– डॉ. मयूरेश सूरनीस, खगोल अभ्यासक व शास्त्रज्ञ
हजारपेक्षा जास्त प्रीमियम लेखांचा आस्वाद घ्या ई-पेपर अर्काइव्हचा पूर्ण अॅक्सेस कार्यक्रमांमध्ये निवडक सदस्यांना सहभागी होण्याची संधी ई-पेपर डाउनलोड करण्याची सुविधा
गुरुत्वीय लहरींच्या अस्तित्वाचा पहिलावहिला पुरावा खगोलशास्त्रज्ञांच्या हाती लागला आहेत. भारत, जपान, अमेरिका, ऑस्ट्रेलिया, चीन, आणि युरोपमधील शास्त्रज्ञांच्या विविध गटांच्या एकत्रित प्रयत्नातून हे साध्य झाले आहे. २९ जून रोजी सर्व गटांनी हे निष्कर्ष जाहीर केले. इनपीटीए (इंडियन पल्सार टायमिंग ॲरे) या खगोलशास्त्रज्ञांच्या गटाचा या संशोधनामध्ये महत्त्वाचा वाटा आहे. या संशोधनाची पार्श्वभूमी आणि विश्वाचे गूढ उकलण्याच्या दृष्टीने त्याचे महत्त्व याचा ऊहापोह…
गुरुत्वीय लहरींच्या संशोधनाची पार्श्वभूमी काय?
अल्बर्ट आईन्स्टाईन यांच्या सापेक्षतावादाच्या सिद्धांतामध्ये गुरुत्वीय लहरींचे मूळ आहे. १९०५ मध्ये आईन्स्टाईन यांनी सर्वसाधारण सापेक्षतावाद (जनरल रिलेटिव्हिटी) सिद्धांतामधून गुरुत्वाकर्षण, अवकाश आणि काळ यांच्यातील परस्पर संबंध उलगडणारी समीकरणे मांडली. भौतिकशास्त्रासाठी क्रांतिकारी ठरलेल्या या समीकरणांनी गुरुत्वाकर्षण, अवकाश आणि काळ यांच्या अभ्यासाला नवी दिशा दिली. गुरुत्वाकर्षणाचा नव्याने आणि खोलात जाऊन अभ्यास करताना गुरुत्वीय लहरी अस्तित्वात असाव्यात असे खगोलवैज्ञानिकांच्या ध्यानात आले. त्याबरोबरच खुद्द गुरुत्वीय लहरी किंवा त्यांच्या अस्तित्वाचे पुरावे शोधण्याचा प्रयत्न सुरू झाला. कोणत्याही दोन अवजड खगोलीय वस्तू एकमेकांभोवती फिरू लागल्यास त्यातून गुरुत्वीय लहरी बाहेर पडतात. एकमेकांभोवती फिरणारी महाप्रचंड आकाराची कृष्णविवरे हे त्याचे उत्तम उदाहरण. गुरुत्वीय लहरींमुळे अवकाशात तरंग उठतात. तसेच त्या जेथे असतील तिथे काळ आणि अवकाशाचे आकुंचन-प्रसरण घडते. म्हणजेच त्यांच्यामुळे खगोलीय वस्तूंमधील अंतर अतिसूक्ष्म प्रमाणात कमी-जास्त होते. या गुरुत्वीय लहरींची वारंवारिता खगोलीय वस्तूंच्या वस्तुमानावर आणि एकमेकांभोवती फिरण्याचा कालावधीवर अवलंबून असते. एकमेकांभोवती फिरणाऱ्या महाकाय कृष्णविवरांमधून उत्सर्जित होणाऱ्या गुरुत्वीय लहरींची वारंवारिता अत्यंत कमी म्हणजे नॅनोहर्ट्झच्या घरात असते. या उलट त्यांची तरंगलांबी अब्जावधी किलोमीटर असते. विश्व निर्मितीनंतर तयार झालेल्या दीर्घिका छोट्या होत्या, पण त्यांच्या केंद्रस्थानी आकांशगंगेप्रमाणेच महाकाय कृष्णविवरे होती. कालांतराने या दीर्घिका आणि पर्यायाने त्यांच्या केंद्रातील कृष्णविवरे, एकमेकांभोवती फिरत एकमेकांत विलीन झाली. आजच्या प्रचंड दीर्घिका या प्रक्रियेतून बनल्या असाव्यात, असा खगोलशास्त्रज्ञांचा अंदाज आहे. हा अंदाज खरा असल्यास प्रत्येक विलीनीकरणातून गुरुत्वीय लहरी बाहेर पडल्या असणार. अशा अगणित विलीनीकरणाच्या घटनांमुळे विश्वात सर्वत्र गुरुत्वीय लहरी अस्तित्वात असणार. म्हणजेच कधीही निरीक्षण केले तरी अनेक लहरी एकत्रित येऊन, गोंधळ असल्यासारखे भासेल. यालाच वैज्ञानिक भाषेत ग्रॅव्हिटेशनल वेव्ह बॅकग्राउंड (जीडब्ल्यूबी) म्हणतात. इतक्या प्रचंड लहरी टिपू शकेल अशी वेधशाळा पृथ्वीवर बांधणे अशक्यच. पण एकमेकांपासून अब्जावधी किलोमीटर लांब असणारे तारे हे काम करू शकतात. सर्व खगोलीय वस्तुंप्रमाणेच ताऱ्यांवर गुरुत्वीय लहरींचा परिणाम होतो. आकाशगंगेतील ताऱ्यांवरील या लहरींच्या परिणामांचा अभ्यास करून गुरुत्वीय लहरी अप्रत्यक्षपणे टिपता येणे शक्य आहे; परंतु हा परिणाम अत्यंत सूक्ष्म स्वरूपात होत असल्याने त्यासाठी तेवढ्याच संवेदनशील आणि अचूक घड्याळाची आवश्यकता असते. अशी घड्याळे आपल्या आकाशगंगेमध्ये अस्तित्वात आहेत. त्यांना पल्सार म्हणतात. पल्सार हे पल्सेटिंग सोर्स ऑफ रेडिओ वेव्ह्ज या नावाचे संक्षिप्त रूप आहे. महाकाय ताऱ्यांच्या मृत्यूनंतर उरलेली त्यांची कलेवरे म्हणजे पल्सार. फक्त काही किलोमीटर व्यासाच्या या ताऱ्यांचे वस्तुमान दीड ते दोन सूर्यांएवढे असते आणि ते स्वतःभोवती वेगाने फिरत असतात. फिरता फिरताच एखाद्या दीपस्तंभाप्रमाणे ते अत्यंत नियमित काळाने रेडिओ लहरींचे झोत फेकतात. सातत्याने फिरत राहणारे हे पल्सार आणि त्यांचे रेडिओ झोत म्हणजे अवकाशातील घड्याळेच! आकाशगंगेमध्ये विविध ठिकाणी असलेले पल्सार गुरुत्वीय लहरींच्या संपर्कात येतात आणि त्यामुळे त्यांच्या उत्सर्जनामध्ये काही नॅनोसेकंदांचा फरक पडतो. हा फरक टिपता आल्यास गुरुत्वीय लहरींचे अस्तित्व सिद्ध करता येईल. याच कल्पनेच्या आधारे २००२ मध्ये पल्सार टायमिंग ॲरेची (पल्सार टायमिंग ॲरे) सुरुवात झाली.
संशोधन कसे करण्यात आले?
गुरुत्वीय लहरींच्या शोधकाचे काम करणारा पल्सारचा संच म्हणजेच पल्सार टायमिंग ॲरे. या प्रयोगात अनेक शक्तिशाली रेडिओ दुर्बिणी वापरून पल्सार उत्सर्जनातील अतिसूक्ष्म बदल टिपले जातात. दोन दशकांहून अधिक काळ, जगातील अनेक देशांमध्ये शास्त्रज्ञ अधिकाधिक पल्सारची निरीक्षणे नोंदवत आहेत. यातून मिळालेल्या विदाचे (डेटा) संकलन करून महासंगणकाद्वारे विश्लेषण केले जाते. अनावश्यक भाग वगळून पुढील टप्प्यात फक्त बदलांचा मागोवा घेतला जातो. अतिशय किचकट प्रक्रिया केल्यानंतर या विदामध्ये शास्त्रज्ञांना गुरुत्वीय लहरींचे संकेत सापडले. या प्रयोगात इंडियन पल्सार टायमिंग ॲरे (इनपीटीए), युरोपिअन पल्सार टायमिंग ॲरे (ईपीटीए), पार्क्स पल्सार टायमिंग ॲरे (पीपीटीए) आणि नॉर्थ अमेरिकन नॅनोहर्ट्झ ग्रॅव्हिटेशनल वेव्ह ऑब्झर्व्हेटरी (नॅनोग्रॅव्ह) हे चार मुख्य गट सहभागी आहेत. तसेच नारायणगावजवळच्या खोडद येथील जायंट मीटरवेव्ह रेडिओ टेलिस्कोप (जीएमआरटी) या अतिशक्तिशाली रेडिओदुर्बीणीने या संशोधनात महत्वाची भूमिका बजावली.
या संशोधनाचे महत्त्व काय?
आतापर्यंत शोधलेल्या गुरुत्वीय लहरी तुलनेने हलक्या अवकाशीय वस्तूंमधून बाहेर पडलेल्या होत्या. पल्सार टायमिंग ॲरेच्या प्रयोगात सापडलेल्या लहरी या महाकाय अवकाशीय वस्तूंमधून बाहेर पडलेल्या आहेत. याचाच अर्थ असा, की आईन्स्टाईनचा सिद्धांत साध्या ताऱ्यांपासून ते पार दीर्घिकांपर्यंत सरसकट लागू होतो. दुसरी महत्त्वाची गोष्ट अशी, की छोट्या दीर्घिकांच्या विलीनीकरणातून मोठ्या दीर्घिका तयार होण्याच्या सिद्धांताला पुष्टी मिळाली. या शिवाय अचूक निरीक्षणे नोंदवण्याच्या आणि विदा विश्लेषणाच्या तंत्रज्ञानावरही शिक्कामोर्तब झाले.
हेही वाचा : वैज्ञानिकांना सापडला दुसरा चंद्र; किमान १५०० वर्षे पृथ्वीजवळ स्थान निश्चित, नेमकं प्रकरण काय?
हे संशोधन येत्या काळात कसे दिशादर्शक ठरू शकेल?
पल्सार टायमिंग ॲरेच्या प्रयोगातून गुरुत्वीय लहरींच्या अस्तित्वाला निश्चितच दुजोरा मिळाला आहे. या पुढील दोन-तीन दशकांत या लहरींचे स्रोत नक्की किती, ते कुठे कुठे होते, त्यांचे नक्की वस्तुमान किती, त्यांचे विलीनीकरण व्हायला किती वेळ लागला, या आणि अशा असंख्य प्रश्नांची उत्तरे मिळण्याची आशा शास्त्रज्ञांना आहे. गुरुत्वीय लहरींच्या माध्यमातून विश्वाचा अभ्यास करण्यासाठी एक नवीन साधन उपलब्ध झाले आहे. त्यामुळे आतापर्यंत आवाक्यात नसलेल्या खगोलीय घटनांचा मागोवा घेणे शक्य होणार आहे.
msurnis@gmail.com
लेखकाचा या संशोधनात सहभाग आहे, तसेच ‘आयसर’, भोपाळ येथे ते सहायक प्राध्यापक म्हणून कार्यरत आहेत.
गुरुत्वीय लहरींच्या अस्तित्वाचा पहिलावहिला पुरावा खगोलशास्त्रज्ञांच्या हाती लागला आहेत. भारत, जपान, अमेरिका, ऑस्ट्रेलिया, चीन, आणि युरोपमधील शास्त्रज्ञांच्या विविध गटांच्या एकत्रित प्रयत्नातून हे साध्य झाले आहे. २९ जून रोजी सर्व गटांनी हे निष्कर्ष जाहीर केले. इनपीटीए (इंडियन पल्सार टायमिंग ॲरे) या खगोलशास्त्रज्ञांच्या गटाचा या संशोधनामध्ये महत्त्वाचा वाटा आहे. या संशोधनाची पार्श्वभूमी आणि विश्वाचे गूढ उकलण्याच्या दृष्टीने त्याचे महत्त्व याचा ऊहापोह…
गुरुत्वीय लहरींच्या संशोधनाची पार्श्वभूमी काय?
अल्बर्ट आईन्स्टाईन यांच्या सापेक्षतावादाच्या सिद्धांतामध्ये गुरुत्वीय लहरींचे मूळ आहे. १९०५ मध्ये आईन्स्टाईन यांनी सर्वसाधारण सापेक्षतावाद (जनरल रिलेटिव्हिटी) सिद्धांतामधून गुरुत्वाकर्षण, अवकाश आणि काळ यांच्यातील परस्पर संबंध उलगडणारी समीकरणे मांडली. भौतिकशास्त्रासाठी क्रांतिकारी ठरलेल्या या समीकरणांनी गुरुत्वाकर्षण, अवकाश आणि काळ यांच्या अभ्यासाला नवी दिशा दिली. गुरुत्वाकर्षणाचा नव्याने आणि खोलात जाऊन अभ्यास करताना गुरुत्वीय लहरी अस्तित्वात असाव्यात असे खगोलवैज्ञानिकांच्या ध्यानात आले. त्याबरोबरच खुद्द गुरुत्वीय लहरी किंवा त्यांच्या अस्तित्वाचे पुरावे शोधण्याचा प्रयत्न सुरू झाला. कोणत्याही दोन अवजड खगोलीय वस्तू एकमेकांभोवती फिरू लागल्यास त्यातून गुरुत्वीय लहरी बाहेर पडतात. एकमेकांभोवती फिरणारी महाप्रचंड आकाराची कृष्णविवरे हे त्याचे उत्तम उदाहरण. गुरुत्वीय लहरींमुळे अवकाशात तरंग उठतात. तसेच त्या जेथे असतील तिथे काळ आणि अवकाशाचे आकुंचन-प्रसरण घडते. म्हणजेच त्यांच्यामुळे खगोलीय वस्तूंमधील अंतर अतिसूक्ष्म प्रमाणात कमी-जास्त होते. या गुरुत्वीय लहरींची वारंवारिता खगोलीय वस्तूंच्या वस्तुमानावर आणि एकमेकांभोवती फिरण्याचा कालावधीवर अवलंबून असते. एकमेकांभोवती फिरणाऱ्या महाकाय कृष्णविवरांमधून उत्सर्जित होणाऱ्या गुरुत्वीय लहरींची वारंवारिता अत्यंत कमी म्हणजे नॅनोहर्ट्झच्या घरात असते. या उलट त्यांची तरंगलांबी अब्जावधी किलोमीटर असते. विश्व निर्मितीनंतर तयार झालेल्या दीर्घिका छोट्या होत्या, पण त्यांच्या केंद्रस्थानी आकांशगंगेप्रमाणेच महाकाय कृष्णविवरे होती. कालांतराने या दीर्घिका आणि पर्यायाने त्यांच्या केंद्रातील कृष्णविवरे, एकमेकांभोवती फिरत एकमेकांत विलीन झाली. आजच्या प्रचंड दीर्घिका या प्रक्रियेतून बनल्या असाव्यात, असा खगोलशास्त्रज्ञांचा अंदाज आहे. हा अंदाज खरा असल्यास प्रत्येक विलीनीकरणातून गुरुत्वीय लहरी बाहेर पडल्या असणार. अशा अगणित विलीनीकरणाच्या घटनांमुळे विश्वात सर्वत्र गुरुत्वीय लहरी अस्तित्वात असणार. म्हणजेच कधीही निरीक्षण केले तरी अनेक लहरी एकत्रित येऊन, गोंधळ असल्यासारखे भासेल. यालाच वैज्ञानिक भाषेत ग्रॅव्हिटेशनल वेव्ह बॅकग्राउंड (जीडब्ल्यूबी) म्हणतात. इतक्या प्रचंड लहरी टिपू शकेल अशी वेधशाळा पृथ्वीवर बांधणे अशक्यच. पण एकमेकांपासून अब्जावधी किलोमीटर लांब असणारे तारे हे काम करू शकतात. सर्व खगोलीय वस्तुंप्रमाणेच ताऱ्यांवर गुरुत्वीय लहरींचा परिणाम होतो. आकाशगंगेतील ताऱ्यांवरील या लहरींच्या परिणामांचा अभ्यास करून गुरुत्वीय लहरी अप्रत्यक्षपणे टिपता येणे शक्य आहे; परंतु हा परिणाम अत्यंत सूक्ष्म स्वरूपात होत असल्याने त्यासाठी तेवढ्याच संवेदनशील आणि अचूक घड्याळाची आवश्यकता असते. अशी घड्याळे आपल्या आकाशगंगेमध्ये अस्तित्वात आहेत. त्यांना पल्सार म्हणतात. पल्सार हे पल्सेटिंग सोर्स ऑफ रेडिओ वेव्ह्ज या नावाचे संक्षिप्त रूप आहे. महाकाय ताऱ्यांच्या मृत्यूनंतर उरलेली त्यांची कलेवरे म्हणजे पल्सार. फक्त काही किलोमीटर व्यासाच्या या ताऱ्यांचे वस्तुमान दीड ते दोन सूर्यांएवढे असते आणि ते स्वतःभोवती वेगाने फिरत असतात. फिरता फिरताच एखाद्या दीपस्तंभाप्रमाणे ते अत्यंत नियमित काळाने रेडिओ लहरींचे झोत फेकतात. सातत्याने फिरत राहणारे हे पल्सार आणि त्यांचे रेडिओ झोत म्हणजे अवकाशातील घड्याळेच! आकाशगंगेमध्ये विविध ठिकाणी असलेले पल्सार गुरुत्वीय लहरींच्या संपर्कात येतात आणि त्यामुळे त्यांच्या उत्सर्जनामध्ये काही नॅनोसेकंदांचा फरक पडतो. हा फरक टिपता आल्यास गुरुत्वीय लहरींचे अस्तित्व सिद्ध करता येईल. याच कल्पनेच्या आधारे २००२ मध्ये पल्सार टायमिंग ॲरेची (पल्सार टायमिंग ॲरे) सुरुवात झाली.
संशोधन कसे करण्यात आले?
गुरुत्वीय लहरींच्या शोधकाचे काम करणारा पल्सारचा संच म्हणजेच पल्सार टायमिंग ॲरे. या प्रयोगात अनेक शक्तिशाली रेडिओ दुर्बिणी वापरून पल्सार उत्सर्जनातील अतिसूक्ष्म बदल टिपले जातात. दोन दशकांहून अधिक काळ, जगातील अनेक देशांमध्ये शास्त्रज्ञ अधिकाधिक पल्सारची निरीक्षणे नोंदवत आहेत. यातून मिळालेल्या विदाचे (डेटा) संकलन करून महासंगणकाद्वारे विश्लेषण केले जाते. अनावश्यक भाग वगळून पुढील टप्प्यात फक्त बदलांचा मागोवा घेतला जातो. अतिशय किचकट प्रक्रिया केल्यानंतर या विदामध्ये शास्त्रज्ञांना गुरुत्वीय लहरींचे संकेत सापडले. या प्रयोगात इंडियन पल्सार टायमिंग ॲरे (इनपीटीए), युरोपिअन पल्सार टायमिंग ॲरे (ईपीटीए), पार्क्स पल्सार टायमिंग ॲरे (पीपीटीए) आणि नॉर्थ अमेरिकन नॅनोहर्ट्झ ग्रॅव्हिटेशनल वेव्ह ऑब्झर्व्हेटरी (नॅनोग्रॅव्ह) हे चार मुख्य गट सहभागी आहेत. तसेच नारायणगावजवळच्या खोडद येथील जायंट मीटरवेव्ह रेडिओ टेलिस्कोप (जीएमआरटी) या अतिशक्तिशाली रेडिओदुर्बीणीने या संशोधनात महत्वाची भूमिका बजावली.
या संशोधनाचे महत्त्व काय?
आतापर्यंत शोधलेल्या गुरुत्वीय लहरी तुलनेने हलक्या अवकाशीय वस्तूंमधून बाहेर पडलेल्या होत्या. पल्सार टायमिंग ॲरेच्या प्रयोगात सापडलेल्या लहरी या महाकाय अवकाशीय वस्तूंमधून बाहेर पडलेल्या आहेत. याचाच अर्थ असा, की आईन्स्टाईनचा सिद्धांत साध्या ताऱ्यांपासून ते पार दीर्घिकांपर्यंत सरसकट लागू होतो. दुसरी महत्त्वाची गोष्ट अशी, की छोट्या दीर्घिकांच्या विलीनीकरणातून मोठ्या दीर्घिका तयार होण्याच्या सिद्धांताला पुष्टी मिळाली. या शिवाय अचूक निरीक्षणे नोंदवण्याच्या आणि विदा विश्लेषणाच्या तंत्रज्ञानावरही शिक्कामोर्तब झाले.
हेही वाचा : वैज्ञानिकांना सापडला दुसरा चंद्र; किमान १५०० वर्षे पृथ्वीजवळ स्थान निश्चित, नेमकं प्रकरण काय?
हे संशोधन येत्या काळात कसे दिशादर्शक ठरू शकेल?
पल्सार टायमिंग ॲरेच्या प्रयोगातून गुरुत्वीय लहरींच्या अस्तित्वाला निश्चितच दुजोरा मिळाला आहे. या पुढील दोन-तीन दशकांत या लहरींचे स्रोत नक्की किती, ते कुठे कुठे होते, त्यांचे नक्की वस्तुमान किती, त्यांचे विलीनीकरण व्हायला किती वेळ लागला, या आणि अशा असंख्य प्रश्नांची उत्तरे मिळण्याची आशा शास्त्रज्ञांना आहे. गुरुत्वीय लहरींच्या माध्यमातून विश्वाचा अभ्यास करण्यासाठी एक नवीन साधन उपलब्ध झाले आहे. त्यामुळे आतापर्यंत आवाक्यात नसलेल्या खगोलीय घटनांचा मागोवा घेणे शक्य होणार आहे.
msurnis@gmail.com
लेखकाचा या संशोधनात सहभाग आहे, तसेच ‘आयसर’, भोपाळ येथे ते सहायक प्राध्यापक म्हणून कार्यरत आहेत.
