Gravitational Clumping and Density Fluctuations

ثقلی جماؤ اور کثافت میں اتار چڑھاؤ

Linas Juozenas

چھوٹے کثافت کے فرق کشش ثقل کے تحت کیسے بڑھے، جس نے ستاروں، کہکشاؤں، اور کلسٹروں کی بنیاد رکھی

Big Bang کے بعد سے، کائنات تقریباً مکمل ہموار حالت سے ستاروں، کہکشاؤں، اور کشش ثقل سے بندھے ہوئے وسیع کلسٹروں کے کائناتی تانے بانے میں تبدیل ہو گئی ہے۔ پھر بھی، اس وسیع ساخت کے بیج چھوٹے کثافت کے اتار چڑھاؤ کی صورت میں بوئے گئے تھے—ابتدائی طور پر مادے کی کثافت میں انتہائی چھوٹے فرق—جو بالآخر اربوں سالوں میں gravitational instability کے ذریعے بڑھ گئے۔ یہ مضمون اس بات کا جائزہ لیتا ہے کہ یہ معمولی غیر یکسانیتیں کیسے پیدا ہوئیں، کیسے ارتقا پذیر ہوئیں، اور کیوں یہ کائنات کی بھرپور اور متنوع بڑی پیمانے کی ساخت کو سمجھنے کے لیے ضروری ہیں۔

1. کثافت کے اتار چڑھاؤ کی ابتدا

1.1 Inflation اور Quantum Seeds

ابتدائی کائنات کے لیے ایک معروف نظریہ، جسے cosmic inflation کہا جاتا ہے، Big Bang کے فوراً بعد ایک سیکنڈ کے ایک حصے میں انتہائی تیز exponential توسیع کا دور پیش کرتا ہے۔ inflation کے دوران، inflaton field (جو inflation کو چلاتا ہے) میں quantum fluctuations کائناتی فاصلوں پر پھیل گئے۔ توانائی کی کثافت میں یہ معمولی تبدیلیاں spacetime کے تانے بانے میں “جم گئی” اور تمام بعد کی ساخت کے لیے ابتدائی بیج بن گئیں۔

Scale Invariance: Inflation پیش گوئی کرتا ہے کہ یہ کثافت کے اتار چڑھاؤ تقریباً scale-invariant ہیں، یعنی ان کی amplitude مختلف لمبائی کے پیمانوں پر تقریباً یکساں ہے۔
Gaussianity: پیمائشوں سے پتہ چلتا ہے کہ ابتدائی اتار چڑھاؤ زیادہ تر Gaussian ہیں، جس کا مطلب ہے کہ اتار چڑھاؤ کی تقسیم میں کوئی مضبوط “clustering” یا عدم توازن نہیں ہے۔

انفلیشن کے اختتام تک، یہ کوانٹم اتار چڑھاؤ مؤثر طریقے سے کلاسیکی کثافت کے خلل بن گئے، جو کائنات میں پھیل گئے، اور لاکھوں سے اربوں سال بعد کہکشاؤں، کلسٹرز، اور سپرکلسٹرز کی تشکیل کے لیے بنیاد رکھی۔

1.2 Cosmic Microwave Background (CMB) کے شواہد

Cosmic Microwave Background Big Bang کے تقریباً 380,000 سال بعد کی کائنات کی ایک جھلک فراہم کرتا ہے—جب آزاد الیکٹران اور پروٹونز مل کر (recombination) بنے اور فوٹونز آزادانہ سفر کر سکے۔ COBE، WMAP، اور Planck کی تفصیلی پیمائشوں نے درجہ حرارت میں اتار چڑھاؤ کو 10⁵ کے ایک حصے کی سطح پر ظاہر کیا ہے۔ یہ درجہ حرارت کی تبدیلیاں ابتدائی پلازما میں بنیادی کثافت کے تضادات کی عکاسی کرتی ہیں۔

اہم دریافت: ان اتار چڑھاؤ کی شدت اور زاویائی پاور اسپیکٹ انفلیشنری ماڈلز اور ایک ایسی کائنات کی پیش گوئیوں سے حیرت انگیز حد تک میل کھاتی ہے جو بنیادی طور پر ڈارک میٹر اور ڈارک انرجی پر مشتمل ہے ^[1,2,3]۔

2. کثافت کے اتار چڑھاؤ کی نمو

2.1 خطی خلل نظریہ

انفلیشن اور ری کومبینیشن کے بعد، کثافت کے اتار چڑھاؤ اتنے چھوٹے تھے (δρ/ρ « 1) کہ انہیں خطی خلل نظریہ کے ذریعے بڑھتی ہوئی پس منظر میں تجزیہ کیا جا سکتا تھا۔ ان اتار چڑھاؤ کی ارتقاء کو دو اہم اثرات نے شکل دی:

Matter vs. Radiation Domination: تابکاری غالب دوروں (یعنی بہت ابتدائی کائنات) کے دوران، فوٹون کا دباؤ میٹر کی زیادہ کثافتوں کے زوال کی مزاحمت کرتا ہے، ان کی نمو کو محدود کرتا ہے۔ جب کائنات میٹر غالب مرحلے میں داخل ہوتی ہے (Big Bang کے بعد چند دس ہزار سال)، میٹر کے اجزاء میں اتار چڑھاؤ تیزی سے بڑھنے لگتے ہیں۔
Dark Matter: فوٹونز یا ریلویٹوسٹک ذرات کے برعکس، ٹھنڈا ڈارک میٹر (CDM) وہی دباؤ کا سامنا نہیں کرتا؛ یہ پہلے اور زیادہ مؤثر طریقے سے زوال شروع کر سکتا ہے۔ اس طرح ڈارک میٹر بیریونک (عام) میٹر کے لیے "اسکافولڈنگ" بناتا ہے تاکہ وہ بعد میں گر سکے۔

2.2 غیر خطی دائرے میں داخلہ

وقت کے ساتھ، زیادہ کثیف علاقے مزید کثیف ہوتے جاتے ہیں، بالآخر خطی نمو سے غیر خطی زوال کی طرف منتقل ہو جاتے ہیں۔ غیر خطی دائرے میں، کششی کشش خطی نظریہ کے تخمینوں پر غالب آ جاتی ہے:

Halo Formation: ڈارک میٹر کے چھوٹے ٹکڑے "ہیلوز" میں گر جاتے ہیں، جہاں بیریون بعد میں ٹھنڈے ہو کر ستارے بنا سکتے ہیں۔
Hierarchical Merging: بہت سے کاسمولوجیکل ماڈلز میں (خاص طور پر ΛCDM)، چھوٹی ساختیں پہلے بنتی ہیں اور پھر بڑی ساختیں بنانے کے لیے ضم ہو جاتی ہیں— کہکشائیں، کہکشائی گروپس، اور کلسٹرز۔

غیر خطی ارتقاء عام طور پر N-باڈی سیمولیشنز (مثلاً Millennium، Illustris، اور EAGLE) کے ذریعے مطالعہ کیا جاتا ہے جو لاکھوں یا اربوں ڈارک میٹر "ذرات" کے کششی تعامل کو ٹریک کرتے ہیں ^[4]. یہ سیمولیشنز فلمنٹری ساختوں کے ظہور کو ظاہر کرتی ہیں جنہیں اکثر کاسمی ویب کہا جاتا ہے۔

3. ڈارک میٹر اور بیریونک میٹر کے کردار

3.1 کششی ریڑھ کی ہڈی کے طور پر Dark Matter

متعدد شواہد (rotation curves, gravitational lensing, cosmic velocity fields) ظاہر کرتے ہیں کہ کائنات میں زیادہ تر مادہ dark matter ہے، جو برقی مقناطیسی طور پر تعامل نہیں کرتا لیکن کششی اثر ڈالتا ہے ^[5]۔ چونکہ dark matter مؤثر طور پر "collisionless" اور ابتدائی طور پر ٹھنڈا (non-relativistic) ہوتا ہے:

Efficient Clumping: dark matter گرم یا نیم گرم اجزاء کے مقابلے میں زیادہ مؤثر طریقے سے جمع ہوتا ہے، جس سے چھوٹے پیمانے پر ساخت بننے کی اجازت ملتی ہے۔
Halo Framework: dark matter کے گٹھے کششی ممکنہ کنویں کے طور پر کام کرتے ہیں جن میں بعد میں baryons (گیس اور دھول) گر کر ٹھنڈے ہوتے ہیں، اور ستارے اور کہکشائیں بناتے ہیں۔

3.2 باریونی طبیعیات

جب گیس dark matter halos میں گر جاتی ہے، تو اضافی عمل شروع ہو جاتے ہیں:

Radiative Cooling: گیس ایٹمی اخراج کے ذریعے توانائی کھو دیتی ہے، جس سے مزید سکڑاؤ ممکن ہوتا ہے۔
Star Formation: جب کثافت بڑھتی ہے، ستارے سب سے زیادہ کثیف علاقوں میں بنتے ہیں، جو proto-galaxies کو روشن کرتے ہیں۔
Feedback: سپرنووا، ستاروں کی ہوائیں، اور فعال کہکشائی نیوکلیائی سے توانائی کا اخراج گیس کو گرم اور خارج کر سکتا ہے، جو مستقبل کی ستارے بنانے کی رفتار کو منظم کرتا ہے۔

4. بڑے پیمانے پر ساختوں کی درجہ بندی

4.1 چھوٹے بیج سے بڑے کلسٹرز تک

The popular ΛCDM model (Lambda Cold Dark Matter) بیان کرتا ہے کہ ساخت "bottom up" سے کیسے بنتی ہے۔ ابتدائی چھوٹے halos وقت کے ساتھ مل کر زیادہ بڑے نظام بناتے ہیں:

Dwarf Galaxies: ممکنہ طور پر ابتدائی ترین ستارے بنانے والے اجسام کی نمائندگی کرتے ہیں، جو بڑی کہکشاؤں میں ضم ہو جاتے ہیں۔
Milky Way-scale Galaxies: چھوٹے sub-halos کے امتزاج سے بننے والے بنیادی اجزاء۔
Galaxy Clusters: کلسٹرز جن میں سینکڑوں یا ہزاروں کہکشائیں شامل ہوتی ہیں، جو گروپ-سطح کے halos کے متواتر انضمام سے بنتے ہیں۔

4.2 مشاہداتی تصدیق

ماہری فلکیات مرجنگ کلسٹرز (جیسے Bullet Cluster, 1E 0657–558) اور بڑے پیمانے پر سروے (مثلاً SDSS, DESI) جو لاکھوں کہکشاؤں کا نقشہ بناتے ہیں، کا مشاہدہ کرتے ہیں، جو سمیولیشنز کے ذریعے پیش گوئی کیے گئے cosmic web کی تصدیق کرتے ہیں۔ کائناتی وقت کے دوران، کہکشائیں اور کلسٹرز کائنات کی توسیع کے ساتھ ساتھ بڑھے ہیں، جو موجودہ دور میں مادے کی تقسیم میں نشان چھوڑتے ہیں۔

5. کثافت کے اتار چڑھاؤ کی خصوصیات

5.1 پاور اسپیکٹرم

کوسمولوجی میں ایک مرکزی آلہ matter power spectrum P(k) ہے، جو بتاتا ہے کہ خلائی پیمانے (wavenumber k) کے ساتھ اتار چڑھاؤ کیسے مختلف ہوتے ہیں:

بڑے پیمانوں پر: اتار چڑھاؤ کائناتی تاریخ کے زیادہ تر حصے کے لیے خطی دائرے میں رہتے ہیں، جو ابتدائی حالات کے قریب ہوتے ہیں۔
چھوٹے پیمانوں پر: غیر خطی اثرات غالب ہوتے ہیں، جس سے ساختیں پہلے اور درجہ وار بنتی ہیں۔

CMB انیسوٹروپیز، کہکشاں سروے، اور لائمین-الفا فاریسٹ ڈیٹا سے پاور اسپیکٹرم کی پیمائشیں ΛCDM پیش گوئیوں کے ساتھ حیرت انگیز حد تک میل کھاتی ہیں ^[6,7].

5.2 بیریون صوتی ارتعاشات (BAO)

ابتدائی کائنات میں، جوڑے ہوئے فوٹون-بیریون صوتی ارتعاشات نے ایک نقوش چھوڑا جو کہ کہکشاؤں کی تقسیم میں ایک مخصوص پیمانے (the BAO scale) کے طور پر قابلِ شناخت ہے۔ کہکشاؤں کی کلسٹرنگ میں BAO "peaks" کا مشاہدہ:

تفصیلات کی تصدیق کرتا ہے کہ اتار چڑھاؤ کس طرح کائناتی وقت کے ساتھ بڑھے۔
کائنات کی توسیع کی تاریخ کو محدود کرتا ہے (اسی لیے ڈارک انرجی)۔
کوسمک فاصلوں کے لیے ایک معیاری پیمانہ فراہم کرتا ہے۔

6. ابتدائی اتار چڑھاؤ سے کوسمک فن تعمیر تک

6.1 کوسمک ویب

جیسا کہ سیمولیشنز دکھاتی ہیں، کائنات میں مادہ فلامینٹس اور شیٹس کے جال نما نیٹ ورک میں منظم ہوتا ہے، جس کے درمیان بڑے voids ہوتے ہیں:

Filaments: ڈارک میٹر اور کہکشاؤں کی زنجیریں میزبان، کلسٹروں کو جوڑتی ہیں۔
Sheets (Pancakes): دو جہتی ساختیں جو تھوڑے بڑے پیمانے پر ہوتی ہیں۔
Voids: کم کثافت والے علاقے جو فلامینٹ کے تقاطع کے مقابلے میں نسبتاً خالی رہتے ہیں۔

یہ کوسمک ویب ابتدائی کثافت میں اتار چڑھاؤ کی ثقلی تقویت کا براہ راست نتیجہ ہے جو ڈارک میٹر کی حرکیات سے تشکیل پاتا ہے ^[8]۔

6.2 فیڈبیک کے اثرات اور کہکشاں کی ارتقاء

جب ستاروں کی تشکیل شروع ہوتی ہے، تو فیڈبیک کے عمل (ستاروں کی ہوائیں، سپرنووا سے پیدا ہونے والے بہاؤ) سیدھے سادے ثقلی منظر کو پیچیدہ بنا دیتے ہیں۔ ستارے انٹر اسٹیلر میڈیم کو بھاری عناصر (دھاتیں) سے مالا مال کرتے ہیں، جو مستقبل کی ستاروں کی تشکیل کی کیمیا کو تشکیل دیتے ہیں۔ توانائی بخش بہاؤ بڑے کہکشاؤں میں ستاروں کی تشکیل کو منظم یا حتیٰ کہ روک بھی سکتے ہیں۔ اس طرح، بیریونک فزکس کہکشاؤں کی ارتقاء کو بیان کرنے میں ابتدائی ہالو اسمبلی کے مراحل سے آگے بڑھ کر زیادہ اہم ہو جاتی ہے۔

7. جاری تحقیق اور مستقبل کے رجحانات

7.1 ہائی ریزولوشن سیمولیشنز

اگلی نسل کے سپرکمپیوٹر سیمولیشنز (مثلاً IllustrisTNG، Simba، EAGLE) ہائیڈرودائنامکس، ستاروں کی تشکیل، اور فیڈبیک کو تفصیل سے شامل کرتے ہیں۔ ان سیمولیشنز کا موازنہ ہائی ریزولوشن مشاہدات (مثلاً Hubble Space Telescope، JWST، اور جدید زمینی سروے) سے کر کے، ماہرین فلکیات ابتدائی ساخت کی تشکیل کے ماڈلز کو بہتر بناتے ہیں، یہ جانچتے ہوئے کہ کیا ڈارک میٹر کو سختی سے "ٹھنڈا" ہونا چاہیے، یا کیا وارم یا خود تعامل کرنے والا ڈارک میٹر بہتر فٹ ہو سکتا ہے۔

7.2 21-cm کاسمولوجی

اعلی redshifts پر نیوٹرل ہائیڈروجن کی 21-cm line کا مشاہدہ اس دور کی نئی کھڑکی پیش کرتا ہے جب پہلے ستارے اور کہکشائیں بنیں، ممکنہ طور پر ثقلی کشش کے ابتدائی مراحل کو قید کرتا ہے۔ HERA, LOFAR، اور آنے والا SKA جیسے تجربات کائناتی وقت کے دوران گیس کی تقسیم کا نقشہ بنانے کا منصوبہ رکھتے ہیں، reionization سے پہلے اور دوران کے دور کو روشن کرتے ہیں۔

7.3 ΛCDM سے انحراف کی تلاش

فلکیاتی انومالیز (مثلاً “Hubble tension,” چھوٹے پیمانے کی ساخت کے معمہ جات) متبادل ماڈلز کی تلاش کو بڑھاتی ہیں، جیسے warm dark matter سے modified gravity تک۔ کثافت کے اتار چڑھاؤ کے بڑے اور چھوٹے پیمانے پر ارتقاء کا تجزیہ کر کے، کاسمولوجسٹ معیاری ΛCDM پیراڈائم کی تصدیق یا چیلنج کرنے کی کوشش کرتے ہیں۔

8. نتیجہ

Gravitational clumping اور کثافت کے اتار چڑھاؤ کی نمو کاسمیٹک ساخت کی تشکیل کی بنیاد ہیں۔ جو کچھ مائیکروسکوپک کوانٹم لہروں کے طور پر شروع ہوا، inflation کے ذریعے پھیل کر، مادہ کی حکمرانی اور dark matter کے clumping کے تحت، ایک وسیع cosmic web میں تبدیل ہو گیا۔ یہ بنیادی عمل ہر چیز کی بنیاد ہے، پہلے ستاروں کی پیدائش سے dwarf halos میں لے کر عظیم galaxy clusters تک جو superclusters کو مضبوط کرتے ہیں۔

آج کے دوربین اور سپرکمپیوٹرز ان ادوار کو زیادہ واضح کرتے ہیں، ہمارے نظریاتی فریم ورکس کو کائنات میں نقش عظیم ڈیزائن کے خلاف آزمانا۔ جیسے جیسے مستقبل کے مشاہدات گہرائی میں جائیں گے اور سمولیشنز مزید تفصیل تک پہنچیں گی، ہم اس کہانی کو کھولتے رہیں گے کہ کس طرح معمولی اتار چڑھاؤ نے ہمارے گرد شاندار کاسمیٹک فن تعمیر کو جنم دیا—ایک کہانی جو کوانٹم فزکس، ثقلی کشش، اور مادہ و توانائی کے متحرک تعامل کو جوڑتی ہے۔

حوالہ جات اور مزید مطالعہ

Guth, A. H. (1981). “Inflationary universe: افق اور فلیٹنس مسائل کا ممکنہ حل۔” Physical Review D, 23, 347–356.
Planck Collaboration. (2018). “Planck 2018 کے نتائج۔ VI. کاسمولوجیکل پیرامیٹرز۔” Astronomy & Astrophysics, 641, A6.
Smoot, G. F., et al. (1992). “COBE DMR کے پہلے سال کے نقشوں میں ساخت.” The Astrophysical Journal Letters, 396, L1–L5.
Springel, V. (2005). “کاسمولوجیکل سمولیشن کوڈ GADGET-2.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 364, 1105–1134.
Zwicky, F. (1933). “Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln.” Helvetica Physica Acta, 6, 110–127.
Tegmark, M., et al. (2004). “SDSS اور WMAP سے کاسمولوجیکل پیرامیٹرز۔” Physical Review D, 69, 103501.
Cole, S., et al. (2005). “The 2dF Galaxy Redshift Survey: Power-spectrum analysis of the final data set and cosmological implications.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 362, 505–534.
Bond, J. R., Kofman, L., & Pogosyan, D. (1996). “How filaments are woven into the cosmic web.” Nature, 380, 603–606.

اضافی وسائل:

Peebles, P. J. E. (1993). Principles of Physical Cosmology. Princeton University Press.
Kolb, E. W., & Turner, M. S. (1990). The Early Universe. Addison-Wesley.
Mo, H., van den Bosch, F. C., & White, S. (2010). Galaxy Formation and Evolution. Cambridge University Press.

ان حوالوں کے ذریعے یہ واضح ہوتا ہے کہ چھوٹے کثافت کے خلل کی نشوونما کائناتی کہانی کے لیے کتنی بنیادی ہے—یہ نہ صرف یہ بتاتی ہے کہ کہکشائیں اصل میں کیوں موجود ہیں بلکہ یہ بھی کہ ان کی وسیع پیمانے پر ترتیبیں ابتدائی ادوار کے نقوش کو کیسے ظاہر کرتی ہیں۔

← پچھلا مضمون اگلا مضمون →

اوپر واپس

بلاگ پر واپس

ملک/علاقہ

زبان