एथन से पूछें: क्या रेडिएशन लॉस स्टार्स को डार्क एनर्जी समझा सकता है?

ब्रह्मांड के उन समय के कलाकार का विचार जिसमें पहले सितारे बने थे। अपने प्रकाश और विलय के कारण, वे विकिरण, विद्युत चुम्बकीय और गुरुत्वाकर्षण दोनों का उत्सर्जन करेंगे। लेकिन क्या पदार्थ का रूपांतरण ऊर्जा में एंटीगैविटी बनाने में सक्षम है?

ब्रह्मांड के हमारे ज्ञान के रास्ते पर पहेलियाँ हैं, जिसका उत्तर अभी भी किसी के लिए अज्ञात है। डार्क मैटर, डार्क एनर्जी, कॉस्मिक इन्फ्लेशन - ये सभी विचार अधूरे हैं, और हमें नहीं पता कि इनके लिए किस प्रकार के कण या क्षेत्र जिम्मेदार हैं। यह संभव है, हालांकि अधिकांश पेशेवर इस पर विचार नहीं करते हैं कि इनमें से एक या एक से अधिक पहेलियाँ एक गैर-मानक समाधान हो सकती हैं, जिसकी हममें से कोई भी अपेक्षा नहीं करता है।

"एथन एथन" कॉलम के इतिहास में पहली बार, मुझे एक नोबेल पुरस्कार विजेता - जॉन क्रॉमवेल माथेर से एक सवाल मिला - जो यह जानना चाहते हैं कि क्या तारे, ऊर्जा में द्रव्यमान को परिवर्तित करते हुए, अंधेरे ऊर्जा से प्रभावित प्रभावों के लिए जिम्मेदार हो सकते हैं:

गुरुत्वाकर्षण का क्या होता है कि एक लुप्त हो जाने वाला द्रव्यमान सितारों में होने वाली परमाणु प्रतिक्रियाओं से प्रकाश और न्यूट्रिनो में परिवर्तित होने की प्रक्रिया में फैल जाता है, या जब द्रव्यमान एक ब्लैक होल में इकट्ठा होता है, या जब यह गुरुत्वाकर्षण तरंगों में बदल जाता है? दूसरे शब्दों में, गुरुत्वाकर्षण तरंगें, विद्युत चुम्बकीय तरंगें और न्यूट्रिनो गुरुत्वाकर्षण का एक स्रोत हैं जो कि पहले से मौजूद द्रव्यमान से मेल खाता है जो उनमें बदल गया है, या नहीं?

बहुत बढ़िया विचार। आइए जानें इसका कारण।


दो न्यूट्रॉन सितारों के विलय का कलात्मक चित्रण। तरंगों से आच्छादित स्पेस-टाइम ग्रिड एक टक्कर के दौरान उत्सर्जित गुरुत्वाकर्षण तरंगों का प्रतिनिधित्व करता है, और किरणें गामा-रे जेट हैं जो गुरुत्वाकर्षण तरंगों के कुछ सेकंड बाद शूट करते हैं (खगोलविद गामा-रे फटने के रूप में उनका पता लगाते हैं)। ऐसी घटना में द्रव्यमान दो प्रकार के विकिरण में बदल जाता है।

सापेक्षता के आइंस्टीन सामान्य सिद्धांत में, ब्रह्मांड का एक मॉडल जो सटीक समाधान देता है, उसका निर्माण कुछ ही तरीकों से किया जा सकता है। हम एक बिल्कुल खाली ब्रह्मांड में अंतरिक्ष-समय का सटीक वर्णन कर सकते हैं। यदि आप एक खाली ब्रह्मांड में एक भी द्रव्यमान रखते हैं, तो कार्य बहुत अधिक जटिल हो जाएगा, लेकिन समाधान अभी भी नीचे लिखा जा सकता है। और यदि आप ऐसे ब्रह्मांड में दूसरा द्रव्यमान रखते हैं, तो कार्य हल नहीं होगा। हम केवल अनुमान लगा सकते हैं, और एक संख्यात्मक समाधान पर आने का प्रयास कर सकते हैं। अंतरिक्ष-समय की यह कष्टप्रद जटिल संपत्ति है, कि इसका सही वर्णन करना इतना कठिन है, और हमें इस तरह की विशाल कंप्यूटर शक्ति, सैद्धांतिक अनुसंधान में प्रयास, और LIGO द्वारा दर्ज किए गए ब्लैक होल और न्यूट्रॉन सितारों के संलयन को सही ढंग से मॉडल करने के लिए इतना समय देता है।


गुरुत्वाकर्षण का कार्य न केवल द्रव्यमान के स्थान और परिमाण से निर्धारित होता है, बल्कि यह भी होता है कि कैसे ये द्रव्यमान एक दूसरे के सापेक्ष चलते हैं और एक गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में गति करते हैं जो समय के साथ बदलता रहता है। सामान्य सापेक्षता में, एक से अधिक द्रव्यमान वाली प्रणाली को सटीक रूप से निर्धारित नहीं किया जा सकता है।

कुछ मामलों में से एक जिसमें हम सटीक समाधान पा सकते हैं, हर जगह और सभी दिशाओं में समान मात्रा में "पदार्थ" से भरे ब्रह्मांड का वर्णन करता है। इससे कोई फर्क नहीं पड़ता कि यह किस तरह का "पदार्थ" है। यह कणों का एक सेट, एक तरल, विकिरण, अंतरिक्ष की एक संपत्ति, वांछित गुणों के साथ एक क्षेत्र हो सकता है। यह विभिन्न चीजों का मिश्रण हो सकता है, उदाहरण के लिए, सामान्य पदार्थ, एंटीमैटर, न्यूट्रिनो, विकिरण और यहां तक ​​कि रहस्यमय डार्क मैटर और डार्क एनर्जी।

यदि यह आपके ब्रह्मांड का वर्णन करता है, और आप जानते हैं कि आपके पास इन सभी पदार्थों के किस अनुपात में हैं, तो आपको केवल ब्रह्मांड के विस्तार की गति को मापने की आवश्यकता है। उसके बाद, आप तुरंत सीखेंगे कि जीवन भर इसका विस्तार कैसे हुआ, और भविष्य में इसका विस्तार होगा। यदि आप जानते हैं कि ब्रह्मांड में क्या है, और यह आज कैसे विस्तारित हो रहा है, तो आप पूरे ब्रह्मांड के भाग्य का पता लगा सकते हैं।


यूनिवर्स (शीर्ष तीन) के विकास के अपेक्षित संस्करण एक ब्रह्मांड के अनुरूप हैं जिसमें विस्तार की प्रारंभिक दर के साथ पदार्थ और ऊर्जा संघर्ष होता है। हमारे अवलोकन योग्य ब्रह्मांड में, ब्रह्मांडीय त्वरण कुछ प्रकार की अंधेरे ऊर्जा से जुड़ा हुआ है, वर्तमान में अस्पष्टीकृत है। ये सभी ब्रह्मांड फ्राइडमैन समीकरणों द्वारा शासित हैं।

आज हमारे द्वारा देखे गए ब्रह्मांड के आधार पर इन गणनाओं को अंजाम देते हुए, हमें पता चलता है कि इसमें निम्न शामिल हैं:

• 68% डार्क एनर्जी
• 27% डार्क मैटर
• 4.9% सामान्य बात है
• 0.1% न्यूट्रिनो
• 0.01% विकिरण

और अन्य घटकों की एक नगण्य राशि: वक्रता, एंटीमैटर, कॉस्मिक स्ट्रिंग्स और बाकी सब कुछ जो आप कल्पना कर सकते हैं। सूचीबद्ध घटकों की मात्रा में कुल अनिश्चितता 2% से अधिक नहीं है। हमने ब्रह्मांड के भाग्य को भी सीखा - कि यह हमेशा के लिए विस्तारित होगा - और इसकी आयु: बिग बैंग से 13.8 बिलियन वर्ष। यह आधुनिक ब्रह्मांड विज्ञान की एक उल्लेखनीय उपलब्धि है।


ब्रह्मांड के इतिहास के लिए इलस्ट्रेटेड समयरेखा। यदि पहले तारों को बनाने की अनुमति देने के लिए अंधेरे ऊर्जा की मात्रा काफी कम है, तो जीवन के लिए आवश्यक सामग्री के ब्रह्मांड में उपस्थिति लगभग अपरिहार्य है। और हमारा अस्तित्व इस तथ्य की पुष्टि करता है।

लेकिन इन सभी गणनाओं को यूनिवर्स के हमारे मॉडल के आधार पर किया जाता है, सभी दिशाओं में पूरे यूनिवर्स में पदार्थों के समान वितरण का अनुमान लगाया जाता है। असली ब्रह्मांड में, जैसा कि आपने देखा होगा, सब कुछ गिर जाता है। ग्रह, तारे, गैस और धूल के गुच्छे, प्लाज्मा, आकाशगंगाएँ, आकाशगंगाओं के समूह और उन्हें जोड़ने वाले महान ब्रह्मांडीय धागे हैं। कभी-कभी अरबों प्रकाश वर्ष तक फैले हुए विशाल ब्रह्मांडीय voids होते हैं। गणितीय रूप से पूरी तरह से समान ब्रह्मांड को सजातीय कहा जाता है, और हमारा ब्रह्मांड आश्चर्यजनक रूप से अमानवीय है। यह संभव है कि हमारे सभी विचार, जिनके आधार पर हमने संकेतित निष्कर्ष किए हैं, गलत हैं।


सिमुलेशन (लाल) और आकाशगंगा अवलोकन (नीला / मैजेंटा) बड़े पैमाने पर समान क्लस्टर पैटर्न दिखाते हैं। छोटे पैमाने पर, ब्रह्मांड सजातीय नहीं है।

हालांकि, सबसे बड़े पैमाने पर, ब्रह्मांड सजातीय है। यदि आप छोटे तराजू, एक स्टार, आकाशगंगा या गैलेक्टिक क्लस्टर के आकार को देखते हैं, तो आपको औसत मूल्य की तुलना में बहुत अधिक या निम्न घनत्व के क्षेत्रों की उपस्थिति मिलेगी। लेकिन अगर आप 10 बिलियन प्रकाश-वर्ष के आकार के पैमाने का अध्ययन करते हैं, तो ब्रह्मांड औसतन सभी जगहों पर लगभग एक जैसा लगता है। सबसे बड़े पैमाने पर, ब्रह्मांड 99% से अधिक सजातीय है।

सौभाग्य से, हम संख्यात्मक रूप से मूल्यांकन कर सकते हैं कि बड़े पैमाने पर समरूपता में अमानवीय गड़बड़ी के संपर्क में आने के परिणामस्वरूप हमारी धारणाएं कितनी अच्छी (या बुरी) हैं। मैंने खुद 2005 में ऐसी गणनाएँ कीं, और पाया कि विस्तार दर में अमानवीयता का योगदान 0.1% से अधिक नहीं है, और यह अंधेरे पदार्थ की तरह व्यवहार नहीं करता है।


ब्रह्मांड के अतीत और भविष्य के विस्तार के एक समारोह के रूप में निर्मित, ब्रह्मांड की कुल ऊर्जा घनत्व के लिए गुरुत्वाकर्षण संभावित ऊर्जा डब्ल्यू (एक लंबी डैश के साथ लाइन) और गतिज ऊर्जा के (ठोस लाइन) का आंशिक योगदान, जहां कोई अंधेरे ऊर्जा नहीं है। एक छोटी डैश लाइन अमानवीय कारकों के योगदान का योग दर्शाती है। धराशायी लाइनें रेखीय गड़बड़ी के सिद्धांत से प्राप्त परिणाम दिखाती हैं।

लेकिन इन गणनाओं के साथ एक और संभावना जुड़ी है - कुछ प्रकार की ऊर्जा एक समय से दूसरे रूप में बदल सकती है। विशेष रूप से, इसके लिए धन्यवाद:

• तारों के अंदर जलता हुआ परमाणु ईंधन,
• घने वस्तुओं में बदल जाने वाले बादलों का गुरुत्वाकर्षण ढह जाता है,
• न्यूट्रॉन सितारों और ब्लैक होल का संलयन,
• कई गुरुत्वाकर्षण प्रणालियों के सर्पिल दृष्टिकोण,

पदार्थ, या द्रव्यमान, विकिरण, या ऊर्जा में बदल सकते हैं। दूसरे शब्दों में, ब्रह्मांड में गुरुत्वाकर्षण के व्यवहार को बदलना और समय के साथ इसके विस्तार (या संपीड़न) को प्रभावित करना संभव है।


यद्यपि हमने कई बार यूनिवर्स में ब्लैक होल के संलयन को देखा है, हम जानते हैं कि उनमें से और भी अधिक हैं। LISA हमें भविष्यवाणी करने की अनुमति देगा, कभी-कभी कुछ वर्षों में, जब सुपरमेसिव ब्लैक होल का विलय होगा।

जब दो ब्लैक होल एक साथ विलीन हो जाते हैं, तो द्रव्यमान का एक महत्वपूर्ण हिस्सा ऊर्जा में बदल सकता है: 5% तक मांस। LIGO द्वारा खोजे गए दो ब्लैक होल के पहले विलय में, 36 सौर द्रव्यमानों में BH और 29 सौर द्रव्यमानों में BH का विलय हुआ, और 62 सौर द्रव्यमान वाले एक BH का गठन हुआ। 3 सौर द्रव्यमानों का क्या हुआ? वे आइंस्टीन के E = mc ² के अनुसार, गुरुत्वाकर्षण तरंगों के रूप में ऊर्जा में बदल गए।

इसलिए, सवाल निम्नलिखित पर उबलता है: द्रव्यमान से विकिरण तक संक्रमण ब्रह्मांड के विस्तार को कैसे प्रभावित करता है? हाल के एक काम में, निक गोर्कावी और अलेक्जेंडर वासिलकोव का दावा है कि यह एक प्रतिकारक, गुरुत्वाकर्षण-विरोधी बल बना सकता है।


दो ब्लैक होल के विलय का कंप्यूटर सिमुलेशन, जिससे गुरुत्वाकर्षण तरंगें पैदा होती हैं। जब द्रव्यमान विकिरण में बदल जाता है, तो क्या प्रतिकर्षण बल संभव है?

दुर्भाग्य से, यह कथन केवल इस बात पर आधारित है कि क्या केवल गुरुत्वाकर्षण-विरोधी प्रतीत होता है। जब हमारे पास द्रव्यमान की एक निश्चित मात्रा होती है, तो हम एक निश्चित गुरुत्वाकर्षण आकर्षण का अनुभव करते हैं: यह आइंस्टीन के सिद्धांत और गुरुत्वाकर्षण के लिए न्यूटन के सिद्धांत दोनों में सच है। यदि आप द्रव्यमान को ऊर्जा में बदलते हैं और इसे प्रकाश की गति से बाहर की ओर विकीर्ण करते हैं, जिसके साथ सभी बड़े पैमाने पर विकिरण चलता है, तो जब यह विकिरण हमारे ऊपर उड़ता है, तो हम पाएंगे कि द्रव्यमान के लिए आकर्षण बल अचानक कमजोर हो गया।

अंतरिक्ष-समय में परिवर्तन की वक्रता, और जहां हमने पहली बार एक निश्चित परिमाण के गुरुत्वाकर्षण आकर्षण का अनुभव किया, हम 5% कम आकर्षण का अनुभव करना शुरू कर देंगे। गणितीय रूप से, यह प्रणाली पर एक प्रतिकारक, गुरुत्वाकर्षण-विरोधी बल की उपस्थिति के बराबर है। लेकिन वास्तव में, आप द्रव्यमान को ऊर्जा में बदलने के कारण इस कम हुए आकर्षण का अनुभव करेंगे, और विकिरण का गुरुत्वाकर्षण अलग तरीके से कार्य करता है (विशेषकर जब यह आपके पास से गुजरा हो)। यह काफी स्पष्ट रूप से वर्णित किया गया है [उपरोक्त कार्य के जवाब में]।


कोई भी वस्तु या रूप, भौतिक या गैर-भौतिक, गुरुत्वाकर्षण तरंगों के माध्यम से गुजरने पर विकृत हो जाएगा। हर बार, जब एक बड़ा द्रव्यमान घुमावदार अंतरिक्ष-समय के एक खंड के माध्यम से त्वरण के साथ चलता है, तो गुरुत्वाकर्षण तरंगें इस आंदोलन का एक अनिवार्य परिणाम बन जाती हैं। हालांकि, हम अंतरिक्ष में इस विकिरण के प्रभाव की गणना कर सकते हैं, और यह या तो प्रतिकर्षण या त्वरित विस्तार के लिए नेतृत्व नहीं करता है।

हम आगे भी जा सकते हैं और गणना कर सकते हैं कि यह परिवर्तन पूरे ब्रह्मांड को कैसे प्रभावित करता है! हम ब्रह्मांड की ऊर्जा घनत्व के लिए गुरुत्वाकर्षण तरंगों के योगदान का संख्यात्मक रूप से मूल्यांकन कर सकते हैं, और ब्रह्मांड की ऊर्जा का क्या हिस्सा सभी प्रकार के विकिरण है । द्रव्यमान की तरह विकिरण की मात्रा निर्धारित की जाती है, इसलिए ब्रह्मांड की मात्रा में वृद्धि (जैसे घन में दूरी) के साथ, कण घनत्व घटता है (दूरी के घन के व्युत्क्रमानुपाती)। लेकिन, द्रव्यमान के विपरीत, विकिरण में एक तरंग दैर्ध्य होता है, और अंतरिक्ष के विस्तार के साथ, यह लंबाई बढ़ जाती है, और दूरी के साथ आवृत्ति कम हो जाती है। विकिरण गुरुत्वाकर्षण से पदार्थ की तुलना में कम महत्वपूर्ण होता है।

हमें राज्य का सही समीकरण भी हासिल करना होगा। समय के साथ द्रव्य और विकिरण बदलते रहते हैं, लेकिन ब्रह्मांड के विस्तार के रूप में अंधेरे ऊर्जा पूरे अंतरिक्ष में एक निरंतर घनत्व बनाए रखती है। समय के साथ आगे बढ़ते हुए, हम देखते हैं कि समस्या केवल बदतर हो रही है; डार्क एनर्जी अधिक से अधिक हावी है, पदार्थ और विकिरण कम और महत्वपूर्ण हो जाते हैं।

द्रव्य और विकिरण एक आकर्षक बल ले जाते हैं और ब्रह्मांड को धीमा कर देते हैं, लेकिन इनमें से कोई भी घटना ऊर्जा घनत्व में प्रमुख नहीं रह सकती है जबकि ब्रह्मांड का विस्तार होता है।


ब्लू छायांकित क्षेत्र - अतीत और भविष्य में अंधेरे ऊर्जा के घनत्व में संभावित अनिश्चितताएं। डेटा से संकेत मिलता है कि यह एक सच्चा ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक है, जबकि हम अन्य संभावनाओं को नहीं छोड़ते हैं। दुर्भाग्य से, ऊर्जा में पदार्थ का रूपांतरण डार्क एनर्जी की भूमिका निभाने में असमर्थ है; जो पहले पदार्थ की तरह व्यवहार करता था अब वह विकिरण की तरह व्यवहार करता है।

यदि हम त्वरित विस्तार के साथ एक ब्रह्मांड बनाना चाहते हैं, तो, हमारे सर्वोत्तम ज्ञान को देखते हुए, हमें पहले से ज्ञात ऊर्जा के एक नए रूप की आवश्यकता होगी। हमने इस फॉर्म को डार्क एनर्जी कहा है, हालांकि हम इसकी प्रकृति के 100% सुनिश्चित नहीं हैं।

हालांकि, इस क्षेत्र में अपनी अज्ञानता के बावजूद, हम बहुत स्पष्ट रूप से निर्धारित कर सकते हैं कि अंधेरे ऊर्जा क्या नहीं है। ये अपने ईंधन को जलाने वाले तारे नहीं हैं; यह गुरुत्वाकर्षण तरंगों का उत्सर्जन करने वाला पदार्थ नहीं है; ये गुरुत्वाकर्षण पतन के परिणाम नहीं हैं; यह एक सर्पिल में विलय या तालमेल का परिणाम नहीं है। यह संभव है कि गुरुत्वाकर्षण के कुछ नए कानून अंततः आइंस्टीन के कानूनों को बदल देंगे, लेकिन सामान्य सापेक्षता के संदर्भ में, प्रसिद्ध भौतिकी की मदद से हमारी वर्तमान टिप्पणियों की व्याख्या करना असंभव है। हमें वास्तव में कुछ नया खोजना होगा।