आश्चर्य: हबल की निरंतरता वास्तव में चंचल है

संयुक्त यूवी में हबल ईएक्सट्रीम डीप फील्ड अवलोकन छवि का हिस्सा, दृश्य प्रकाश और अवरक्त ब्रह्मांड में सबसे गहरा टकटकी है जिसे हमने लिया है। यहां दिखाई देने वाली विभिन्न आकाशगंगाएँ अलग-अलग दूरी पर हैं और अलग-अलग रेडशिफ्ट हैं, जो हमें हबल कानून को प्राप्त करने की अनुमति देती हैं।

ब्रह्मांड विशाल है, और सितारों और आकाशगंगाओं से भरे सभी दिशाओं में अरबों प्रकाश वर्ष हैं। बिग बैंग से, प्रकाश यात्रा, हर स्रोत से विदा होती है जिसने इसे बनाया है, और इस प्रकाश का एक बहुत छोटा हिस्सा हमारी आंखों तक पहुंचता है। लेकिन प्रकाश केवल उत्सर्जन के बिंदु से उस स्थान तक नहीं जाता है जहां हम आज हैं; इसके अलावा, अंतरिक्ष का बहुत कपड़ा फैलता है।

आकाशगंगा हमसे बहुत दूर है, हमारे बीच का स्थान जितना फैला है - और स्पेक्ट्रम के लाल भाग में स्थानांतरित हो जाता है - वह प्रकाश जो अंततः हमारी आँखों में आएगा। कभी अधिक दूरियों को देखते हुए, हम रेडशिफ्ट में वृद्धि देखते हैं। यदि हम साजिश करते हैं कि हटाने की स्पष्ट गति दूरी पर निर्भर करती है, तो हमें एक सुंदर, सीधा संबंध मिलता है: हबल कानून । लेकिन इस रेखा का ढलान, हबल स्थिर, वास्तव में बिल्कुल स्थिर नहीं है। और यह सभी खगोल विज्ञान में सबसे शक्तिशाली गलत धारणाओं में से एक है।


दूर की आकाशगंगाओं के लिए दूरी पर रेडशिफ्ट की निर्भरता। अंक जो लाइन पर नहीं आते हैं वे अजीबोगरीब वेग में अंतर के कारण पक्षपाती हैं, लेकिन वे केवल मनाया समग्र चित्र से थोड़ा विचलित होते हैं। एडविन हबल द्वारा प्राप्त प्रारंभिक डेटा, और पहले यूनिवर्स के विस्तार को प्रदर्शित करने के लिए इस्तेमाल किया गया था, जो निचले बाएं कोने में एक छोटे से लाल आयत में फिट होता है।

हम ब्रह्मांड के विस्तार को दो तरीकों से समझते हैं: सैद्धांतिक रूप से और अवलोकन के माध्यम से। ब्रह्मांड का अवलोकन करते हुए, हम विस्तार से जुड़े कई महत्वपूर्ण तथ्य देखते हैं:

• ब्रह्मांड सभी दिशाओं में एक गति से विस्तार कर रहा है।
• आकाशगंगा जितनी दूर है, उतनी ही तेजी से वह हमसे दूर जाती है।
• यह सब केवल औसत पर सच है।

अलग-अलग आकाशगंगाओं में, वास्तविक वेगों में एक बड़ा बिखराव होता है, जो ब्रह्मांड के सभी पदार्थों के साथ गुरुत्वाकर्षण संबंधों के कारण विद्यमान है।


ब्रह्माण्ड के हिस्सों का एक द्वि-आयामी खंड हमारे सबसे करीब है जिसका घनत्व औसत मूल्य से अधिक (लाल) और निचला (नीला / काला) है। रेखाएं और तीर अजीबोगरीब वेगों की दिशाओं को दर्शाते हैं, लेकिन यह पूरी तस्वीर विस्तार की जगह के कपड़े में शामिल है।

लेकिन यह समस्या अचूक नहीं है। ब्रह्माण्ड में कुछ से अधिक आकाशगंगाएँ हैं जिनकी दूरी और रीडशिफ्ट हम माप सकते हैं; हमने लाखों आकाशगंगाओं के लिए शाब्दिक रूप से ऐसे माप लिए। हम बड़ी संख्या में आकाशगंगाओं को समूहित कर सकते हैं ताकि प्रत्येक समूह हमसे एक निश्चित औसत दूरी पर हो, और हम उनके औसत रिडफ़्ट की गणना कर सकें। इस प्रक्रिया के बाद, हम एक सीधा संबंध पाते हैं जो हबल कानून को परिभाषित करता है।

लेकिन यहाँ आश्चर्य है। यदि आप पर्याप्त रूप से बड़ी दूरियों को देखते हैं, तो यह स्पष्ट हो जाता है कि विस्तार दर अब सीधे नियम का पालन नहीं करती है, और बाहर चक्कर लगाना शुरू कर देती है।


दूरी (एक्स अक्ष) पर दृश्यमान विस्तार (y अक्ष) की दर की निर्भरता इस तथ्य से मेल खाती है कि ब्रह्मांड का अतीत में तेजी से विस्तार हुआ है, लेकिन आज इसका विस्तार हो रहा है। यह हबल के काम का एक आधुनिक (2014) संस्करण है, जो हजारों गुना अधिक दूरी पर फैला हुआ है। ध्यान दें कि बिंदु एक सीधी रेखा नहीं बनाते हैं, जिसका अर्थ है कि समय के साथ विस्तार दर में परिवर्तन होता है।

"हबल स्थिर" शब्द का उपयोग करते हुए, हमारा मतलब है कि इस लाइन का ढलान। यदि यह एक रेखा नहीं है - अर्थात, यदि इसकी ढलान बदल जाती है - यह बताता है कि ब्रह्मांड का हबल विस्तार दर स्थिर नहीं है! हम इसे हबल स्थिरांक कहते हैं क्योंकि ब्रह्मांड किसी भी बिंदु पर समान गति से फैलता है: हबल स्थिरांक अंतरिक्ष में स्थिर है।

लेकिन समय के साथ विस्तार की दर और हबल स्थिरांक का मूल्य बदल जाता है। यह एक रहस्य नहीं है, लेकिन क्या उम्मीद की जानी थी। इसे समझने के लिए, हम इसे एक अलग दृष्टिकोण से देखते हैं: सैद्धांतिक।


2017 में अमेरिकन एस्ट्रोनॉमिकल सोसाइटी के हाइपरस्ट्रिंग की पृष्ठभूमि पर एथन सीगल, पहले फ्रीडमैन समीकरण के साथ, दाईं ओर।
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फ्रीडमैन का पहला समीकरण अपनी सामग्री के आधार पर ब्रह्मांड की विस्तार दर की भविष्यवाणी करता है

पहला फ्राइडमैन समीकरण हमारे साथ प्राप्त होता है यदि हम एक ब्रह्मांड से शुरू करते हैं जो समान रूप से पदार्थ, विकिरण और ऊर्जा के अन्य सभी रूपों से भरा होता है। यहाँ इस्तेमाल की जाने वाली धारणाएँ हैं कि यूनिवर्स आइसोट्रोपिक (सभी दिशाओं में समान), सजातीय (हर जगह समान घनत्व है) और सापेक्षता के जनरल सिद्धांत का पालन करता है। इसे स्वीकार करते हुए, आपको H, हबल वेग (बाएं) और ब्रह्मांड के विभिन्न रूपों और ब्रह्मांड (दाएं) की ऊर्जा के संबंध मिलते हैं:


फ्रीडमैन का पहला समीकरण, जैसा कि आमतौर पर आज लिखा जाता है। बायां हिस्सा विस्तार की गति और अंतरिक्ष-समय के विकास को निर्धारित करता है, और दाहिने हिस्से में पदार्थ और ऊर्जा के सभी विभिन्न रूपों के साथ-साथ स्थानिक वक्रता भी शामिल है।

दिलचस्प है, ब्रह्मांड के विस्तार के साथ, पदार्थ, विकिरण और ऊर्जा की घनत्व बदल सकते हैं। उदाहरण के लिए, ब्रह्मांड के विस्तार के साथ, इसकी मात्रा बढ़ जाती है, लेकिन कणों की कुल संख्या अपरिवर्तित रहती है। इसका मतलब है कि एक विस्तारित ब्रह्मांड में:

• पदार्थ घनत्व एक ^{-3 के} रूप में गिरता है,
• विकिरण घनत्व बूँदें, एक ^{-4 की} तरह,
• अंधेरे ऊर्जा का घनत्व स्थिर रहता है, और ^{0 के} रूप में विकसित होता है,

जहाँ यूनिवर्स का पैमाना कारक (दूरी या त्रिज्या) है। समय के साथ, एक बढ़ता है, और ब्रह्मांड के विभिन्न घटक एक दूसरे के सापेक्ष कम या ज्यादा महत्वपूर्ण हो जाते हैं।


पदार्थ की तरह (ऊपर), विकिरण (बीच में) और ब्रह्माण्ड संबंधी स्थिरांक (नीचे) एक विस्तारित ब्रह्मांड में समय के साथ विकसित होते हैं

उच्च ऊर्जा घनत्व वाला ब्रह्मांड तेजी से फैलता है। इसके विपरीत, कम ऊर्जा घनत्व वाला ब्रह्मांड अधिक धीरे-धीरे फैलता है। उम्र के साथ, ब्रह्मांड का विस्तार होता है: विस्तार के साथ, पदार्थ और विकिरण कम घने हो जाते हैं; घनत्व कम होने के साथ, विस्तार दर भी घट जाती है। किसी भी समय, विस्तार दर हबल स्थिरांक का मान निर्धारित करती है। सुदूर अतीत में, विस्तार की दर बहुत अधिक थी, लेकिन आज यह सबसे धीमी है।


ब्रह्मांड के ऊर्जा घनत्व और उनके प्रभुत्व की अवधि में विभिन्न घटक और योगदान। यदि कॉस्मिक स्ट्रिंग्स या डोमेन दीवारें किसी भी महत्वपूर्ण मात्रा में मौजूद हैं, तो वे ब्रह्मांड के विस्तार में महत्वपूर्ण योगदान देंगे। ब्रह्मांड के कुछ अन्य घटक भी हो सकते हैं जिन्हें हम अब नहीं देखते हैं, या जो केवल खुद को साबित करने के लिए हैं! आज तक, अंधेरे ऊर्जा हावी है, मामला काफी महत्वपूर्ण है, और विकिरण की उपेक्षा की जा सकती है।

तो बहुत दूर की आकाशगंगाएँ इस सीधे रिश्ते के अधीन क्यों हैं? क्योंकि हमारी आंखों के लिए आने वाली सभी रोशनी, एक पड़ोसी आकाशगंगा द्वारा उत्सर्जित प्रकाश से, अरबों प्रकाश वर्षों से स्थित एक आकाशगंगा द्वारा उत्सर्जित प्रकाश से, 13.8 बिलियन वर्ष तक पहुंचती है, जब तक हम उससे संपर्क करते हैं। जब तक प्रकाश आया था, तब तक यूनिवर्स में सब कुछ वैसा ही कभी-कभी बदल रहा था जैसे हम थे। हबल के अतीत में, जब अधिकांश प्रकाश उत्सर्जित होता था, उच्च था, लेकिन इस प्रकाश को हमारी आंखों में लाने में अरबों साल लग गए।


प्रकाश को विभिन्न तरंग दैर्ध्य के साथ उत्सर्जित किया जा सकता है, लेकिन ब्रह्मांड का विस्तार इसे रास्ते में खींच देगा। पराबैंगनी प्रकाश में 13.4 अरब साल पहले आकाशगंगा द्वारा उत्सर्जित प्रकाश को अवरक्त रेंज में स्थानांतरित कर दिया जाएगा।

समय के साथ, ब्रह्मांड का विस्तार हुआ, जिसका अर्थ है कि प्रकाश की तरंग दैर्ध्य में वृद्धि हुई। केवल पिछले 6 अरब वर्षों में डार्क एनर्जी काफी महत्वपूर्ण हो गई है, और हम उस बिंदु पर पहुंच गए हैं, जहां यह बहुत जल्दी यूनिवर्स का एकमात्र घटक बन जाता है जो इसके विस्तार की गति को प्रभावित करता है। यदि हम ऐसे समय में लौटे थे जब ब्रह्मांड दो गुना छोटा था, तो आज की तुलना में विस्तार की दर 80% अधिक होगी। और जब ब्रह्मांड वर्तमान युग का 10% था, विस्तार दर आज की तुलना में 17 गुना अधिक थी।

जब ब्रह्मांड आज की तुलना में दस गुना बड़ा हो जाता है, तो इसकी विस्तार दर आज का 18% होगी।


ब्लू ने संभावित अनिश्चितताओं की श्रेणी को छायांकित किया कि कैसे अंधेरे ऊर्जा का घनत्व अतीत और भविष्य में विचलन कर सकता है। डेटा एक सच्चे कॉस्मोलॉजिकल "स्थिर" की उपस्थिति का संकेत देता है, लेकिन अभी तक किसी ने भी अन्य संभावनाओं को खारिज नहीं किया है। दुर्भाग्य से, विकिरण में पदार्थ का रूपांतरण डार्क एनर्जी का उम्मीदवार नहीं हो सकता है; इसके परिणामस्वरूप, वह जो पहले पदार्थ की तरह व्यवहार करता था, बस विकिरण की तरह व्यवहार करता है।

सभी अंधेरे ऊर्जा की उपस्थिति के कारण, एक ब्रह्मांडीय स्थिरांक की तरह व्यवहार करते हैं। दूर के भविष्य में, पदार्थ और विकिरण अंधेरे ऊर्जा की तुलना में अपेक्षाकृत महत्वहीन हो जाएंगे, जिसका अर्थ है कि ब्रह्मांड की ऊर्जा घनत्व स्थिर रहेगी। ऐसी शर्तों के तहत, विस्तार दर एक स्थिर और सीमित मूल्य तक पहुंच जाएगी, और ऐसा ही रहेगा। दूर के भविष्य में, हबल स्थिरांक न केवल अंतरिक्ष में, बल्कि समय में भी स्थिर हो जाएगा।

दूर के भविष्य में, सभी दृश्यमान वस्तुओं की गति और दूरी को मापकर, हमें हर जगह इस रेखा का समान ढलान मिलता है। हबल कॉन्स्टेंट वास्तव में स्थिर हो जाएगा।


अतीत में अलग-अलग समय में ब्रह्मांड की ऊर्जा के विभिन्न घटकों के सापेक्ष महत्व। जब भविष्य में अंधेरे ऊर्जा 100% तक पहुंच जाएगी, तो ब्रह्मांड की ऊर्जा घनत्व समय की एक बड़ी अवधि में स्थिर रहेगी।

यदि खगोलविद शब्दों को अधिक सटीक रूप से संभालते हैं, तो वे एच हबल पैरामीटर को कॉल करेंगे और हबल को स्थिर नहीं करेंगे, क्योंकि यह समय के साथ बदलता है। लेकिन कई पीढ़ियों के लिए, हम अपेक्षाकृत कम दूरी नाप सकते थे, और H स्थिर लग रहा था, इसलिए हमने इसका नाम नहीं बदला। हमें केवल यह स्पष्ट करना होगा कि H समय का एक कार्य है, और केवल आज - जब हम इसे H _{0 कहते हैं} - क्या यह स्थिर है। वास्तव में, हबल पैरामीटर समय के साथ बदलता है, और केवल पूरे स्थान पर स्थिर रहता है। लेकिन अगर हम एक दूर के भविष्य के लिए रहते हैं, तो हम देखेंगे कि एच कुछ बिंदु पर बदल जाता है। आज हम वास्तविक निरंतर मूल्यों और समय के साथ बदलने वाले लोगों को ध्यान से अलग कर सकते हैं, लेकिन दूर के भविष्य में, अंधेरे ऊर्जा के लिए धन्यवाद, यह अंतर अब नहीं होगा।