प्रारंभिक ब्रह्मांड: सबसे दूर स्थित आकाशगंगा "JADES-GS-z14-0" आकाशगंगा निर्माण मॉडल को चुनौती देती है  

जनवरी 14 में किए गए अवलोकनों के आधार पर चमकदार आकाशगंगा JADES-GS-z0-2024 के वर्णक्रमीय विश्लेषण से 14.32 की लाल विचलन का पता चला जो इसे ज्ञात सबसे दूर की आकाशगंगा बनाता है (पिछली सबसे दूर की आकाशगंगा Z = 13 के लाल विचलन पर JADES-GS-z0-13.2 थी)। यह बिग बैंग के लगभग 290 मिलियन वर्ष बाद प्रारंभिक ब्रह्मांड में बनी थी। तारों की प्रचुर मात्रा से पता चलता है कि यह विशाल है और आकार में 1,600 प्रकाश वर्ष से अधिक है। ब्रह्मांडीय भोर में प्रारंभिक ब्रह्मांड में इतनी चमकदार, विशाल और बड़ी आकाशगंगा आकाशगंगा निर्माण की वर्तमान समझ को चुनौती देती है। ब्रह्मांड के पहले तारे शून्य-धातु या अत्यंत कम-धातु वाले पॉप III तारे थे। हालांकि, जेएडीईएस-जीएस-जेड14-0 आकाशगंगा के अवरक्त गुणों के अध्ययन से ऑक्सीजन की उपस्थिति का पता चलता है जिसका अर्थ है धातु संवर्धन, जिसका अर्थ है कि विशाल सितारों की पीढ़ियों ने जन्म से लेकर सुपरनोवा विस्फोट तक अपने जीवन-काल को प्रारंभिक ब्रह्मांड में लगभग 290 मिलियन वर्ष पहले ही पूरा कर लिया था। इस प्रकार, इस आकाशगंगा के गुण प्रारंभिक ब्रह्मांड में आकाशगंगा निर्माण की वर्तमान समझ से अलग हैं।   

बिग बैंग के लगभग 380,000 वर्ष बाद, प्रारंभिक ब्रह्मांड आयनित गैसों से भरा हुआ था और मुक्त इलेक्ट्रॉनों द्वारा फोटॉनों के प्रकीर्णन के कारण पूरी तरह अपारदर्शी था। इसके बाद प्रारंभिक ब्रह्मांड का उदासीन युग आया जो लगभग 400 करोड़ वर्षों तक चला। इस युग में, ब्रह्मांड उदासीन और पारदर्शी था। ब्रह्मांड के पारदर्शी होने पर पहला प्रकाश प्रकट हुआ, विस्तार के कारण यह माइक्रोवेव रेंज में रेड शिफ्ट हो गया, और अब इसे कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड (सीएमबी) के रूप में देखा जाता है। चूंकि ब्रह्मांड उदासीन गैसों से भरा हुआ था, इसलिए कोई प्रकाशीय संकेत उत्सर्जित नहीं हुआ (इसलिए इसे अंधकार युग कहा जाता है)। गैर-आयनित पदार्थ प्रकाश उत्सर्जित नहीं करते हैं, इसलिए उदासीन युग के प्रारंभिक ब्रह्मांड के अध्ययन में कठिनाई होती है। हालांकि, इस युग के दौरान ठंडे, उदासीन ब्रह्मांडीय हाइड्रोजन द्वारा समानांतर स्पिन से अधिक स्थिर एंटी-पैरेलल स्पिन में हाइपरफाइन संक्रमण के कारण उत्सर्जित 21 सेमी तरंग दैर्ध्य (1420 मेगाहर्ट्ज के अनुरूप) का माइक्रोवेव विकिरण खगोलविदों को अध्ययन के अवसर प्रदान करता है। पृथ्वी पर पहुँचने पर यह 21 सेंटीमीटर माइक्रोवेव विकिरण रेडशिफ्ट हो जाएगा और 200 मेगाहर्ट्ज से 10 मेगाहर्ट्ज आवृत्तियों पर रेडियो तरंगों के रूप में देखा जाएगा। REACH (रेडियो एक्सपेरिमेंट फॉर द एनालिसिस ऑफ कॉस्मिक हाइड्रोजन) प्रयोग का उद्देश्य ब्रह्मांडीय हाइड्रोजन से निकलने वाली इस मायावी 21 सेंटीमीटर लाइन का पता लगाना है।

पुन: आयनीकरण का युग प्रारंभिक ब्रह्मांड के इतिहास का अगला चरण था, जो बिग बैंग के लगभग 400 करोड़ वर्ष बाद से लेकर 1 अरब वर्ष तक चला। शक्तिशाली प्रारंभिक तारों द्वारा उत्सर्जित उच्च ऊर्जा वाले पराबैंगनी विकिरणों के कारण गैसें पुन: आयनित हो गईं। इसी युग में आकाशगंगाओं और क्वासरों का निर्माण शुरू हुआ। इस युग की रोशनी लाल और अवरक्त श्रेणियों की ओर लाल रंग में स्थानांतरित होती है। हबल डीप फील्ड अध्ययन प्रारंभिक ब्रह्मांड के अध्ययन में एक नई शुरुआत थी, हालांकि आदिम प्रकाश को पकड़ने में इसकी क्षमता सीमित थी। अंतरिक्ष में स्थित एक अवरक्त वेधशाला की आवश्यकता थी। जेडब्ल्यूएसटी प्रारंभिक ब्रह्मांड के अध्ययन के लिए विशेष रूप से अवरक्त खगोल विज्ञान में विशेषज्ञता रखता है ।

जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप (JWST ) को 25 दिसंबर 2021 को लॉन्च किया गया था। इसके बाद, इसे पृथ्वी से लगभग 1.5 मिलियन किलोमीटर दूर सूर्य-पृथ्वी L2 लैग्रेंज बिंदु के निकट कक्षा में स्थापित किया गया। यह जुलाई 2022 में पूरी तरह से चालू हो गया। NIRCam (नियर इन्फ्रारेड कैमरा), NIRSpec (नियर इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोग्राफ), MIRI (मिड-इन्फ्रारेड इंस्ट्रूमेंट) जैसे प्रमुख वैज्ञानिक उपकरणों का उपयोग करते हुए, JWST ब्रह्मांड में बने प्रारंभिक तारों और आकाशगंगाओं से ऑप्टिकल/इन्फ्रारेड संकेतों की खोज करता है, ताकि आकाशगंगाओं के निर्माण और विकास तथा तारों और ग्रहों की प्रणालियों के निर्माण को बेहतर ढंग से समझा जा सके। पिछले दो वर्षों में, इसने ब्रह्मांडीय भोर (अर्थात, बिग बैंग के बाद के पहले कुछ सौ मिलियन वर्षों की अवधि, जिसमें पहली आकाशगंगाओं का जन्म हुआ) के अन्वेषण में आकर्षक परिणाम दिए हैं।

जेडब्लूएसटी एडवांस्ड डीप एक्स्ट्रागैलेक्टिक सर्वे (जेएडीईएस) कार्यक्रम 

इस कार्यक्रम का उद्देश्य GOODS-S और GOODS-N गहरे क्षेत्रों में अवरक्त इमेजिंग और स्पेक्ट्रोस्कोपी के माध्यम से उच्च लाल विचलन से ब्रह्मांडीय दोपहर तक आकाशगंगा के विकास का अध्ययन करना है।  

पहले वर्ष में, JADES शोधकर्ताओं को बिग बैंग के बाद के पहले 650 मिलियन वर्षों से सैकड़ों संभावित आकाशगंगाएँ मिलीं। 2023 की शुरुआत में, उन्हें अपने डेटासेट में एक आकाशगंगा मिली जो 14 के रेड शिफ्ट पर दिखाई दी, जिससे पता चलता है कि यह एक बहुत दूर की आकाशगंगा होनी चाहिए, लेकिन यह बहुत उज्ज्वल थी। साथ ही, यह निकटता के कारण किसी अन्य आकाशगंगा का हिस्सा प्रतीत हुई। इसलिए, उन्होंने अक्टूबर 2023 में उस लाभ को देखा। नए डेटा ने इसे 14 के रेड शिफ्ट पर होने का समर्थन किया। रेड शिफ्ट को मापने और उम्र निर्धारित करने के लिए स्पेक्ट्रम में लाइमैन-अल्फा ब्रेक के स्थान की पहचान करने के लिए इस आकाशगंगा के एक स्पेक्ट्रम की आवश्यकता थी। 

लाइमन-अल्फा, लाइमन श्रृंखला में हाइड्रोजन की एक वर्णक्रमीय उत्सर्जन रेखा है जब इलेक्ट्रॉन n=2 से n=1 में संक्रमण करते हैं। स्पेक्ट्रम में लाइमन-अल्फा ब्रेक का बिंदु प्रेक्षित तरंगदैर्घ्य (λ _{प्रेक्षित} ) के अनुरूप होता है। रेड शिफ्ट (z) की गणना सूत्र z = (λ _{प्रेक्षित} – λ _शेष ) / λ _{शेष के अनुसार की जा सकती है।}

JADES-GS-z14-0 आकाशगंगा    

तदनुसार, आकाशगंगा को जनवरी 2024 में NIRCam (नियर इंफ्रारेड कैमरा) और NIRSpec (नियर इंफ्रारेड स्पेक्ट्रोग्राफ) का उपयोग करके फिर से देखा गया। स्पेक्ट्रल विश्लेषण ने स्पष्ट साक्ष्य प्रदान किया कि आकाशगंगा 14.32 के रेडशिफ्ट पर थी, जिससे यह ज्ञात सबसे दूर की आकाशगंगा बन गई (पिछला सबसे दूर की आकाशगंगा रिकॉर्ड (जेड = 13 के रेडशिफ्ट पर जेडएडीईएस-जीएस-जेड0-13.2)। इसे जेडईएस-जीएस-जेड14-0 नाम दिया गया, जो 13.5 अरब प्रकाश वर्ष की दूरी पर एक चमकदार आकाशगंगा है। इसके अलावा, यह आकार में 1,600 प्रकाश वर्ष से अधिक थी, जिससे पता चलता है कि युवा सितारे इसकी चमक का स्रोत हैं। साथ ही, तारों की रोशनी की मात्रा का मतलब था कि यह बहुत विशाल होनी चाहिए  

अभी और भी आश्चर्य की बातें होने वाली थीं।  

शोधकर्ता MIRI (मिड-इन्फ्रारेड इंस्ट्रूमेंट) का उपयोग करके लंबी तरंगदैर्ध्य पर JADES-GS-z14-0 का पता लगाने में सक्षम थे। इसका मतलब था कि इस आकाशगंगा से दृश्यमान प्रकाश रेंज उत्सर्जन को पकड़ना जो निकट-अवरक्त उपकरणों के लिए सीमा से बाहर होने के लिए लाल-शिफ्ट हो गया था। विश्लेषण से आयनित ऑक्सीजन की उपस्थिति का पता चला जो उच्च तारकीय धातुता को दर्शाता है। यह तभी संभव है जब तारों की कई पीढ़ियाँ पहले से ही अपना जीवन जी चुकी हों।  

ब्रह्मांड के पहले तारों में धातु शून्य या अत्यंत कम होती है। उन्हें पॉप III तारे या पॉपुलेशन III तारे कहा जाता है। कम धातु वाले तारे पॉप II तारे होते हैं। युवा तारों में धातु की मात्रा अधिक होती है और उन्हें "पॉप I तारे" या सौर धातु तारे कहा जाता है। अपेक्षाकृत उच्च 1.4% धातुता के साथ, सूर्य एक हालिया तारा है। खगोल विज्ञान में, हीलियम से भारी कोई भी तत्व धातु माना जाता है। ऑक्सीजन, नाइट्रोजन आदि जैसे रासायनिक अधातुएँ ब्रह्मांडीय संदर्भ में धातुएँ हैं। सुपरनोवा घटना के बाद प्रत्येक पीढ़ी में तारों में धातु की मात्रा बढ़ जाती है। तारों में धातु की मात्रा में वृद्धि कम उम्र का संकेत देती है।   

यह देखते हुए कि आकाशगंगा JADES-GS-z14-0 की आयु बिग बैंग के 300 मिलियन वर्ष से भी कम है, इस आकाशगंगा के तारे शून्य-धातु सामग्री वाले पॉप III तारे होने चाहिए। हालाँकि, JWST के MIRI ने ऑक्सीजन की उपस्थिति पाई।  

उपरोक्त अवलोकनों और निष्कर्षों के मद्देनजर, प्रारंभिक ब्रह्मांड आकाशगंगा JADES-GS-z14-0 के गुण आकाशगंगा निर्माण की वर्तमान समझ के अनुरूप नहीं हैं। ऐसी विशेषताओं वाली आकाशगंगा को बिंग बैंग के 290 मिलियन वर्ष बाद कैसे बनाया जा सकता है? यह संभव है कि भविष्य में ऐसी कई आकाशगंगाएँ खोजी जा सकती हैं। शायद ब्रह्मांडीय भोर में आकाशगंगाओं की विविधता मौजूद थी। 

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सन्दर्भ:  

1. कार्नियानी, एस., एट अल2024. 14 की रेडशिफ्ट पर दो चमकदार आकाशगंगाओं की स्पेक्ट्रोस्कोपिक पुष्टि। नेचर (2024)। 24 जुलाई 2024 को प्रकाशित। DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07860-9 . axRiv पर प्रीप्रिंट। 28 मई 2024 को प्रस्तुत किया गया। DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18485  

2. हेल्टन जेएम, एट अल 2024. जेडडब्ल्यूएसटी/एमआईआरआई ने 7.7 से ज़्यादा z वाली आकाशगंगा में तारकीय सातत्य और नेबुलर उत्सर्जन के 14 μm पर फोटोमेट्रिक डिटेक्शन किया। axRiv पर प्रीप्रिंट। 28 मई 2024 को सबमिट किया गया। DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18462 

3. नासा जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप। शुरुआती झलकियाँ - नासा के जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप ने सबसे दूर की ज्ञात आकाशगंगा को खोजा। 30 मई 2024 को पोस्ट किया गया। यहाँ उपलब्ध है https://webbtelescope.org/contents/early-highlights/nasas-james-webb-space-telescope-finds-most-distant-known-galaxy 

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