अंधेरे पदार्थ की आवश्यकता क्यों है और क्या इसके बिना करना संभव है?

यह न्यू साइंटिस्ट (18-24 मार्च, 2017) के मार्क एंडरसन के एक लेख का अनुवाद है।

आश्चर्यजनक रूप से आकर्षक बल

सिद्धांत रूप में, गुरुत्वाकर्षण को पूर्वानुमानित बल होना चाहिए। हम उसके साथ अच्छी तरह से परिचित हैं, उसके लिए धन्यवाद कि हम पृथ्वी पर दृढ़ता से हैं, और हमारा वातावरण अंतरिक्ष में नहीं उड़ता है। यदि हम बड़े पैमाने पर लेते हैं, तो इस बल ने ब्रह्मांड के विकास को प्रभावित किया। यह कितना अपमानजनक है कि कभी-कभी गुरुत्वाकर्षण हमें विफल कर देता है। जिस रूप में हम इसे समझते हैं, उस रूप में गुरुत्वाकर्षण द्वारा आकाशगंगाओं और आकाशगंगाओं के समूहों के सर्पिल रोटेशन की व्याख्या करने के लिए, हमें इस मामले में पूरी तरह से नए रूप के साथ आने की जरूरत है कि किसी ने भी पहली बार देखा नहीं है - डार्क मैटर। ब्रह्मांड के विस्तार के त्वरण की व्याख्या करने के लिए, हमें एक समान रूप से रहस्यमय इकाई - अंधेरे ऊर्जा का आविष्कार करने की आवश्यकता है।

लेकिन क्या होगा अगर हम गुरुत्वाकर्षण को पूरी तरह से कभी नहीं समझे? यदि हमारी दृष्टि के क्षेत्र के बाहर कहीं भी गुरुत्वाकर्षण नियमों से नहीं खेलता है तो क्या होगा?

ऐसा सोचना व्यावहारिक रूप से विधर्म है, हालांकि इस तरह के विचार नए नहीं हैं। हाल ही में, हालांकि, क्वांटम सूचना विज्ञान के क्षेत्र से आकाशगंगाओं और अप्रत्याशित परिणामों पर हाल के शोध ने हमें गुरुत्वाकर्षण की हमारी समझ पर पुनर्विचार करने के लिए एक नए बल के साथ धक्का दिया है। नए कट्टरपंथी विचार प्रकट होते हैं जिनमें अंतरिक्ष-समय और गुरुत्वाकर्षण के बारे में हमारे विचार पूरी तरह से बदल जाते हैं। दुनिया की नई तस्वीर में काले पदार्थ के लिए कोई जगह नहीं है, और अंधेरे ऊर्जा, गुरुत्वाकर्षण का विरोध करने के बजाय, आंशिक रूप से इसे उत्पन्न कर सकती है।

आइज़ैक न्यूटन और अल्बर्ट आइंस्टीन द्वारा गुरुत्वाकर्षण के बारे में लगभग हर चीज हमें दी गई थी। न्यूटन ने हमें समझाया कि आकर्षण का बल दूरी के वर्ग के साथ कम हो जाता है, और आइंस्टीन - कि बड़े पैमाने पर वस्तुओं द्वारा अंतरिक्ष-समय की वक्रता के परिणामस्वरूप गुरुत्वाकर्षण दिखाई देता है।

यूनिवर्सल गुरुत्वाकर्षण के न्यूटन के नियम में कहा गया है कि आकाशगंगा के केंद्र से दूर सितारों पर, गुरुत्वाकर्षण का बल आकाशगंगा के केंद्र के करीब स्थित सितारों की तुलना में कमजोर है, इसलिए पूर्व की गति कम है। हालांकि, 1970 के दशक में, वेरा रुबिन सहित खगोलविदों ने देखा कि आकाशगंगाओं के केंद्र से दूर सितारों की गति भविष्यवाणी के अनुसार कम नहीं हुई। इसके बजाय, गति को बंद कर दिया गया, जिसे केवल आकाशगंगा के आसपास कुछ अदृश्य पदार्थ की उपस्थिति और अतिरिक्त आकर्षण पैदा करने से समझाया जा सकता था। तब से, हम इस मामले को खोजने की असफल कोशिश कर रहे हैं।

खेल नियमों द्वारा नहीं है

सच है, सभी ने खोजों में भाग नहीं लिया। 1980 के दशक में, प्रिंसटन मिलग्रोम ने, फिर प्रिंसटन विश्वविद्यालय में काम करते हुए दिखाया कि हम अंधेरे पदार्थों की भागीदारी के बिना आकाशगंगाओं के रोटेशन की गति में विषमताओं को समझा सकते हैं। ऐसा करने के लिए, हमें सिर्फ यह विचार त्यागना होगा कि बढ़ती दूरियों के साथ गुरुत्वाकर्षण हमेशा न्यूटन और आइंस्टीन द्वारा की गई भविष्यवाणी की तरह व्यवहार करता है। MOND (संशोधित न्यूटनियन डायनामिक्स) के रूप में जाना जाने वाला मिलग्रोम का सिद्धांत बताता है कि गुरुत्वाकर्षण न्यूटन के दावे की तुलना में अधिक आसानी से कमजोर होता है। जैसे ही गुरुत्वाकर्षण के कारण किसी वस्तु का त्वरण एक निश्चित मूल्य से कम हो जाता है, या पृथ्वी पर गुरुत्वाकर्षण के त्वरण से 82 बिलियन गुना कमजोर हो जाता है, गुरुत्वाकर्षण अचानक एक नए मोड में बदल जाता है।

मिलग्रोम ने सर्पिल आकाशगंगाओं के लिए अपने सिद्धांत को लागू करके कुछ सफलता हासिल की, लेकिन एमएएनडी का व्यापक रूप से उपयोग नहीं किया गया। इसकी शुरुआत के साथ, इसकी मदद से आकाशगंगाओं के समूहों की गणना करना असंभव था जो कि डार्क मैटर की भागीदारी के बिना या बिना मान के अनुमति के अलावा गुरुत्वाकर्षण के सिद्धांत में अधिक कट्टरपंथी परिवर्तन किए बिना समूहों को उचित रूप में नहीं बना सकते थे। साथ ही, इस सिद्धांत द्वारा सुझाए गए बदलाव बहुत यादृच्छिक थे। गुरुत्वाकर्षण का बल अचानक इस मनमाने ढंग से बिंदु पर क्यों बदल जाएगा?

और, हालांकि, इस तथ्य के कारण मोनड अब भी बचा हुआ है और कुछ हद तक इस तथ्य के कारण है कि डार्क मैटर का कभी पता नहीं चला था। "दो संभावनाएं हैं," वाटरलू, कनाडा में सैद्धांतिक भौतिकी के लिए परिधि संस्थान के जॉन मोफ़ात कहते हैं, "या तो हम अतिरिक्त आकर्षण का एक अदृश्य स्रोत पाएंगे और सुनिश्चित करेंगे कि न्यूटन और आइंस्टीन सही थे, या हमें कुछ भी नहीं मिला। इस मामले में, हमें गुरुत्वाकर्षण को परिष्कृत करने की आवश्यकता होगी। ”

पिछले साल, शायद, आखिरकार, एक महत्वपूर्ण मोड़ आया। स्टेसी मैकगॉव, ओहियो के क्लीवलैंड में केस वेस्टर्न रिज़र्व यूनिवर्सिटी के एक खगोलशास्त्री और उनके सहयोगियों ने हमारी मिल्की वे आकाशगंगा के साथ त्वचा के 150 से अधिक सर्पिल आकाशगंगाओं को फिर से देखा। जब उन्होंने आकाशगंगाओं की डिस्क के घूमने की गति के साथ आकर्षण की गणना बल की तुलना की, तो उन्होंने पाया कि डिस्क के किनारे के करीब, सितारे असामान्य रूप से उच्च गति पर घूमते हैं।

और यह क्या? आखिरकार, यह ठीक यही व्यवहार है जिसे हम पहले भी बार-बार देख चुके हैं, और इसे अंधेरे पदार्थ के बादल के साथ आकाशगंगा को कवर करके समझाया जा सकता है। हालांकि, सांख्यिकीय मूल्यांकन में, मैकगॉ ने क्रॉस कंट्रोल का इस्तेमाल किया। उन्होंने सभी आकाशगंगाओं में सभी दृश्यमान पदार्थों को लिया और पास के तारों की घूर्णन गति के साथ प्रत्येक बिंदु पर इस मामले के आकर्षक बल की तुलना की। परिणामस्वरूप, उन्हें आकाशगंगाओं के घूर्णन की गति और दिखाई देने वाले द्रव्य के वितरण के बीच आश्चर्यजनक रूप से घनिष्ठ संबंध प्राप्त हुआ।



कनाडा में परिधि संस्थान के एक सिद्धांतकार ली स्मोलिन, चकित थे। ऐसा संबंध "प्रकृति के नियम के समतुल्य" है। आपको यह उम्मीद नहीं है कि अगर दृश्यमान चीज़ों के अलावा कुछ और आकाशगंगाओं को प्रभावित करता है।

इससे भी अधिक आश्चर्यजनक तथ्य यह है कि दृश्यमान पदार्थ और तारों की गति के बीच यह घनिष्ठ संबंध विभिन्न आकाशगंगाओं की एक विस्तृत श्रृंखला में बना हुआ है, भले ही उनमें गहरे पदार्थ अलग-अलग वितरित किए गए हों। डार्क मैटर को साधारण मामले को नम्र नहीं करना चाहिए। इसलिए, या तो यह सामान्य मामले के साथ बातचीत करता है या खुद को मजबूत करता है जो साधारण मॉडल की भविष्यवाणी करता है, या गुरुत्वाकर्षण के साथ कुछ गलत है।

मैकगॉव का काम एकमात्र कारण नहीं है जो हमें इस विधर्मी प्रश्न को फिर से उठाने के लिए मजबूर करता है। MOND के लिए सबसे बड़ी समस्याओं में से एक आकाशगंगा समूहों का व्यवहार है। आकाशगंगाओं के किनारे के तारों की तरह, गुच्छों के किनारे की आकाशगंगाएँ भी बहुत तेज़ चलती हैं - एक ऐसा तथ्य जो डार्क मैटर द्वारा समझाया गया है। गुरुत्वाकर्षण लेंसिंग (बड़े पैमाने पर वस्तुओं के गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र द्वारा प्रकाश की थोड़ी वक्रता) के प्रभाव का अवलोकन बताता है कि आकाशगंगाओं को गति प्रदान करने वाला अतिरिक्त बल वह नहीं है जहां दृश्यमान पदार्थ है। अदृश्य पदार्थ की भागीदारी के बिना आकाशगंगाओं के समूहों के व्यवहार की व्याख्या करना असंभव है, कम से कम यह माना जाता है।

सबसे प्रसिद्ध उदाहरण बुलेट क्लस्टर (बुलेट क्लस्टर 1E 0657-558, शीर्षक छवि) है, जो एक लक्ष्य को चीरते हुए बुलेट की धीमी-गति वाली छवि के समान है। अंधेरे पदार्थ के कई शिकारियों के लिए, यह सबसे अच्छा सबूत है कि वे इस जानवर का शिकार नहीं करते हैं, और यह मौजूद नहीं है। लेकिन जर्मनी में बॉन विश्वविद्यालय से पावेल क्रुपा इसके विपरीत का दावा करते हैं - इस उच्च गति वाले अंतर-टकराव की टक्कर को केवल एमएएनडी सिद्धांत द्वारा समझाया जा सकता है।

उन्होंने कहा, "बुलेट की छवि की तुलना टारगेट पर निशाना साधना आम जनता के लिए एक मजाक है।" कृपा का दावा है कि एक यथार्थवादी समय सीमा में, मानक गुरुत्वाकर्षण बहुत अधिक कमजोर है ताकि आकाशगंगाओं के गर्म और हिंसक टकराव हो सकें, जैसा कि हम बुलेट क्लस्टर में देखते हैं। एक टकराव के प्रारंभिक चरणों में डार्क मैटर इसे उच्च गति दे सकता है जिसे हम निरीक्षण करते हैं, लेकिन यह पहले से ही सभी अंतःक्रियाओं के साथ हस्तक्षेप करेगा। "डार्क मैटर का प्रभामंडल वेब जैसा दिखता है," कृपा कहती हैं। "यह अपने रास्ते में किसी भी आकाशगंगा को पकड़ लेता है।" इसलिए, टकराव वाली आकाशगंगाओं की एक जोड़ी जो टकराव के बाद भी तेज गति से चलती रहती है, उन्हें समझाना बहुत मुश्किल है। "यह एक मानक कॉस्मोलॉजी मॉडल के लिए एक बड़ी, बड़ी समस्या है," कृपा कहते हैं। "लेकिन संशोधित गुरुत्वाकर्षण के साथ ... ऐसी कोई समस्या नहीं है।"

मोन का सार यह है कि गेलेक्टिक और इंटरगैलेक्टिक दूरी पर, जहां हम सीधे गुरुत्वाकर्षण बल को माप नहीं सकते हैं, यह हमारे विचार से अधिक मजबूत है। और यह, और कुछ अदृश्य मामला नहीं है, इस बात का सबसे सरल स्पष्टीकरण होगा कि इस तरह के पैमाने पर मामला तेजी से क्यों बढ़ता है और न्यूटन और आइंस्टीन की भविष्यवाणी से अधिक टकराता है।

इसका मतलब यह नहीं है कि जब आकाशगंगा समूहों के भीतर बातचीत की बात आती है, तो MOND सिद्धांत की कोई निश्चित समस्या नहीं है। टेलीस्कोप का उपयोग करते हुए बुलेट क्लस्टर में, हमने दो अलग-अलग स्थानों की पहचान की जहां गुरुत्वाकर्षण लेंसिंग अधिक स्पष्ट है, जिसका अर्थ है कि द्रव्यमान का एक उच्च सांद्रण है, जो कि इन स्थानों में हम देखने वाले सामान्य पदार्थ की मात्रा के साथ मेल नहीं खाते हैं।

मिलग्रोम ने जोर देकर कहा कि यह समस्या उनके मॉडल के लिए इतना भयानक खतरा नहीं है, जितना कि कई लोग मानते हैं। उन्होंने कहा, "द्रव्यमान के लिए बेहिसाब छोटी मात्रा, जो सबसे सामान्य मामला हो सकता है, उदाहरण के लिए, मृत तारे या ठंडे गैस के बादल, जिन्हें हमने अभी तक खोजा नहीं है, पर्याप्त है।"

लेकिन जबकि टिप्पणियों ने इसकी पुष्टि नहीं की है, अन्य वैज्ञानिक इस समस्या के सैद्धांतिक समाधान की तलाश कर रहे हैं। ऐसा एक समाधान एक हाइब्रिड मॉडल है जिसमें डार्क मैटर एक वेयरवोल्फ की तरह व्यवहार करता है - यह आकाशगंगाओं के माध्यम से स्वतंत्र रूप से गुजरता है, अतिरिक्त गुरुत्वाकर्षण का निर्माण करता है, जो मोनड सिद्धांत के अनुरूप है, लेकिन आकाशगंगाओं के समूहों में यह सामान्य डार्क मैटर की तरह व्यवहार करता है।

एक और विकल्प जो अचानक फैशन में चला गया, वह है MOND को संशोधित करना। मोफ़ात यही करता है। उसकी समझ में, प्रतिकर्षण बल को जोड़ने के बाद आकर्षक बल बदल जाता है, जो बदले में दूरी पर निर्भर करता है, जिसके कारण, छोटी दूरी पर, आकर्षक बल न्यूटन के व्युत्क्रम वर्ग कानून का पालन करता है, लेकिन आकाशगंगा के बाहरी इलाके में कमजोर पड़ता है। दुनिया की ऐसी तस्वीर में, गुरुत्वाकर्षण न्यूटन के विश्वास की तुलना में अधिक मजबूत है, और यह मानस की भविष्यवाणी के रूप में व्यवहार करता है।



मोफत का दावा है कि उनका सिद्धांत बुलेटिन समूह में आकाशगंगाओं और असामान्य वेगों के रोटेशन की व्याख्या कर सकता है। लेकिन उनके सिद्धांत की मुख्य विशेषता यह है कि ब्लैक होल के पास आकर्षण की ताकतें एमएसीडी की भविष्यवाणी से भी अधिक मजबूत होती हैं, जो हमें इस सिद्धांत का परीक्षण करने का मौका दे सकती हैं।

यदि हम एक ब्लैक होल को देख सकते हैं, तो हम एक ब्लैक डिस्क को एक छाया से घिरे हुए देखेंगे जो बेहद मजबूत गुरुत्वाकर्षण लेंसिंग के कारण होती है। 2015 में, मोफ़त ने गणना की कि उनके सिद्धांत के अनुसार, मिल्की वे के केंद्र में एक सुपरमैसिव ब्लैक होल के चारों ओर छाया जीआर द्वारा भविष्यवाणी की गई तुलना में 10 गुना बड़ा होगा। और फिर घटना क्षितिज दृश्य में प्रवेश करती है
टेलीस्कोप (ईएचटी) - रेडियो दूरबीनों का एक वैश्विक नेटवर्क, जिसका प्रक्षेपण इस वर्ष अप्रैल में निर्धारित किया गया है, पहली बार ब्लैक होल की विस्तृत छवियों को प्राप्त करने में सक्षम है। कम से कम सैद्धांतिक रूप से, हम इस फूला हुआ छाया का निरीक्षण कर सकते हैं, अगर, निश्चित रूप से, यह बिल्कुल भी है।



हालांकि, हम जो भी चुनते हैं, पारंपरिक MOND सिद्धांत या संशोधित Moffat गुरुत्वाकर्षण, एक बड़ी समस्या है जिसे अनदेखा नहीं किया जा सकता है - एक मौलिक सिद्धांत की भयावह कमी। गुरुत्वाकर्षण अचानक इस पाठ्यक्रम से क्यों विचलित हो जाता है कि न्यूटन और आइंस्टीन इसके लिए निर्धारित करते हैं, और यहां तक ​​कि, यह एक यादृच्छिक बिंदु पर प्रतीत होता है? यदि हम मौलिक रूप से गुरुत्वाकर्षण के बारे में अपनी समझ को संशोधित करते हैं तो इस प्रश्न का उत्तर प्राप्त किया जा सकता है।

पिछले साल, नीदरलैंड में एम्स्टर्डम विश्वविद्यालय के एरिक वर्लिंडे ने इस पर एक नया दृष्टिकोण पेश किया। ग्रेविटी, उनका मानना ​​है, खुद से उत्पन्न नहीं होती है, लेकिन क्वांटम जानकारी के उलझे हुए बिट्स के बीच बातचीत के परिणामस्वरूप।

Entanglement एक गहरा और एक ही समय में जोड़े या कणों के समूहों के बीच गहरा विरोधाभास है, जब एक कण के संपर्क में दूसरों में प्रतिक्रिया होती है, भले ही वे बड़ी दूरी से अलग हों। 1990 के दशक के उत्तरार्ध से, भौतिकविदों ने सीखा है कि उलझे हुए क्वांटम बिट्स के नेटवर्क का उपयोग करके न्यूटोनियन और आइंस्टीन गुरुत्वाकर्षण को कैसे प्राप्त किया जा सकता है। समस्या यह है कि यह केवल सैद्धांतिक ब्रह्मांड में काम करता है जिसे एंटी-डी सिटर स्पेस के रूप में जाना जाता है, जो उस ब्रह्मांड से अलग व्यवहार करता है जहां हम रहते हैं।

महत्वपूर्ण अंतर यह है कि हमारे ब्रह्मांड में, वैक्यूम इतना शांत और अभी भी नहीं है। वह अंधेरे ऊर्जा, एक रहस्यमय पदार्थ या बल से अलग है, जिसे माना जाता है कि यह अंतरिक्ष-समय के विस्तार को तेज करने के लिए जिम्मेदार है।

इस समस्या को हल करने की कोशिश करने के बजाय, फेरलिंडे ने देखा कि कैसे गुरुत्वाकर्षण, क्वांटम जानकारी के उलझी हुई बिट्स के बीच बातचीत के कारण, एक ब्रह्मांड में व्यवहार करता है जहां अंधेरे ऊर्जा होती है। नतीजतन, उन्हें गुरुत्वाकर्षण की एक नई तस्वीर मिली, जिसमें अंधेरे ऊर्जा क्वांटम बिट्स के उलझाव को थोड़ा अतिरिक्त लोच देती है।

"यह पता चला है कि अगर अंधेरे ऊर्जा एक लोचदार माध्यम है," फेरलिंडे कहते हैं, "और यदि आप वहां द्रव्यमान जोड़ते हैं, तो यह इस माध्यम को विकृत करता है।" अतिरिक्त लोच, वह कहते हैं, जो अंधेरे ऊर्जा द्वारा बनाई गई है, बड़ी दूरी पर आकर्षण के बल को बढ़ाती है, जो अंततः मिलग्रोम के एमएएनडी सिद्धांत से मिलती-जुलती दूरी पर अतिरिक्त प्रभावों की उपस्थिति का कारण बनती है।

फेरलिंडे के विचारों ने एक बड़ी छाप छोड़ी, लेकिन यह अभी तक स्पष्ट नहीं है कि वे कितने जुड़े हुए हैं। जर्मनी में फ्रैंकफर्ट इंस्टीट्यूट फॉर एडवांस्ड स्टडीज के सबाइन हॉसेनफेलर कहते हैं, "वह अंधेरे ऊर्जा से शुरू होता है, और कहता है कि यह अंधेरे पदार्थ से मिलता-जुलता है।" “वह अपनी धारणाओं को बड़ी धारणा के साथ सामंजस्य स्थापित करने की पूरी कोशिश कर रहा है, जिसने हाल के वर्षों में बहुत लोकप्रियता हासिल की है, जो कि स्पेसटाइम उलझाव से पैदा होती है। लेकिन मुझे यकीन नहीं है कि कोई ज़रूरत है। ”

हाल ही के एक अध्ययन में, यह पाया गया कि यदि हम गुरुत्वाकर्षण पर फेरलिंडे के दृष्टिकोण को लेते हैं, तो हम लगभग 30,000 आकाशगंगाओं के पास देखे गए गुरुत्वाकर्षण लेंसिंग में विसंगतियों की व्याख्या कर सकते हैं। लेकिन उनके सिद्धांत की भविष्यवाणियां करने के लिए आलोचना की गई है जो वास्तव में मोनड से अलग है। उदाहरण के लिए, मैक्गो के साथ सह-लिखित एक वैज्ञानिक पत्र में, यह कहता है कि फेरलिंडे का सिद्धांत मुख्य रूप से MOND से विचलन करता है - आकाशगंगाओं की असामान्य रोटेशन की व्याख्या। इसके अलावा, उनका सिद्धांत ग्रहों की गति की भविष्यवाणी करता है, जिसे हम वास्तव में हमारे सौर मंडल में नहीं देखते हैं।

स्मोलिन ने, अपने हिस्से के लिए, क्वांटम गुरुत्व के सिद्धांतों से MOND भौतिकी को प्राप्त करने के लिए एक अधिक विनम्र प्रयास का प्रस्ताव दिया, और, Ferlinde के सिद्धांत के विपरीत, इसके परिणाम MOND सिद्धांत से विचलित नहीं होते हैं। उनमें से कोई भी दावा नहीं करता है कि उसने क्वांटम गुरुत्वाकर्षण का एक पूरा सिद्धांत प्राप्त किया है। लेकिन एक बात स्पष्ट है - इस सवाल पर कि गुरुत्वाकर्षण बड़ी दूरी पर इतना अजीब व्यवहार क्यों करता है, सिद्धांतकारों को जवाब मिलना शुरू हो गया।

मैकगाव कहते हैं, "हम नहीं जानते कि अंतिम सिद्धांत हमें कहां ले जाएगा, क्योंकि हम अभी तक इसे नहीं लाए हैं।" "इसलिए, आगे बढ़ने से पहले, हम भ्रम और टीकाकरण के समय से कहीं भी नहीं जा सकते।"