क्या डार्क मैटर रियल है?

डॉन लिंकन अमेरिका के सबसे बड़े हैड्रॉन कोलाइडर शोध संस्थान के ऊर्जा विभाग के फ़र्मिलाब के वरिष्ठ वैज्ञानिक हैं। वह जनता के लिए विज्ञान के बारे में भी लिखते हैं, जिसमें उनका हालिया "द लार्ज हैड्रन कोलाइडर: द एक्स्ट्राऑर्डिनरी स्टोरी ऑफ हिग्स बोसोन एंड अदर थिंग्स दैट विल ब्लो योर माइंड" (जॉन्स हॉपकिंस यूनिवर्सिटी प्रेस, 2014) शामिल हैं। आप उसे फेसबुक पर फॉलो कर सकते हैं। लिंकन ने इस लेख को लाइव साइंस के एक्सपर्ट वॉयस: ओप-एड एंड इनसाइट्स में योगदान दिया।

कई विज्ञान-प्रेमी लोग इसे इस बात के लिए स्वीकार करते हैं कि ब्रह्मांड न केवल कार्ल सगन के आकाशगंगाओं के "अरबों और अरबों" उद्धरणों से बना है, बल्कि एक बड़ी मात्रा में एक अदृश्य पदार्थ भी है जिसे डार्क मैटर कहा जाता है। इस विषम मामले को एक नए प्रकार का उप-परमाणु कण माना जाता है, जो विद्युत चुंबकत्व के माध्यम से बातचीत नहीं करता है, न ही मजबूत और कमजोर परमाणु बल। ब्रह्मांड में परमाणुओं के सामान्य द्रव्य की तुलना में डार्क मैटर भी पांच गुना अधिक प्रचलित है।

हालांकि, वास्तविकता यह है कि डार्क मैटर का अस्तित्व अभी तक साबित नहीं हुआ है। डार्क मैटर अभी भी एक परिकल्पना है, हालांकि यह एक अच्छी तरह से समर्थित है। किसी भी वैज्ञानिक सिद्धांत को भविष्यवाणियां करनी होती हैं, और अगर यह सही है, तो आपके द्वारा किए जाने वाले मापों को भविष्यवाणियों के साथ पंक्तिबद्ध करना चाहिए। वही डार्क मैटर के लिए जाता है। उदाहरण के लिए, डार्क मैटर थ्योरी इस बात की भविष्यवाणियां करती है कि कितनी तेजी से आकाशगंगाएं घूम रही हैं। लेकिन, अब तक, कम द्रव्यमान वाली आकाशगंगाओं के केंद्र में विस्तृत डार्क मैटर वितरण से बने माप उन पूर्वानुमानों के अनुरूप नहीं थे।

एक हालिया गणना ने इसे बदल दिया है। गणना टुल्ली-फिशर संबंध के समुच्चय को हल करने में मदद करती है, जो कि आकाशगंगा के अपने घूर्णन वेग के दृश्यमान या साधारण, की तुलना करती है। बहुत सरल शब्दों में, वैज्ञानिकों ने पाया है कि अधिक विशाल (और इसलिए उज्जवल) एक सर्पिल आकाशगंगा है, जितनी तेज़ी से घूमती है।

लेकिन अगर डार्क मैटर मौजूद है, तो कैसे "बड़ी" एक आकाशगंगा को न केवल उसके दृश्यमान पदार्थ से, बल्कि उसके डार्क मैटर से भी निर्धारित किया जाना चाहिए। समीकरण के एक विशाल टुकड़े के साथ - अंधेरे पदार्थ की मात्रा - लापता, टल्ली-फिशर संबंध नहीं होना चाहिए। और फिर भी यह करता है। मौजूदा काले पदार्थ के सिद्धांत के साथ इस संबंध को समेटने के किसी भी तरीके की कल्पना करना कठिन था। अब तक।

डार्क मैटर की उत्पत्ति होती है

पहली स्याही जिसमें अंधेरे पदार्थ की तरह कुछ की आवश्यकता हो सकती है 1932 तक वापस जाना। डच खगोलशास्त्री जान ओर्ट ने मिल्की वे के भीतर तारों की कक्षीय गति को मापा और पाया कि वे आकाशगंगा के देखे गए द्रव्यमान द्वारा समझाए जाने के लिए बहुत जल्दी चले गए।

लगभग गोलाकार रास्तों और गुरुत्वाकर्षण में सितारे अपनी मूल आकाशगंगा की परिक्रमा करते हैं जो उन कक्षाओं में तारों को धारण करते हैं। न्यूटन के समीकरण यह अनुमान लगाते हैं कि जो बल तारों को एक गोलाकार पथ में ले जाता है, F (वृत्ताकार), वह तारे पर गुरुत्वाकर्षण के कारण बल के बराबर होना चाहिए, F (गुरुत्वाकर्षण), या फिर तारा अंतरिक्ष में उड़ जाएगा या अंदर गिर जाएगा। आकाशगंगा का केंद्र। हाई स्कूल भौतिकी को याद करने वालों के लिए, एफ (परिपत्र) जड़ता का एक बयान है और सिर्फ न्यूटन का एफ = मा है। एफ (गुरुत्वाकर्षण) सार्वभौमिक गुरुत्वाकर्षण का न्यूटन का नियम है।

आकाशगंगाओं के केंद्र के पास, रुबिन और फोर्ड ने पाया कि एफ (गोलाकार) एफ के अनुसार लगभग (गुरुत्वाकर्षण) के बराबर था। लेकिन आकाशगंगाओं के केंद्र से दूर, समीकरण के दोनों पक्ष बहुत अच्छे से मेल नहीं खाते थे। विभिन्न आकाशगंगा-से-आकाशगंगा का विवरण देते समय, उनके अवलोकन अनिवार्य रूप से सार्वभौमिक थे।

इस तरह की नाटकीय विसंगति के स्पष्टीकरण की आवश्यकता है। आकाशगंगाओं के केंद्र के पास, रुबिन और फोर्ड के माप का मतलब था कि सिद्धांत काम कर रहा था, जबकि बड़े कक्षीय दूरी पर विसंगति का मतलब था कि कुछ चल रहा था जो मौजूदा सिद्धांतों की व्याख्या नहीं कर सकता था। उनकी अंतर्दृष्टि से पता चला कि या तो हम यह नहीं समझते हैं कि जड़ता कैसे काम करती है (जैसे, एफ (परिपत्र)), या हम यह नहीं समझते कि गुरुत्वाकर्षण कैसे काम करता है (जैसे, एफ (गुरुत्वाकर्षण))। एक तीसरी संभावना यह है कि समान संकेत गलत है, जिसका अर्थ है कि कुछ अन्य बल या प्रभाव है जिसमें समीकरण शामिल नहीं है। वे ही संभावनाएं थीं।

विसंगतियों के बारे में बताते हुए

रुबिन और फोर्ड के मूल काम के बाद से 40 वर्षों में, वैज्ञानिकों ने कई सामरिक सिद्धांतों का परीक्षण किया है, जो कि मिलाए गए गैलेक्टिक रोटेशन की विसंगतियों को समझाने की कोशिश करते हैं। भौतिक विज्ञानी मोर्दहाई मिलग्रोम ने "संशोधित न्यूटोनियन गतिकी," या MOND नामक जड़ता का संशोधन प्रस्तावित किया। अपने प्रारंभिक रूप में, यह पोस्ट किया कि बहुत कम त्वरण पर, न्यूटन के समीकरण F = ma ने काम नहीं किया।

अन्य भौतिकविदों ने गुरुत्वाकर्षण के नियमों में संशोधन का सुझाव दिया है। आइंस्टीन की सामान्य सापेक्षता यहाँ मदद नहीं करती है, क्योंकि इस दायरे में आइंस्टीन और न्यूटन की भविष्यवाणियाँ अनिवार्य रूप से समान हैं। और क्वांटम गुरुत्वाकर्षण के सिद्धांत, जो उप-परमाणु कणों का उपयोग करके गुरुत्वाकर्षण का वर्णन करने का प्रयास करते हैं, उसी कारण से स्पष्टीकरण नहीं हो सकता है। हालांकि, गुरुत्वाकर्षण सिद्धांत हैं जो न्यूटलीय गुरुत्वाकर्षण से भिन्न गैलेक्टिक या एक्सट्रैगैलेक्टिक तराजू पर भविष्यवाणियां करते हैं। तो, वे विकल्प हैं।

फिर भविष्यवाणियां होती हैं कि नई ताकतें मौजूद हैं। इन विचारों को "पांचवें बल" नाम से एक साथ जोड़ा जाता है, जो गुरुत्वाकर्षण, विद्युत चुंबकत्व और मजबूत और कमजोर परमाणु बलों से परे एक बल प्रदान करता है।

अंत में, डार्क मैटर का सिद्धांत है: यह एक प्रकार का पदार्थ है जो प्रकाश के साथ बिल्कुल भी संपर्क नहीं करता है, फिर भी एक गुरुत्वाकर्षण खींचता है, ब्रह्मांड को पार करता है।

केवल हमारे पास मौजूद गांगेय रोटेशन को मापते हैं, इन विभिन्न सिद्धांतों के बीच चयन करना कठिन हो सकता है। आखिरकार, गैलेक्टिक रोटेशन समस्या को हल करने के लिए प्रत्येक सिद्धांत को ट्विक करना संभव हो सकता है। लेकिन अब कई अलग-अलग घटनाओं के कई अवलोकन हैं जो सबसे प्रशंसनीय सिद्धांत की पहचान करने में मदद कर सकते हैं।

एक आकाशगंगाओं के बड़े समूहों के भीतर आकाशगंगाओं की गति है। गुच्छों के एक साथ बंधे रहने के लिए आकाशगंगाएँ बहुत तेज़ी से आगे बढ़ रही हैं। एक अन्य अवलोकन बहुत दूर की आकाशगंगाओं से प्रकाश का है। इन बहुत दूर की प्राचीन आकाशगंगाओं के अवलोकन से पता चलता है कि आकाशगंगाओं के अधिक पास के समूहों के गुरुत्वाकर्षण क्षेत्रों से गुजरने से उनकी रोशनी विकृत होती है। कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड की छोटी गैर-एकरूपताओं का अध्ययन भी है जो ब्रह्मांड का जन्म-रोना है। इन सभी मापों (और कई और अधिक) को भी गेलेक्टिक रोटेशन गति को समझाने के लिए किसी नए सिद्धांत द्वारा संबोधित किया जाना चाहिए।

डार्क मैटर के अनुत्तरित प्रश्न

डार्क मैटर थ्योरी ने इनमें से कई मापों की भविष्यवाणी करते हुए एक उचित काम किया है, यही कारण है कि यह वैज्ञानिक समुदाय में अच्छी तरह से सम्मानित है। लेकिन डार्क मैटर अभी भी एक अपुष्ट मॉडल है। अब तक इसके अस्तित्व के सभी सबूत अप्रत्यक्ष हैं। यदि डार्क मैटर मौजूद है, तो हमें सीधे डार्क मैटर के इंटरेक्शन को देखने में सक्षम होना चाहिए क्योंकि यह पृथ्वी से होकर गुजरता है और हम लार्ज हैड्रोन कोलाइडर की तरह बड़े कण त्वरक में डार्क मैटर बनाने में सक्षम हो सकते हैं। और अभी तक न तो दृष्टिकोण सफल रहा है।

इसके अलावा, अंधेरे पदार्थ को सभी के साथ सहमत होना चाहिए, न कि केवल कई, खगोलीय अवलोकन। जबकि डार्क मैटर अब तक का सबसे सफल मॉडल है, लेकिन यह पूरी तरह से सफल नहीं है। डार्क मैटर मॉडल मिल्की वे जैसी बड़ी आकाशगंगाओं के आस-पास अधिक बौने उपग्रह आकाशगंगाओं का अनुमान लगाते हैं जो वास्तव में पता लगाया जाता है। यद्यपि अधिक बौनी आकाशगंगाएँ पाई जा रही हैं, फिर भी डार्क मैटर की भविष्यवाणियों की तुलना में बहुत कम हैं।

एक और बड़ा, खुला सवाल यह है कि आकाशगंगाओं की चमक और उनकी घूर्णी गति के बीच के संबंध पर अंधेरे का क्या प्रभाव पड़ता है। इस रिश्ते को, जो पहली बार 1977 में प्रस्तुत किया गया था, टुल्ली-फिशर संबंध कहा जाता है, और इसने कई बार दिखाया है कि एक आकाशगंगा का दृश्यमान द्रव्यमान अपनी घूर्णी गति के साथ अच्छी तरह से संबंध रखता है।

डार्क मैटर के लिए कठिन चुनौतियां

तो, यह पीछे की कहानी को समाप्त करता है। नया क्या है?

टली-फिशर का संबंध डार्क मैटर मॉडल के लिए एक कठिन चुनौती है। एक आकाशगंगा का घूर्णन उसमें मौजूद पदार्थ की कुल मात्रा द्वारा नियंत्रित होता है। यदि डार्क मैटर वास्तव में मौजूद है, तो पदार्थ की कुल मात्रा साधारण और डार्क मैटर दोनों का योग है।

लेकिन मौजूदा डार्क मैटर सिद्धांत की भविष्यवाणी है कि किसी भी यादृच्छिक आकाशगंगा में डार्क मैटर के बड़े या छोटे अंश हो सकते हैं। इसलिए, जब कोई दृश्य द्रव्यमान को मापता है, तो आप संभावित रूप से कुल द्रव्यमान का एक बड़ा हिस्सा गायब कर सकते हैं। नतीजतन, दृश्यमान द्रव्यमान आकाशगंगा के कुल द्रव्यमान (और इस तरह घूर्णी गति) का बहुत खराब भविष्यवक्ता होना चाहिए। आकाशगंगा का द्रव्यमान दृश्यमान (साधारण) द्रव्यमान के समान हो सकता है या यह बहुत बड़ा हो सकता है।

इस प्रकार, यह उम्मीद करने का कोई कारण नहीं है कि दृश्यमान द्रव्यमान आकाशगंगा की घूर्णी गति का एक अच्छा भविष्यवक्ता होना चाहिए। फिर भी यह है।

वास्तव में, इस साल जारी किए गए एक पेपर में, डार्क मैटर स्केप्टिक्स ने टली-फिशर संबंध की माप का उपयोग विभिन्न प्रकार की आकाशगंगाओं के लिए डार्क मैथ परिकल्पना के खिलाफ तर्क करने और जड़त्व के संशोधित संस्करण जैसे कि MOND के लिए किया था।

डार्क मैटर के लिए बेहतर है

हालांकि, जून में जारी एक पेपर में, वैज्ञानिकों ने डार्क मैटर मॉडल को एक महत्वपूर्ण बढ़ावा दिया है। नया काम न केवल डार्क मैटर मॉडल की पूर्व की भविष्यवाणियों की सफलताओं को पुन: पेश करता है, यह टुल्ली-फिशर के संबंध को भी पुन: पेश करता है।

नया पेपर एक "अर्ध-विश्लेषणात्मक" मॉडल है, जिसका अर्थ है कि यह विश्लेषणात्मक समीकरणों और सिमुलेशन का संयोजन है। यह प्रारंभिक ब्रह्मांड में काले पदार्थ के झुरमुट का अनुकरण करता है, जिसमें आकाशगंगा गठन हो सकता है, लेकिन इसमें सामान्य पदार्थ की अंतःक्रिया भी शामिल होती है, जिसमें सामान्य पदार्थ का एक और आकाशीय पिंड में गुरुत्वाकर्षण बल, तारे के निर्माण और ताप के कारण ऐसी चीजें शामिल हैं। स्टारलाईट और सुपरनोवा द्वारा गैस को रोकना। मापदंडों को ध्यान से देखते हुए, शोधकर्ताओं ने भविष्यवाणी की टुल्ली-फिशर रिश्ते से बेहतर तरीके से मिलान करने में सक्षम थे। गणना की कुंजी यह है कि अनुमानित घूर्णी वेग में आकाशगंगा में डार्क मैटर के लिए बैरियनों के अनुपात के लिए एक यथार्थवादी मूल्य शामिल है।

नया गणना डार्क मैटर मॉडल को मान्य करने में एक महत्वपूर्ण अतिरिक्त कदम है। हालाँकि, यह अंतिम शब्द नहीं है। किसी भी सफल सिद्धांत को सभी मापों से सहमत होना चाहिए। सहमत होने में विफलता का मतलब है कि सिद्धांत या डेटा गलत है, या कम से कम अधूरा है। भविष्यवाणी और माप के बीच कुछ विसंगतियां अभी भी बनी हुई हैं (जैसे बड़े लोगों के आसपास छोटे उपग्रह आकाशगंगाओं की संख्या), लेकिन यह नया पेपर हमें विश्वास दिलाता है कि भविष्य के काम इन शेष विसंगतियों को हल करेंगे। ब्रह्मांड की संरचना के लिए डार्क मैटर एक शक्तिशाली पूर्वसूचक सिद्धांत है। यह पूर्ण नहीं है और इसे वास्तविक डार्क मैटर कण की खोज करके सत्यापन की आवश्यकता है। इसलिए, अभी भी काम करना बाकी है। लेकिन यह सबसे हाल की गणना उस दिन की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है, जहां हम एक बार और सभी के लिए जान पाएंगे कि क्या ब्रह्मांड में वास्तव में अंधेरे पक्ष का प्रभुत्व है।