ब्रह्मांड का 95% भाग प्रत्यक्ष अवलोकन से परे है। जिसे हम "डार्क" कहते हैं, वह वास्तव में केवल अज्ञात पदार्थ है — और शायद आधुनिक भौतिकी का सबसे बड़ा अनसुलझा प्रश्न।
दो शक्तियाँ जिन्हें हम देख नहीं सकते — केवल उनका प्रभाव।
प्लैंक मिशन (ESA, 2009–2013, अंतिम विश्लेषण 2018) ने कॉस्मिक माइक्रोवेव पृष्ठभूमि विकिरण के सूक्ष्म तापमान उतार-चढ़ावों से ब्रह्मांड की संरचना को अब तक की सबसे उच्च सटीकता के साथ पुनर्निर्मित किया है। परिणाम हमारी आत्म-छवि के लिए निराशाजनक है: जो कुछ भी परमाणुओं से बना है — तारे, ग्रह, गैस, हम स्वयं — वह ब्रह्मांड के ऊर्जा घनत्व का केवल लगभग 5% ही बनाता है।
शेष हिस्सा दो घटकों में बंटा है, जिन्हें हम केवल उनके गुरुत्वाकर्षण और ब्रह्मांड विज्ञान संबंधी प्रभावों के माध्यम से अप्रत्यक्ष रूप से जानते हैं: डार्क मैटर, जो सामान्य पदार्थ की तरह गुरुत्वाकर्षण से कार्य करता है, लेकिन कोई प्रकाश उत्सर्जित, अवशोषित या परावर्तित नहीं करता — और डार्क एनर्जी, जो ब्रह्मांड को एक कमज़ोर, प्रतिकर्षी प्रभाव देती है और इसके विस्तार को गति देती है। दोनों घटनाओं की सैद्धांतिक रूप से पहले से भविष्यवाणी नहीं की गई थी, बल्कि उन अवलोकनों से इनका पता चला जो स्थापित धारणा के विपरीत थे: डार्क मैटर का 1930 और 1970 के दशक में अत्यधिक तेज़ आकाशगंगा गतियों से, और डार्क एनर्जी का पहली बार 1998 में अत्यंत मंद, दूर स्थित सुपरनोवा से। आगे के अध्याय दिखाते हैं कि दोनों निशान कैसे खोजे गए — और आज तक हम उनकी वास्तविक प्रकृति के बारे में कितना कम जानते हैं।
1933 में खगोलशास्त्री फ्रिट्ज़ ज्विकी ने पाया कि कोमा आकाशगंगा समूह में आकाशगंगाएं उससे कहीं तेज़ गति से चल रही थीं, जितनी समूह के दृश्य द्रव्यमान से संभव होनी चाहिए थी — उन्होंने इस लापता द्रव्यमान को "डार्क मैटर" नाम दिया, हालांकि वैज्ञानिक समुदाय ने शुरू में इस अवलोकन को अधिक महत्व नहीं दिया। निर्णायक, व्यापक रूप से स्वीकृत प्रमाण 1970 के दशक में वेरा रुबिन और केंट फोर्ड ने दिया: उन्होंने एंड्रोमेडा जैसी सर्पिल आकाशगंगाओं में तारों और गैस की घूर्णन गति को आकाशगंगा केंद्र से दूरी के आधार पर मापा।
वेरा रुबिन और केंट फोर्ड, 1970 के दशक के अनुसार योजनाबद्ध निरूपण — एक सर्पिल आकाशगंगा के सामान्य परिमाण।
न्यूटन के गुरुत्वाकर्षण नियमों और दृश्य द्रव्यमान वितरण के अनुसार, घनी केंद्रीय क्षेत्र के बाहर दूरी बढ़ने के साथ घूर्णन गति कम होनी चाहिए थी — ठीक वैसे ही जैसे सूर्य के चारों ओर बाहरी ग्रहों की परिक्रमा गति घटती है। इसके विपरीत, मापी गई गति चमकदार डिस्क से बहुत दूर तक भी लगभग स्थिर बनी रही। ज्ञात भौतिकी के दायरे में इसकी एकमात्र व्याख्या यह है: आकाशगंगाएं पदार्थ के एक विशाल, अदृश्य प्रभामंडल (हेलो) से घिरी हुई हैं, जिसका गुरुत्वाकर्षण बाहरी तारों को उनकी कक्षा में बनाए रखता है।
उनके पास पहले से ही 1933 में निर्णायक संकेत था: उन्होंने कोमा समूह में लापता द्रव्यमान को "dunkle Materie" (मूल जर्मन शब्द) नाम दिया — यह शब्द उन्होंने कैलिफ़ोर्निया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी में एक जर्मन-भाषी स्विस खगोलशास्त्री के रूप में स्वयं गढ़ा था। उनकी मापन पद्धति (समूह गतियों पर लागू विरियल प्रमेय) कार्यप्रणाली की दृष्टि से विवादास्पद थी, उनके आंकड़े अनुमानित थे — और उनके विचार को दशकों तक एक जिज्ञासा मात्र मानकर खारिज किया जाता रहा। तभी रुबिन के सटीक, लगभग निर्विवाद घूर्णन वक्रों ने एक अकेले वैज्ञानिक की हाशिए की टिप्पणी को आधुनिक ब्रह्मांड विज्ञान के केंद्रीय स्तंभों में से एक बना दिया।
घूर्णन वक्र केवल शुरुआत थे। तब से पूरी तरह भिन्न अवलोकन विधियों से स्वतंत्र प्रमाण एकत्र हुए हैं — जिनमें से प्रत्येक एक अदृश्य, लेकिन गुरुत्वाकर्षण की दृष्टि से सक्रिय घटक की तस्वीर का समर्थन करता है।
शायद ही किसी अन्य तंत्र में डार्क मैटर को बुलेट क्लस्टर (1E 0657-56) जितनी स्पष्टता से दिखाया जा सकता है: चंद्र दूरबीन की एक्स-रे तस्वीरें दिखाती हैं कि गर्म, चमकदार गैस द्रव्यमान — सामान्य पदार्थ का अधिकांश भाग — कहां स्थित है। कमज़ोर गुरुत्वाकर्षण लेंसिंग मानचित्र स्वतंत्र रूप से दिखाते हैं कि वास्तविक कुल द्रव्यमान कहां स्थित है। दोनों वितरण एक-दूसरे से स्पष्ट रूप से अलग स्थित हैं।
इस स्थानिक पृथक्करण को केवल संशोधित गुरुत्वाकर्षण से समझाना कठिन है, और 2006 में इसके प्रकाशन के बाद से यह एक स्वतंत्र, शायद ही परस्पर क्रिया करने वाले पदार्थ रूप के सबसे प्रत्यक्ष प्रमाणों में से एक माना जाता है।
खगोल भौतिकविदों के बीच यह माना जाता है कि डार्क मैटर का अस्तित्व सुदृढ़ रूप से स्थापित है। यह क्या है, यह प्रश्न अभी भी खुला है। खोज तीन बहुत भिन्न उम्मीदवार श्रेणियों पर केंद्रित है:
सबसे व्यापक प्रयोग प्रत्यक्ष पहचान की खोज करते हैं: XENONnT (ग्रान सासो, इटली) और LUX-ZEPLIN (साउथ डकोटा, USA) जैसे डिटेक्टर गहरे भूमिगत प्रयोगशालाओं में टनों अति-शुद्ध, तरल ज़ेनॉन का अवलोकन करते हैं और एक WIMP कण के दुर्लभ संकेत की प्रतीक्षा करते हैं, जो किसी ज़ेनॉन परमाणु नाभिक से टकराए। अब तक कोई ठोस संकेत नहीं मिला है। हर नई शून्य-माप संभावित पैरामीटर स्पेस के और क्षेत्रों को बाहर कर देती है, बिना प्रश्न का उत्तर दिए — यहां यह ईमानदारी से स्वीकार करना ज़रूरी है कि कोई निश्चित उत्तर नहीं दिया जा सकता: डार्क मैटर की प्रकृति भौतिकी के सबसे सक्रिय और सबसे कम सुलझे हुए शोध क्षेत्रों में से एक है।
"डार्क मैटर" यह नहीं बताता कि यह पदार्थ वास्तव में क्या है — यह नाम केवल यह वर्णन करता है कि यह क्या नहीं करता: यह कोई प्रकाश उत्सर्जित नहीं करता, न ही अवशोषित करता है और न ही परावर्तित करता है। इसे उतनी ही आसानी से "अदृश्य पदार्थ" या केवल "पदार्थ X" भी कहा जा सकता था। यही बात "डार्क एनर्जी" पर भी लागू होती है: यह एक मापे गए प्रभाव — त्वरित विस्तार — के लिए एक अस्थायी नाम है, जिसका भौतिक कारण अज्ञात है। दोनों शब्द ज्ञान में एक कमी को स्वीकार करते हैं, कोई व्याख्या नहीं देते।
1998 में दो स्वतंत्र टीमों — शाऊल पर्लमटर के नेतृत्व में सुपरनोवा कॉस्मोलॉजी प्रोजेक्ट और ब्रायन श्मिट व एडम रीस के नेतृत्व में हाई-Z सुपरनोवा सर्च टीम — ने एक ऐसा अवलोकन प्रकाशित किया, जिसकी किसी को उम्मीद नहीं थी। उन्होंने टाइप Ia सुपरनोवा को "मानक मोमबत्तियों" के रूप में इस्तेमाल किया: श्वेत वामन तारों के ये विस्फोट एक ज्ञात, लगभग समान अधिकतम चमक तक पहुंचते हैं, जिससे उनकी दृश्य चमक से दूरी सटीक रूप से निर्धारित की जा सकती है। लेकिन दूर स्थित — और इसलिए समय में पहले के — सुपरनोवा व्यवस्थित रूप से उतने चमकीले नहीं दिखे, जितनी उम्मीद पदार्थ और गुरुत्वाकर्षण द्वारा धीमे किए जा रहे ब्रह्मांड से की जानी चाहिए थी। इसकी एकमात्र सुसंगत व्याख्या: ब्रह्मांड का विस्तार धीमा नहीं हो रहा, बल्कि तेज़ हो रहा है। इस खोज के लिए पर्लमटर, श्मिट और रीस को 2011 में भौतिकी का नोबेल पुरस्कार मिला।
आइंस्टीन ने 1917 में अपने क्षेत्र समीकरणों में एक अतिरिक्त पद जोड़ा, कॉस्मोलॉजिकल कॉन्स्टेंट Λ, ताकि एक स्थिर ब्रह्मांड संभव हो सके — और हबल द्वारा विस्तार की खोज के बाद इसे अपनी "सबसे बड़ी भूल" कहकर त्याग दिया। 1998 के बाद Λ वापस लौटा, इस बार डार्क एनर्जी की सबसे सरल व्याख्या के रूप में: एक स्थिर निर्वात ऊर्जा घनत्व।
समस्या यह है: क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत एक निर्वात ऊर्जा घनत्व की भविष्यवाणी करता है, जो देखे गए मान से लगभग 120 परिमाण (ऑर्डर ऑफ मैग्निट्यूड) अधिक है — जिसे अक्सर भौतिकी के इतिहास की सबसे खराब मात्रात्मक भविष्यवाणी कहा जाता है। देखा गया, अत्यंत छोटा लेकिन शून्य से भिन्न मान कहां से आता है, यह अज्ञात है।
यदि डार्क एनर्जी वास्तव में एक वास्तविक कॉस्मोलॉजिकल कॉन्स्टेंट के अनुरूप है, तो ब्रह्मांड का भविष्य पहले से ही काफी हद तक तय है: एक अनंत, त्वरित होता विस्तार। पसंदीदा परिदृश्य का नाम बहुत साधारण है — बिग फ्रीज़, जिसे ताप मृत्यु भी कहा जाता है। तारे अपना ईंधन खत्म कर देते हैं, आकाशगंगाएं अपने-अपने अवलोकन योग्य क्षितिज से बाहर खो जाती हैं, पदार्थ अकल्पनीय समयावधियों में क्षय हो जाता है, जब तक कि ब्रह्मांड एक ठंडा, अत्यंत विरल संतुलन प्राप्त न कर ले।
स्केल फैक्टर का योजनाबद्ध वक्र — पदार्थ प्रभुत्व में मंद विस्तार, ~5 अरब वर्षों पर संक्रमण, तब से त्वरण।
वैकल्पिक परिदृश्य — एक पुनः संकुचन (बिग क्रंच, पर्याप्त पदार्थ और गुरुत्वाकर्षण होने पर) या स्वयं स्पेसटाइम का विखंडन (बिग रिप, लगातार बढ़ती डार्क एनर्जी के साथ) — आज के मापों के अनुसार काफी हद तक असंभावित माने जाते हैं। निरंतर विस्तार का अवलोकन योग्य क्षेत्र की सीमा के लिए और हमारी भौतिक पहुंच से परे के प्रश्नों के लिए क्या अर्थ है, इसे कॉस्मोलॉजिकल सीमाओं पर अलग अवलोकन में विस्तार से बताया गया है।
बिग फ्रीज़ तक का रास्ता लाखों वर्षों का मामला नहीं, बल्कि ऐसे परिमाणों का है, जिनके सामने कॉस्मोलॉजिकल समयावधियां भी छोटी लगती हैं। तारकीय युग (Stelliferous Era) में, जिसमें हम अभी हैं, तारे अभी भी जल रहे हैं (लगभग 10¹⁴ वर्ष तक)। इसके बाद अपभ्रष्ट युग (Degenerate Era) शुरू होता है, जिसमें केवल श्वेत और ब्राउन वामन तारे शेष रह जाते हैं, और फिर ब्लैक होल युग (Black-Hole-Era) आता है, जिसमें स्वयं ब्लैक होल भी हॉकिंग विकिरण के माध्यम से वाष्पित हो जाते हैं (~10¹⁰⁰ वर्ष)। इसके बाद क्या बचता है, यह कॉस्मोलॉजिकल सीमाओं का विषय है — यहां यह संक्षिप्त दृष्टिकोण पर्याप्त है कि यदि Λ स्थिर रहा, तो ब्रह्मांड का अंत एक धमाका नहीं, बल्कि एक धीमी समाप्ति होगी।
सभी प्रगति के बावजूद कम से कम एक ठोस विरोधाभास बना हुआ है: ब्रह्मांड की वर्तमान विस्तार दर (हबल स्थिरांक H₀) मापने की दो स्वतंत्र, उच्च-सटीकता वाली विधियां ऐसे मान देती हैं, जो सांख्यिकीय रूप से एक-दूसरे से मेल नहीं खाते।
कॉस्मिक दूरी सीढ़ी के माध्यम से स्थानीय माप लगभग 73.0 किमी/सेकंड/Mpc देते हैं। ΛCDM मानक मॉडल मानकर कॉस्मिक माइक्रोवेव पृष्ठभूमि विकिरण से की गई पश्च-गणना लगभग 67.4 किमी/सेकंड/Mpc देती है — लगभग 8–9% का अंतर, जो कोई मापन शोर नहीं है। यह समाधान अनदेखी व्यवस्थित त्रुटियों में है, डार्क एनर्जी की नई भौतिकी में है, या अब तक अज्ञात कणों में — यह कॉस्मोलॉजी के सबसे सक्रिय खुले प्रश्नों में से एक है।
हबल तनाव कोई मामूली समस्या नहीं है, बल्कि उस मूल मात्रा से जुड़ा है जिससे ब्रह्मांड में हर दूरी को कैलिब्रेट किया जाता है। यदि यह एक मापन त्रुटि साबित हो, तो ΛCDM बरकरार रहेगा। यदि यह आगे भी पुष्ट होता रहे, तो यह पहला ठोस संकेत हो सकता है कि डार्क एनर्जी — या डार्क मैटर — साधारण कॉस्मोलॉजिकल कॉन्स्टेंट की अपेक्षा कहीं अधिक जटिल है। दोनों संभावनाएं हबल तनाव को भौतिकी के इस अध्याय के सबसे रोमांचक खुले सिरों में से एक बनाती हैं।