ईथन से पूछें: ब्रह्मांड के अंधेरे युग इतने लंबे समय तक क्यों रहे?

बिग बैंग के समय, ब्रह्मांड पदार्थ और विकिरण से भर गया था, लेकिन इसमें कोई तारे नहीं थे। विस्तार और शीतलन के साथ, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन एक दूसरे के पहले अंश में बनते हैं, पहले 3-4 मिनट में परमाणु नाभिक, और पहले 380,000 वर्षों में गठित तटस्थ परमाणु। 50-100 मिलियन वर्षों के बाद, पहले सितारे बने। लेकिन ब्रह्मांड अंधेरा रहा, और पर्यवेक्षक, अगर ऐसे होते, तो बिग बैंग के लगभग 550 मिलियन साल बाद आने वाले क्षण तक कुछ भी नहीं देख सकते थे। ऐसा क्यों हुआ? हमारे पाठक में रुचि है:

मुझे क्या दिलचस्पी है कि अंधकार युग ने लाखों-करोड़ों साल क्यों बनाए? मुझे ऐसा लग रहा था कि उन्हें कम से कम परिमाण के क्रम में रहना चाहिए था।

तारों और आकाशगंगाओं का निर्माण प्रकाश बनाने के लिए एक बहुत बड़ा कदम है, लेकिन डार्क एज को समाप्त करने के लिए यह पर्याप्त नहीं है। और यहाँ क्यों है।


प्रारंभिक ब्रह्मांड पदार्थ और विकिरण से भरा था, और इतना गर्म और घना था कि इसने स्थिर प्रोटॉन और न्यूट्रॉन को पहले विभाजन दूसरे में प्रदर्शित होने से रोक दिया। एंटीमैटर की उनकी उपस्थिति और विनाश के बाद, हमने अपने आप को अपने हाथों पर पदार्थ और विकिरण के समुद्र के साथ पाया, यहां और वहां रोशनी के करीब गति के साथ।

ब्रह्मांड की कल्पना करें क्योंकि यह जन्म के कुछ ही मिनटों के बाद था: तटस्थ परमाणुओं के बनने से पहले। अंतरिक्ष प्रोटॉन, प्रकाश नाभिक, इलेक्ट्रॉनों, न्यूट्रिनो और विकिरण से भर जाता है। इस प्रारंभिक चरण में, तीन महत्वपूर्ण चीजें होती हैं:

1. ब्रह्माण्ड कहीं भी पदार्थ की मात्रा के संबंध में बहुत ही सजातीय है, और सबसे घने क्षेत्र घनत्व के कुछ सौवें भाग से कम से कम घनत्व में भिन्न होते हैं।
2. गुरुत्वाकर्षण सक्रिय रूप से एक साथ पदार्थ खींचता है, और अधिक घने क्षेत्रों में एक अतिरिक्त आकर्षक बल होता है।
3. विकिरण के रूप में अधिकांश भाग के लिए विकिरण, पदार्थ को दूर धकेलता है, गुरुत्वाकर्षण का विरोध करता है।

जब तक हमारे पास पर्याप्त ऊर्जावान विकिरण है, तब तक यह स्थिर तटस्थ परमाणुओं के गठन को रोकता है। केवल जब ब्रह्माण्ड का विस्तार विकिरण को पर्याप्त रूप से ठंडा करता है, तो तटस्थ परमाणु तत्काल पुनर्मिलन से गुजरते हैं।


गर्म शुरुआती यूनिवर्स में, तटस्थ परमाणुओं के गठन से पहले, इलेक्ट्रॉनों को इलेक्ट्रॉनों से (और, कुछ हद तक, प्रोटॉन से) बहुत तेज गति से, प्रक्रिया में एक नाड़ी को स्थानांतरित किया जाता है। तटस्थ परमाणुओं के निर्माण के बाद, फोटोन बस एक सीधी रेखा में चलते हैं।

उसके बाद, ब्रह्मांड की उपस्थिति के 380,000 साल बाद, यह विकिरण (अधिकांश भाग फोटॉन के लिए) बस स्वतंत्र रूप से उसी दिशा में प्रचारित करता है जिसमें वे अब तक तटस्थ मामले के माध्यम से चले गए। 13.8 बिलियन साल बाद, हम बिग बैंग के इस अवशिष्ट चमक का अवलोकन विकिरण के रूप में करते हैं। आज, यह पृष्ठभूमि माइक्रोवेव विकिरण है, क्योंकि ब्रह्मांड के विस्तार के कारण तरंग दैर्ध्य फैला हुआ है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि ब्रह्माण्ड के कम और घने भागों के अनुरूप, गर्म और ठंडे स्थानों के रूप में उतार-चढ़ाव का वितरण होता है।


घने क्षेत्र, औसत घनत्व, और कम घने क्षेत्र जो कि ब्रह्मांड के 380,000 वर्ष पुराने होने पर मौजूद थे, सीएमबी के ठंडे, मध्यम और गर्म स्थानों के अनुरूप हैं।

तटस्थ परमाणुओं के बनने के बाद, गुरुत्वाकर्षण का पतन बहुत आसान हो जाता है, क्योंकि फोटॉन मुक्त इलेक्ट्रॉनों के साथ आसानी से बातचीत करते हैं, लेकिन तटस्थ परमाणुओं के साथ खराब होते हैं। और चूंकि फोटोन को हमेशा कम ऊर्जा से ठंडा किया जाता है, ब्रह्मांड के लिए पदार्थ का महत्व बढ़ जाता है, इसलिए गुरुत्वाकर्षण विकास शुरू होता है। गुरुत्वाकर्षण के लिए लगभग 50-100 मिलियन वर्ष लगते हैं, एक साथ बहुत सारे पदार्थों को एक साथ खींचने के लिए, और गैस के लिए यह ठंडा होने के लिए पर्याप्त होता है ताकि पहले तारों के रूप में पतन शुरू हो सके। इसके बाद, परमाणु संलयन शुरू किया जाता है, और ब्रह्मांड में पहले भारी तत्व दिखाई देते हैं।


ब्रह्मांड की बड़े पैमाने पर संरचनाएं समय के साथ दिखाई देती हैं; छोटे दोष बढ़ते हैं और पहले सितारों और आकाशगंगाओं में बदल जाते हैं, फिर एक साथ विलय हो जाते हैं, बड़े, आधुनिक आकाशगंगाओं का निर्माण करते हैं जिन्हें हम आज देखते हैं। जब हम लंबी दूरी पर देखते हैं, तो हम अपने स्थानीय साइट के अतीत के समान एक छोटे ब्रह्मांड को देखते हैं।

लेकिन इन सितारों के साथ भी, ब्रह्मांड अंधेरे युग में है। किसकी गलती है? इन सभी तटस्थ परमाणुओं के कारण पूरे ब्रह्मांड में वितरित किया गया। वे 10 ⁸⁰ के क्रम के हैं, और हालांकि बिग बैंग के बाद छोड़े गए कम ऊर्जा वाले फोटॉन के लिए, यह मामला पारदर्शी है, सितारों द्वारा उत्सर्जित उच्च ऊर्जा वाले फोटॉन के लिए, यह अपारदर्शी है। यही कारण है कि आकाशगंगा के केंद्र में दिखाई देने वाले प्रकाश में सितारों को देखना असंभव है, लेकिन लंबी तरंगों (अवरक्त कहो) पर, आप सीधे तटस्थ गैस और धूल के माध्यम से देख सकते हैं।


चार अलग-अलग तरंग दैर्ध्य पर चार अलग-अलग प्रकार के मिल्की वे; शीर्ष पर लंबे (सबमिलिमीटर) हैं, फिर दूर अवरक्त, निकट अवरक्त और दृश्य प्रकाश। अग्रभूमि में सितारे और धूल के रास्ते दृश्य प्रकाश में हमसे दूर आकाशगंगा के केंद्र को अवरुद्ध करते हैं।

ब्रह्मांड को स्टारलाइट के लिए पारदर्शी होने के लिए, इन तटस्थ परमाणुओं को आयनित किया जाना चाहिए। वे एक बार पहले ही आयनित हो चुके थे: इससे पहले कि ब्रह्मांड 380,000 साल पुराना था, इसलिए हम उनके पुन: आयनीकरण की प्रक्रिया को पुनर्संयोजन कहते हैं । और केवल जब बहुत सारे तारे बनते हैं और बहुत अधिक ऊर्जा वाले पराबैंगनी फोटोन उत्सर्जित होते हैं, तो पुनर्मिलन की यह प्रक्रिया पूरी हो सकती है और अंधकार युग का अंत हो सकता है। और यद्यपि बहुत पहले सितारे बिग बैंग के 50-100 मिलियन वर्ष पहले ही दिखाई दे सकते थे, हमारी विस्तृत टिप्पणियों से हमें पता चलता है कि जब तक ब्रह्मांड 550 मिलियन वर्ष पुराना नहीं हो जाता, तब तक पुनर्मिलन समाप्त नहीं होता है।


ब्रह्माण्ड के इतिहास का एक चित्र, पुनर्सृजन पर बल देता है, जो वास्तव में पहले सितारों और आकाशगंगाओं के गठन के बाद ही हुआ था। इससे पहले, ब्रह्मांड तटस्थ परमाणुओं से भरा था जो प्रकाश को अवरुद्ध करते थे। यद्यपि अधिकांश ब्रह्मांडों ने पुनर्मूल्यांकन से गुजरना नहीं किया, जब तक कि यह 550 मिलियन वर्ष पुराना नहीं हो गया, कुछ सबसे भाग्यशाली स्थलों का पहले ही विचलन हो गया था

यह कैसे हुआ कि जब हम ब्रह्माण्ड केवल 400 मिलियन वर्ष पुराने थे तब हमने जो सबसे पहले आकाशगंगाएँ देखीं, वे दिखाई दीं? और जेम्स वेब टेलिस्कोप कैसे अतीत में आगे भी देख सकता है? दो कारक यहां भूमिका निभाते हैं:

1) रियुनाइजेशन सजातीय नहीं है। ब्रह्मांड गांठ, खामियों और विषमताओं से भरा है। यह अच्छा है, यह सितारों, आकाशगंगाओं, ग्रहों और लोगों को भी बनाने की अनुमति देता है। लेकिन इसका मतलब यह भी है कि आकाश में अंतरिक्ष और दिशा के कुछ वर्गों को दूसरों से पहले पूरी तरह से पुन: प्रकाशित किया गया था। जीएन-जेड 11 , जो सबसे दूर की जानी मानी आकाशगंगा है, वह इतनी कम उम्र की चमकदार और खूबसूरत आकाशगंगा है, लेकिन यह उस दिशा में भी स्थित है, जिसमें ब्रह्मांड लगभग पूरी तरह से आयनित था। यह सिर्फ इतना सफलतापूर्वक संयोग है कि यह "औसत" पुनर्मूल्यांकन से 150 मिलियन साल पहले हुआ था।


सिर्फ इसलिए कि यह दूर की आकाशगंगा GN-z11 एक ऐसे क्षेत्र में स्थित है जहां अंतरिक्षीय वातावरण अधिकांशतः प्रतिष्ठित है, हबल आज हमें दिखाने में सक्षम है। जेम्स वेब बहुत आगे जाएगा।

2) ये तटस्थ परमाणु लंबी तरंग दैर्ध्य के लिए पारदर्शी होते हैं। हालांकि उन शुरुआती दिनों में ब्रह्मांड दृश्य और पराबैंगनी प्रकाश के लिए अपारदर्शी था, यह लंबी तरंगों के लिए पारदर्शी था। उदाहरण के लिए, यह ज्ञात है कि " पिलर्स ऑफ क्रिएशन " दृश्यमान प्रकाश के लिए अपारदर्शी हैं, लेकिन यदि आप उन्हें अवरक्त में देखते हैं, तो आप आसानी से उनके अंदर सितारों को देख सकते हैं।


बाईं ओर - दृश्य प्रकाश में एक दृश्य, दाईं ओर - इन्फ्रारेड में, एक ही वस्तु पर: निर्माण के स्तंभ। देखें कि कितना गैस और धूल अवरक्त विकिरण के लिए अधिक पारदर्शी हैं, और यह पृष्ठभूमि और आंतरिक सितारों को कैसे प्रभावित करता है।

जेम्स वेब टेलीस्कोप न केवल मुख्य अवरक्त वेधशाला बन गया, बल्कि विशेष रूप से प्रकाश का निरीक्षण करने के लिए डिज़ाइन किया गया था जो कि प्रारंभिक तारों द्वारा उत्सर्जित होने पर अवरक्त था। आगे बढ़ते हुए, 30 माइक्रोन की तरंग दैर्ध्य के लिए, इन्फ्रारेड रेंज के बीच में, वह उन वस्तुओं का निरीक्षण करने में सक्षम होंगे जो डार्क एज में मौजूद थीं।


ब्रह्माण्ड के निरंतर विस्तार वाले विस्तार का अध्ययन करते हुए, हम न केवल मंद वस्तुओं के प्रति संवेदनशीलता प्राप्त करते हैं, बल्कि उन लोगों के प्रति भी जो तटस्थ परमाणुओं द्वारा "अवरुद्ध" होते हैं। लेकिन अवरक्त वेधशालाओं के साथ हम उन्हें भी देख सकते हैं।

ब्रह्मांड इतने लंबे समय से अंधेरा है, क्योंकि इसके अंदर के परमाणु इतने लंबे समय तक तटस्थ रहे हैं। यहां तक ​​कि 98% reionized ब्रह्मांड दृश्यमान प्रकाश के लिए अपारदर्शी रहता है, और सभी परमाणुओं को पूरी तरह से आयनित करने और ब्रह्मांड को पारदर्शी बनाने में लगभग 500 मिलियन वर्ष लगे। अंधकार युग के अंत में, हम प्रकाश की सभी तरंग दैर्ध्य पर सब कुछ देख सकते हैं, लेकिन इससे पहले कि हमें या तो भाग्यशाली होना है, या हमें लंबी, कम अवशोषित तरंगों को देखने की जरूरत है।

यह कहते हुए कि "प्रकाश होने दो", सितारों और आकाशगंगाओं को बनाने के लिए, ब्रह्मांड के अंधेरे युग को खत्म करने के लिए पर्याप्त नहीं है। प्रकाश पैदा करना केवल आधी लड़ाई है; एक ऐसा वातावरण बनाना जिसमें यह आपकी आंखों के नीचे सभी तरह से फैल सके, बस उतना ही महत्वपूर्ण है। इसके लिए हमें बहुत अधिक पराबैंगनी और समय की आवश्यकता होती है। लेकिन अगर आप सही देखते हैं, तो हम अंधेरे में देख सकते हैं और देख सकते हैं कि हमने पहले क्या नहीं देखा। और दो साल से भी कम समय में, यह कहानी शुरू हो जाएगी।

एथन सीगल - खगोल वैज्ञानिक, विज्ञान लोकप्रिय, एक बैंग्स के साथ शुरुआत के लेखक! उन्होंने "बियॉन्ड द गैलेक्सी" [ बियॉन्ड द गैलेक्सी ], और "ट्रैकनोलॉजी: स्टार ट्रेक का विज्ञान" [ ट्रेकोनोलॉजी ] किताबें लिखीं ।