डार्क एजेस और पहली संरचनाएं

Linas Juozenas

एक अवधि जब तारे मौजूद नहीं थे, और पदार्थ गुरुत्वाकर्षणीय रूप से घने क्षेत्रों में समूहित होने लगा था

पुनः संयोजन के युग के बाद—जब ब्रह्मांड विकिरण के लिए पारदर्शी हो गया और कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड (CMB) जारी हुआ—एक लंबा अंतराल आया जिसे डार्क एजेस कहा जाता है। इस समय के दौरान, कोई चमकीले स्रोत (तारे या क्वासर) मौजूद नहीं थे, इसलिए ब्रह्मांड सचमुच अंधकारमय था। दृश्य प्रकाश की कमी के बावजूद, महत्वपूर्ण प्रक्रियाएँ चल रही थीं: पदार्थ (मुख्य रूप से हाइड्रोजन, हीलियम, और डार्क मैटर) ने गुरुत्वाकर्षणीय रूप से समूहित होना शुरू किया, जो पहले तारों, आकाशगंगाओं, और बड़े पैमाने की संरचनाओं के निर्माण के लिए मंच तैयार कर रहा था।

इस लेख में, हम खोजेंगे:

डार्क एजेस को क्या परिभाषित करता है
पुनः संयोजन के बाद ब्रह्मांड का ठंडा होना
घनत्व अस्थिरताओं की वृद्धि
संरचना निर्माण में डार्क मैटर की भूमिका
कॉस्मिक डॉन: पहले तारों का उदय
प्रेक्षणीय चुनौतियाँ और जांच
आधुनिक ब्रह्मांड विज्ञान के लिए निहितार्थ

1. डार्क एजेस को परिभाषित करने वाला क्या है

समय अवधि: लगभग 380,000 वर्ष बाद बिग बैंग (पुनः संयोजन का अंत) से लेकर पहले तारों के निर्माण तक, जो संभवतः 100–200 मिलियन वर्ष बाद बिग बैंग के शुरू हुए।
तटस्थ ब्रह्मांड: पुनः संयोजन के बाद, लगभग सभी प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉन तटस्थ परमाणुओं (मुख्यतः हाइड्रोजन) में संयोजित हो गए।
कोई महत्वपूर्ण प्रकाश स्रोत नहीं: बिना तारों या क्वासरों के, ब्रह्मांड में नए चमकीले विकिरण स्रोत नहीं थे, जिससे यह अधिकांश विद्युतचुंबकीय तरंग दैर्ध्य में प्रभावी रूप से अदृश्य था।

डार्क एजेस के दौरान, कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड फोटॉन ब्रह्मांड के विस्तार के माध्यम से स्वतंत्र रूप से यात्रा करते रहे और ठंडे होते गए। हालांकि, ये फोटॉन माइक्रोवेव क्षेत्र में रेडशिफ्ट हो रहे थे, उस समय न्यूनतम प्रकाश प्रदान कर रहे थे।

2. पुनः संयोजन के बाद ब्रह्मांड का ठंडा होना

2.1 तापमान विकास

पुनः संयोजन के बाद (जब तापमान लगभग 3,000 K था), ब्रह्मांड का विस्तार जारी रहा और इसका तापमान गिरता गया। जब हम डार्क एजेस में प्रवेश करते हैं, तब पृष्ठभूमि फोटॉन का तापमान दसों से सैकड़ों केल्विन में था। तटस्थ हाइड्रोजन परमाणु प्रमुख थे, जबकि हीलियम का अंश छोटा था (~24% द्रव्यमान के हिसाब से)।

2.2 आयनीकरण अंश

मुक्त इलेक्ट्रॉनों का एक बहुत छोटा अंश (लगभग 10,000 में से एक या उससे कम) अवशिष्ट प्रक्रियाओं और गर्म गैस के निशानों के कारण आयनीकृत रहा। इस छोटे अंश ने ऊर्जा स्थानांतरण और रसायन विज्ञान में सूक्ष्म भूमिका निभाई, लेकिन कुल मिलाकर, ब्रह्मांड मुख्यतः तटस्थ था—जो पहले के आयनीकृत प्लाज्मा अवस्था से एक तीव्र विपरीत था।

3. घनत्व उतार-चढ़ाव का विकास

3.1 प्रारंभिक ब्रह्मांड से बीज

छोटे घनत्व विक्षेप—जो CMB में तापमान विषमताओं के रूप में दिखाई देते हैं—इन्फ्लेशन के दौरान क्वांटम उतार-चढ़ाव द्वारा उत्पन्न हुए थे (यदि इन्फ्लेशनरी सिद्धांत सही है)। पुनः संयोजन के बाद, ये विक्षेप पदार्थ के हल्के अधिक-घनत्व और कम-घनत्व को दर्शाते थे।

3.2 पदार्थ प्रभुत्व और गुरुत्वाकर्षण पतन

डार्क एजेस तक, ब्रह्मांड पदार्थ-प्रधान हो गया था—डार्क मैटर और बैरियोनिक पदार्थ ने इसके गतिशीलता को विकिरण की तुलना में अधिक नियंत्रित किया। जहाँ घनत्व थोड़ा अधिक था, वहाँ गुरुत्वाकर्षण आकर्षण ने अधिक पदार्थ को खींचना शुरू किया। समय के साथ, ये अधिक घनत्व वाले क्षेत्र बढ़े, जिससे निम्नलिखित के लिए आधार तैयार हुआ:

डार्क मैटर हैलोज़: डार्क मैटर के समूह जो वे गुरुत्वाकर्षण कुएँ प्रदान करते थे जिनमें गैस जमा हो सकती थी।
पूर्व-तारकीय बादल: बैरियोनिक (सामान्य) पदार्थ डार्क मैटर हैलोज़ के गुरुत्वाकर्षण खिंचाव का पालन करते हुए अंततः गैस बादलों का निर्माण करता है।

4. संरचना निर्माण में डार्क मैटर की भूमिका

4.1 कॉस्मिक वेब

संरचना निर्माण के सिमुलेशन दिखाते हैं कि डार्क मैटर फिलामेंटरी संरचनाओं के कॉस्मिक वेब के निर्माण में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। जहाँ भी डार्क मैटर का घनत्व सबसे अधिक था, वहाँ बैरियोनिक गैस भी जमा हुई, जिससे सबसे प्रारंभिक बड़े पैमाने के संभावित कुएँ बने।

4.2 ठंडा डार्क मैटर (CDM) प्रतिमान

प्रचलित सिद्धांत, ΛCDM, यह मानता है कि डार्क मैटर प्रारंभ में “ठंडा” (गैर-सापेक्षवादी) होता है, जिससे यह कुशलतापूर्वक समूहित हो सकता है। ये डार्क मैटर हैलो पदानुक्रमिक रूप से बढ़े—छोटे हैलो पहले बने, समय के साथ विलय कर बड़े संरचनाएँ बनाई। डार्क एजेस के अंत तक, कई ऐसे हैलो मौजूद थे, जो पहले तारों (Population III तारों) की मेजबानी के लिए तैयार थे।

5. ब्रह्मांडीय भोर: पहले तारों का उदय

5.1 Population III तारे

अंततः, सबसे घने क्षेत्रों में गुरुत्वाकर्षणीय संकुचन ने पहले तारों को जन्म दिया—जिन्हें अक्सर Population III तारे कहा जाता है। ये तारे लगभग पूरी तरह से हाइड्रोजन और हीलियम से बने थे (कोई भारी तत्व नहीं), और आज के सामान्य तारों की तुलना में संभवतः बहुत बड़े थे। उनका निर्माण डार्क एजेस से बाहर निकलने का संकेत है।

5.2 पुनःआयनन

जैसे ही इन तारों ने नाभिकीय संलयन शुरू किया, उन्होंने प्रचुर मात्रा में अल्ट्रावायलेट विकिरण उत्पन्न किया जिसने आसपास के तटस्थ हाइड्रोजन गैस को पुनःआयनित करना शुरू कर दिया। जैसे-जैसे अधिक तारे (और प्रारंभिक आकाशगंगाएँ) बने, पुनःआयनन के क्षेत्र बढ़े और ओवरलैप हुए, जिससे अंतरगैलेक्टिक माध्यम मुख्यतः तटस्थ से मुख्यतः आयनीकृत में बदल गया। यह पुनःआयनन युग लगभग z ~ 6 से 10 तक फैला, जिसने ब्रह्मांड में नई रोशनी लाकर डार्क एजेस को निश्चित रूप से समाप्त कर दिया।

6. अवलोकन संबंधी चुनौतियाँ और जांच

6.1 डार्क एजेस को देखना क्यों कठिन है

कोई चमकीले स्रोत नहीं: इसे डार्क एजेस कहा जाने का मुख्य कारण चमकीले वस्तुओं की कमी है।
CMB रेडशिफ्ट: पुनर्संयोजन से बचे हुए फोटॉन ठंडे हो रहे थे और अब दृश्य श्रेणी में नहीं थे।

6.2 21-cm ब्रह्मांड विज्ञान

डार्क एजेस का अध्ययन करने के लिए एक आशाजनक तकनीक 21-cm हाइपरफाइन संक्रमण है जो तटस्थ हाइड्रोजन का है। डार्क एजेस के दौरान, तटस्थ हाइड्रोजन CMB की पृष्ठभूमि के खिलाफ 21-cm विकिरण को अवशोषित या उत्सर्जित कर सकता था। सैद्धांतिक रूप से, इस संकेत को ब्रह्मांडीय समय के साथ मैप करना तटस्थ गैस वितरण का “टॉमोग्राफिक” दृश्य प्रदान करता है।

चुनौतियाँ: 21-cm संकेत अत्यंत कमजोर है और मजबूत अग्रभूमि उत्सर्जन (हमारी आकाशगंगा से, आदि) के नीचे दबा हुआ है।
प्रयोग: LOFAR, MWA, EDGES जैसे प्रोजेक्ट और भविष्य के उपकरण जैसे Square Kilometre Array (SKA) इस युग से 21-cm रेखा का पता लगाने या अवलोकनों को परिष्कृत करने का लक्ष्य रखते हैं।

6.3 अप्रत्यक्ष अनुमान

जबकि डार्क एजेस का प्रत्यक्ष विद्युतचुंबकीय अवलोकन कठिन है, शोधकर्ता ब्रह्मांडीय सिमुलेशनों के माध्यम से और बाद के युगों में सबसे पहले पाए गए आकाशगंगाओं के गुणों का अध्ययन करके अप्रत्यक्ष अनुमान लगाते हैं (जैसे, z ~ 7–10)।

7. आधुनिक ब्रह्मांड विज्ञान के लिए निहितार्थ

7.1 संरचना निर्माण के मॉडल का परीक्षण

डार्क एजेस से कॉस्मिक डॉन तक का संक्रमण यह परीक्षण करने के लिए एक प्राकृतिक प्रयोगशाला प्रदान करता है कि पदार्थ कैसे पहले बंधे हुए वस्तुओं में संकुचित हुआ। अवलोकनों (विशेष रूप से 21-सेमी संकेतों) को सैद्धांतिक भविष्यवाणियों से मिलाना हमारे समझ को परिष्कृत करेगा:

डार्क मैटर का स्वभाव और इसके छोटे पैमाने पर गुच्छा बनाने के गुण।
मुद्रास्फीति द्वारा निर्धारित प्रारंभिक स्थितियाँ और CMB में अंकित।

7.2 ब्रह्मांडीय विकास पर पाठ

डार्क एजेस का अध्ययन करने से ब्रह्मांडविदों को लगातार कथा को जोड़ने में मदद मिलती है:

हॉट बिग बैंग और मुद्रास्फीति उतार-चढ़ाव।
पुनःसंयोजन और CMB का विमोचन।
डार्क एजेस का गुरुत्वाकर्षणीय पतन, जो पहले सितारों की ओर ले जाता है।
पुनःआयन और आकाशगंगाओं का निर्माण।
आकाशगंगाओं और बड़े पैमाने पर ब्रह्मांडीय वेब संरचनाओं का विकास।

प्रत्येक चरण आपस में जुड़ा हुआ है, और एक को समझना दूसरों के ज्ञान को बढ़ाता है।

निष्कर्ष

डार्क एजेस ब्रह्मांडीय इतिहास में एक प्रारंभिक अवधि का प्रतिनिधित्व करते हैं—एक ऐसा समय जब कोई तारकीय प्रकाश नहीं था फिर भी तीव्र गुरुत्वाकर्षण गतिविधि थी। जब पदार्थ ने पहले बंधे हुए वस्तुओं में गुच्छा बनाना शुरू किया, तो आकाशगंगाओं और क्लस्टरों के बीज बोए गए। जबकि इसे सीधे देखना चुनौतीपूर्ण है, यह युग ब्रह्मांड के पुनःसंयोजन के बाद पदार्थ के समतल वितरण से आज के समृद्ध संरचित ब्रह्मांड में संक्रमण को समझने के लिए महत्वपूर्ण है।

भविष्य में 21-सेमी ब्रह्मांड विज्ञान और उच्च-संवेदनशीलता वाले रेडियो अवलोकन इन मंद “डार्क” समयों को प्रकाशित करने का वादा करते हैं, यह प्रकट करते हुए कि कैसे हाइड्रोजन और हीलियम का प्रारंभिक सूप पहले उज्ज्वल चिंगारियों में बदल गया—जो कॉस्मिक डॉन की शुरुआत करता है और अंततः उन अनगिनत सितारों और आकाशगंगाओं को जन्म देता है जो ब्रह्मांड को भरते हैं।

संदर्भ और आगे पढ़ाई

Barkana, R., & Loeb, A. (2001). “शुरुआत में: प्रकाश के पहले स्रोत और ब्रह्मांड का पुनःआयन।” Physics Reports, 349, 125–238.
Ciardi, B., & Ferrara, A. (2005). “पहली ब्रह्मांडीय संरचनाएँ और उनके प्रभाव।” Space Science Reviews, 116, 625–705.
Loeb, A. (2010). पहले सितारे और आकाशगंगाएँ कैसे बनीं? Princeton University Press.
Furlanetto, S. R., Oh, S. P., & Briggs, F. H. (2006). “कम आवृत्तियों पर ब्रह्मांड विज्ञान: 21 सेमी संक्रमण और उच्च-रेडशिफ्ट ब्रह्मांड।” Physics Reports, 433, 181–301.
Planck Collaboration. https://www.cosmos.esa.int/web/planck

इन सामूहिक अंतर्दृष्टियों के माध्यम से, डार्क एजेस केवल एक खाली अवधि के रूप में नहीं उभरते, बल्कि एक महत्वपूर्ण पुल के रूप में जो अच्छी तरह से अध्ययन किए गए CMB युग और सितारों और आकाशगंगाओं के उज्ज्वल, सक्रिय ब्रह्मांड के बीच है—एक युग जिसके रहस्य अभी वैज्ञानिक अन्वेषण के लिए खुलने लगे हैं।

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