नवं कोडं कृष्णविवरांच्या उत्पत्तीचं... (डॉ. जे. के. सोळंकी)

ब्रह्मांडामधल्या दोन महाकाय कृष्ण विवरांचं विलीनीकरण होऊन एक मोठं महाकाय कृष्णविवर तयार झालं असल्याचं अमेरिकेतील ‘लायगो’ आणि इटली येथील ‘व्हर्गो’ या जगप्रसिद्ध वेधशाळेतल्या संशोधकांनी शोधून काढलं. यामुळं या संपूर्ण विश्‍वातील अनेक भाग मानवीसमुहाला अज्ञात असल्याचं ठळक झालं. काय आहे हा शोध, आणि या शोधाचं महत्त्व व भारताची यातली भूमिका....

आकाश आणि अवकाश हे विश्व निर्मितीपासून नेहमीच कुतूहलाचा विषय राहिलं आहे. फक्त मनुष्यच नव्हे तर इतर सजीव सुद्धा आकाशाकडं कुतूहलानं पाहताना आपण बघितलं असेल. आपल्या अस्तित्वाचा जिवंत देखावा असलेल्या या आकाशाकडं प्रत्येक जण कुठल्या ना कुठल्या तरी अपेक्षेनं टक लावून बघतच असतो. अवकाशाची रम्यता, गूढता आणि त्याबद्दलचे अनंत अनुत्तरित प्रश्‍न यामुळं खगोलशास्त्र हे जीवांच्या मनाला भुरळ घालणारं शास्त्र आहे. जितकं आपल्याला माहीत होईल त्यापेक्षा अधिक काहीतरी ज्ञान मिळावं ही आशा सर्वांना असते. जगभरातले खगोलशास्त्रज्ञ अहोरात्र विविध साधनं वापरून अवकाशाचं निरीक्षण करण्यात मग्न असतात. एका वेगळ्या संशोधनाच्या निरीक्षणावेळी नकळतपणे दुसऱ्या एखाद्या मोठ्या गोष्टीचा शोध लागतो. जणू काही माळरानी सहज भटकंती करताना सोन्याची खाण सापडावी, अगदी तसं. अवकाशामध्ये विविध प्रकाशकिरण उत्सर्जित करणारे अब्जावधींच्या संख्येमध्ये तारे, हायड्रोजनचे ढग, पल्सार, क्वेसार, दीर्घिका, आकाशगंगा आणि कृष्णविवरांचा समावेश होतो. या प्रत्येक घटकांची वेगवेगळी वैशिष्ट्यं असतात. म्हणूनच देशविदेशांतले शास्त्रज्ञ नित्य नेमानं संशोधन करत असतात.

नुकत्याच शोध लागलेल्या कृष्ण विवरांच्या विलीनीकरणातून निर्माण झालेले हे महाकाय कृष्णविवर. अमेरिकेतील ‘लायगो’ आणि इटली येथील ‘व्हर्गो’ या जगप्रसिद्ध वेधशाळेतल्या संशोधनाच्या आधारे, आंतरराष्ट्रीय शास्त्रज्ञांच्या समूहानं हा आश्‍चर्यकारक शोध लावला. दोन महाकाय कृष्ण विवरांचं विलीनीकरण होऊन एक मोठं महाकाय कृष्णविवर तयार झालं असल्याचं या संशोधकांनी शोधलं. याबद्दलची अधिक माहिती आपण घेऊ. २९ मे २०१९ रोजी या लहरींनी प्रसारण पावणाऱ्या अवकाशातून सुमारे १७.२ अब्ज प्रकाशवर्षे प्रवास केला तेव्हा आपल्याला हे निरीक्षण करता आलं. आत्तापर्यंत निरीक्षण झालेल्या गुरुत्वाकर्षण लहरींपैकी या लहरी आपल्यापासून सर्वांत जास्त दुरून उद् भवल्याचे लक्षात आलं आहे. या शोधाला GW१९०५२१ असे नाव दिले आहे.

अवजड वस्तुमानाच्या अवकाशातील जोड्यांमध्ये, दोन कृष्णविवरं एकमेकांभोवती फिरत गुरुत्वाकर्षणामुळं एकमेकांत विलीन होत मोठ्यानं आदळतात आणि भव्य स्फोटातून गुरुत्वाकर्षण लहरी उत्सर्जित करतात. शेवटी या घटनेचा अंत एका कृष्णविवरात होतो. या निरीक्षणात तीन भाग असतात: अनुक्रमे inspiral (एकमेकांभोवती फिरणे), merger (एकमेकांत विलीन होणे), ring down. (कंपनांच्या तीव्रतेत घात होत जाणे) अवजड अशा गुरुत्वीय घटकांच्या जोड्यांपासून उत्सर्जित होणाऱ्या लहरी आपल्या निरीक्षक उपकरणांच्या किमान कंपनांच्या पट्ट्यातून अगदी जलद पुढे सरकत एकमेकांत विलीन होतात. ज्यामुळं अशी निरीक्षणं अत्यंत कमी कालावधीची असतात. GW१९०५२१ च्या बाबतीत हे निरीक्षण निव्वळ ०.१ सेकंदाचे होते.

मोठ्या कृष्णविवरांची निर्मिती
खगोलशास्त्रज्ञ कृष्णविवरांचं विभागीकरण त्यांच्या वस्तुमानांच्या आधारे करतात. या विभाजनाच्या एका टोकाला सामान्य ताऱ्यांच्या वस्तुमानाची कृष्णविवरे (stellar mass blackholes) अर्थात सूर्याच्या वस्तुमानाच्या शंभर पटींहून कमी वस्तुमानाची कृष्णविवरं आढळतात. अशा कृष्णविवरांच्या जोड्यांच्या एकीकरणांतून निर्माण झालेल्या गुरुत्वाकर्षण लहरी ‘लायगो’ - ‘व्हर्गो’ क्षमतांच्या उपकरणांत आत्तापर्यंत टिपल्या गेल्या आहेत.

विशाल ताऱ्यांच्या केंद्राला गुरुत्वाकर्षण बलांच्या शक्तीनं सामावून घेऊन अंततः ताऱ्याच्या झालेल्या सुपरनोवा स्फोटामुळं अशा कृष्णविवरांची उत्पत्ती होत असण्याचं मानलं जातं. कृष्णविवरांची निर्मिती कशी होते त्याबद्दलच्या आत्तापर्यंतच्या अभ्यासावर आधारित असे प्रमाणित केले जाते, की सूर्याच्या वस्तुमानाच्या तब्बल ६५ ते १२० पट वस्तुमानाच्या कृष्णविवरांची निर्मिती महाकाय ताऱ्यांच्या स्फोटांतून होऊ शकत नाही. या वस्तुमानाच्या अंतराला ‘मास गॅप ’ म्हणून संबोधलं जातं.

कृष्णविवरांच्या वस्तुमानांच्या दुसऱ्या टोकाला अतिविशाल कृष्णविवरे (supermassive blackholes) स्थित आहेत, ज्यांचे वस्तुमान सूर्याच्या वस्तुमानाचा काही शेकडो पट ते कित्येक अब्ज पट असू शकते. आपल्या आकाशगंगेच्या मध्यभागी एक अतिविशाल कृष्णविवर स्थित आहे. ज्याचे वस्तुमान सूर्याच्या वस्तुमानाच्या तब्बल चार दशलक्ष पट आहे.

सामान्य ताऱ्यांच्या वस्तुमानाची कृष्णविवरं आणि महाकाय कृष्णविवरं यांच्यामध्ये आढळते क्षेत्र ते गूढ अशा माध्यमिक कृष्णविवरांचं. अशा कृष्णविवरांचं वस्तुमान सूर्याच्या वस्तुमानाच्या १०० ते १०,००० पट असू शकते. ‘GW१९०५२१’ च्या शोधापर्यंत अशा माध्यमिक कृष्णविवरांचं निरीक्षण करणं शक्‍य झालं नव्हतं.

‘GW१९०५२१’ इतके विलक्षण का?
विलीनीकरणाअंती निर्माण झालेले कृष्णविवर आहेच , पण तसेच ते पहिले ‘लायगो’ - ‘व्हर्गो’ निरीक्षणांत सापडलेले माध्यमिक वस्तुमानाचे ( सूर्याच्या वस्तुमानाच्या १०० ते १० हजार पट वस्तुमान असणारे) कृष्णविवर देखील आहे.

- दोन विशालकाय अशा ‍या अवजड कृष्णविवरांच्या विलीनीकरणातून निर्माण झालेल्या या गुरुत्वीय लहरी थोर शास्त्रज्ञ आइनस्टाईन यांच्या सामान्य सापेक्षतावादाच्या सिद्धांतांचा अभ्यास करण्याची एक अद् भूत संधी देखील उपलब्ध करून देतात.

-अपूर्व अशा या अवजड कृष्णविवरांच्या जोडीमुळं कृष्णविवरांच्या उत्पत्तीच्या आपल्या ज्ञानाला आव्हान मिळतं.

‘GW१९०५२१’ ची काही ठळक वैशिष्ट्ये...
- कृष्णविवरांच्या एकीकरणातून निर्माण झालेल्या कृष्णविवराचे वस्तुमान सूर्याच्या वस्तुमानाच्या तब्बल शंभर पटांहून अधिक आहे ज्यामुळे माध्यमिक कृष्णविवरांच्या बाबतीत पहिले वाहिले थेट निरीक्षण GW१९०५२१ मार्फत केले गेले.
- जोडीतील अधिक अवजड कृष्णाविवराचं वस्तुमान सूर्याच्या वस्तुमानाच्या ८५ पट असल्यामुळं हे कृष्णविवर निषिद्ध अशा ‘मास गॅप’ मध्ये असल्याचं लक्षात येतं. यावरुन असं लक्षात येतं की अवजड कृष्णविवरांच्या उत्पत्तीचा दुसरा मार्ग अवकाशात उपलब्ध असावा, कदाचित अनेक कृष्णविवरांची दाट वस्ती असलेली गोलाकार तारकापुंजके (GLOBULAR CLUSTERS) असावीत.

गुरुत्वाकर्षणाबद्दलच्या आपल्या ज्ञानाची परीक्षा
आत्तापर्यंत शोध लागलेल्या सर्व कृष्णविवरांच्या अभ्यासातून सामान्य सापेक्षतावादाच्या सिद्धांतांची चोखपणानं पडताळणी करण्यात आली आणि तसेच ‘GW१९०५२१’ च्या लहरींचा देखील यासाठी वापर करण्यात आला. सामान्य सापेक्षतावादाच्या सिद्धांताने सर्व कृष्णविवरांच्या परीक्षा यशस्वीपणे पार केल्या आहेत. यापैकी एक चाचणी म्हणजे ringdown टप्प्याला inspire आणि merger टप्प्यांपासून अलग करून त्यांची एकमेकांशी असणारी सुसंगती पडताळणे. गुरुत्वाकर्षणाबाबतच्या इतर विलीनीकरणापेक्षा वेगळ्या शक्‍यता असणाऱ्या) सिद्धान्तांतून उद्भवणारी अतिरिक्त चाचण्यांतून GW१९०५२१ ची उत्पत्ती सामान्य सापेक्षतावादानुसार वर्तवलेल्या विलीनीकरणांतून झाली नसावी, असं सिद्ध झालं नाही आणि आइनस्टाइनच्या सामान्य सापेक्षतावादाशी हे निरीक्षण सुसंगत असल्याचं सिद्धही झालं.

‘लायगो-इंडिया’ साठी महत्त्वाचा शोध
अशा प्रकारच्या अवजड खगोलीय जोड्यांच्या अभ्यासात LIGO-India महत्त्वाची भूमिका बजावणार आहे. ह्या निरीक्षक उपकरणाच्या महत्त्वपूर्ण भौगोलिक स्थानामुळं अवजड अशा जोड्यांच्या विलीनीकरणाचं निश्‍चित स्थान हुडकून काढण्यासाठी अमूल्य मदत होणार आहे. तसंच निरीक्षक उपकरणांमध्ये अजून एका उपकरणांची भर पडल्यामुळं आइनस्टाइनच्या गुरुत्वाकर्षणाच्या सिद्धांतांची चाचपणी अधिक अचूकपणे आणि खोलात जाऊन करता येईल.

शोधातील भारतीय योगदान
‘आय.आय. टी.’ मुंबई मधील गुरुत्वाकर्षण लहरींवर संशोधन करणाऱ्या चमूनं ‘लायगो’ - ‘व्हर्गो’ च्या वैज्ञानिक सहयोगातून अगदी पहिल्या निरीक्षण फेरीपासून माध्यमिक वस्तुमानाच्या कृष्णविवरांच्या ‘लायगो’ - ‘व्हर्गो’ निरीक्षित डेटा मधून शोध घेण्यात पुढाकार घेतला होता. GW१९०५२१ च्या शोधकार्यात हा चमू अत्यंत हिरिरीने सहभागी होता. अशा शोधांचे खगोलीय गुणधर्म तपासून पाहताना शास्त्रज्ञ याही गोष्टीचा आढावा घेतात की असे निरीक्षण, उपकरणांत उद्भवणाऱ्या अनावश्‍यक आवाजांमुळे तर निर्माण झाले नसावे ह्या कार्यातही हा चमू विशेष कार्यरत होता. तसेच अशा माध्यमिक कृष्णविवरांच्या विविध परिमाणांवर आधारीत अंतराच्या मापनाच्या अंदाजाचा देखील त्यांनी अभ्यास केला. ‘आय.आय.टी.’ गांधीनगर मधील शास्त्रज्ञांचा चमू ‘लायगो’ - ‘व्हर्गो’ च्या शास्त्रज्ञांसोबत तिसऱ्या निरीक्षण फेरीसाठी वापरण्यात आलेल्या गुरुत्वीय लहरींच्या नमुन्यांचा संचय करण्यात विशेष पद्धतीने कार्यरत होता.

भारतीय वैज्ञानिकांनी गुरुत्वाकर्षण लहरींशी संबंधित अभ्यासासाठी अग्रणी योगदान दिले आहे. विशेषतः त्यांनी निरीक्षक उपकरणांच्या डेटा मधील अनावश्‍यक (अडथळ्यांतून ) अशा एकमेकांभोवती फिरणाऱ्या अतिघन ‘कॉम्पॅक’ जोड्यांना शोधून काढण्यासाठी लागणाऱ्या मूलभूत गणितीय समीकरणं शोधण्यात मोठं काम केलं. आइनस्टाइनच्या सापेक्षतावादातील समीकरणं सोडवून सैद्धांतिक लहरींचे नमुने गोळा करण्यात तसेच यांत्रिकी तसेच पर्यावरणीय डेटा मधून छुपी खगोलशास्त्रीय माहिती गोळा करण्यात, गुरुत्वाकर्षण लहरी व त्या संबंधित गामा किरणांच्या निरीक्षणांचा अर्थ लावण्यात, आइनस्टाइन च्या सिद्धांताची पडताळणी करण्यात आणि इतर अनेक पैलूंचा अभ्यास करण्यात मोलाची मदत केली आहे.

‘लायगो’च्या भारतीय चमूमध्ये चेन्नई मॅथेमेटीकल इन्स्टिट्यूट, डी.सी.एस.ई.एम.मुंबई, इंटरनॅशनल सेंटर फॉर थिअरॉटिकल सायन्सेस (टी. आय. एफ. आर.) बंगलोर, आय.आय.एस.ई.आर. कोलकाता, आय.आय.एस. ई.आर. पुणे, मुंबई, गांधीनगर, हैदराबाद मद्रास या ठिकाणाच्या ‘आय.आय.टी.’ सारख्या संस्था, त्याचबरोबर आय. पी. आर. गांधीनगर, आयुका पुणे, आर.आर.सी.ए.टी. इंदोर, एस. आय. एन. पी. कोलकाता आणि टी.आय.एफ.आर.मुंबई या संस्थांमधल्या वैज्ञानिकांचा समावेश आहे.