 साल के फुस्सगली, ओमियर और प्रोचस्क टीम द्वारा संकेतित क्वासरों के स्पेक्ट्रोस्कोपिक अध्ययन के 58 वर्षों के बाद, खुश दुर्घटना की अनुमति दी गई, क्वैसर के स्पेक्ट्रा में बिग बैंग से संरक्षित अनपनी गैस के दो बादल पाए गए!



छवि के शीर्ष पर, फुमगली और अन्य के काम से लिया गया, एक क्वासर स्पेक्ट्रम दर्शाया गया है। ज़िगज़ैग चार्ट पर विफलता अवशोषण रेखा का संकेत है! इस मामले में, अवशोषण लाइनें तटस्थ हाइड्रोजन गैस के एक बादल की विशेषताओं को दिखाती हैं, जो कि 3 से थोड़ा अधिक है, यानी बिग बैंग के लगभग 2 बिलियन साल बाद (और पहले प्रकाश के इस कैसर को छोड़ने के लगभग 1 बिलियन साल बाद) )। हालांकि, आमतौर पर पिछले सितारों की महत्वपूर्ण गतिविधि के संकेत मौजूद हैं - जैसे कि "प्रदूषणकारी" तत्व जैसे कार्बन, ऑक्सीजन, सिलिकॉन, आदि। - न केवल छोटा, बल्कि बहुत छोटा, हमारे सूर्य में निहित 0.01% से भी कम राशि। ऐसा तब होता है जब हम इस बात का ध्यान रखते हैं कि अगले "पवित्रता" बादल जो हमने ब्रह्मांड में खोजा है, उसमें पहले से ही सूर्य में भारी तत्वों की संख्या 0.1% से अधिक है।



इसलिए, यह न केवल सबसे कम प्रदूषित और परमाणुओं का सबसे अछूता सेट है जो हमने पाया, यह सभी परीक्षणों का भी सबसे अच्छा है कि प्रकाश तत्वों की प्रचुरता - उनकी वर्णक्रमीय अवशोषण लाइनों की ताकत को देखते हुए - बिग बैंग सिद्धांत की भविष्यवाणियों के साथ मेल खाता है!

परिणाम क्या हैं? चार्ट पर सबसे प्राचीन, सबसे बाईं ओर एक नज़र डालें; यह इस विषय पर हमारे द्वारा प्राप्त सबसे विश्वसनीय डेटा है!



काम कहता है:

क्वासर्स की दृष्टि की रेखा पर, मापा लॉग (D / H) = .54.55 ± 0.03 Ωb, 0h2 (BBN) = 0.0213 10 0.0010 में पुनर्गणना होती है, जो पूरी तरह से CMB, Ωb, 0h2 (CMB) के पावर स्पेक्ट्रम से निम्नलिखित राशि से मेल खाती है। 0.02249 000 0.00057। दो स्वतंत्र प्रयोगों के बीच यह सुंदर संयोग बिग बैंग सिद्धांत की विजय को दर्शाता है।

और क्या सबसे अच्छा है - अगर हम गैस के इन बादलों में पाए जाने वाले तत्वों को बेहतर तरीके से मापना चाहते हैं, तो हमें बस उन्हें थोड़ा और समय का अध्ययन करने की आवश्यकता है! हां, हम भाग्यशाली हो सकते हैं और हम इन प्राचीन गैस बादलों के और भी अधिक पा सकते हैं (अंगूठे का नियम कहता है कि एक मामला एक दुर्घटना है, और दो पहले से ही एक संभव पैटर्न हैं), लेकिन फिर भी अगर हम उन्हें नहीं ढूंढते हैं, तो हमें अभी और सावधानी से देखने की आवश्यकता है इन क्वासर्स, और हम उनमें तत्वों की संख्या को बेहतर ढंग से स्पष्ट कर सकते हैं!

इस तरह से हमने ब्रह्मांड के पहले परमाणुओं की खोज की और कैसे उन्होंने बिग बैंग सिद्धांत की एक और भविष्यवाणी की शुद्धता को साबित किया।