क्या बहुत तेजी से फैल रहा है ब्रह्मांड, उलझन छोटी नहीं बहुत बड़ी
हबल स्थिरांक, एक महत्वपूर्ण ब्रह्माण्ड संबंधी पैरामीटर है जो बताता है कि ब्रह्मांड कितनी तेजी से फैलता है, यह ब्रह्मांड का पूर्ण पैमाना आकार- आयु भी निर्धारित करता है।
Universe Theory: कल्पना कीजिए कि अगर किसी व्यक्ति की ऊंचाई का माप पैर से सिर तक लिया जाए और सिर से पैर तक की गणना करके प्राप्त मान में बहुत अंतर हो, तो कितनी हैरानी होगी। खगोलशास्त्री वर्तमान में ऐसी ही दुविधा से जूझ रहे हैं। हबल स्थिरांक, एक महत्वपूर्ण ब्रह्माण्ड संबंधी पैरामीटर है जो बताता है कि ब्रह्मांड कितनी तेजी से फैलता है, यह ब्रह्मांड का पूर्ण पैमाना, आकार और आयु भी निर्धारित करता है। दूरी सीढ़ी विधि का उपयोग करके ब्रह्मांड विज्ञानियों द्वारा प्राप्त मूल्य ब्रह्मांडीय माइक्रोवेव पृष्ठभूमि (सीएमबी) विकिरण का अध्ययन करके प्राप्त मूल्य से काफी अलग है, जो सितारों के जन्म से पहले ब्रह्मांड में उत्पन्न होने वाले शुरुआती प्रकाश का अवशेष है। हमारे सर्वोत्तम प्रयासों और उन्नत तकनीक के उपयोग के बावजूद, विसंगति बनी हुई है। वास्तव में, प्रत्येक सटीक माप के साथ, अंतर बढ़ता जाता है। नवीनतम परिणामों में चौंका देने वाला नौ प्रतिशत का अंतर सामने आया है। 'हबल तनाव' नामक यह पहेली इंगित करती है कि हमने व्यापक रूप से स्वीकृत बिग बैंग सिद्धांत में कुछ महत्वपूर्ण बातों को अनदेखा कर दिया है।
विस्तारित ब्रह्मांड
सैद्धांतिक रूप से, रूसी भौतिक विज्ञानी अलेक्जेंडर फ्रीडमैन ने 1922 में, शुरू में निष्कर्ष निकाला कि ब्रह्मांड का विस्तार होना चाहिए। इस विचार को 1927 में बेल्जियम के खगोलशास्त्री जॉर्जेस लेमेत्रे ने और समृद्ध किया। हालाँकि, यह एक मात्र सैद्धांतिक अटकलबाजी ही रही जब तक कि एक अमेरिकी खगोलशास्त्री, एडविन हबल ने 1929 में पुष्टि करने वाले अवलोकन संबंधी सबूत प्रदान नहीं किए। कैलिफोर्निया के माउंट विल्सन पर 100 इंच के हुकर टेलीस्कोप का उपयोग करते हुए, हबल ने 24 निकटवर्ती आकाशगंगाओं की दूरी और जिस गति से वे हमसे दूर अंतरिक्ष में जा रहे थे, उसे मापा। अपने आश्चर्य के लिए, उन्होंने पाया कि आकाशगंगा जितनी दूर है, उतनी ही अधिक गति से वह हमसे दूर जा रही है। जब हबल ने उनकी दूरी के विरुद्ध देखे गए वेगों को प्लॉट किया, तो ग्राफ ने स्पष्ट रूप से दिखाया कि
ब्रह्मांड के विस्तार का विचार जटिल है। इसलिए, एक सादृश्य हमें इसे समझने में मदद करेगा। मान लीजिए कि आप एक लोचदार धागे के एक छोर को दीवार पर लगे हुक से जोड़ते हैं। अब, धागे की लंबाई के साथ समान रूप से दूरी वाले बिंदु चिह्नित करें, हर सेंटीमीटर के लिए एक। अब, ढीले सिरे को पकड़ें और इसे आकार में दोगुना करने के लिए खींचें।
खींची गई डोरी मूल डोरी से दुगुनी लंबी है। परिणामस्वरूप, खींची गई डोरी पर पहला बिंदु हुक से दो सेंटीमीटर दूर चला गया होगा। दूसरा बिंदु अपनी आरंभिक दूरी से दुगुनी दूरी तय कर चुका होगा, जिसके परिणामस्वरूप खींची गई डोरी में हुक से चार सेंटीमीटर की दूरी होगी। इसी तरह, खींची गई डोरी में तीसरा बिंदु 6 सेंटीमीटर, चौथा 8 सेंटीमीटर और इसी तरह आगे भी होगा। इसका मतलब है कि पहला बिंदु अपनी पिछली जगह से एक सेंटीमीटर आगे बढ़ा, दूसरा दो सेंटीमीटर, तीसरा तीन सेंटीमीटर और इसी तरह आगे भी।
मान लीजिए कि डोरी को एक सेकंड में उसकी लंबाई से दुगुना खींचा जाता है। इसका मतलब है कि दूसरा बिंदु एक सेकंड में दो सेमी चला, लेकिन पहला बिंदु एक सेकंड में एक सेमी चला। इस प्रकार, दूसरे बिंदु को खींची गई डोरी में अपनी जगह पर पहुँचने के लिए पहले बिंदु की तुलना में अधिक तेज़ी से यात्रा करनी पड़ी होगी। तीसरा बिंदु एक सेकंड में 3 सेमी चला; इसलिए, इसकी गति दूसरे बिंदु की तुलना में अधिक होनी चाहिए। आप डोरी में जितने दूर होंगे, आपकी गति उतनी ही तेज़ होगी।
हबल दूरबीन से लेकर जेम्स वेब अंतरिक्ष दूरबीन तक, हम जिस भी दिशा में देखें, ब्रह्मांड के विस्तार के स्पष्ट प्रमाण स्पष्ट रूप से दिखाई देते हैं।
अवलोकन संबंधी आंकड़ों से हब्बल स्थिरांक की गणना करने के लिए हमें यह जानना होगा कि कोई ब्रह्मांडीय पिंड हमसे कितनी दूर है तथा वह हमसे कितनी तेजी सेखींची गई डोरी मूल डोरी से दुगुनी लंबी है।
परिणामस्वरूप, खींची गई डोरी पर पहला बिंदु हुक से दो सेंटीमीटर दूर चला गया होगा। दूसरा बिंदु अपनी आरंभिक दूरी से दुगुनी दूरी तय कर चुका होगा, जिसके परिणामस्वरूप खींची गई डोरी में हुक से चार सेंटीमीटर की दूरी होगी। इसी तरह, खींची गई डोरी में तीसरा बिंदु 6 सेंटीमीटर, चौथा 8 सेंटीमीटर और इसी तरह आगे भी होगा। इसका मतलब है कि पहला बिंदु अपनी पिछली जगह से एक सेंटीमीटर आगे बढ़ा, दूसरा दो सेंटीमीटर, तीसरा तीन सेंटीमीटर और इसी तरह आगे भी।
मान लीजिए कि डोरी को एक सेकंड में उसकी लंबाई से दुगुना खींचा जाता है। इसका मतलब है कि दूसरा बिंदु एक सेकंड में दो सेमी चला, लेकिन पहला बिंदु एक सेकंड में एक सेमी चला। इस प्रकार, दूसरे बिंदु को खींची गई डोरी में अपनी जगह पर पहुँचने के लिए पहले बिंदु की तुलना में अधिक तेज़ी से यात्रा करनी पड़ी होगी। तीसरा बिंदु एक सेकंड में 3 सेमी चला; इसलिए, इसकी गति दूसरे बिंदु की तुलना में अधिक होनी चाहिए। आप डोरी में जितने दूर होंगे, आपकी गति उतनी ही तेज़ होगी।
हबल दूरबीन से लेकर जेम्स वेब अंतरिक्ष दूरबीन तक, हम जिस भी दिशा में देखें, ब्रह्मांड के विस्तार के स्पष्ट प्रमाण स्पष्ट रूप से दिखाई देते हैं।
दूर जा रहा है
'मानक मोमबत्ती विधि' का उपयोग करके किसी गहरे अंतरिक्ष में स्थित तारकीय वस्तु की दूरी ज्ञात करना थोड़ा अधिक जटिल है, लेकिन सिद्धांत सरल है।
मान लीजिए कि दूर स्थित लैंपपोस्ट पर 60W का बल्ब मंद-मंद चमक रहा है। बल्ब की चमक दूरी के आधार पर अधिक या कम होती है। प्रकाश स्रोत की चमक दूरी के वर्ग के अनुसार कम होती जाती है। यदि 60W बल्ब की दूरी दोगुनी हो जाती है, तो तीव्रता 1/4 कम हो जाएगी। हम जानते हैं कि 60W बल्ब को कितनी चमकीली चमकनी चाहिए। यह तुलना करके कि यह दूरी पर कितना मंद दिखाई देता है, हम चमक और दूरी के बीच व्युत्क्रम वर्ग संबंध का उपयोग करके दूरी की गणना कर सकते हैं।
खगोल विज्ञान के दो सबसे शक्तिशाली उपकरण हबल स्पेस टेलीस्कोप और जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप ने हजारों सेफिड वैरिएबल और सैकड़ों टाइप Ia सुपरनोवा देखे हैं। ये अवलोकन हबल स्थिरांक का अनुमान लगाने में महत्वपूर्ण रहे हैं, जो ब्रह्मांड के विस्तार की हमारी समझ में एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है। इन अवलोकनों से हबल स्थिरांक का वर्तमान अनुमान 73-74 किमी/सेकंड/एमपीसी की सीमा में है।
अंधकार से प्रकाश की ओर
सभी आकाशगंगाएँ एक दूसरे से पीछे हट रही हैं। इस प्रक्रिया को पीछे ले जाने पर, हम पाते हैं कि लगभग 13.8 बिलियन वर्ष पहले, ब्रह्मांड में सभी वस्तुएँ एक अपेक्षाकृत छोटे क्षेत्र, बिंदु के एक अंश तक सीमित थीं। जिसे बिग बैंग के रूप में जाना जाता है, ब्रह्मांड एक सेकंड के एक छोटे से अंश में लगभग 10.6 प्रकाश-वर्ष (100 ट्रिलियन किलोमीटर) तक फैल गया। तब से ब्रह्मांड का विस्तार होता रहा। संक्षेप में यही बिग बैंग ब्रह्मांड विज्ञान है।
शुरुआत में, ब्रह्मांड सिर्फ़ ऊर्जा से बना था; यहाँ तक कि क्वार्क, जो पदार्थ के मूल घटक हैं, का निर्माण भी 0.01 मिलीसेकंड के बाद ही हुआ। न्यूट्रॉन और प्रोटॉन बिग बैंग के लगभग 100 सेकंड बाद उभरे, जब ब्रह्मांड लगभग 100 प्रकाश वर्ष चौड़ा था और मिल्की वे आकाशगंगा से हज़ारों गुना छोटा था।
जैसे-जैसे ब्रह्मांड का विस्तार हुआ, तापमान कम होता गया। बिग बैंग के तीन मिनट बाद, तापमान लगभग 10^32 डिग्री (एक के बाद बत्तीस शून्य) से गिरकर कुछ हज़ार मिलियन डिग्री हो गया। हालाँकि, हाइड्रोजन के परमाणु नाभिक, प्रोटॉन के लिए तापमान अभी भी बहुत अधिक था, ताकि वह खुद से जुड़ा इलेक्ट्रॉन न रख सके। मुक्त-भटकने वाले इलेक्ट्रॉनों ने क्षणभंगुर क्षण के लिए हाइड्रोजन परमाणु बनाने के लिए प्रोटॉन से जुड़ गए। हालाँकि, इलेक्ट्रॉनों को तेज़ी से चलने वाले फोटॉन से टकराने से जल्दी ही खींच लिया गया। स्वतंत्र रूप से बहने वाले इलेक्ट्रॉनों ने फोटॉन (प्रकाश 'कण') के साथ बातचीत की; परिणामस्वरूप, प्रकाश फंस गया और इलेक्ट्रॉन से टकराने से पहले केवल थोड़ी दूरी तक ही जा सका। ब्रह्मांड अंधकारमय था।
जब ब्रह्मांड लगभग 3,000,000 वर्ष पुराना था, तब यह आज की तुलना में 1000 गुना छोटा था। तब तक, विस्तारित ब्रह्मांड लगभग 3000 डिग्री तक ठंडा हो गया था, जिससे इलेक्ट्रॉन नाभिक से बंधे रह सकते थे। इस युग के दौरान, पहले स्थिर हाइड्रोजन और हीलियम परमाणु उभरे। फोटॉन अब लंबी दूरी तय कर सकते थे। ब्रह्मांड पारदर्शी हो गया। ब्रह्मांड की पहली चमक हर दिशा की ओर दौड़ पड़ी।
जैसे-जैसे ब्रह्मांड अपने वर्तमान आकार से हज़ारों गुना बड़ा होता गया, इन अवशेष विकिरणों की तरंगदैर्घ्य माइक्रोवेव तक फैल गई। इस पुरानी, प्रारंभिक चमक के अवशेष को आकाश की सभी दिशाओं में कॉस्मिक माइक्रोवेव रेडिएशन (CMB) के रूप में देखा जा सकता है।
सीएमबी सबसे दूर और सबसे पुराना प्रकाश है, जो खगोलविदों को बिग बैंग के जितना संभव हो सके उतना करीब लाता है। इस बिंदु से आगे देखना असंभव है क्योंकि इस युग से पहले ब्रह्मांड अंधकारमय था।
ब्रह्मांडीय माइक्रोवेव पृष्ठभूमि विकिरण से सुराग
बिग बैंग से 3,000,000 साल पहले तक, ब्रह्मांड इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन और प्रकाश से युक्त लगभग एकसमान, सघन, गर्म प्लाज्मा का सूप था। हालाँकि, इसमें मामूली उतार-चढ़ाव थे, 100,000 में से केवल एक हिस्सा। फिर भी, इन छोटे छोटे समूहों में भी अधिक द्रव्यमान था और इसलिए, अपेक्षाकृत उच्च गुरुत्वाकर्षण था, जिसके परिणामस्वरूप उस स्थान पर अधिक द्रव्यमान एकत्र हो गया। हालाँकि, तापमान इतना अधिक था, और कण इतनी तेज़ी से यात्रा करते थे कि वे आपस में टकराकर अलग हो जाते थे। गुरुत्वाकर्षण के खिंचाव बल और टकराव के प्रतिकर्षण प्रभाव के बीच बारी-बारी से दबाव तरंगें प्लाज्मा में फैलती थीं।
साधारण ध्वनि तरंगें बस गैस के संपीडन और विरलन हैं, जिन्हें हम ध्वनि के रूप में तब समझते हैं जब वे हमारे कान के परदे पर प्रभाव डालती हैं। संपीडन और विरलन ध्वनि तरंगों के समान, संपीडन तरंगों के रूप में प्लाज्मा के माध्यम से आगे बढ़ते हैं। संपीडन के कारण गुच्छेदार पदार्थ बनता है जो विरलन की तुलना में गर्म होता है।
जब ब्रह्मांड लगभग 3,00,000 वर्ष पुराना था, तो यह लगभग 3,000 डिग्री तक ठंडा हो गया, जिससे स्थिर परमाणु और तटस्थ अणु बनने लगे। अब गुरुत्वाकर्षण ने ऊपरी हाथ प्राप्त कर लिया, और दबाव तरंग प्रसार रुक गया। परिणामस्वरूप, पदार्थ अपने स्थान से नहीं हिला, और औसत से अधिक घनत्व वाले क्षेत्र वैसे ही बने रहे। इस समय के आसपास, ब्रह्मांड में पदार्थ और ऊर्जा के वितरण में छोटे पैमाने की लहरें उसी तरह से उकेरी गईं, जैसे एक जमी हुई झील तरंगों के अतिव्यापी शिखरों से चिपकी रहती है।
प्रारंभिक ब्रह्मांड के सघन पदार्थ के टुकड़े आकाशगंगाओं और आकाशगंगा समूहों के उच्च घनत्व वाले क्षेत्रों में विकसित हुए। प्रारंभिक ब्रह्मांड से आने वाली प्रतिध्वनि, इन ब्रह्मांडीय कंपनों का उपयोग हबल स्थिरांक का अनुमान लगाने के लिए किया जा सकता है।
पिछले 13.7 बिलियन वर्षों में, ब्रह्मांडीय पृष्ठभूमि विकिरण 2.7255 K या माइनस 270.4245 सेल्सियस तक ठंडा हो गया है। यह विकिरण सभी दिशाओं से समान रूप से दिखाई देता है। फिर भी, प्रारंभिक ब्रह्मांड में गुच्छों और रिक्तियों के अनुरूप अन्यथा समान ब्रह्मांडीय माइक्रोवेव पृष्ठभूमि विकिरण में केवल दसियों या सैकड़ों माइक्रो-डिग्री के छोटे बदलाव देखे जा सकते हैं।
अपेक्षाकृत गुच्छेदार क्षेत्र सितारों, आकाशगंगाओं और आकाशगंगा समूहों में विकसित हुए, जिसमें विरलीकरण विशाल ब्रह्मांडीय शून्य बन गए। हम आकाशगंगा समूहों और बड़े पैमाने की संरचनाओं के वर्तमान फैलाव के साथ गुच्छों के वितरण की तुलना करके बीते समय की मात्रा का अनुमान लगा सकते हैं। ब्रह्मांड विज्ञानी CMB में ध्वनि क्षितिज, गुच्छों या हॉट स्पॉट के मापे गए कोणीय आकार की तुलना उनके ज्ञात भौतिक आयामों से करके हबल स्थिरांक की गणना कर सकते हैं। यह खगोलविदों को एक अलग विधि का उपयोग करके हबल स्थिरांक निर्धारित करने की अनुमति देता है।
पृथ्वी पर स्थित वेधशालाओं के बजाय अंतरिक्ष वेधशालाएँ, सी.एम.बी. विकिरण का पता लगाने के लिए प्रिसेशन का उपयोग कर सकती हैं। इनमें से सबसे पहले सोवियत रेलिक्ट-1 था, जो 1983 में प्रक्षेपित प्रोग्नोज़ 9 उपग्रह पर उड़ा था। इसने सभी दिशाओं में विकिरण की एकरूपता को मापा। उसके बाद, नासा कॉस्मिक बैकग्राउंड एक्सप्लोरर (COBE) अंतरिक्ष यान ने 1989 से 1996 तक पृथ्वी की परिक्रमा की। ये मिशन सूक्ष्म भिन्नताओं का पता लगाने में असमर्थ थे। 1991 में प्रक्षेपित नासा के विल्किंसन माइक्रोवेव अनिसोट्रॉपी प्रोब और मई 2009 में प्रक्षेपित यूरोपीय अंतरिक्ष एजेंसी (ESA) के प्लैंक सर्वेयर ने उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाली सी.एम.बी. छवियाँ दीं, जो स्पष्ट रूप से उतार-चढ़ाव दिखाती थीं। सी.एम.बी. मापों का उपयोग करते हुए, ब्रह्मांड विज्ञानी उच्च परिशुद्धता के साथ हबल स्थिरांक की गणना 67-68 किमी/सेकंड/एमपीसी के रूप में करते हैं।
एक नये भौतिकी की ओर?
हबल स्थिरांक के मान की गणना करने के दो कठोर तरीके काफी हद तक भिन्न हैं। खगोलविदों ने सोचा था कि जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप का प्रक्षेपण और प्लैंक माप के नए चक्र से सहमति बन जाएगी। दुख की बात है कि यह खाई बढ़ती ही जा रही है।
हबल स्थिरांक को मापने के तरीकों में से किसी एक में कुछ बुनियादी तौर पर गड़बड़ होनी चाहिए, या फिर ऐसी भौतिकी होनी चाहिए जिसके बारे में हम अभी तक नहीं जानते। हबल स्थिरांक के प्लैंक माप या JWST अवलोकनों में हमें कोई त्रुटि नहीं मिली है। शायद अवलोकनों के बीच संघर्ष यह संकेत देता है कि ब्रह्मांड विज्ञान का हमारा वर्तमान मॉडल त्रुटिपूर्ण है या नए भौतिकी की आवश्यकता है। अभी भी निर्णायक मंडल बाहर है।
ब्रिटिश मूल के भारतीय विकासवादी जीवविज्ञानी जेबीएस हाल्डेन ने प्रसिद्ध रूप से कहा था कि "ब्रह्मांड न केवल हमारी कल्पना से अधिक विचित्र है, बल्कि हमारी कल्पना से भी अधिक विचित्र है।" कौन जानता है कि आगे क्या होने वाला है?