The Cosmic Microwave Background (CMB)

کوسمک مائیکروویو بیک گراؤنڈ (CMB)

وہ باقی ماندہ تابکاری جب کائنات شفاف ہوئی تقریباً 380,000 سال بعد بگ بینگ کے

کوسمک مائیکروویو بیک گراؤنڈ (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 بگ بینگ 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 کی تعداد کافی ہو گئی، تو ٹکراؤ کم ہو گیا، اور فوٹونز آزادانہ سفر کر سکتے تھے—اس لمحے کو ری کومبینیشن 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 کے بیج تھے، لے کر بنیادی کاسمولوجیکل پیرامیٹرز کی درست قدروں تک۔

اس مضمون میں، ہم شامل 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 کائناتی حدود
  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 جارج گیماو، رالف الفر، اور رابرٹ ہرمن کے کام سے شروع ہوتا ہے۔ انہوں نے سمجھا کہ اگر کائنات نے "گرم بگ بینگ" سے آغاز کیا، تو اس دور میں خارج ہونے والی تابکاری اب بھی موجود ہونی چاہیے، لیکن ٹھنڈی ہو کر مائیکروویو علاقے میں سرخ مائل ہو چکی ہوگی۔ انہوں نے چند کیلونز کے درجہ حرارت پر بلیک باڈی اسپیکٹرم کی پیش گوئی کی، لیکن ان پیش گوئیوں کو ابتدا میں وسیع تجرباتی توجہ نہیں ملی۔

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 یکساں (تمام سمتوں میں ایک جیسا) تھا اور کالیبریشن 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 نے رابطہ کیا، 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 کے طور پر مستحکم کیا۔

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 نیوکلیائی 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 طور پر اپاہج 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—اس عمل کو 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 چکے 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 کا وہ نقطہ آغاز جو ہم محسوس کرتے ہیں۔

4. CMB کی اہم خصوصیات

4.1 بلیک باڈی اسپیکٹرم

کوسمک مائیکروویو بیک گراؤنڈ (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 توسیع پذیر اور آدیابیٹک طور پر ٹھنڈی ہوئی۔

4.2 یکسانیت اور ہم آہنگی

ابتدائی مشاہدات سے معلوم ہوا کہ CMB تقریباً ہم سمت (تمام سمتوں میں یکساں شدت) تھا، تقریباً 105 کے ایک حصے تک۔ یہ تقریباً یکسانیت ظاہر کرتی ہے کہ کائنات دوبارہ ملاپ کے وقت بہت ہم آہنگ اور حرارتی توازن میں تھی۔ تاہم، ہم سمت سے چھوٹے انحراف—جنہیں انیسوٹروپیز کہا جاتا ہے—بہت اہم ہیں۔ یہ ساخت کی تشکیل کے ابتدائی بیج کی نمائندگی کرتے ہیں۔

5. انیسوٹروپیز 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 چھوٹی درجہ حرارت کی تبدیلیاں دریافت کیں۔ یہ تبدیلیاں آسمان کے "درجہ حرارت کے نقشے" میں دکھائی جاتی ہیں، جو چھوٹے "گرم" اور "ٹھنڈے" مقامات ظاہر کرتے ہیں جو ابتدائی کائنات میں تھوڑا زیادہ یا کم کثیف علاقوں سے مطابقت رکھتے ہیں۔

5.2 صوتی کمپن

دوبارہ ملاپ سے پہلے، فوٹونز اور بیریونز (پروٹونز اور نیوٹرانز) سختی سے جڑے ہوئے تھے، جو ایک فوٹون-بیریون سیال بناتے تھے۔ کثافت کی لہریں (صوتی کمپن) اس سیال میں پھیلتی تھیں، جو کشش ثقل کی وجہ سے مادہ کو اندر کی طرف کھینچتی تھیں اور تابکاری کے دباؤ کی وجہ سے باہر کی طرف دھکیلتی تھیں۔ جب کائنات شفاف ہوئی، تو یہ کمپن "جم گئے"، جس سے CMB پاور اسپیکٹرم میں مخصوص چوٹیوں کا وجود ہوا—یہ ایک پیمانہ ہے کہ درجہ حرارت کی تبدیلیاں زاویائی پیمانے کے ساتھ کیسے بدلتی ہیں۔ اہم خصوصیات میں شامل ہیں:

  • پہلا صوتی چوٹی: سب سے بڑے موڈ سے متعلق ہے جسے دوبارہ ملاپ سے پہلے آدھی کمپن مکمل کرنے کا وقت ملا؛ کائنات کی جیومیٹری کا اندازہ دیتا ہے۔
  • بعد کے چوٹی: بیریون کثافت، ڈارک میٹر کثافت، اور دیگر کاسمولوجیکل پیرامیٹرز کی معلومات فراہم کرتے ہیں۔
  • ڈیمپنگ ٹیل: بہت چھوٹے زاویائی پیمانوں پر، تبدیلیاں فوٹون کے پھیلاؤ (سلک ڈیمپنگ) کی وجہ سے کمزور ہو جاتی ہیں۔

5.3 پولرائزیشن

درجہ حرارت کی تبدیلیوں کے علاوہ، CMB جزوی طور پر پولرائزڈ ہے کیونکہ تھامسن اسکیٹرنگ ایک غیر یکساں تابکاری میدان میں ہوتی ہے۔ پولرائزیشن کے دو بنیادی موڈز ہیں:

  • E-موڈ پولرائزیشن: اسکیلر کثافت کی خلل اندازیوں سے پیدا ہوتی ہے؛ پہلی بار 2002 میں DASI تجربے نے اس کا پتہ لگایا اور WMAP اور Planck نے اسے بالکل ناپا۔
  • B-موڈ پولرائزیشن: یہ ابتدائی کشش ثقل کی لہروں (مثلاً، انفلیشن سے) یا E-موڈز کے لینسنگ سے پیدا ہو سکتی ہے۔ ابتدائی B-موڈز کا پتہ لگانا انفلیشن کے لیے ایک "ثبوت" ہو سکتا ہے۔ جبکہ لینسنگ B-موڈز کا پتہ لگایا جا چکا ہے (مثلاً، POLARBEAR، SPT، اور Planck تعاونوں کے ذریعے)، ابتدائی B-موڈز کی تلاش جاری ہے۔

6. بڑے CMB تجربات

6.1 COBE (کوسمک بیک گراؤنڈ ایکسپلورر)

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

6.2 WMAP (ولکنسن مائیکروویو اینیسوٹروپی پروب)

  • 2001 میں NASA نے لانچ کیا۔
  • CMB درجہ حرارت (اور بعد میں پولرائزیشن) کے تفصیلی مکمل آسمانی نقشے فراہم کیے، زاویائی ریزولوشن تقریباً 13 آرک منٹ تک حاصل کی۔
  • بے مثال درستگی کے ساتھ اہم کاسمولوجیکل پیرامیٹرز کو بہتر بنایا، مثلاً کائنات کی عمر، ہبل کانسٹنٹ، تاریک مادے کی کثافت، اور تاریک توانائی کا تناسب۔

6.3 پلینک (ESA مشن)

  • 2009 سے 2013 تک کام کیا۔
  • WMAP کے مقابلے میں زاویائی ریزولوشن (~5 آرک منٹ تک) اور درجہ حرارت کی حساسیت میں بہتری کی۔
  • مکمل آسمان میں متعدد فریکوئنسیز (30–857 GHz) پر درجہ حرارت اور پولرائزیشن کی غیر یکسانیتوں کا نقشہ بنایا۔
  • اب تک کے سب سے تفصیلی 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 ظاہر ہوتا ہے کہ کائنات تقریباً مکانی طور پر ہموار ہے (Ωtotal ≈ 1)۔
  2. تاریک مادہ: صوتی چوٹیوں کی نسبتی بلندیوں سے تاریک مادہ (Ωc) اور بیریونک مادہ (Ωb) کی کثافت محدود ہوتی ہے۔
  3. تاریک توانائی: CMB کے ڈیٹا کو دیگر مشاہدات (جیسے سپرنووا فاصلے اور بیریون صوتی ارتعاشات) کے ساتھ ملا کر کائنات میں تاریک توانائی (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 (پلینک سے) ظاہر کرتے ہیں کہ H0 ≈ 67.4 ± 0.5 کلومیٹر فی سیکنڈ فی میگا پارسیک ہے، 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: ابتدا کے اتار چڑھاؤ کی شدت اور طیفی انڈیکس (As, ns) CMB انیسوٹروپیز سے محدود کیے جاتے ہیں، جو انفلیشنری ماڈلز پر حدود عائد کرتے ہیں۔

8. موجودہ اور مستقبل کے مشن

8.1 زمینی اور بیلون پر مبنی مشاہدات

WMAP اور پلانک کے بعد، متعدد اعلی حساسیت والے زمینی اور بیلون پر مبنی ٹیلی سکوپز CMB کے درجہ حرارت اور پولرائزیشن کی ہماری سمجھ کو بہتر بنانے کے لیے کام کر رہے ہیں:

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

8.2 B-موڈز کی تلاش

ایسے اقدامات جیسے BICEP، POLARBEAR، اور CLASS B-موڈ پولرائزیشن کا پتہ لگانے یا اس کی حد بندی پر توجہ مرکوز کرتے ہیں۔ اگر ابتدا کے B-موڈز کسی خاص سطح پر تصدیق ہو جائیں، تو یہ انفلیشن کے دور کی کشش ثقل کی لہروں کا 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 سکوپز کی بڑی تعداد نصب کرے گا، جس کا مقصد CMB پولرائزیشن کو بے مثال حساسیت کے ساتھ، خاص طور پر چھوٹے زاویائی پیمانوں پر، ناپنا ہے۔
  • LiteBIRD (منصوبہ بند JAXA مشن): ایک سیٹلائٹ جو بڑے پیمانے پر CMB پولرائزیشن کی پیمائش کے لیے وقف ہے، خاص طور پر ابتدا کے B-موڈز کے نشان کی تلاش کے لیے۔
  • CORE (تجویز کردہ ESA مشن، فی الحال منتخب نہیں): پلانک کی پولرائزیشن حساسیت کو بہتر بنائے گا۔

9. نتیجہ

کوسمک مائیکروویو بیک گراؤنڈ ابتدائی کائنات کی ایک منفرد جھلک فراہم کرتا ہے—جب یہ صرف چند لاکھ سال کا تھا۔ اس کے درجہ حرارت، پولرائزیشن، اور چھوٹے انیسوٹروپیز کی پیمائشوں نے بگ بینگ ماڈل کی تصدیق کی، ڈارک میٹر اور ڈارک انرجی کے وجود کو ثابت کیا، اور ہمیں ایک دقیق کاسمولوجیکل فریم ورک دیا جسے ΛCDM کہا جاتا ہے۔ مزید برآں، CMB طبیعیات کی حدود کو آگے بڑھاتا رہتا ہے: ابتدا کے کشش ثقل کی لہروں کی تلاش سے لے کر انفلیشنری ماڈلز کی جانچ اور ہبل ٹینشن سے متعلق ممکنہ نئی طبیعیات کی تحقیق تک۔

جیسے جیسے مستقبل کے تجربات حساسیت اور زاویائی ریزولوشن میں اضافہ کریں گے، ہم کاسمولوجیکل ڈیٹا کی ایک اور زیادہ بھرپور کٹائی کی توقع رکھتے ہیں۔ چاہے وہ 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 کاسمولوجی کے 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). “A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s.” The Astrophysical Journal, 142, 419–421. [Link]
  2. Mather, J. C., et al. (1994). “Measurement of the Cosmic Microwave Background Spectrum by the COBE FIRAS Instrument.” 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. کیمبرج یونیورسٹی پریس۔ – CMB کی دریافت اور اہمیت پر تاریخی اور سائنسی نقطہ نظر۔
  7. Kolb, E. W., & Turner, M. S. (1990). The Early Universe. ایڈیسن ویسلی۔ – ابتدائی کائنات کی طبیعیات اور CMB کے کردار کا جامع جائزہ۔
  8. Mukhanov, V. (2005). Physical Foundations of Cosmology. کیمبرج یونیورسٹی پریس۔ – کاسمی انفلیشن، CMB کی غیر یکسانیتوں، اور جدید کاسمولوجی کے نظریاتی اصولوں پر تفصیلی بحث۔

 

← پچھلا مضمون                    اگلا مضمون →

 

 

اوپر واپس جائیں

Back to blog