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ब्रह्मांड का इतिहास मोटे तौर पर तीन शासनों में विभाजित है जो हमारी वर्तमान समझ की स्थिति को दर्शाता है:मानक ब्रह्माण्ड विज्ञान सबसे विश्वसनीय रूप से स्पष्ट किया गया युग या युग है, जो बिग बैंग के बाद से लेकर आज तक एक सेकंड के लगभग सौवें हिस्से के बीच का समय है। इस युग में ब्रह्मांड के विकास के मानक मॉडल को कई कड़े अवलोकन परीक्षणों का सामना करना पड़ा है। ऐसा कहने के बाद भी, मानक ब्रह्मांड विज्ञान में अभी भी कई अनसुलझे मुद्दे हैं।
कण ब्रह्माण्ड विज्ञान तापमान व्यवस्था पर इससे पहले ब्रह्मांड की एक तस्वीर बनाता है जो अभी भी ज्ञात भौतिकी के अंतर्गत आता है। उदाहरण के लिए, CERN और फर्मिलैब में उच्च ऊर्जा कण त्वरक हमें उन प्रक्रियाओं के लिए भौतिक मॉडल का परीक्षण करने की अनुमति देते हैं जो बिग बैंग के केवल 0.00000000001 सेकंड बाद घटित होंगी। ब्रह्माण्ड विज्ञान का यह क्षेत्र अधिक काल्पनिक है, क्योंकि इसमें कम से कम कुछ एक्सट्रपलेशन शामिल है, और अक्सर कठिन गणना संबंधी कठिनाइयों का सामना करना पड़ता है। कई ब्रह्माण्ड विज्ञानियों का तर्क है कि भव्य एकीकरण चरण संक्रमण के समय के लिए उचित एक्सट्रपलेशन किए जा सकते हैं।
क्वांटम ब्रह्माण्ड विज्ञान ब्रह्माण्ड की उत्पत्ति के बारे में प्रश्नों पर विचार करता है। यह शुरुआती समय में क्वांटम प्रक्रियाओं का वर्णन करने का प्रयास करता है जिसे हम एक शास्त्रीय अंतरिक्ष-समय की कल्पना कर सकते हैं, यानी, ब्रह्मांड की शुरुआत से 0.00000000000000000000000000000000000000001 सेकंड तक का प्लैंक युग। यह देखते हुए कि हमारे पास अभी तक क्वांटम गुरुत्व का पूरी तरह से आत्मनिर्भर सिद्धांत नहीं है, ब्रह्मांड विज्ञान का यह क्षेत्र अधिक काल्पनिक है।
यहां दिया गया चित्र हमारे ब्रह्मांड के इतिहास में होने वाली मुख्य घटनाओं को दर्शाता है। प्रारंभिक घटनाओं को उचित पैमाने पर दिखाने के लिए ऊर्ध्वाधर समय अक्ष रैखिक नहीं है। जैसे-जैसे हम बिग बैंग की ओर समय में पीछे की ओर जाते हैं, तापमान बढ़ता है और भौतिक प्रक्रियाएँ अधिक तेज़ी से होती हैं। चित्र में कई बदलावों और घटनाओं को इन आउटरीच पृष्ठों के माध्यम से समझाया जाएगा।
मानक ब्रह्माण्ड विज्ञान के चार स्तंभ
मानक हॉट बिग बैंग मॉडल की चार प्रमुख अवलोकन संबंधी सफलताएँ निम्नलिखित हैं:
• ब्रह्माण्ड का विस्तार
• ब्रह्मांडीय पृष्ठभूमि विकिरण की उत्पत्ति
• प्रकाश तत्वों का न्यूक्लियोसिंथेसिस
• आकाशगंगाओं का निर्माण और बड़े पैमाने पर संरचना
ब्रह्मांड की शुरुआत लगभग चौदह अरब वर्ष पहले एक तीव्र विस्फोट से हुई थी; प्रारंभिक अति-सघन चरण में प्रत्येक कण हर दूसरे कण से अलग होने लगा। तथ्य यह है कि आकाशगंगाएँ सभी दिशाओं में हमसे दूर जा रही हैं, इस प्रारंभिक विस्फोट का परिणाम है और इसे सबसे पहले हबल द्वारा अवलोकन द्वारा खोजा गया था। अब हबल के नियम के उत्कृष्ट प्रमाण हैं जो बताते हैं कि किसी आकाशगंगा का पुनरावर्ती वेग v हमसे उसकी दूरी d के समानुपाती होता है, अर्थात v=Hd जहां H हबल का स्थिरांक है। आकाशगंगा प्रक्षेप पथों को समय में पीछे की ओर प्रक्षेपित करने का अर्थ है कि वे एक उच्च घनत्व अवस्था - प्रारंभिक आग के गोले - में परिवर्तित हो जाते हैं।
कोपर्निकन या ब्रह्माण्ड संबंधी सिद्धांत कहता है कि ब्रह्मांड अंतरिक्ष में हर बिंदु से हर दिशा में एक जैसा दिखाई देता है। यह इस बात पर जोर देने के समान है कि ब्रह्मांड में हमारी स्थिति - सबसे बड़े पैमाने के संबंध में - किसी भी तरह से पसंदीदा नहीं है। इस दावे के लिए पर्याप्त अवलोकन संबंधी सबूत हैं, जिनमें आकाशगंगाओं और कमजोर रेडियो स्रोतों के मापा वितरण शामिल हैं, हालाँकि सबसे अच्छा सबूत अवशेष ब्रह्मांडीय माइक्रोवेव पृष्ठभूमि विकिरण की लगभग पूर्ण एकरूपता से आता है। इसका मतलब यह है कि ब्रह्मांड में कहीं भी कोई भी पर्यवेक्षक हमारे जैसा ही दृश्य का आनंद उठाएगा, जिसमें यह अवलोकन भी शामिल है कि आकाशगंगाएँ उनसे दूर जा रही हैं।
यह तथ्य कि ब्रह्मांड का विस्तार हो रहा है - अंतरिक्ष में हर बिंदु के बारे में - समझना एक कठिन अवधारणा हो सकती है। एक विस्तारित गुब्बारे की सादृश्यता सहायक हो सकती है: एक गुब्बारे की सतह पर एक घुमावदार समतल भूमि में रहने की कल्पना करें। जैसे-जैसे गुब्बारा फुलाया जाता है, सभी पड़ोसी बिंदुओं के बीच की दूरी बढ़ती जाती है; द्वि-आयामी ब्रह्मांड बढ़ता है लेकिन कोई पसंदीदा केंद्र नहीं है।
जब हम दूर-दूर की आकाशगंगाओं को देखते हैं, तो हम देखते हैं कि वे सभी हमसे दूर जा रही हैं। और, आकाशगंगा जितनी दूर है, वह उतनी ही तेजी से आगे बढ़ रही है। ऐसा इसलिए हो रहा है क्योंकि आकाशगंगाओं के बीच का स्थान खिंच रहा है। इससे कोई फ़र्क नहीं पड़ता कि आप ब्रह्माण्ड में कहाँ हैं, हर चीज़ आपसे दूर जाती हुई प्रतीत होती है। ऐसा क्यों होता है यह समझने में मदद के लिए आप गुब्बारे के साथ एक प्रयोग कर सकते हैं। इसका मतलब है कि संपूर्ण ब्रह्मांड का विस्तार हो रहा है। यह बिग बैंग सिद्धांत के लिए साक्ष्य का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है।1929 में एडविन हबल ने उस गति को मापा जिस गति से आकाशगंगाएँ हमसे दूर जा रही हैं। उन्होंने बहुत सारी आकाशगंगाओं से प्रकाश को देखा और प्रकाश में रेडशिफ्ट की मात्रा को मापा। हबल ने एक खोज करने के लिए अपने परिणामों का उपयोग किया। आकाशगंगाएँ जितनी अधिक दूर थीं, उनकी गति उतनी ही तेज़ थी। गति और दूरी के बीच के इस संबंध को अब हबल का नियम कहा जाता है।
जिस दर से ब्रह्मांड का विस्तार हो रहा है उसे हबल स्थिरांक कहा जाता है। हबल स्थिरांक के लिए सटीक और सटीक संख्या प्राप्त करना बहुत कठिन है। वैज्ञानिकों ने इसे हल करने के लिए अलग-अलग तरीकों का इस्तेमाल किया है । खगोलशास्त्री अभी तक नहीं जानते कि ऐसा क्यों हो रहा होगा। एक विचार यह है कि कोई ऐसी शक्ति हो सकती है जो आकाशगंगाओं को अलग कर रही है। खगोलशास्त्रियों ने इस बल को डार्क एनर्जी नाम दिया है।
बिग बैंग के लगभग एक सेकंड पहले, पदार्थ - मुक्त न्यूट्रॉन और प्रोटॉन के रूप में - बहुत गर्म और घना था। जैसे-जैसे ब्रह्मांड का विस्तार हुआ, तापमान में गिरावट आई और इनमें से कुछ न्यूक्लियॉन को प्रकाश तत्वों में संश्लेषित किया गया: ड्यूटेरियम (डी - एक न्यूट्रॉन के साथ एक हाइड्रोजन परमाणु और इसके नाभिक के अंदर एक प्रोटॉन), हीलियम -3 (इसके नाभिक में केवल एक न्यूट्रॉन के साथ हीलियम) ), और हीलियम-4 । उदाहरण के लिए, इन परमाणु प्रक्रियाओं के लिए सैद्धांतिक गणना भविष्यवाणी करती है कि ब्रह्मांड का लगभग एक चौथाई हिस्सा हीलियम -4 से बना है, जिसका परिणाम वर्तमान तारकीय अवलोकनों के साथ अच्छे समझौते में है।
भारी तत्व, जिनसे हम आंशिक रूप से बने हैं, बाद में तारों के अंदरूनी हिस्सों में बने और सुपरनोवा विस्फोटों में व्यापक रूप से फैल गए।
मानक हॉट बिग बैंग मॉडल एक रूपरेखा भी प्रदान करता है जिसमें आज ब्रह्मांड में देखी गई आकाशगंगाओं और अन्य बड़े पैमाने की संरचनाओं के निर्माण के लिए पदार्थ के पतन को समझा जा सकता है। बिग बैंग के लगभग 10,000 साल बाद, तापमान इस हद तक गिर गया कि ब्रह्मांड के ऊर्जा घनत्व पर प्रोटॉन, न्यूट्रॉन और इलेक्ट्रॉन जैसे बड़े कणों का प्रभुत्व होने लगा। मुख्य पदार्थ के घनत्व के रूप में इस परिवर्तन का मतलब है कि बड़े कणों के बीच गुरुत्वाकर्षण बल प्रभाव डालना शुरू कर सकते हैं, जिससे उनके घनत्व में कोई भी छोटी गड़बड़ी बढ़ जाएगी। दस अरब से अधिक वर्षों के बाद हम इस पतन के परिणाम देखते हैं।
हमारी अपनी आकाशगंगा में लगभग 200 अरब तारे हैं, हमारा अपना सूर्य इसका एक विशिष्ट नमूना है। यह एक काफी बड़ी सर्पिल आकाशगंगा है और इसके तीन मुख्य घटक हैं: एक डिस्क, जिसमें सौर मंडल रहता है, कोर में एक केंद्रीय उभार, और एक सर्वव्यापी प्रभामंडल। ब्रह्मांड की शुरुआत लगभग 14,000 मिलियन वर्ष पहले बिग बैंग से हुई थी। जब वह छोटा था, तो ब्रह्मांड बहुत गर्म और घना था। तब से, यह ठंडा हो रहा है और बड़ा हो रहा है।
बिग बैंग के बाद एक सेकंड के पहले छोटे से हिस्से के लिए, सब कुछ इतना गर्म था कि हम इसका वर्णन नहीं कर सकते कि यह कैसा था। यह किसी भी भौतिकी जैसा नहीं था जिसे हम अब देखते या अनुभव करते हैं। लेकिन हम विज्ञान का उपयोग यह पता लगाने के लिए कर सकते हैं कि 10-43 सेकंड से लेकर बिग बैंग के बाद क्या हुआ।
हम जिस आकाशगंगा में रहते हैं उसे आकाशगंगा कहते हैं। चूँकि हम इसके अंदर रहते हैं, इसलिए इसका आकार देखना कठिन है। पृथ्वी से, हम रात के आकाश में एक धुंधली, सफेद पट्टी फैली हुई देखते हैं। यह नाम लैटिन शब्द से आया है जिसका अर्थ है "दूधिया पथ"। इस बैंड को ध्यान से देखने पर पता चलता है कि यह अरबों तारों से मिलकर बना है। उन तारों से आने वाला अधिकांश प्रकाश आकाशगंगा में गैस और धूल के कारण अवरुद्ध हो जाता है। यह गैस और धूल ही हैं जो अंततः नए तारे बनाएंगे।
टेलीस्कोपों ने तारों की स्थिति को सटीक रूप से मापा है और पाया है कि आकाशगंगा एक अवरुद्ध सर्पिल आकाशगंगा है। इसके अंदर 200,000,000,000 (200 अरब) से अधिक तारे हैं। यह डिस्क के आकार का होता है जिसके बीच में एक उभार होता है। आकाशगंगा लगभग 100,000 प्रकाश-वर्ष चौड़ी और 1000 प्रकाश-वर्ष मोटी है। सूर्य आकाशगंगा की सर्पिल भुजाओं में से एक पर है, जो केंद्र से दो-तिहाई दूरी पर है। जिस प्रकार पृथ्वी सूर्य की परिक्रमा करती है, उसी प्रकार सूर्य आकाशगंगा के केंद्र की परिक्रमा करता है। यह लगभग 220 किमी/सेकंड की गति से यात्रा करता है। इस गति से भी हमारे सूर्य को आकाशगंगा की एक पूर्ण परिक्रमा पूरी करने में लगभग 225 मिलियन वर्ष लगते हैं।
10-6 सेकंड तक: हल्के कण
क्वार्क, इलेक्ट्रॉन और न्यूट्रिनो जैसे उपपरमाण्विक कण मौजूद हैं। इस बिंदु पर, "सामान्य" भौतिकी के काम करने के लिए ब्रह्मांड बहुत गर्म और घना है। यहाँ तक कि गुरुत्वाकर्षण जैसी शक्तियाँ भी अलग-अलग तरीकों से कार्य करती हैं। विशाल कण त्वरक में प्रयोग हमें यह पता लगाने में मदद करते हैं कि भौतिकी इस तरह की चरम स्थितियों में कैसे काम करती है।
10-6 सेकंड के बाद: प्रोटॉन और न्यूट्रॉन का निर्माण हुआ
अब तक, केवल बहुत ही हल्के कण ही अस्तित्व में रह सकते थे। अब ब्रह्मांड प्रोटॉन और न्यूट्रॉन जैसे भारी कणों के निर्माण के लिए पर्याप्त ठंडा है।
लगभग 1 सेकंड के बाद: तत्व बनाना
1 सेकंड के बाद, चीजें हाइड्रोजन नाभिक के अस्तित्व के लिए पर्याप्त रूप से ठंडी हो गईं। कुछ हाइड्रोजन नाभिक मिलकर हीलियम नाभिक बनाते हैं। ब्रह्मांड में हाइड्रोजन की बड़ी मात्रा बिग बैंग के सबूतों में से एक है।
लगभग 380,000 वर्षों के बाद: सामान्य परमाणुओं का निर्माण हुआ
ब्रह्मांड अब परमाणुओं के अस्तित्व के लिए पर्याप्त ठंडा है। इस बिंदु से पहले, ब्रह्मांड इतना गर्म था कि इलेक्ट्रॉन एक नाभिक के चारों ओर कक्षा में नहीं रह सकते थे।
परमाणु फोटॉन या प्रकाश के रूप में अतिरिक्त ऊर्जा छोड़ते हैं। तो यह तब भी होता है जब कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड बनाया जाता है।
लगभग 400 मिलियन वर्षों के बाद: पहले तारे। हाइड्रोजन के विशाल बादल अपने ही गुरुत्वाकर्षण के कारण ढह जाते हैं। यह अंदर इतना गर्म है कि पहले तारे चमकना शुरू कर सकें। ये तारे उन भारी तत्वों का निर्माण करते हैं जिन्हें हम आज ब्रह्मांड में देखते हैं।
हज़ारों लाखों वर्षों के बाद: आकाशगंगाएँ बनती हैं। गुरुत्वाकर्षण पदार्थ के गुच्छों को एक साथ खींचता है। तारों का विशाल संग्रह पहली आकाशगंगाओं का निर्माण करता है। हमारा सौर मंडल आकाशगंगा में धूल और गैस के विशाल बादल से बनता है। इस धूल और गैस में वे तत्व शामिल हैं जो पहले के तारों में बने थे। 99% से अधिक बादल सूर्य बन जाता है। बाकी हमारे सौर मंडल के ग्रह और अन्य पिंड बन जाते हैं।
कुल मिलाकर, एक आकाशगंगा को उसकी तारकीय सामग्री के माध्यम से देखा और परिभाषित किया जाता है। इसलिए, आकाशगंगा निर्माण के किसी भी सिद्धांत को इस प्रश्न का समाधान करना होगा कि तारे कैसे बनते हैं। जैसा कि हमने पिछले अध्याय में देखा है, आकाशगंगा के आकार के प्रभामंडल में बैरोनिक गैस प्रभामंडल की उम्र से कम समय के भीतर ठंडी हो सकती है। नतीजतन, गैस के दबाव का समर्थन खोने और हेलो क्षमता के केंद्र की ओर प्रवाहित होने की उम्मीद है, जिससे इसका घनत्व बढ़ जाएगा। एक बार जब इसका घनत्व प्रभामंडल के मध्य भाग में काले पदार्थ के घनत्व से अधिक हो जाता है, तो ठंडी गैस स्वयं गुरुत्वाकर्षण बन जाती है और अपने गुरुत्वाकर्षण के तहत ढह जाती है। जैसा कि हमने पिछले अध्याय में देखा है, कुशल शीतलन की उपस्थिति में, स्व-गुरुत्वाकर्षण गैस अस्थिर होती है और भयावह रूप से ढह सकती है। अंततः, इस शीतलन प्रक्रिया से घने, ठंडे गैस बादलों का निर्माण हो सकता है जिसके भीतर तारे का निर्माण हो सकता है। इस अध्याय में हम तारा निर्माण की वास्तविक प्रक्रिया पर करीब से नज़र डालेंगे।
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