5 अरब प्रकाश-वर्ष दूर का ब्रह्मांडीय हाइड्रोजन 2018 से MeerKAT डेटा में छिपा था

जब सौरभ पॉल (Sourabh Paul) और उनके सहयोगियों ने पुरालेख की ओर रुख किया, तो वे एक ऐसे संकेत की तलाश में थे जिसे अधिकांश खगोलविदों का मानना था कि इसे ढूँढने के लिए दो दूरबीनों की ज़रूरत होगी। MeerKAT रेडियो डेटा के 96 घंटों से जो निकला, वह एक धुँधली 21-सेंटीमीटर फुसफुसाहट थी—उदासीन हाइड्रोजन का विशिष्ट रेडियो हस्ताक्षर, जो ब्रह्मांडीय इतिहास के दो उन क्षणों की जानकारी लेकर आया जब ब्रह्मांड लगभग नौ और दस अरब वर्ष पुराना था। यह संकेत 3.67 और 4.76 अरब प्रकाश-वर्ष की दूरी तय करके दक्षिण अफ्रीका के नॉर्दर्न केप में फैली 64 डिशों की सरणी तक पहुँचा था।

दूरी से कम महत्वपूर्ण यह है कि इसे सुनने में क्या लगा। इससे पहले हाइड्रोजन का इस तरह से पता लगाने के हर प्रयास में रेडियो प्रेक्षणों को एक प्रकाशिकीय दूरबीन द्वारा पहचानी गई आकाशगंगाओं की सूची के साथ क्रॉस-रेफरेंस करना आवश्यक था। इस बार, MeerKAT टीम को ऐसी किसी सूची की ज़रूरत नहीं पड़ी। यह खोज, The Astrophysical Journal Letters में प्रकाशित, अकेले काम करने वाली एकल रेडियो वेधशाला से पहला प्रत्यक्ष हाइड्रोजन इंटेंसिटी मैपिंग परिणाम है।

उन्होंने इसे कैसे सुना

उदासीन हाइड्रोजन परमाणु 21 सेंटीमीटर की सटीक तरंगदैर्ध्य पर रेडियो तरंगें उत्सर्जित करते हैं, जो हाइड्रोजन परमाणु में एकल इलेक्ट्रॉन के स्पिन पलटने पर उत्पन्न होती हैं। यह ब्रह्मांड में सबसे प्रचुर संकेतों में से एक है, लेकिन ब्रह्मांडीय दूरियों पर सबसे अधिक विसर्जित भी। हाइड्रोजन इंटेंसिटी मैपिंग अलग-अलग आकाशगंगाओं को पहचानने की कोशिश नहीं करती। यह एक साथ लाखों अविभाजित आकाशगंगाओं से संयुक्त रेडियो उत्सर्जन को मापती है। “इंटेंसिटी मैपिंग के साथ, हमें हर व्यक्तिगत आकाशगंगा का पता लगाने की ज़रूरत नहीं है,” पेपर के सह-लेखक डॉ. झाओटिंग चेन (Zhaoting Chen) ने कहा। यह तकनीक एक भीड़भाड़ वाले कमरे की पृष्ठभूमि शोर सुनने के करीब है, न कि किसी एक बातचीत को अलग करने के।

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बाधा अग्रभूमि संदूषण है। हमारी अपनी आकाशगंगा मिल्की वे का रेडियो उत्सर्जन ब्रह्मांडीय हाइड्रोजन संकेत की तुलना में कई परिमाणों में अधिक मजबूत है। स्थलीय हस्तक्षेप, उपकरणीय कलाकृतियाँ, और निकटवर्ती ब्रह्मांड में रेडियो-उत्सर्जक स्रोत—ये सभी अरबों प्रकाश-वर्ष दूर से आने वाली धुँधली फुसफुसाहट से प्रतिस्पर्धा करते हैं। टीम ने अंशांकन विधियाँ विकसित कीं जो हमारी आकाशगंगा से संबंधित चीज़ों को गहरे अतीत से संबंधित चीज़ों से अलग कर सकें, पूरी तरह से MeerKAT के रेडियो पुरालेख के साथ काम करते हुए।

परिणाम दो रेडशिफ्ट विंडो को कवर करता है, z ≈ 0.32 और z ≈ 0.44, जो कई लाख प्रकाश-वर्ष के पैमाने पर मापी गई हाइड्रोजन भिन्नताओं के अनुरूप है—मोटे तौर पर मिल्की वे और एंड्रोमेडा के बीच की दूरी के बराबर। ब्रह्मांडीय इतिहास का यह एक संकीर्ण हिस्सा है। लेकिन यह वास्तविक है, और बिना किसी प्रकाशिकीय डेटा के समर्थन से निकाला गया है।

जिसके लिए पहले दो दूरबीनों की ज़रूरत थी

पिछली मानक प्रक्रिया, रेडियो डेटा को एक प्रकाशिकीय आकाशगंगा सर्वेक्षण के साथ क्रॉस-सहसंबंधित करना, इसलिए काम करती थी क्योंकि प्रकाशिकीय रेडशिफ्ट आकाशगंगाओं के स्थान के लिए सटीक स्थितीय लंगर प्रदान करते हैं। रेडियो संकेत अपने आप में विशिष्ट स्रोतों को सौंपने के लिए बहुत धुँधला होता है, इसलिए इसे एक प्रकाशिकीय सूची के साथ जोड़ने से खगोलविदों को यह सत्यापित करने में मदद मिली कि वे जो देख रहे थे वह वास्तविक था। क्रॉस-सहसंबंध तकनीक ने खोजें तो दीं, लेकिन इसने एक सीमा लगा दी: हाइड्रोजन केवल वहीं मैप किया जा सकता था जहाँ प्रकाशिकीय सर्वेक्षण ने पहले से आकाश का कैटलॉग बना रखा था।

प्रत्यक्ष खोज उस सीमा को हटा देती है। एक रेडियो वेधशाला अब आकाश के उन क्षेत्रों और ब्रह्मांडीय समय के उन युगों में हाइड्रोजन का सर्वेक्षण कर सकती है जहाँ कोई प्रकाशिकीय सर्वेक्षण मौजूद नहीं है, या जहाँ प्रकाशिकीय सर्वेक्षण पहुँच नहीं सकते क्योंकि आकाशगंगाएँ बहुत धुँधली हैं। ब्रह्मांडीय जाल—डार्क मैटर और सामान्य पदार्थ के तंतु और रिक्तियाँ जो ब्रह्मांड को उसकी बड़े पैमाने की संरचना देते हैं—अब हाइड्रोजन के माध्यम से ट्रेस किया जा सकता है, भले ही प्रकाशिकीय सर्वेक्षणों ने उसी पैच को कवर किया हो या नहीं।

प्रमुख लेखक डॉ. सौरभ पॉल ने सीधे कहा: “MeerKAT के साथ इसे प्रत्यक्ष रूप से पकड़ना यह दर्शाता है कि यह तकनीक ब्रह्मांड विज्ञान के लिए एक व्यावहारिक उपकरण बन रही है।”

संकेत अभी हमें क्या नहीं बताता

96 घंटों के एकल डेटासेट से दो रेडशिफ्ट विंडो ब्रह्मांड का नक्शा नहीं हैं। वर्तमान परिणाम आकाश के एक सीमित पैच और ब्रह्मांडीय समय के दो विशिष्ट स्लाइस को कवर करता है। विस्तारित सर्वेक्षण—अधिक आकाश और अधिक युगों को कवर करने वाले—आवश्यक हैं, इससे पहले कि हाइड्रोजन इंटेंसिटी मैपिंग उन ब्रह्मांडीय मापदंडों को सीमित कर सके जिन्हें मापने के लिए इस तकनीक को डिज़ाइन किया गया था: हबल स्थिरांक, डार्क एनर्जी घनत्व, विभिन्न आयु में ब्रह्मांड की ज्यामिति।

अग्रभूमि हटाने की प्रक्रिया, सफल होने के बावजूद, व्यवस्थित अनिश्चितताएँ पैदा करती है जिन्हें सटीक रूप से मापना कठिन है। मिल्की वे के अपने उत्सर्जन को हटाने में कोई भी खामी एक अवशेष छोड़ देती है जो ब्रह्मांडीय संकेत को दूषित कर सकती है। विभिन्न वेधशालाओं या ताज़ा MeerKAT डेटा के साथ स्वतंत्र सत्यापन संकेत बनाम कलाकृति के प्रश्न को सुलझाने में मदद करेगा।

इस खोज में पहुँचे गए दो रेडशिफ्ट विंडो ब्रह्मांड की वर्तमान आयु के लगभग 70 और 66 प्रतिशत के अनुरूप हैं। ये वे युग नहीं हैं जहाँ डार्क एनर्जी और संरचना निर्माण सबसे उपयोगी ब्रह्मांडीय विरोधाभास पैदा करते हैं। भविष्य के प्रेक्षण जो उच्च रेडशिफ्ट की ओर धकेलेंगे, जहाँ डार्क एनर्जी और पदार्थ घनत्व के बीच प्रतिस्पर्धा संरचना के विकास में सबसे अधिक दिखाई देती है, हाइड्रोजन इंटेंसिटी मैपिंग के एक ब्रह्मांडीय जांच के रूप में वास्तविक परीक्षा होंगे।

हाइड्रोजन इंटेंसिटी मैपिंग के बारे में सामान्य प्रश्न

21-सेंटीमीटर रेखा क्या है और यह क्यों महत्वपूर्ण है?

उदासीन हाइड्रोजन परमाणु ठीक 21 सेंटीमीटर तरंगदैर्ध्य पर एक धुँधला रेडियो संकेत उत्सर्जित करते हैं, जो परमाणु के एकल इलेक्ट्रॉन में एक ऊर्जा संक्रमण के कारण होता है। चूँकि हाइड्रोजन ब्रह्मांड में सबसे प्रचुर तत्व है, यह उत्सर्जन ब्रह्मांड में हर जगह है। जैसे-जैसे ब्रह्मांड का विस्तार होता है, संकेत लंबी तरंगदैर्ध्य की ओर खिंच जाता है। उस खिंचाव को मापने से खगोलविदों को स्रोत की दूरी और प्रकाश के निकलने का समय दोनों पता चलता है। यह ब्रह्मांड का अंतर्निहित प्रसारण संकेत है, जो पहले परमाणुओं के बनने के बाद से लगातार प्रेषित हो रहा है।

MeerKAT ने यह खोज पहले क्यों नहीं की थी?

डेटा दूरबीन के संचालन के पहले वर्ष में एकत्र किया गया था। एक कार्यशील विश्लेषण विधि की पहचान करने, अग्रभूमि हटाने की तकनीकें विकसित करने, और उन्हें पुरालेखीय डेटासेट पर लागू करने में वर्षों का अंशांकन कार्य लगा। संकेत हमेशा डेटा में था। इसे साफ-सुथरा निकालने के लिए पद्धति को पकड़ना आवश्यक था। प्रोफेसर मारियो सैंटोस (Mario Santos) ने कहा कि यह “विशेष रूप से उल्लेखनीय” है कि खोज MeerKAT के परिचालन जीवन के इतने प्रारंभिक चरण में एकत्र किए गए डेटा से आई है।

स्क्वायर किलोमीटर ऐरे क्या है और यह परिणाम इसे कैसे सूचित करता है?

स्क्वायर किलोमीटर ऐरे ऑब्ज़र्वेटरी (SKAO), जो दक्षिण अफ्रीका और ऑस्ट्रेलिया में निर्माणाधीन है, के पास MeerKAT की तुलना में लगभग 50 गुना अधिक संग्रह क्षेत्र होगा। हाइड्रोजन इंटेंसिटी मैपिंग इसके केंद्रीय विज्ञान कार्यक्रमों में से एक होने की उम्मीद है। MeerKAT, SKAO का प्रत्यक्ष अग्रदूत है। यह प्रदर्शित करना कि प्रत्यक्ष हाइड्रोजन इंटेंसिटी मैपिंग व्यवहार में काम करता है, SKAO विज्ञान टीमों को मान्य विधियाँ और एक आधार रेखा प्रदान करता है जिसके विरुद्ध वे अपने पहले सर्वेक्षणों की योजना बना सकते हैं। प्रोफेसर लौरा वोल्ज़ (Laura Wolz) ने MeerKAT परिणाम को “SKAO के साथ भविष्य के प्रेक्षणों की ओर एक संकेतक” कहा।

क्या हाइड्रोजन इंटेंसिटी मैपिंग डार्क मैटर का पता लगाती है?

सीधे तौर पर नहीं। 21-सेंटीमीटर संकेत सामान्य हाइड्रोजन परमाणुओं से आता है। यह जो ट्रेस करता है वह सामान्य पदार्थ का बड़े पैमाने पर वितरण है, जो ब्रह्मांडीय इतिहास में डार्क मैटर द्वारा निर्मित गुरुत्वाकर्षणीय मचान का अनुसरण करता है। हाइड्रोजन मानचित्रों की तुलना आकाशगंगा वितरण और गुरुत्वाकर्षण लेंसिंग डेटा से करके, ब्रह्मांडविज्ञानी डार्क मैटर कणों का स्वयं पता लगाए बिना डार्क मैटर घनत्व और क्लस्टरिंग का अनुमान लगा सकते हैं।

टीम व्यापक आकाश कवरेज और लंबे प्रेक्षण रनों के लिए सर्वेक्षण का विस्तार करने की योजना बना रही है, खोज को उच्च रेडशिफ्ट और सघन हाइड्रोजन मानचित्रों की ओर धकेलते हुए। MeerKAT के पुरालेख में इसके संचालन के पहले वर्षों का डेटा है जिसका अभी तक इंटेंसिटी मैपिंग के लिए विश्लेषण नहीं किया गया है। 2018 के प्रेक्षणों से सुना गया संकेत कई अन्य संकेतों में से पहला हो सकता है जो मिलने की प्रतीक्षा कर रहे हैं।

Reference: Paul, S., Chen, Z., Santos, M.G., and Wolz, L., “A Direct Detection of Neutral Hydrogen Intensity Mapping on Mpc Scales at z ≈ 0.32 and z ≈ 0.44,” The Astrophysical Journal Letters, 2026. DOI: 10.3847/2041-8213/ae808f

टैग: 21-cm line, hydrogen intensity mapping, MeerKAT, radio astronomy, SKAO, Sourabh Paul

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