क्या बहुत दूर की वस्तुएँ बड़ी दिखाई नहीं देनी चाहिए?

 (astronomy.stackexchange.com)
1 पॉइंट द्वारा GN⁺ 2023-08-21 | 1 टिप्पणियां | WhatsApp पर शेयर करें
  • ब्रह्मांड के विस्तार में दूरी बढ़ने पर वस्तुएँ हमेशा छोटी ही नहीं दिखतीं; एक बिंदु के बाद angular diameter distance turnaround की वजह से वे फिर से बड़ी दिख सकती हैं
  • मानक ΛCDM मॉडल में turnaround लगभग redshift 1.5, दूरी लगभग 15 अरब light-years, और प्रकाश की यात्रा अवधि लगभग 10 अरब साल के आसपास माना जाता है
  • Big Bang के 40 करोड़ साल बाद की कोई galaxy आज की दूरी के हिसाब से लगभग 32 अरब light-years दूर है, लेकिन उसका apparent size लगभग 2.7 अरब light-years दूर स्थित galaxy जैसा हो सकता है
  • इसे ऐसे समझ सकते हैं: पास की galaxies बड़ी और चमकीली दिखती हैं, ज़्यादा दूर की galaxies छोटी होती जाती हैं, और बहुत दूर की galaxies फिर से बड़ी, धुंधली और लाल दिखती हैं
  • ये दूरियाँ ब्रह्मांडीय expansion parameters के प्रति संवेदनशील rounded values हैं, और calculation का उदाहरण Ned Wright’s calculator पर आधारित है

Angular diameter distance turnaround

  • सवाल यहाँ से शुरू होता है कि अगर space खुद फैल रहा है, तो क्या बहुत दूर की वस्तुएँ magnified दिखाई देनी चाहिए
  • उदाहरण के तौर पर JWST द्वारा देखी गई Big Bang के लगभग 40 करोड़ साल बाद की galaxy का उल्लेख है
  • यह भी चर्चा में आता है कि क्या यह effect सिर्फ observable horizon के बाहर ही स्पष्ट दिखता है, और उस समय space का scale आज से कितना अलग था

मानक ΛCDM में reference points

  • ब्रह्मांडीय expansion model में यह phenomenon वास्तव में संभव है, और इसे Angular diameter distance turnaround या turnover कहा जाता है
  • सामान्य ΛCDM model में turnaround मोटे तौर पर इस range में आता है
    • redshift लगभग 1.5
    • दूरी लगभग 15 अरब light-years
    • प्रकाश की travel time लगभग 10 अरब साल
    • Big Bang के लगभग 4 अरब साल बाद
  • space expansion के प्रभाव की वजह से यह दूरी केवल प्रकाश की travel time से सीधे convert की गई दूरी से अधिक होती है
  • चूँकि ये संख्याएँ ब्रह्मांडीय expansion parameters के प्रति संवेदनशील हैं, इन्हें rounded values के रूप में देखना चाहिए

JWST की शुरुआती galaxy का उदाहरण

  • Big Bang के लगभग 40 करोड़ साल बाद की galaxy आज की दूरी के हिसाब से लगभग 32 अरब light-years पर है
  • सिर्फ apparent size देखें तो यह galaxy लगभग 2.7 अरब light-years दूर स्थित galaxy जैसी दिख सकती है
  • यह calculated value Ned Wright’s calculator से निकले उदाहरण के रूप में इस्तेमाल की गई है

दृश्य रूप से समझने में मददगार सामग्री

  • xkcd 2622 इस phenomenon को चित्र के रूप में दिखाने वाला उदाहरण है
  • चित्र में पास की “galaxy” बड़ी और चमकीली, उससे दूर की galaxy छोटी, और बहुत दूर की galaxy बड़ी, धुंधली और लाल दिखाई देती है
  • अधिक विस्तृत explanation Understanding The Turnover Point of Angular Diameter Distance में देखी जा सकती है
  • उसी forum में Can the difference between a star and a galaxy which are point sources be detected? के answer में मौजूद chart भी इस phenomenon को समझने में मदद करता है

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1 टिप्पणियां

 
GN⁺ 2023-08-21
Hacker News की राय

  • "Expanding Confusion" (2003) नाम का शैक्षिक पेपर [0]https://arxiv.org/pdf/astro-ph/0310808.pdf इस विषय पर एक क्लासिक है, पढ़ने लायक
    वस्तुओं के संदर्भ में accelerated expansion वाले ब्रह्मांड [1]https://bigthink.com/starts-with-a-bang/universe-expansion-n... और प्रकाश की स्थिर, सीमित गति को अपने Euclidean दिमाग में एक साथ रखना चकरा सकता है
    चित्र बनाते हुए, अंतर्ज्ञान के उलट निष्कर्षों को हाथ से मेहनत करके निकालने की प्रक्रिया का आनंद लेने के लिए तैयार रहना होगा

  • इससे यह याद आता है: https://en.m.wikipedia.org/wiki/Terrell_rotation
    relativistic speeds पर चलने पर, भले ही वस्तु असल में सीधी जा रही हो, पर्यवेक्षक को वह घूमती हुई दिखती है, और यहाँ तक कि वस्तु का पिछला हिस्सा भी दिख सकता है

    • यह वीडियो https://www.youtube.com/watch?v=ge_j31Yx_yk Terrell rotation और दूसरे प्रभावों को game engine के अंदर समझाता है
    • समझाना बहुत साफ नहीं था, इसलिए समझने में थोड़ा समय लगा, लेकिन आखिरकार बात समझ में आ गई
      इसकी वजह यह है कि वस्तु के अलग-अलग हिस्सों से निकला प्रकाश पर्यवेक्षक तक पहुँचने में समय का फर्क लेता है
      दूर वाली तरफ से आया प्रकाश ज़्यादा समय लेता है, और उस दौरान वस्तु चलती रहती है
      इसलिए वस्तु का पिछला हिस्सा दिखने की वजह यह है कि जब उस पीछे के हिस्से से निकला प्रकाश यात्रा कर रहा होता है, तब वस्तु का पिछला भाग उस प्रकाश के रास्ते से हट चुका होता है
    • हैरान करने वाला। length contraction के बहुत वीडियो देखे हैं, लेकिन ऐसी बात शायद ही देखी हो
      मतलब, प्रकाश के करीब गति से चलती वस्तु का आकार पर्यवेक्षक को चपटा “दबा” हुआ नहीं, बल्कि घूमी हुई दिखती है
    • ब्रह्मांड सचमुच अजीब है। लगता है इसे बनाने वाले को KISS principle खास पसंद नहीं था

  • क्या cosmic microwave background radiation को इस घटना की सीमा मानना तर्कसंगत होगा?
    सोच रहा हूँ कि क्या इसे Big Bang का अवशेष माना जा सकता है, जो जितना हो सकता था उतना बड़ा हुआ है और आज जितना संभव है उतना redshifted है

    • cosmic microwave background radiation के लिए एक सुसंगत व्याख्या शायद बनाई जा सकती है, लेकिन वह सामान्य व्याख्या नहीं है
      इस विकल्प में, ब्रह्मांड के प्रकाश के लिए पारदर्शी होने का समय background radiation में दिखने वाले क्षण से थोड़ा पहले होता है, और उससे “ज्यादा दूर” सब कुछ हमारे light cone के बाहर हुई घटनाएँ बन जाता है
      यानी तकनीकी अर्थ में “elsewhere” (https://web.phys.ksu.edu/fascination/Interlude1.pdf)
      इस विकल्प में ब्रह्मांड के expansion को हमारे light cone के बाहर के पदार्थ और भीतर के पदार्थ के बीच gravitational attraction से भी समझाया जा सकता है
      शायद यह क्यों नहीं है, इस पर कोई तर्क होगा, लेकिन मुझे वह अच्छी तरह नहीं पता
      यह समझाना होगा कि इतिहास के ठीक उसी समय पर ऐसा क्यों होना चाहिए
      क्या अधिकतम दूरी स्थिर है, और “सबसे दूर के अतीत” का बिंदु समय में आगे खिसकते हुए cosmic microwave background radiation को किसी ऐसे सूक्ष्म तरीके से बदल रहा है जिसे हमने अभी नोटिस नहीं किया?
      या शायद उस समय किसी वजह से प्रकाश की गति बदल गई, जिससे बाकी ब्रह्मांड हमारी दृष्टि से कट गया
    • तो क्या इसका मतलब मूलतः यह है कि एक विशाल cosmic background radiation blob जब प्रकाश उत्सर्जित कर रहा था, तब वह परमाणु जितने आकार का था?

  • अच्छा है। क्लास में कुछ विषय सुनकर हम बिना ज्यादा सोचे आगे बढ़ जाते हैं, और जब तक कोई “रुको ज़रा” कहकर रोकता नहीं, पता ही नहीं चलता कि वे दिमाग को कितना घुमा सकते हैं
    Poynting vector की व्याख्या भी ऐसा ही एक उदाहरण है

  • एक कदम और आगे बढ़ते हैं। मान लें telescope काफी बड़ा है और sensor काफी संवेदनशील है, तो deepest universe की संरचना कैसी दिखेगी?
    क्या galaxies बनने से पहले की ऐसी संरचनाएँ होंगी, जो galaxy से छोटी हों लेकिन आकाश के बहुत बड़े क्षेत्र को घेरती हों?
    क्या अतीत के किसी समय की संरचनाएँ आकाश में इतनी बड़ी जगह घेरती हैं कि उनमें से सिर्फ कुछ ही “फिट” हो सकती हैं, और अगर हाँ, तो क्या गणना के लिहाज से इसका कारण यह बराबर रूप से बताया जा सकता है कि उस समय हमारे लिए observable universe का क्षेत्र इतना ही छोटा था?

    • हम जितनी दूर देख सकते हैं, वह ब्रह्मांड की भौतिक सीमा है। हम सचमुच ब्रह्मांड के पारदर्शी होने के बाद निकले पहले photons को देखते हैं, और वही cosmic microwave background radiation है
      असली तस्वीरें आसानी से मिल जाती हैं
      समस्या यह है कि ये हमारे देख सकने वाले सबसे पुराने photons तो हैं, लेकिन फिर भी ये तब के हैं जब ब्रह्मांड की उम्र करीब 4 लाख साल थी और उस समय ब्रह्मांड की चौड़ाई लगभग 10 करोड़ light-years थी
      वह तस्वीर दिखाती है कि ब्रह्मांड लगभग पूरी तरह homogeneous था, और जिस तरह की संरचनाओं के बारे में पूछा गया है वे मूलतः मौजूद नहीं थीं
      और दूर देखने के लिए photons को पूरी तरह छोड़ना होगा, और शायद gravitational waves से very early universe की जाँच करनी होगी
      gravitational waves को उससे पहले के पूरी तरह अपारदर्शी ब्रह्मांड तक दिखा पाना चाहिए
      अभी gravitational-wave observatories से हम ब्रह्मांड की सिर्फ सबसे चमकदार और शोरगुल वाली घटनाओं को ही “देख/सुन” सकते हैं, लेकिन यह संभव होना ही अपने-आप में हैरान करने वाला है
      मानवता ने एक नई इंद्रिय बना ली है, जो ज्ञात किसी भी जीव के पास नहीं है, और LISA project हमें और बहुत कुछ सुनने देगा

  • दिलचस्प। इससे जुड़ा एक सवाल है। जब हम 2,20,000 light-years व्यास वाली Andromeda को देखते हैं, तो हम उसे थोड़ा साइड से देख रहे होते हैं
    चूँकि galaxy उन 2,20,000 light-years के दौरान हमारे सापेक्ष चली होगी, तो क्या पीछे वाले किनारे के तारे आगे वाले किनारे के तारों की तुलना में आकाश में अपेक्षाकृत अलग स्थिति में नहीं होने चाहिए?

    • हाँ। और जाहिर है, असल में ऐसा ही है

  • ऐसी दूर की वस्तुओं को देखते समय जो चीज़ हमेशा खटकती है, वह time delay है
    अगर प्रकाश को एक दिशा में जाने में 4 light-years लगते हैं, तो वह प्रस्थान बिंदु के observer के हिसाब से है; और जिस photon को हम observe कर रहे हैं, उसके दृष्टिकोण से यह 4 साल से बहुत कम नहीं होगा? क्या ‘साल’ कहना भी संभव है?
    इसलिए telescope से Alpha Centauri को देखें तो क्या सचमुच हम 4 साल पहले का Alpha Centauri देख रहे हैं? क्या वह कहीं ज्यादा हाल का नहीं है?
    या अगर 30 साल का व्यक्ति Alpha Centauri से पृथ्वी तक प्रकाश की गति से यात्रा करे, तो पहुँचने पर वह लगभग 31 साल का होगा, 4 साल बाद पहुँचेगा और मूलतः भविष्य में time travel करेगा? अगर तुरंत लौट आए, तो Alpha Centauri के लोग 8 साल बाद लौटे लगभग 32 साल के व्यक्ति से मिलेंगे?
    अगर ऐसा है, तो Superman का पृथ्वी के चारों ओर बहुत तेज़ उड़कर time travel करने का विचार शायद सही था, बस दिशा अतीत की नहीं भविष्य की थी
    कभी कोई अरबपति solar system के आसपास कई दशकों तक बहुत तेज़ चक्कर लगाकर लगभग एक सदी छोड़ने की कोशिश कर सकता है

    • यह ध्यान रखें कि मैं expert नहीं हूँ
      Alpha Centauri और पृथ्वी के बीच यात्रा करने वाला photon समय का अनुभव नहीं करता, इसलिए प्रभावी रूप से तुरंत पहुँचता है
      लेकिन हम observers के तौर पर देखते हैं कि उस यात्रा में 4 साल लगे
      वह हाल का है या नहीं, यह सापेक्ष बात है इसलिए बहुत मायने नहीं रखती
      photon के दृष्टिकोण से वह हाल का है, और हमारे दृष्टिकोण से वह प्रकाश 4 साल पुराना है

  • तो ऐसी वस्तु detect करना और कठिन हो जाएगा लगता है। क्योंकि प्रकाश ज्यादा बड़े क्षेत्र में फैल जाता है, इसलिए detector के हर pixel तक पहुँचने वाली रोशनी की मात्रा, magnify न होने की तुलना में घट जाती है
    उल्टा कहें तो इसका मतलब यह भी है कि ऐसी details दिखाई दे सकती हैं जो मूलतः देखी नहीं जा सकती थीं

  • यह काफी चौंकाने वाला है। लिंक किया गया xkcd इस effect को शानदार ढंग से, शायद बढ़ा-चढ़ाकर, दिखाता है
    शीशे में दिखने वाली वस्तुएँ दिखने से ज्यादा दूर हो सकती हैं