Dark Energy Surveys

ڈارک انرجی سروے

ڈارک انرجی کی نوعیت جانچنے کے لیے سپرنووا، کہکشاں کے جھرمٹ، اور ثقلی لینزنگ کا مشاہدہ کرنا

ایک پراسرار کائناتی تیز رفتار

1998 میں، دو آزاد ٹیموں نے ایک غیر متوقع دریافت کی: دور دراز Type Ia سپرنووا متوقع سے کم روشن نظر آئے جب کائنات کی توسیع سست یا مستحکم ہونی چاہیے تھی، جس سے ظاہر ہوا کہ کائنات کی توسیع تیز ہو رہی ہے۔ اس انکشاف نے "ڈارک انرجی" کا تصور جنم دیا، جو ایک نامعلوم "ردعملی" اثر کو ظاہر کرتا ہے جو کائناتی تیز رفتاری کو بڑھا رہا ہے۔ سب سے آسان وضاحت ایک کوسمولوجیکل کانسٹنٹ (Λ) ہے جس کی مساوات w = -1 ہے، لیکن ہم ابھی تک نہیں جانتے کہ ڈارک انرجی واقعی مستقل ہے یا متحرک طور پر بدل رہی ہے۔ معاملہ بہت اہم ہے: ڈارک انرجی کی نوعیت کو سمجھنا بنیادی طبیعیات میں انقلاب لا سکتا ہے، جو کائناتی مشاہدات کو کوانٹم فیلڈ تھیوری یا نئے ثقلی نظریات سے جوڑتا ہے۔

ڈارک انرجی سروے مخصوص مشاہداتی پروگرام ہیں جو کائناتی توسیع اور ساخت کی نمو پر ڈارک انرجی کے اثرات کو ناپنے کے لیے متعدد طریقے استعمال کرتے ہیں۔ ان طریقوں میں سب سے اہم:

  1. ٹائپ Ia سپرمونوا (معیاری شمعیں) فاصلے بمقابلہ ریڈ شفٹ کی پیمائش کے لیے۔
  2. گیلیکسی کلسٹرز مادے کی کثافت میں اضافے کی نمو کو وقت کے ساتھ ٹریک کرنے کے لیے۔
  3. کشش ثقل لینسنگ (مضبوط اور کمزور دونوں) ماس کی تقسیم اور کائناتی جیومیٹری کی جانچ کے لیے۔

مشاہداتی ڈیٹا کا نظریاتی ماڈلز (جیسے ΛCDM) سے موازنہ کر کے، یہ سروے ڈارک انرجی کے مساواتِ حالت (w)، ممکنہ وقت کے ساتھ تبدیلی w(z)، اور کائناتی حرکیات کے لیے اہم دیگر پیرامیٹرز پر پابندیاں لگانے کی کوشش کرتے ہیں۔

2. ٹائپ Ia سپرمونوا: توسیع کے لیے معیاری شمعیں

2.1 تیز رفتاری کی دریافت

ٹائپ Ia سپرمونوا—وائٹ ڈوارف کے تھرمو نیوکلیئر دھماکے—کافی یکساں چوٹی کی روشنی رکھتے ہیں، جنہیں لائٹ-کرور کی شکل اور رنگ کی اصلاحات کے ذریعے “معیاری” بنایا جا سکتا ہے۔ 1990 کی دہائی کے آخر میں، ہائی-Z سپرمونوا سرچ ٹیم اور سپرمونوا کاسمولوجی پروجیکٹ نے z ∼ 0.8 تک کے ریڈ شفٹ پر سپرمونوا کو کم روشنی والا (یعنی زیادہ دور) پایا، جو کائناتی تیز رفتاری کے بغیر کائنات کی پیش گوئی سے مختلف تھا۔ اس نتیجے نے تیز رفتار توسیع کی نشاندہی کی، جس کی وجہ سے 2011 میں فزکس کا نوبل انعام ان تعاون کے کلیدی ارکان کو دیا گیا [1,2]۔

2.2 جدید سپرمونوا سروے

  • SNLS (Supernova Legacy Survey): کینیڈا–فرانس–ہوائی ٹیلیسکوپ کا استعمال کرتے ہوئے z ∼ 1 تک سینکڑوں SNe جمع کیے۔
  • ESSENCE: درمیانی ریڈ شفٹ پر مرکوز۔
  • Pan-STARRS, DES سپرمونوا پروگرامز: ہزاروں SNe Ia کی دریافت کے لیے جاری وسیع میدان کی امیجنگ۔

سپرمونوا فاصلے کے ماڈیولی کو ریڈ شفٹ کے ڈیٹا کے ساتھ ملا کر “ہبل ڈایاگرام” حاصل ہوتا ہے، جو کائناتی وقت کے ساتھ توسیع کی شرح کو براہ راست ٹریس کرتا ہے۔ نتائج تصدیق کرتے ہیں کہ ڈارک انرجی تقریباً w ≈ -1 ہے، لیکن معمولی تبدیلیوں کو مسترد نہیں کرتے۔ موجودہ مقامی سپرمونوا–سیفائیڈ کیلیبریشنز بھی “ہبل ٹینشن” مباحثے میں شامل ہیں، جو CMB کی بنیاد پر پیش گوئیوں سے زیادہ H0 دیتی ہیں۔

2.3 مستقبل کے امکانات

آنے والے گہرے عارضی سروے—روبن آبزرویٹری (LSST)، رومن اسپیس ٹیلیسکوپ—z > 1 تک سینکڑوں SNe Ia دریافت کریں گے، جو w اور ممکنہ ارتقاء w(z) پر پابندیاں بڑھائیں گے۔ بنیادی چیلنج نظامی کیلیبریشن ہے: یہ یقینی بنانا کہ کوئی غیر معلوم چمک میں تبدیلی، دھول، یا آبادی کی تبدیلی نہ ہو جو ڈارک انرجی کی تبدیلیوں کی نقل کر سکے۔

3. کہکشاں کلسٹرز: کائناتی تحقیق کے لیے بڑے ہیلوز

3.1 کلسٹر کی کثرت اور نمو

گیلیکسی کلسٹرز سب سے بڑے کشش ثقل سے بندھے ہوئے ڈھانچے ہیں، جو زیادہ تر ڈارک میٹر، گرم انٹراکلسٹر گیس، اور کہکشاؤں پر مشتمل ہوتے ہیں۔ ان کی کثرت کائناتی وقت کے ساتھ مادے کی کثافت (Ωm) اور ڈارک انرجی کے ڈھانچے کی تشکیل پر اثر کے لیے بہت حساس ہے۔ اگر ڈارک انرجی ڈھانچے کی نمو کو سست کرتی ہے، تو زیادہ ریڈ شفٹ پر کم ہائی ماس کلسٹرز بنتے ہیں۔ لہٰذا، مختلف ریڈ شفٹ پر کلسٹرز کی گنتی اور ان کے ماس کی پیمائش Ωm، σ8، اور w پر پابندیاں لگا سکتی ہے۔

3.2 دریافت کے طریقے اور ماس کی کیلیبریشن

کلسٹرز کی شناخت درج ذیل طریقوں سے کی جا سکتی ہے:

  • ایکس رے اخراج گرم انٹراکلسٹر گیس سے (مثلاً ROSAT، Chandra).
  • Sunyaev–Zel’dovich (SZ) اثر: کلسٹر میں گرم الیکٹرانوں سے ٹکرا کر CMB فوٹونز میں بگاڑ (SPT، ACT، Planck)۔
  • آپٹیکل یا IR: ریڈ-سیکوئنس کہکشاؤں کی اوورڈینسٹی (مثلاً SDSS، DES)۔

ان مشاہدات کو کل کلسٹر ماس سے جوڑنے کے لیے ماس–آبزرویبل اسکیلنگ ریلیشنز کی ضرورت ہوتی ہے۔ کمزور لینسنگ کی پیمائشیں ان ریلیشنز کی کیلیبریشن میں مدد دیتی ہیں، نظامی غلطیوں کو کم کرتی ہیں۔ SPT، ACT، اور DES جیسے سرویز نے ڈارک انرجی پابندیوں کے لیے کلسٹرز کا استعمال کیا ہے، اگرچہ ممکنہ ماس بائسز کے بارے میں احتیاط کے ساتھ۔

3.3 کلیدی سرویز اور نتائج

DES کلسٹر کیٹلاگ، eROSITA ایکس رے سروے، اور Planck SZ کلسٹر کیٹلاگ مل کر z ~1 تک ہزاروں کلسٹرز کی پیمائش کرتے ہیں۔ وہ ΛCDM کائنات کی تصدیق کرتے ہیں جس میں کچھ تجزیوں میں نمو کی شدت اور CMB پیش گوئیوں میں ہلکی کشمکش ہوتی ہے۔ کلسٹر ماس کیلیبریشن اور سلیکشن فنکشن میں مستقبل کی توسیعات کلسٹر پر مبنی ڈارک انرجی پابندیوں کو بہتر بنائیں گی۔

4. ثقلی لینسنگ: ماس اور جیومیٹری کی جانچ

4.1 کمزور لینسنگ (کوسمک شیئر)

دور دراز کہکشاؤں کی شکلیں سامنے والے مادے کی تقسیم سے ہلکی سی بگڑ جاتی ہیں (شیئر)۔ لاکھوں کہکشاؤں کی تصاویر کا تجزیہ کر کے، مادے کی کثافت میں اتار چڑھاؤ اور نمو کی تعمیر کی جا سکتی ہے، جو Ωm، σ8، اور توسیع پر ڈارک انرجی کے اثر کے لیے حساس ہے۔ CFHTLenS، KiDS، DES، اور مستقبل کے Euclid یا Roman جیسے منصوبے کوسمک شیئر کو فیصد کی سطح کی درستگی سے ناپتے ہیں، ممکنہ انومالیز ظاہر کرتے ہیں یا معیاری ΛCDM کی تصدیق کرتے ہیں [3,4]۔

4.2 مضبوط لینسنگ

بڑے کلسٹرز یا کہکشائیں پس منظر کے ذرائع کی متعدد تصاویر یا آرکس پیدا کر سکتی ہیں، جنہیں بڑا کر دیتی ہیں۔ اگرچہ زیادہ مقامی، مضبوط لینسنگ ماس کی تقسیم کو بالکل ناپ سکتی ہے اور وقت کی تاخیر والے لینسز (مثلاً کوئزر لینس سسٹمز) کے ساتھ، ہبل کانسٹنٹ کی آزاد پیمائش فراہم کر سکتی ہے۔ کچھ نتائج (H0LiCOW) H دیکھتے ہیں0 ≈ 72–74 کلومیٹر/سیکنڈ/میگا پارسیک، مقامی سپرنووا نتائج کے مطابق، جو “ہبل ٹینشن” میں حصہ ڈالتا ہے۔

4.3 سپرنووا اور کلسٹرز کے ساتھ امتزاج

لینسنگ ڈیٹا کلسٹر پر مبنی پابندیوں (لینسنگ کیلیبریشن سے کلسٹر ماس) اور سپرنووا فاصلے کی پیمائشوں کے ساتھ اچھی طرح ضم ہوتا ہے، جو تمام کائناتی پیرا میٹرز کے لیے عالمی فٹ میں مدد دیتے ہیں۔ لینسنگ، کلسٹرز، اور SNe کی ہم آہنگی ڈیجنریسیز اور نظامی غیر یقینیوں کو کم کرنے کے لیے اہم ہے، جو ڈارک انرجی پر مضبوط پابندیاں فراہم کرتی ہے۔

5. آپریشن اور منصوبہ بندی میں بڑے ڈارک انرجی سرویز

5.1 ڈارک انرجی سروے (DES)

2013–2019 کے دوران بلانکو 4 میٹر ٹیلیسکوپ (سیرو ٹولو) پر کیا گیا، DES نے تقریباً 5,000 deg2 کو پانچ فلٹرز (grizY) میں تصویربندی کی، اس کے علاوہ مخصوص میدانوں میں سپرنووا پروگرام بھی شامل ہے۔ یہ استعمال کرتا ہے:

  • سپرنووا نمونہ (~ہزاروں SNe Ia) ہبل ڈایاگرام کے لیے۔
  • کمزور لینسنگ (کوسمک شیئر) مادے کی تقسیم کی پیمائش کے لیے۔
  • کلسٹر کی گنتی اور کہکشاؤں کی تقسیم میں BAO۔

اس کے سال 3 اور آخری تجزیات نے تقریباً ΛCDM کے مطابق پابندیاں پیدا کی ہیں، جو w ≈ -1±0.04 کی قیمت فراہم کرتی ہیں۔ پلانک + DES ڈیٹا کے امتزاج سے غلطیاں نمایاں طور پر کم ہو جاتی ہیں، اور ارتقاء پذیر ڈارک انرجی کی کوئی مضبوط علامت نہیں ملتی۔

5.2 Euclid اور Nancy Grace Roman اسپیس ٹیلیسکوپ

Euclid (ESA) کا شیڈول تقریباً 2023 میں لانچ ہے، جو تقریباً 15,000 deg2 پر قریب-IR امیجنگ اور اسپیکٹروسکوپی کرے گا۔ یہ دونوں کمزور لینسنگ (اربوں کہکشاؤں کی شکل کی پیمائش) اور BAO (اسپیکٹروسکوپک ریڈ شفٹ) کی پیمائش کرے گا۔ یہ طریقہ z تک تقریباً 2 پر ~1% فاصلے کی درستگی حاصل کر سکتا ہے، جو کسی بھی w(z)≠const کے لیے انتہائی حساس ہے۔

Roman Telescope (NASA)، جو 2020 کی دہائی کے آخر میں لانچ ہوگا، ایک وسیع میدان IR امیجر رکھتا ہے اور لینسنگ اور سپرنووا کی دریافت کے لیے ہائی لیٹیٹیوڈ سروے کرے گا، جو کائناتی توسیع کا نقشہ بنائے گا۔ یہ مشن w پر سب فیصدی پابندیاں حاصل کرنے اور ممکنہ ارتقاء کی تلاش یا اس کی مستقل مزاجی کی تصدیق کا ہدف رکھتے ہیں۔

5.3 دیگر کوششیں: DESI، LSST، 21 cm

جبکہ DESI بنیادی طور پر ایک اسپیکٹروسکوپک BAO پروجیکٹ ہے، یہ 35 ملین کہکشاؤں/کوازارز کے ساتھ متعدد ریڈ شفٹ پر فاصلے کے پیمانے کی پیمائش کر کے ڈارک انرجی سروے کی تکمیل کرتا ہے۔ LSST (روبن آبزرویٹری) 10 سالوں میں تقریباً 10 ملین سپرنووا دریافت کرے گا، نیز کائناتی شیئر کے لیے کہکشاؤں کی شکلیں۔ 21 cm انٹینسٹی میپنگ ارے (SKA, CHIME, HIRAX) بھی اعلیٰ ریڈ شفٹ پر بڑے پیمانے کی ساخت اور BAO سگنلز کی پیمائش کا وعدہ کرتے ہیں، جو ڈارک انرجی کی ارتقاء کو مزید واضح کریں گے۔

6. سائنسی مقاصد اور مضمرات

6.1 w اور اس کی ارتقاء کی نشاندہی

زیادہ تر ڈارک انرجی سروے مساوات کی حالت کے پیرامیٹر w کو ماپنے کا ہدف رکھتے ہیں، جو -1 سے انحراف کی تلاش میں ہیں۔ اگر w≠-1 ہو یا w کائناتی وقت کے ساتھ تبدیل ہو، تو یہ ایک متحرک میدان (مثلاً، کوئنٹیسنس) یا کشش ثقل میں ترمیمات کی نشاندہی کرے گا۔ موجودہ ڈیٹا w = -1±0.03 دکھاتا ہے۔ اگلی نسل کے سروے اسے ±0.01 یا بہتر تک محدود کر سکتے ہیں، یا تو قریب-مستقل ویکیوم انرجی کی تصدیق کرتے ہوئے یا نئی طبیعیات کو ظاہر کرتے ہوئے۔

6.2 بڑے پیمانے پر کشش ثقل کا امتحان

ساخت کی نمو کی شرح، جو ریڈ شفٹ-اسپیس ڈسٹورشنز یا کمزور لینسنگ کے ذریعے ماپی جاتی ہے، ظاہر کر سکتی ہے کہ کشش ثقل صرف GR ہے یا نہیں۔ اگر کائناتی ساخت کسی دی گئی توسیعی تاریخ کے لیے ΛCDM کی پیش گوئی سے تیز یا سست بڑھتی ہے، تو عمومی اضافیت میں ترمیمات یا ایک تعامل کرنے والا ڈارک سیکٹر ملوث ہو سکتا ہے۔ نمو کی شدت میں کچھ ہلکی ٹینشنز موجود ہیں، لیکن مضبوط نتائج کے لیے مزید ڈیٹا ضروری ہے۔

6.3 ہبل ٹینشن کو حل کرنا؟

ڈارک انرجی سروے درمیانی ریڈ شفٹ (z ∼ 0.3–2) سے توسیع کا نقشہ بنا کر مدد کر سکتے ہیں جو مقامی فاصلے کی سیڑھی کی توسیعات اور ابتدائی کائنات (CMB) کی توسیعات کو جوڑتا ہے۔ اگر "ٹینشن" ابتدائی کائنات میں نئی طبیعیات کی وجہ سے ہے، تو یہ درمیانی حد کے چیک اس کی تصدیق یا تردید کر سکتے ہیں۔ متبادل طور پر، یہ دکھا سکتے ہیں کہ مقامی پیمائشیں کائناتی اوسط سے نظاماتی طور پر مختلف ہیں، جو ٹینشن کو واضح یا شدید کر سکتی ہیں۔

7. چیلنجز اور اگلے اقدامات

7.1 نظامی غلطیاں

ہر پروب منفرد نظامی غلطیوں کا سامنا کرتا ہے: سپرنووا کی کیلیبریشن (دھول کی کمی، معیاری بنانا)، کلسٹر ماس-مشاہداتی تعلقات، لینزنگ شکل کی پیمائش میں تعصبات، فوٹومیٹرک ریڈ شفٹ کی غلطیاں۔ سروے ان پر قابو پانے اور ماڈلنگ میں کافی محنت کرتے ہیں۔ متعدد آزاد پروبز کا امتزاج نتائج کی تصدیق کے لیے اہم ہے۔

7.2 بڑے ڈیٹا کی ہینڈلنگ

آنے والے سروے وسیع ڈیٹا سیٹ تیار کریں گے: اربوں کہکشائیں، لاکھوں سپیکٹرا، ہزاروں سپرنووا۔ خودکار پائپ لائنز، مشین لرننگ کی درجہ بندی، اور پیچیدہ شماریاتی تجزیے ضروری ہیں۔ بڑے ٹیموں (DES, LSST, Euclid, Roman) کے درمیان تعاون مضبوط کراس-کورلیشن اور ڈیٹا شیئرنگ کو فروغ دیتا ہے تاکہ زیادہ سے زیادہ کائناتی بصیرت حاصل کی جا سکے۔

7.3 ممکنہ حیرتیں

تاریخی طور پر، ہر بڑا کائناتی ڈیٹا سیٹ یا تو معیاری ماڈل کی تصدیق کرتا ہے یا انومالیز کو دریافت کرتا ہے۔ اگر ہم w(z) کو -1 سے تھوڑا سا بھی مختلف پائیں، یا ساخت کی نمو میں تضاد برقرار رہے، تو ایک نیا نظریاتی فریم ورک درکار ہو سکتا ہے۔ کچھ ابتدائی ڈارک انرجی، اضافی رشتہ دار ذرات، یا عجیب میدانوں کی تجویز دیتے ہیں۔ اگرچہ ΛCDM غالب ہے، مستقل انومالیز معیاری ماڈل سے آگے انقلابات کی نوید دے سکتی ہیں۔

8. نتیجہ

ڈارک انرجی سروے، سپرنووا، کہکشاں کے کلسٹرز، اور ثقلی لینزنگ کا فائدہ اٹھاتے ہوئے، جدید کائناتیات کی تلاش کا مرکز ہیں تاکہ کائنات کی تیز رفتار توسیع کو سمجھا جا سکے۔ ہر طریقہ مختلف کائناتی ادوار اور پہلوؤں کو ظاہر کرتا ہے:

  • SNe Ia فاصلے کو ریڈ شفٹ کے مقابلے میں بالکل ناپتی ہے، جو دیرینہ توسیع کو ظاہر کرتی ہے۔
  • کلسٹر کی گنتی یہ جانچتی ہے کہ ڈارک انرجی کی دفع کے تحت ساخت کیسے بنتی ہے، جو مادے کی کثافت اور نمو کی شرح کی معلومات فراہم کرتی ہے۔
  • کمزور لینزنگ کل ماس میں اتار چڑھاؤ کا نقشہ بناتی ہے، کائناتی جیومیٹری کو ساخت کی نمو سے جوڑتی ہے؛ مضبوط لینزنگ وقت کی تاخیر کے فاصلے کے ذریعے ہبل مستقل کی پیمائش کر سکتی ہے۔

اہم منصوبے—DES, Euclid, Roman, DESI، اور دیگر—ہمیں کائناتی توسیع کے پیرامیٹرز پر سب فیصد سے بھی کم درستگی کی طرف لے جاتے ہیں، یا تو ΛCDM کو کائناتی مستقل کے ساتھ مستحکم کرتے ہوئے یا ارتقائی ڈارک انرجی کی باریک علامات کو ظاہر کرتے ہوئے۔ یہ سروے ہبل ٹینشن کو حل کرنے، ثقلی ترمیمات کی جانچ کرنے، یا پوشیدہ کائناتی مظاہر دریافت کرنے میں بھی مددگار ثابت ہو سکتے ہیں۔ درحقیقت، اگلے دہائی میں مزید ڈیٹا کے آنے سے ہم اس بات کے قریب پہنچیں گے کہ آیا ڈارک انرجی واقعی ایک سادہ ویکیوم انرجی ہے یا نئی طبیعیات کی ضرورت ہے—یہ کائناتی مشاہدے اور جدید آلات کی مدد سے فلکیات میں بنیادی دریافتوں کی گواہی ہے۔

حوالہ جات اور مزید مطالعہ

  1. ریئس، اے۔ جی۔، وغیرہ (1998). “سپرنووا سے مشاہداتی شواہد برائے تیز رفتار کائنات اور کاسمولوجیکل کانسٹینٹ۔” دی ایسٹرانومیکل جرنل، 116، 1009–1038۔
  2. پرلمٹر، ایس۔، وغیرہ (1999). “42 ہائی ریڈ شفٹ سپرنووا سے Ω اور Λ کی پیمائشیں۔” دی ایسٹروفزیکل جرنل، 517، 565–586۔
  3. بارٹیل مین، ایم۔، اور شنائیڈر، پی۔ (2001). “کمزور ثقلی لینسنگ۔” فزکس رپورٹس، 340، 291–472۔
  4. Abbott, T. M. C., et al. (DES Collaboration) (2019). “ڈارک انرجی سروے کے پہلے سال کے نتائج: کہکشاں کے اجتماع اور کمزور لینزنگ سے کائناتی پابندیاں۔” Physical Review D, 99, 123505.
  5. Laureijs, R., et al. (2011). “Euclid Definition Study Report.” arXiv:1110.3193.

 

← پچھلا مضمون                    اگلا مضمون →

 

 

اوپر واپس جائیں

بلاگ پر واپس