تاریک توانائی: تیز رفتار پھیلاؤ

Linas Juozenas

دور دراز سپرنووا کی مشاہدات اور کائناتی تیزی کو چلانے والی پراسرار ردعملی قوت

کائناتی ارتقاء میں ایک حیران کن موڑ

زیادہ تر بیسویں صدی میں، کائنات کے ماہرین کا ماننا تھا کہ کائنات کی توسیع—جو بگ بینگ سے شروع ہوئی—مادے کی ثقلی کشش کی وجہ سے آہستہ آہستہ سست ہو رہی ہے۔ مرکزی بحث اس بات پر تھی کہ آیا کائنات ہمیشہ کے لیے پھیلتی رہے گی یا آخرکار دوبارہ سکڑ جائے گی، جو اس کی کل ماس کثافت پر منحصر تھی۔ تاہم، 1998 میں، دو آزاد ٹیموں نے ٹائپ Ia سپرنووا کی بلند ریڈ شفٹ پر تحقیق کرتے ہوئے ایک حیران کن بات دریافت کی: سست ہونے کی بجائے، کائناتی توسیع درحقیقت تیز ہو رہی ہے۔ اس غیر متوقع تیزی نے ایک نئی توانائی کے جزو کی نشاندہی کی—تاریک توانائی—جو کائنات کی توانائی کی کثافت کا تقریباً 68% پر مشتمل ہے۔

تاریک توانائی کے وجود نے ہمارے کائناتی نظریہ کو گہرائی سے بدل دیا ہے۔ یہ ظاہر کرتا ہے کہ بڑے پیمانے پر، ایک ردعملی اثر مادے کے ثقلی کشش کو پیچھے چھوڑ رہا ہے، جس کی وجہ سے توسیع کی رفتار تیز ہو رہی ہے۔ سب سے آسان وضاحت ایک کوسمولوجیکل کانسٹینٹ (Λ) ہے جو خلاء توانائی کی نمائندگی کرتا ہے۔ لیکن متبادل نظریات ایک متحرک اسکیلر فیلڈ یا دیگر عجیب و غریب طبیعیات پیش کرتے ہیں۔ اگرچہ ہم تاریک توانائی کے اثرات کو ماپ سکتے ہیں، اس کی بنیادی نوعیت اب بھی کائناتیات میں ایک بڑا راز ہے، جو اس بات کو اجاگر کرتا ہے کہ ہمیں کائنات کے مقدر کے بارے میں ابھی بہت کچھ سیکھنا باقی ہے۔

2. کائناتی تیز رفتاری کے مشاہداتی شواہد

2.1 Type Ia سپرنووے بطور معیاری شمعدان

ماہران فلکیات Type Ia supernovae—دوہری نظاموں میں پھٹنے والے سفید بونے—پر انحصار کرتے ہیں، جو "معیاری شمعدان" کے طور پر کام کرتے ہیں۔ ان کی چوٹی کی چمک، کیلیبریشن کے بعد، اتنی مستقل ہوتی ہے کہ ظاہری چمک بمقابلہ ریڈ شفٹ کی پیمائش سے کائناتی فاصلہ اور توسیع کی تاریخ معلوم کی جا سکتی ہے۔ 1990 کی دہائی کے آخر میں، High-z Supernova Search Team (آدم رائس، برائن شمٹ کی قیادت میں) اور Supernova Cosmology Project (سول پرلمٹر کی قیادت میں) نے دریافت کیا کہ دور دراز سپرنووے (~ریڈ شفٹ 0.5–0.8) توقع سے مدھم نظر آتے ہیں، جو ایک سست یا حتیٰ کہ مستحکم کائنات کے تحت نہیں آتا۔ بہترین فٹ نے ایک تیز رفتار توسیع کی نشاندہی کی [1,2]۔

2.2 CMB اور بڑے پیمانے پر ساخت

بعد کی مشاہدات WMAP اور Planck سیٹلائٹس سے کاسمی مائیکروویو بیک گراؤنڈ کی غیر یکسانیتوں نے درست کائناتی پیرامیٹرز فراہم کیے، تصدیق کی کہ صرف مادہ (تاریک + باریونی) تقریباً 31% اہم کثافت کا حساب دیتا ہے، اور ایک پراسرار تاریک توانائی یا "Λ" باقی (~69%) کا ذمہ دار ہے۔ بڑے پیمانے پر ساخت کے سروے (مثلاً، سلون ڈیجیٹل اسکائی سروے) بھی بیرون آکوستک اوسلیشنز کو ٹریک کرتے ہیں، جو تیز رفتار توسیع کے ساتھ مطابقت ظاہر کرتے ہیں۔ یہ ڈیٹا مجموعی طور پر ΛCDM ماڈل بناتے ہیں: ایک کائنات جس میں تقریباً 5% باریونی مادہ، 26% تاریک مادہ، اور 69% تاریک توانائی ہے [3,4]۔

2.3 بیرون آکوستک اوسلیشنز اور نمو کی شرح

بیرون آکوستک اوسلیشنز (BAO) جو بڑے پیمانے پر کہکشاؤں کی کلسٹرنگ پر نقش ہوتے ہیں، ایک "معیاری پیمانہ" کے طور پر کام کرتے ہیں، جو مختلف ادوار میں توسیع کی پیمائش کرتے ہیں۔ ان کے نمونے سے یہ بھی ظاہر ہوتا ہے کہ پچھلے چند ارب سالوں میں توسیع تیز ہوئی ہے، جس سے کائناتی ساخت کی نمو کی شرح کم ہوئی ہے، جو صرف مادے پر مبنی منظرنامے سے مختلف ہے۔ یہ متعدد شواہد ایک ہی نتیجے پر پہنچتے ہیں: ایک تیز رفتار جزو موجود ہے جس نے مادے کی سست روی کو شکست دی ہے۔

3. کاسمولوجیکل کانسٹینٹ: سب سے آسان وضاحت

3.1 آئن سٹائن کا Λ اور ویکیوم انرجی

البرٹ آئن سٹائن نے 1917 میں کاسمولوجیکل کانسٹینٹ Λ متعارف کروایا، ابتدا میں ایک جامد کائنات کے حل کے لیے۔ جب ہبل کی توسیع دریافت ہوئی، تو آئن سٹائن نے مبینہ طور پر Λ کو "سب سے بڑی غلطی" قرار دیا۔ پھر بھی، مزاحمتاً، Λ کائناتی تیز رفتاری کے لیے اہم امیدوار کے طور پر دوبارہ ابھرا— ویکیوم انرجی جس کا equation of state (p = -ρc²) ہے، جو منفی دباؤ اور جاذب ثقل کے اثر کو فراہم کرتا ہے۔ اگر Λ واقعی مستقل ہے، تو یہ دور مستقبل میں تیز رفتار توسیع کا باعث بنتا ہے، جو ایک "de Sitter" مرحلے میں پہنچتا ہے جہاں مادے کی کثافت نا قابلِ توجہ ہو جاتی ہے۔

3.2 مقدار اور باریک بینی

مشاہدہ شدہ تاریک توانائی کی کثافت تقریباً ρ_Λ ≈ (10^-12 GeV)⁴ کے برابر ہے۔ کوانٹم فیلڈ تھیوریز خلا کی توانائی کو کئی گنا زیادہ پیش گوئی کرتی ہیں، جو بدنام زمانہ کاسمولوجیکل مستقل مسئلہ کو جنم دیتا ہے: ناپے گئے Λ اتنا چھوٹا کیوں ہے جب کہ سادہ پلانک اسکیل خلا کی توانائیاں بہت زیادہ ہیں؟ کوشش شدہ حل (مثلاً کسی نامعلوم میکانزم کے ذریعے منسوخ کرنا) غیر تسلی بخش یا نامکمل ہیں۔ یہ نظریاتی طبیعیات کے سب سے بڑے باریک بینی کے معمہ جات میں سے ایک ہے۔

4. حرکی تاریک توانائی: کونٹیسنس اور متبادل

4.1 کونٹیسنس فیلڈز

سخت مستقل کی بجائے، کچھ ایک حرکی اسکیلر فیلڈ φ تجویز کرتے ہیں، جس کی ممکنہ V(φ) ہے، جو کائناتی وقت کے ساتھ ارتقا پذیر ہوتی ہے—جسے اکثر "کونٹیسنس" کہا جاتا ہے۔ اس کا مساواتِ حالت w = p / ρ -1 (خالص کاسمولوجیکل مستقل کی قیمت) سے مختلف ہو سکتا ہے۔ مشاہدات فی الحال w ≈ -1 ± 0.05 ناپتے ہیں، جو -1 سے معمولی انحراف کی گنجائش چھوڑتا ہے۔ اگر w وقت کے ساتھ بدلتا ہے، تو ہم مستقبل میں توسیع کی شرح میں تبدیلی دیکھ سکتے ہیں۔ لیکن ابھی تک وقت کے ساتھ بدلتے w کے لیے واضح مشاہداتی ثبوت نہیں۔

4.2 فینٹم انرجی یا k-ایسنس

کچھ غیر معمولی ماڈلز w < -1 ("فینٹم انرجی") تجویز کرتے ہیں، جو "بگ رپ" منظرنامہ کی طرف لے جاتے ہیں جہاں کائنات کی توسیع اتنی تیز ہو جاتی ہے کہ آخرکار ایٹمز کو بھی توڑ دیتی ہے۔ یا "k-essence" نظریات غیر معیاری حرکی اصطلاحات شامل کرتے ہیں۔ یہ سب قیاسی ہیں، جنہیں بنیادی طور پر پیشن گوئی شدہ کائناتی توسیع کی تاریخوں کا سپرنووا، BAO، اور CMB ڈیٹا کے ساتھ موازنہ کر کے آزمایا جاتا ہے، جن میں سے کسی نے بھی قریب-مستقل Λ کے مقابلے میں کوئی ترجیحی متبادل منتخب نہیں کیا۔

4.3 ترمیم شدہ ثقلیت

ایک اور طریقہ یہ ہے کہ تاریک توانائی متعارف کرانے کے بجائے بڑے پیمانے پر جنرل ریلیٹیویٹی میں ترمیم کی جائے۔ اضافی ابعاد، f(R) نظریات، یا بران ورلڈ منظرنامے مؤثر تیز رفتاری پیدا کر سکتے ہیں۔ تاہم، شمسی نظام کی درستگی کے ٹیسٹ اور کائناتی ڈیٹا کو ہم آہنگ کرنا مشکل ہے۔ فی الحال، ان میں سے کوئی بھی ترمیمات Λ کے مقابلے میں وسیع مشاہدات کی مطابقت میں واضح برتری نہیں دکھاتی۔

5. "اب کیوں؟" معمہ اور اتفاق

5.1 کائناتی اتفاق

توانائی کی کثافت کا حصہ صرف حالیہ چند ارب سالوں میں تاریک توانائی میں غالب ہونا شروع ہوا—کائنات اب کیوں تیز ہو رہی ہے، پہلے یا بعد میں کیوں نہیں؟ یہ "اتفاقی مسئلہ" یا تو انسانیت پر مبنی استدلال کی تجویز دیتا ہے (ذہین ناظرین تقریباً اس دور کے قریب ابھرتے ہیں جب مادہ اور Λ ایک ہی ترتیب کے ہوتے ہیں)، یا ایسی نامعلوم طبیعیات جو تاریک توانائی کے آغاز کے لیے ایک وقت کا تعین کرتی ہے۔ معیاری ΛCDM ماڈل بذات خود اس معمہ کو حل نہیں کرتا لیکن اسے ایک وسیع انسانیت پر مبنی نقطہ نظر کے اندر جگہ دیتا ہے۔

5.2 Anthropic Principle اور Multiverses

کچھ کا کہنا ہے کہ اگر Λ بہت زیادہ ہوتا، تو ساخت کی تشکیل اس سے پہلے نہیں ہوتی جب کہ تیز توسیع مادے کے جماؤ کو شکست دے دیتی؛ اگر Λ منفی یا کم ہوتا، تو ہمارا کائناتی وقت مختلف ہوتا۔ anthropic principle کہتا ہے کہ ہم Λ کو اس محدود حد میں پاتے ہیں جو کہکشاؤں اور ناظرین کے وجود کی اجازت دیتی ہے۔ multiverse نظریات کے ساتھ مل کر، ہر خطے میں مختلف خلا کی توانائیاں ہو سکتی ہیں، اور ہم اس میں رہتے ہیں جو پیچیدگی کو فروغ دیتا ہے۔ اگرچہ قیاسی ہے، یہ ظاہری اتفاقات کو سمجھانے کا ایک طریقہ ہے۔

6. کائنات کے مستقبل کے لیے مضمرات

6.1 دائمی تیز رفتاری؟

اگر تاریک توانائی ایک مستقل Λ رہے، تو کائنات کی توسیع تیزی سے بڑھتی رہے گی۔ وہ کہکشائیں جو کشش ثقل سے بندھی نہیں ہیں (مثلاً ہماری مقامی گروپ کے باہر) آخرکار ہمارے کاسمولوجیکل افق سے باہر چلی جائیں گی، جس سے ایک "جزیرہ نما کائنات" بن جائے گی جو مقامی ساختوں پر مشتمل ہوگی۔ کئی ارب سالوں میں، اس افق سے باہر کی کائناتی ساختیں نظر سے اوجھل ہو جائیں گی، جو مقامی کہکشاؤں کو دور دراز کی کہکشاؤں سے مؤثر طریقے سے الگ کر دے گی۔

6.2 دیگر منظرنامے

متحرک کوئنٹیسنس: اگر w > -1 ہو، تو مستقبل کی توسیع تیز رفتاری سے کم ہوگی۔ یہ قریب قریب de Sitter حالت کی طرف جا سکتی ہے لیکن کم "تیز"۔
فینٹم انرجی (w < -1): کائنات "بگ رپ" میں ختم ہو سکتی ہے، جہاں توسیع آخرکار بند نظاموں (کہکشائیں، شمسی نظام، ایٹم) کو بھی شکست دے دیتی ہے۔ مشاہداتی ڈیٹا مضبوط فینٹم رویے کو تھوڑا کم ترجیح دیتا ہے لیکن اسے مکمل طور پر مسترد نہیں کرتا۔
خلا کا زوال: اگر خلا کی توانائی عارضی مستحکم ہو، تو یہ خود بخود کم توانائی والے خلا میں منتقل ہو سکتی ہے—مقامی طبیعیات کے لیے تباہی۔ انتہائی قیاسی، لیکن معروف طبیعیات کے خلاف نہیں۔

7. موجودہ اور مستقبل کی تلاشیں

7.1 اعلیٰ درستگی والے کاسمولوجیکل سروے

ایسے سروے جیسے DES (Dark Energy Survey)، eBOSS، Euclid (ESA)، اور آنے والا Vera C. Rubin Observatory (LSST) اربوں کہکشاؤں کی پیمائش کرتے ہیں، سپرنووا، BAO، کمزور لینسنگ، اور ساخت کی نمو کے ذریعے توسیع کی تاریخ کو بہتر بناتے ہیں۔ وہ معادلہ حالت کے پیرامیٹر w کا جائزہ لے کر دیکھنا چاہتے ہیں کہ آیا یہ -1 سے مختلف ہے۔ w پر تقریباً 1٪ یا اس سے بہتر درستگی سے یہ پتہ چل سکتا ہے کہ تاریک توانائی واقعی مستقل ہے یا متحرک۔

7.2 کشش ثقل کی لہریں اور کثیر پیغام رسانی

مستقبل میں standard sirens (مرج ہونے والے نیوٹران ستارے) کی کشش ثقل کی لہروں کی مشاہدات کائناتی توسیع کو برقی مقناطیسی طریقوں سے آزادانہ طور پر ناپ سکتی ہیں۔ برقی مقناطیسی سگنلز کے ساتھ مل کر، standard sirens تاریک توانائی کی ارتقاء پر پابندیاں سخت کر سکتے ہیں۔ اسی طرح، کائناتی صبح یا reionization دور کی 21 سینٹی میٹر ٹوموگرافی بلند ریڈ شفٹ پر کائناتی توسیع کی پیمائش میں مدد دے سکتی ہے، تاریک توانائی کے ماڈلز کو زیادہ مکمل طور پر جانچنے کے لیے۔

7.3 نظریاتی پیش رفت؟

کاسمولوجیکل کانسٹینٹ کے مسئلے کو حل کرنا یا quintessence کے لیے ایک مضبوط مائیکروفزیکل بنیاد دریافت کرنا جدید کوانٹم کشش ثقل یا سٹرنگ تھیوری کے فریم ورک سے ممکن ہو سکتا ہے۔ متبادل طور پر، نئے توازن کے اصول (جیسے supersymmetry، اگرچہ اب تک LHC میں نظر نہیں آیا) یا انسانیت سے متعلق دلائل تاریک توانائی کی کمیت کو واضح کر سکتے ہیں۔ اگر “تاریک توانائی کی تحریکات” یا پانچویں قوتوں کا براہ راست پتہ چلتا (اگرچہ اب تک نہیں)، تو یہ ہمارے نقطہ نظر میں انقلاب برپا کر دیتا۔

8. نتیجہ

تاریک توانائی کائنات میں سب سے گہری پہیلیوں میں سے ایک ہے: ایک ردعملی جزو جو تیز رفتار پھیلاؤ کو توانائی فراہم کرتا ہے جو 1990 کی دہائی کے آخر میں دور دراز Type Ia سپرنووا مشاہدات کے ذریعے غیر متوقع طور پر دریافت ہوا۔ وسیع ڈیٹا—CMB، BAO، lensing، اور ساخت کی نمو—کی مدد سے، تاریک توانائی معیاری ΛCDM ماڈل کے تحت کائنات کی توانائی کا تقریباً 68–70% حصہ ہے۔ سب سے آسان امیدوار، ایک کاسمولوجیکل کانسٹینٹ، موجودہ ڈیٹا سے میل کھاتا ہے لیکن نظریاتی پہیلیاں جیسے کاسمولوجیکل کانسٹینٹ کا مسئلہ اور انسانیت سے متعلق اتفاقات کو جنم دیتا ہے۔

متبادل نظریات (quintessence، ترمیم شدہ کشش ثقل، holographic scenarios) قیاسی ہیں مگر فعال تحقیق کے تحت ہیں۔ 2020 کی دہائی اور اس کے بعد کے لیے منصوبہ بند مشاہداتی مہمات— Euclid، LSST، Roman Space Telescope—تاریک توانائی کے مساواتِ حالت پر پابندیاں مزید سخت کریں گی، ممکنہ طور پر یہ ظاہر کریں گی کہ آیا کائناتی تیز رفتاری واقعی وقت کے ساتھ مستقل ہے یا نئی طبیعیات کی طرف اشارہ کرتی ہے۔ تاریک توانائی کے معمہ کو حل کرنا نہ صرف کائناتی انجام (ہمیشہ پھیلاؤ، بڑا پھٹنا، یا کچھ اور) کو واضح کرے گا بلکہ کوانٹم میدانوں، کشش ثقل، اور وقت و مکان کی بنیادی نوعیت کے درمیان تعلق کو بھی سمجھائے گا۔ مختصراً، تاریک توانائی کی شناخت کھولنا ہمارے کائنات کے ارتقاء، بقا، اور ممکنہ طور پر اس کے افق سے باہر چلے جانے کی کائناتی جاسوسی کہانی میں ایک اہم قدم ہے۔

حوالہ جات اور مزید مطالعہ

ریئس، اے۔ جی۔، وغیرہ (1998). “سپرنووا سے مشاہداتی شواہد برائے تیز رفتار کائنات اور کاسمولوجیکل کانسٹینٹ۔” دی ایسٹرانومیکل جرنل، 116، 1009–1038۔
پرلمٹر، ایس۔، وغیرہ (1999). “42 ہائی ریڈ شفٹ سپرنووا سے Ω اور Λ کی پیمائشیں۔” دی ایسٹروفزیکل جرنل، 517، 565–586۔
پلینک کولیبریشن (2018). “پلینک 2018 کے نتائج۔ VI۔ کائناتی پیرامیٹرز۔” فلکیات و فلکی طبیعیات، 641، A6۔
وینبرگ، ایس۔ (1989). “کوسمولوجیکل کانسٹینٹ کا مسئلہ۔” جدید طبیعیات کے جائزے، 61، 1–23۔
فریمان، جے۔ اے۔، ٹرنر، ایم۔ ایس۔، & ہیوٹرر، ڈی۔ (2008). “تاریک توانائی اور تیز رفتار کائنات۔” سالانہ جائزہ فلکیات اور فلکی طبیعیات، 46، 385–432۔

← پچھلا مضمون اگلا مضمون →

اوپر واپس

بلاگ پر واپس

ملک/علاقہ

زبان