आकाशगंगा NGC2985 का हबल स्पेस टेलीस्कोप दृश्य। डार्क मैटर का प्रमाण 1970 के दशक में सामने आया जब खगोलविदों को उस दर में एक असामान्य पैटर्न मिला जिस दर पर आकाशगंगा में तारे केंद्र से दूर घूमते थे। | फोटो साभार: जूडी श्मिट/नासा
गहरे द्रव्य यह एक रहस्यमय अदृश्य पदार्थ है जो ब्रह्मांड के पदार्थ के पांच-छठे हिस्से की आपूर्ति करता है। फोटॉन के विपरीत, प्रकाश के कणों, डार्क मैटर के कणों में गैर-शून्य द्रव्यमान होना चाहिए अन्यथा सघन और जटिल होना चाहिए ब्रह्मांडीय पैमाने पर पदार्थ की संरचना नहीं बनेगा.
तो फिर कोई अँधेरा कण कितना हल्का हो सकता है? दशकों तक वैज्ञानिकों का मानना था कि यह न्यूनतम द्रव्यमान लगभग 10 था-31 एक प्रोटोन के द्रव्यमान का गुना. लेकिन इस साल मई में, सैद्धांतिक भौतिकविदों सीमा को संशोधित किया और इसे परिमाण के क्रम से 2.3 × 10 तक ऊपर धकेल दिया-30 प्रोटॉन द्रव्यमान. डार्क मैटर की दुनिया में यह एक महत्वपूर्ण अद्यतन है।
समान रूप से या गांठों में?
इन संख्याओं और उनके महत्व को समझने के लिए, आइए सबसे पहले डार्क मैटर की एक मानसिक तस्वीर बनाएं। कहा जाता है कि ब्रह्मांड में हर जगह डार्क मैटर मौजूद है। क्या इसका मतलब यह है कि यह आपके घर में है? 1922 में, डच खगोलशास्त्री जैकोबस कैप्टेन ने सूर्य के पड़ोसी तारों की गति का अध्ययन किया और निष्कर्ष निकाला कि “डार्क मैटर” का घनत्व (पहली बार उस शब्द का उपयोग करते हुए) 0.0003 सौर द्रव्यमान प्रति घन प्रकाश वर्ष होना चाहिए।
तब से, तेजी से परिष्कृत मापों की एक सदी के माध्यम से, कप्टेन के निष्कर्ष की सटीकता रोक रखा है उल्लेखनीय रूप से अच्छा. डार्क मैटर के इस घनत्व को प्रति चम्मच दो प्रोटॉन के भार के रूप में पुनः व्यक्त किया जा सकता है, जिसका अर्थ है कि आपके घर में एक ट्रिलियन प्रोटॉन के बराबर द्रव्यमान वाला डार्क मैटर हो सकता है।
लेकिन यह भी भोलापन होगा: कैप्टेन और उसके बाद के माप केवल तभी मान्य होते हैं जब मिलियन-क्यूबिक-लाइटइयर वॉल्यूम के संबंध में होता है और जब हम करीब से देखने के लिए ज़ूम इन करते हैं तो यह लागू नहीं होता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि तारे, जिनकी गति को मापने के लिए उपयोग किया जाता है, स्वयं कुछ प्रकाश वर्ष से अलग होते हैं। छोटी लंबाई के पैमाने पर डार्क मैटर मौजूद है या नहीं, यह इस बात पर निर्भर करेगा कि इसे कैसे वितरित किया जाता है: या तो समान रूप से या गांठों में।
कभी-कभार आने वाला आगंतुक?
आइए मान लें कि यह मैदे की तरह चारों ओर फैला हुआ है, जैसा कि ब्रह्मांड विज्ञान के मानक सिद्धांत भी भविष्यवाणी करते हैं। यदि यह गांठों में आता है, तो उनके बीच का अंतर कई प्रकाश वर्ष जितना बड़ा हो सकता है और संभवतः आपकी छत के नीचे कोई काला पदार्थ नहीं होगा।
अब, चूँकि हम डार्क मैटर के स्थानीय घनत्व को जानते हैं, डार्क कण के अज्ञात द्रव्यमान का मूल्य दो पड़ोसी कणों के बीच अलगाव का निर्धारण करेगा। यदि यह 100 प्रोटॉन द्रव्यमान है, तो अंतर-कण पृथक्करण 7 सेमी होगा। तब किसी भी समय काले कण न केवल आपके घर में, बल्कि आपके सिर में भी होंगे।
यदि डार्क मैटर एक प्राथमिक कण से बना है, तो इसका अधिकतम वजन लगभग 10 हो सकता है19 एक प्रोटॉन के द्रव्यमान का गुना. उस स्थिति में अंतरकण पृथक्करण 30 किमी होगा। इसलिए डार्क मैटर आपके घर का निवासी नहीं होगा, लेकिन कभी-कभार आएगा (क्योंकि कण लगभग 300 किमी/सेकंड की गति से यादृच्छिक रूप से यात्रा करते हैं)।
फिर, एक 1020 काले कणों का ग्राम समूह सौर मंडल के आकार से अधिक अलग होगा, जिससे उन्हें खोजने की हमारी संभावना कम हो जाएगी।
झुंड के बजाय तरल पदार्थ
छोटे जन समूह के बारे में क्या? 10 बजे-11 प्रोटॉन द्रव्यमान, आपके शरीर की प्रत्येक लाल रक्त कोशिका में एक डार्क मैटर कण होगा। लेकिन अब क्वांटम भौतिकी महत्वपूर्ण हो गई है। प्रत्येक वस्तु भी एक तरंग है, जिसकी तरंगदैर्घ्य उसके संवेग के व्युत्क्रम द्वारा दी जाती है। इस प्रकार डार्क मैटर कण जितना हल्का होगा, उसकी तरंग दैर्ध्य उतनी ही अधिक होगी। 10 के लिए-11 प्रोटॉन द्रव्यमान, तरंग दैर्ध्य लगभग 2 सेमी होगा, जो इसके माइक्रोमीटर इंटरपार्टिकल पृथक्करण से बहुत बड़ा है।
इसलिए छोटे द्रव्यमान के लिए, हमें काले कणों के संग्रह को अनाज के झुंड के बजाय तरल पदार्थ के रूप में चित्रित करना चाहिए।
यदि अब हम एक काले कण का द्रव्यमान 10 तक डायल करें-31 प्रोटॉन द्रव्यमान, तरंग दैर्ध्य 200 प्रकाश वर्ष है, लगभग एक के आकार का बौनी आकाशगंगा. बौनी आकाशगंगा का पदार्थ मुख्यतः डार्क मैटर के रूप में होता है, जिसमें तारों का योगदान केवल 1% होता है। यह साधारण तथ्य डार्क मैटर कण के द्रव्यमान पर प्रतिबंध का अनुवाद करता है: यह 10 से अधिक होना चाहिए-31 प्रोटॉन द्रव्यमान. यदि यह कम होता, तो इसकी स्थानिक सीमा बौनी आकाशगंगा से अधिक होती और हम इसके सूक्ष्म घटकों से छोटी स्थूल वस्तु नहीं बना सकते।
कंप्यूटर का समय
यहीं पर मई से पेपर मायने रखता है. इसके लेखकों ने दिखाया है कि यह विद्या बहुत सरल है और शोधकर्ता इससे भी बेहतर कुछ कर सकते हैं। सबसे पहले, मिल्की वे की परिक्रमा करने वाली एक बौनी आकाशगंगा, लियो II में तारे कैसे चलते हैं, इस पर डेटा का उपयोग करते हुए, उन्होंने इसके केंद्र से दूरी के आधार पर इसमें काले पदार्थ के घनत्व का अनुमान लगाया। माप की अनिश्चितताओं के कारण यह घनत्व प्रोफ़ाइल अद्वितीय नहीं है, इसलिए वे तारकीय डेटा के अनुरूप एक सेट उत्पन्न करते हैं। इसके बाद, उन्होंने श्रोडिंगर समीकरण को गुरुत्वाकर्षण के हिसाब से संशोधित करने के बाद संख्यात्मक रूप से हल किया और घनत्व प्रोफाइल का एक समूह प्राप्त किया। अंत में, उन्होंने घनत्व प्रोफाइल के दो सेटों का मिलान करने के लिए एक सांख्यिकीय प्रक्रिया अपनाई – लियो II के अवलोकन से अनुभवजन्य और समीकरण को हल करने से सैद्धांतिक।
यहां उनकी मुख्य खोज यह थी कि लियो II के आंतरिक क्षेत्रों में अधिक अदृश्य द्रव्यमान और 10 के काले कण थे-31 प्रोटोन द्रव्यमान का हिसाब नहीं दिया जा सका। इस प्रकार उन्होंने अनुमान लगाया कि आंतरिक भीड़ को समायोजित करने के लिए भारी कणों की आवश्यकता होती है।
यह हर रोज नहीं होता है कि कण भौतिकी को परिमाण के क्रम से एक मौलिक लक्ष्य पोस्ट को फिर से तैयार करना पड़ता है। और यह हमारे समय का संकेत है कि यह ब्लैकबोर्ड के विपरीत केवल कंप्यूटर के साथ ही किया जा सकता था।
निर्मल राज भारतीय विज्ञान संस्थान, बेंगलुरु में उच्च ऊर्जा भौतिकी केंद्र में सैद्धांतिक भौतिकी के सहायक प्रोफेसर हैं। nraj@iisc.ac.in
प्रकाशित – 23 दिसंबर, 2024 05:30 पूर्वाह्न IST
