The Cosmic Microwave Background (CMB)

کوسمک مائیکروویو بیک گراؤنڈ (CMB)

وہ باقی ماندہ تابکاری جب کائنات شفاف ہوئی ~380,000 سال بعد Big Bang

Cosmic Microwave Background (CMB) کو اکثر کائنات میں سب سے پرانی روشنی کے طور پر بیان کیا جاتا ہے—ایک مدھم، تقریباً یکساں چمک جو تمام خلا میں پھیلی ہوئی ہے۔ یہ ایک اہم دور میں پیدا ہوئی، جو Big Bang کے تقریباً 380,000 سال بعد تھا، جب الیکٹرانز اور پروٹونز کا ابتدائی پلازما نیوٹرل ایٹمز میں تبدیل ہوا۔ اس وقت سے پہلے، فوٹونز آزاد الیکٹرانز سے بار بار ٹکرا رہے تھے، جس کی وجہ سے کائنات غیر شفاف تھی۔ جب نیوٹرل ایٹمز کافی تعداد میں بن گئے، تو ٹکراؤ کم ہو گیا، اور فوٹونز آزادانہ سفر کر سکتے تھے—اس لمحے کو recombination کہا جاتا ہے۔ اس دور میں خارج ہونے والے فوٹونز تب سے خلا میں سفر کر رہے ہیں، آہستہ آہستہ ٹھنڈے ہو رہے ہیں اور کائنات کے پھیلاؤ کے ساتھ طول موج میں بڑھ رہے ہیں۔

آج، ہم ان فوٹونز کو تقریباً 2.725 K کے درجہ حرارت پر تقریباً کامل بلیک باڈی اسپیکٹرم کے ساتھ مائیکروویو تابکاری کے طور پر دریافت کرتے ہیں۔ CMB کا مطالعہ کاسمولوجی میں انقلاب لے آیا ہے، جو کائنات کی ترکیب، جیومیٹری، اور ارتقاء کے بارے میں بصیرت فراہم کرتا ہے—ابتدائی کثافت کی اتار چڑھاؤ سے جو کہ کہکشاؤں کی بنیاد بنی، لے کر بنیادی کاسمولوجیکل پیرامیٹرز کی درست قدروں تک۔

اس مضمون میں، ہم درج ذیل موضوعات کا احاطہ کریں گے:

  1. تاریخی دریافت
  2. کائنات ری کومبینیشن سے پہلے اور دوران
  3. CMB کی کلیدی خصوصیات
  4. غیر یکسانیتیں اور پاور اسپیکٹرم
  5. اہم CMB تجربات
  6. CMB سے کاسمولوجیکل پابندیاں
  7. موجودہ اور مستقبل کے مشن
  8. نتیجہ

2. تاریخی دریافت

2.1 نظریاتی پیش گوئیاں

یہ خیال کہ ابتدائی کائنات گرم اور گھنی تھی، 1940 کی دہائی میں George Gamow، Ralph Alpher، اور Robert Herman کے کام سے شروع ہوتا ہے۔ انہوں نے سمجھا کہ اگر کائنات "گرم Big Bang" سے شروع ہوئی، تو اس دور میں خارج ہونے والی تابکاری اب بھی موجود ہونی چاہیے لیکن ٹھنڈی ہو کر مائیکروویو علاقے میں ریڈشفٹ ہو چکی ہے۔ انہوں نے چند کیلونز کے درجہ حرارت پر بلیک باڈی اسپیکٹرم کی پیش گوئی کی، لیکن یہ پیش گوئیاں ابتدا میں وسیع تجرباتی توجہ حاصل نہیں کر سکیں۔

2.2 مشاہداتی دریافت

1964–1965 میں، آرنو پینزیاس اور رابرٹ ولسن بیل لیبز میں ایک انتہائی حساس، ہارن نما ریڈیو اینٹینا میں شور کے ذرائع کی تحقیق کر رہے تھے۔ انہوں نے ایک مستقل پس منظر شور دریافت کیا جو ہر سمت میں یکساں (isotropic) تھا اور کیلیبریشن کی کوششوں کے باوجود کم نہیں ہوا۔ اسی دوران، پرنسٹن یونیورسٹی کے ایک گروپ (جس کی قیادت رابرٹ ڈِک اور جم پیبلز کر رہے تھے) ابتدائی کائنات سے متوقع “بقایا تابکاری” کی تلاش کی تیاری کر رہا تھا۔ جب دونوں گروپوں کا رابطہ ہوا، تو یہ واضح ہو گیا کہ پینزیاس اور ولسن نے CMB دریافت کیا تھا (Penzias & Wilson, 1965 [1])۔ اس دریافت نے انہیں 1978 میں فزکس کا نوبل انعام دلایا اور بڑے دھماکے کے ماڈل کو کائناتی اصل کے لیے سرکردہ نظریہ بنا دیا۔

3. ری کومبینیشن سے پہلے اور دوران کائنات

3.1 ابتدائی پلازما

بڑے دھماکے کے بعد کے پہلے کئی لاکھ سالوں کے دوران، کائنات پروٹونز، الیکٹرانز، فوٹونز، اور (کم مقدار میں) ہیلیم نیوکلئی سے بھری ہوئی ایک گرم پلازما تھی۔ فوٹونز مسلسل آزاد الیکٹرانز سے بکھرتے رہے (جسے تھامسن بکھراؤ کہا جاتا ہے)، جس کی وجہ سے کائنات مؤثر طریقے سے اپھری ہوئی تھی—جیسے سورج کی پلازما میں روشنی آسانی سے نہیں گزر سکتی۔

3.2 ری کومبینیشن

جب کائنات پھیلی، تو یہ ٹھنڈی ہوئی۔ بڑے دھماکے کے تقریباً 380,000 سال بعد، درجہ حرارت تقریباً 3,000 K تک گر چکا تھا۔ ان توانائیوں پر، الیکٹرانز پروٹونز کے ساتھ مل کر غیر جانبدار ہائیڈروجن ایٹمز بنا سکتے تھے — ایک عمل جسے ری کومبینیشن کہا جاتا ہے۔ جب آزاد الیکٹرانز غیر جانبدار ایٹمز میں بندھ گئے، تو فوٹون بکھراؤ نمایاں طور پر کم ہو گیا، اور کائنات تابکاری کے لیے شفاف ہو گئی۔ آج ہم جو CMB فوٹونز ناپتے ہیں وہی فوٹونز ہیں جو اس لمحے چھوڑے گئے تھے، حالانکہ وہ 13 ارب سال سے زیادہ سفر کر رہے ہیں اور ریڈ شفٹ ہو رہے ہیں۔

3.3 سطح آخری بکھراؤ

وہ دورانیہ جس میں فوٹونز نے آخری بار نمایاں طور پر بکھراؤ کیا اسے سطح آخری بکھراؤ کہا جاتا ہے۔ عملی طور پر، ری کومبینیشن ایک فوری واقعہ نہیں تھا؛ زیادہ تر الیکٹرانز کے پروٹونز کے ساتھ بندھنے میں کچھ محدود وقت (اور ریڈ شفٹ وقفہ) لگا۔ اس کے باوجود، ہم اس عمل کو وقت میں ایک نسبتاً پتلی “شیل” کے طور پر اندازہ لگا سکتے ہیں—CMB کی وہ اصل جگہ جسے ہم محسوس کرتے ہیں۔

4. CMB کی اہم خصوصیات

4.1 بلیک باڈی اسپیکٹرم

CMB کے بارے میں سب سے نمایاں مشاہدات میں سے ایک یہ ہے کہ یہ تقریباً مکمل بلیک باڈی تقسیم کی پیروی کرتا ہے جس کا درجہ حرارت تقریباً 2.72548 K ہے (جو COBE-FIRAS آلے [2] کے ذریعے بالکل ناپا گیا ہے)۔ یہ اب تک ناپا گیا سب سے درست بلیک باڈی اسپیکٹرم ہے۔ تقریباً مکمل بلیک باڈی نوعیت بڑے دھماکے کے ماڈل کی مضبوط حمایت کرتی ہے: ایک انتہائی حرارتی، ابتدائی کائنات جو آہستہ آہستہ پھیلی اور ایڈیابیٹک طور پر ٹھنڈی ہوئی۔

4.2 isotropy اور homogeneity

ابتدائی مشاہدات نے دکھایا کہ CMB تقریباً isotropic تھا (تمام سمتوں میں یکساں شدت) تقریباً ایک حصہ میں 105۔ یہ تقریباً یکسانیت ظاہر کرتی ہے کہ کائنات recombination پر بہت ہم جنس اور حرارتی توازن میں تھی۔ تاہم، isotropy سے چھوٹے انحرافات—جنہیں anisotropies کہا جاتا ہے—بہت اہم ہیں۔ یہ ساخت کی تشکیل کے ابتدائی بیج کی نمائندگی کرتے ہیں۔

5. غیر یکسانیت اور پاور اسپیکٹرم

5.1 درجہ حرارت کی تبدیلیاں

1992 میں، COBE-DMR (Differential Microwave Radiometer) تجربے نے CMB میں 10−5 کی سطح پر چھوٹے درجہ حرارت کی تبدیلیاں دریافت کیں۔ یہ تبدیلیاں آسمان کے "temperature map" میں دکھائی جاتی ہیں، جو چھوٹے "گرم" اور "ٹھنڈے" مقامات کو ظاہر کرتی ہیں جو ابتدائی کائنات میں تھوڑا زیادہ یا کم کثیف علاقوں سے مطابقت رکھتے ہیں۔

5.2 acoustic oscillations

Recombination سے پہلے، photons اور baryons (protons اور neutrons) سختی سے جڑے ہوئے تھے، جو ایک photon-baryon fluid بناتے تھے۔ density waves (acoustic oscillations) اس سیال میں پھیلتے تھے، جو gravity کی وجہ سے matter کو اندر کی طرف کھینچتے اور radiation pressure باہر کی طرف دھکیلتے تھے۔ جب کائنات شفاف ہوئی، تو یہ oscillations "freeze" ہو گئے، جس سے CMB power spectrum میں مخصوص peaks بنے—یہ درجہ حرارت کی تبدیلیوں کے زاویائی پیمانے کے ساتھ فرق کو ماپتا ہے۔ اہم خصوصیات شامل ہیں:

  • First Acoustic Peak: سب سے بڑے موڈ سے متعلق ہے جسے recombination سے پہلے آدھی oscillation مکمل کرنے کا وقت ملا؛ یہ کائنات کی جیومیٹری کا اندازہ دیتا ہے۔
  • Subsequent Peaks: baryon density، dark matter density، اور دیگر cosmological parameters کی معلومات فراہم کرتے ہیں۔
  • Damping Tail: بہت چھوٹے زاویائی پیمانوں پر، fluctuations photon diffusion (Silk damping) کی وجہ سے کمزور ہو جاتے ہیں۔

5.3 پولرائزیشن

درجہ حرارت کی تبدیلیوں کے علاوہ، CMB جزوی طور پر polarized ہے کیونکہ Thomson scattering anisotropic radiation field میں ہوتا ہے۔ دو بنیادی polarization موڈز ہیں:

  • E-mode Polarization: scalar density perturbations کی وجہ سے پیدا ہوتا ہے؛ پہلی بار 2002 میں DASI تجربے نے اسے دریافت کیا اور WMAP اور Planck نے اسے درستگی سے ناپا۔
  • B-mode Polarization: یہ ابتدائی کشش ثقل کی لہروں (مثلاً، inflation سے) یا E-modes کی لینسنگ سے پیدا ہو سکتا ہے۔ ابتدائی B-modes کا پتہ لگانا inflation کے لیے "smoking gun" ہو سکتا ہے۔ اگرچہ لینسنگ B-modes کا پتہ لگایا جا چکا ہے (مثلاً، POLARBEAR، SPT، اور Planck تعاون)، ابتدائی B-modes کی تلاش جاری ہے۔

6. بڑے CMB تجربات

6.1 COBE (Cosmic Background Explorer)

  • 1989 میں NASA کی طرف سے لانچ کیا گیا۔
  • FIRAS instrument نے CMB کی بلیک باڈی نوعیت کو غیر معمولی درستگی کے ساتھ تصدیق کی۔
  • DMR instrument نے پہلی بار بڑے پیمانے پر درجہ حرارت کی غیر یکسانیت کا پتہ لگایا۔
  • بگ بینگ تھیوری کو بلا شبہ قائم کرنے میں ایک بڑا قدم
  • COBE پر کام کے لیے پرنسپل انویسٹیگیٹرز جان میتھر اور جارج اسموٹ کو فزکس میں نوبل انعام (2006) ملا۔

6.2 WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)

  • 2001 میں NASA نے لانچ کیا۔
  • CMB کے درجہ حرارت (اور بعد میں قطبیت) کے مفصل مکمل آسمانی نقشے فراہم کیے، تقریباً 13 آرک منٹ کی زاویائی قرارداد حاصل کی۔
  • بے مثال درستگی کے ساتھ اہم کاسمولوجیکل پیرامیٹرز کو بہتر بنایا، مثلاً کائنات کی عمر، ہبل کانسٹنٹ، ڈارک میٹر کی کثافت، اور ڈارک انرجی کا تناسب۔

6.3 Planck (ESA مشن)

  • 2009 سے 2013 تک کام کیا۔
  • WMAP کے مقابلے میں زاویائی قرارداد (~5 آرک منٹ تک) اور درجہ حرارت کی حساسیت میں بہتری۔
  • مکمل آسمان میں متعدد فریکوئنسیز (30–857 GHz) پر درجہ حرارت اور قطبیت کی غیر یکسانیتوں کا نقشہ بنایا۔
  • اب تک کے سب سے مفصل CMB نقشے تیار کیے، کاسمولوجیکل پیرامیٹرز کو مزید محدود کیا اور ΛCDM ماڈل کی مضبوط تصدیق فراہم کی۔

7. CMB سے کاسمولوجیکل پابندیاں

ان مشنوں (اور دیگر) کی بدولت، CMB اب کاسمولوجیکل پیرامیٹرز کو محدود کرنے کے لیے ایک بنیادی ستون ہے:

  1. کائنات کی جیومیٹری: پہلی صوتی چوٹی کی جگہ سے پتہ چلتا ہے کہ کائنات تقریباً مکانی طور پر ہموار ہے (Ωtotal ≈ 1)۔
  2. ڈارک میٹر: صوتی چوٹیوں کی نسبتی بلندیوں سے ڈارک میٹر (Ωc) اور بیریونک میٹر (Ωb) کی کثافت محدود ہوتی ہے۔
  3. ڈارک انرجی: CMB کے ڈیٹا کو دیگر مشاہدات (جیسے سپرنووا فاصلے اور بیریون صوتی ارتعاشات) کے ساتھ ملا کر کائنات میں ڈارک انرجی (ΩΛ) کا تناسب معلوم کیا جاتا ہے۔
  4. ہبل کانسٹنٹ (H0): صوتی چوٹیوں کے زاویائی پیمانے کی پیمائشیں H0 کا بالواسطہ تعین فراہم کرتی ہیں۔ موجودہ CMB پر مبنی نتائج (Planck سے) H0 ≈ 67.4 ± 0.5 کلومیٹر فی سیکنڈ فی میگا پارسیک ظاہر کرتے ہیں، حالانکہ یہ کچھ مقامی فاصلے کی پیمائشوں سے متصادم ہے جو H0 ≈ 73 پاتی ہیں۔ اس تضاد کو حل کرنا—جسے ہبل ٹینشن کہا جاتا ہے—موجودہ کاسمولوجیکل تحقیق کا ایک اہم مرکز ہے۔
  5. انفلیشنری پیرامیٹرز: ابتدائی اتار چڑھاؤ کی ایمپلیٹیوڈ اور اسپیکٹرل انڈیکس (As, ns) CMB کی غیر یکسانیتوں سے محدود کیے جاتے ہیں، جو انفلیشنری ماڈلز پر حدود عائد کرتے ہیں۔

8. موجودہ اور مستقبل کے مشن

8.1 زمینی اور غبارہ بردار مشاہدات

WMAP اور Planck کے بعد، کئی اعلی حساسیت والے زمینی اور غبارہ بردار دوربینیں CMB کے درجہ حرارت اور قطبیت کی ہماری سمجھ کو بہتر بنانے کے لیے کام کر رہی ہیں:

  • Atacama Cosmology Telescope (ACT) اور South Pole Telescope (SPT): بڑے اپرچر والے ٹیلی سکوپ جو چھوٹے پیمانے کے CMB انیسوٹروپیز اور قطبیت کی پیمائش کے لیے ڈیزائن کیے گئے ہیں۔
  • بیلون پر مبنی تجربات: جیسے BOOMERanG, Archeops, اور SPIDER، جو قریب خلا کی بلندیوں سے اعلیٰ قرارداد کی پیمائش فراہم کرتے ہیں۔

8.2 B-موڈز کی تلاش

ایسے اقدامات جیسے BICEP, POLARBEAR, اور CLASS B-موڈ قطبیت کا پتہ لگانے یا اس کی حد بندی پر توجہ مرکوز کرتے ہیں۔ اگر ابتداوی B-موڈز کسی خاص سطح پر تصدیق ہو جائیں، تو یہ انفلیشنری دور کی ثقلی لہروں کے براہ راست ثبوت فراہم کریں گے۔ اگرچہ ابتدائی دعوے (مثلاً BICEP2 2014 میں) بعد میں کہکشانی دھول کی آلودگی سے منسوب کیے گئے، انفلیشنری B-موڈز کی صاف شناخت کی تلاش جاری ہے۔

8.3 اگلی نسل کے مشن

  • CMB-S4: ایک منصوبہ بند زمینی منصوبہ جو ٹیلی سکوپ کے بڑے مجموعے کو تعینات کرے گا، جس کا مقصد بے مثال حساسیت کے ساتھ CMB قطبیت کی پیمائش کرنا ہے، خاص طور پر چھوٹے زاویائی پیمانوں پر۔
  • LiteBIRD (منصوبہ بند JAXA مشن): ایک سیٹلائٹ جو بڑے پیمانے پر CMB قطبیت کی پیمائش کے لیے وقف ہے، خاص طور پر ابتداوی B-موڈز کے نشان کی تلاش کے لیے۔
  • CORE (تجویز کردہ ESA مشن، فی الحال منتخب نہیں): پلانک کی قطبیت حساسیت میں بہتری لائے گا۔

9. نتیجہ

کائناتی مائیکروویو پس منظر ابتدائی کائنات کی ایک منفرد کھڑکی فراہم کرتا ہے— جب یہ صرف چند لاکھ سال کا تھا۔ اس کے درجہ حرارت، قطبیت، اور چھوٹے انیسوٹروپیز کی پیمائشوں نے بگ بینگ ماڈل کی تصدیق کی، تاریک مادہ اور تاریک توانائی کے وجود کو قائم کیا، اور ہمیں ΛCDM کے نام سے ایک درست کائناتی فریم ورک دیا۔ مزید برآں، CMB طبیعیات کی حدود کو آگے بڑھاتا رہتا ہے: ابتداوی ثقلی لہروں کی تلاش سے لے کر انفلیشنری ماڈلز کی جانچ تک، اور ہبل ٹینشن سے متعلق ممکنہ نئی طبیعیات کی تحقیقات تک۔

جیسے جیسے مستقبل کے تجربات حساسیت اور زاویائی قرارداد میں اضافہ کریں گے، ہم کائناتی ڈیٹا کی ایک اور زیادہ بھرپور کٹائی کی توقع کرتے ہیں۔ چاہے یہ انفلیشن کے بارے میں ہمارے علم کو بہتر بنانا ہو، تاریک توانائی کی نوعیت کی نشاندہی کرنا ہو، یا نئی طبیعیات کے باریک نشانیاں ظاہر کرنا ہو، CMB جدید فلکیات اور کائناتیات میں سب سے طاقتور اور روشنی ڈالنے والے اوزار میں سے ایک ہے۔

حوالہ جات اور مزید مطالعہ

  1. Penzias, A. A., & Wilson, R. W. (1965). “4080 Mc/s پر اضافی اینٹینا درجہ حرارت کی پیمائش۔” The Astrophysical Journal, 142, 419–421. [Link]
  2. Mather, J. C., et al. (1994). “COBE FIRAS آلے کے ذریعے کائناتی مائیکروویو پس منظر کے اسپیکٹرم کی پیمائش۔” The Astrophysical Journal, 420, 439. [Link]
  3. Smoot, G. F., et al. (1992). “Structure in the COBE DMR First-Year Maps.” The Astrophysical Journal Letters, 396, L1–L5. [Link]
  4. Bennett, C. L., et al. (2013). “Nine-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Final Maps and Results.” The Astrophysical Journal Supplement Series, 208, 20. [Link]
  5. Planck Collaboration. (2018). “Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters.” Astronomy & Astrophysics, 641, A6. [arXiv:1807.06209]
  6. Peebles, P. J. E., Page, L. A., & Partridge, R. B. (eds.). (2009). Finding the Big Bang. Cambridge University Press. – CMB کی دریافت اور اہمیت پر تاریخی اور سائنسی نقطہ نظر۔
  7. Kolb, E. W., & Turner, M. S. (1990). The Early Universe. Addison-Wesley. – ابتدائی کائنات کی طبیعیات اور CMB کے کردار کا جامع علاج۔
  8. Mukhanov, V. (2005). Physical Foundations of Cosmology. Cambridge University Press. – کائناتی انفلیشن، CMB انیسوٹروپیز، اور جدید کاسمولوجی کے نظریاتی بنیادوں پر گہری بحث۔

 

← پچھلا مضمون                    اگلا مضمون →

 

 

اوپر واپس

بلاگ پر واپس