कृष्णविवर प्रतिमा

सारंग ओक, खगोल अभ्यासक
सोमवार, 22 एप्रिल 2019

टेक्नोसॅव्ही
 

समस्त खगोल आणि विज्ञानप्रेमी मंडळींच्या दृष्टीने १० एप्रिल २०१९ हा अत्यंत आनंददायी आणि उत्साहाचा असा दिवस. आइन्स्टाईनने १९१५ साली मांडलेल्या सापेक्षतावादाच्या सिद्धांताच्या मदतीने कार्ल श्‍वार्जचाईल्ड या जर्मन संशोधकाने आइन्स्टाईन फील्ड इक्वेशन अथवा व्हॅक्‍यूम फील्ड इक्वेशन या संकल्पनेची गणितीय मुहूर्तमेढ रोवली. ज्याला सामान्य नाव मिळाले ‘कृष्णविवर’(Black Hole). ज्याच्या गुरुत्वीय बलातून ३ लाख 
कि. मी./प्रतिसेकंद वेगाने प्रवास करणारा प्रकाशसुद्धा सुटू शकत नाही अशी ही गोष्ट. सूर्याच्या २५ पटीपेक्षा अधिक वस्तुमान असणाऱ्या महाराक्षसी ताऱ्यांचे अंतिमतः कृष्णविवरात रूपांतरण होते. विश्‍वातील बहुतांशी सगळ्या दीर्घिकांच्या केंद्रस्थानीदेखील महाकाय (सूर्याच्या काही लक्ष पट वस्तुमानाचे) कृष्णविवर असावे, असा संशोधकांचा अंदाज होता. कृष्णविवर हे अत्यंत प्रचंड घनता आणि गुरुत्वाकर्षण असणारी वस्तू असून त्याच्याभोवती एका ठराविक त्रिज्येपर्यंतच्या प्रदेशातून प्रकाशही बाहेर पडू शकत नाही. या त्रिज्येला ‘इव्हेंट होरायझन’ असे म्हणतात. या त्रिज्येच्या आत गेलेली कोणतीही वस्तू वा ऊर्जा परत बाहेर पडू शकत नाही.

या नजरेस न पडणाऱ्या, सर्व प्रकाश शोषून घेणाऱ्या वस्तूचा शोध लावायचा कसा? हे मोठेच कोडे होते. पण या वस्तूचे प्रचंड गुरुत्वाकर्षणच यासाठी उपयोगी पडू शकेल, असे संशोधकांच्या लक्षात आले. या प्रचंड गुरुत्वाकर्षणामुळे कृष्णविवराच्या जवळपासचे सर्व पदार्थ त्याच्याकडे ओढले जातात. या वस्तू प्रचंड वेगाने कृष्णविवराच्या भोवती फिरत त्याच्या आत ओढल्या जातात. अशा वस्तूंचे एक कडे कृष्णविवराच्या भोवती इव्हेंट होरायझनच्या बाहेर तयार होते, ज्याला ‘ॲक्रेशन डिस्क’ संबोधले जाते. या कड्यातल्या कड्यातील वायुकणांचे प्रचंड वेगामुळे घर्षण होते आणि हे वायू लक्षावधी सेल्सिअस तापमानापर्यंत तप्त होतात. यातून मोठ्या प्रमाणात क्ष-किरण तसेच रेडिओ लहरी बाहेर पडत असतात. त्याचप्रमाणे कृष्णविवराच्या पलीकडे असणाऱ्या दूरस्थ वस्तूंचा प्रकाशही कृष्णविवराच्या जवळून जाताना त्याचे वक्रीभवन होते. अशा क्ष-किरण स्रोतांच्या आणि प्रकाश वक्रीकरणाच्या मदतीने कृष्णविवरे शोधता येऊ शकतात. हंस तारकासमूहातील सिग्नस एक्‍स - १ हा स्रोत याचे उत्तम उदाहरण आहे. या स्रोताच्या जागी सूर्याच्या १४ पट वस्तुमानाचा एक तारा, एका अज्ञात, दिसू न शकणाऱ्या पण सूर्याच्या ८ पट वस्तुमान असलेल्या वस्तुभोवती फिरतो आहे. ही वस्तू या ताऱ्याचे वस्तुमान स्वतःकडे ओढून घेते आहे आणि प्रचंड मोठ्या प्रमाणात क्ष-किरणे बाहेर टाकते आहे. याच तऱ्हेने आपल्या आकाशगंगेच्या केंद्रस्थानाचे ज्याला ‘सॅजिटॅरिअस ए स्टार’ असे म्हटले जाते. त्याचे निरीक्षण केले असता या केंद्राच्या अत्यंत जवळ असलेले तारे अत्यंत क्‍लिष्ट अशा रचनेत आणि अतिशय वेगाने केंद्राभोवती फिरताना दिसतात. त्याचे गणिताच्या मदतीने संगणकीय मॉडेल उभे केले असता आपल्या आकाशगंगेच्या केंद्रस्थानी सूर्याच्या लाखो पट वस्तुमानाची वस्तू आहे; पण तिचा आकार अत्यंत लहान आहे, असे लक्षात आले. याचाच अर्थ तिथे कृष्णविवर असले पाहिजे. कन्या राशीतील एम ८७ ही अवकाशातील अत्यंत महाकाय अशा दीर्घिकांपैकी एक! याच्या केंद्रामधून क्ष-किरणांचे सुमारे ४ हजार प्रकाशवर्षे लांबीचे झोत बाहेर पडतात. हे झोतही या दीर्घिकेच्या केंद्रस्थानी कृष्णविवर आहेत, याचे द्योतक आहे. पण हे क्ष-किरणांचे झोत, ताऱ्यांच्या केंद्राभोवती फिरणे हे सगळे कृष्णविवराचे अप्रत्यक्ष पुरावे होत. शास्त्रज्ञांना वेध लागले होते प्रत्यक्ष पुराव्यांचे. कृष्णविवराच्या छायाचित्राचे. ज्यातून प्रकाशही बाहेर पडत नाही, त्या न दिसणाऱ्या गोष्टीचे छायाचित्र कसे येणार? तर हे छायाचित्र होते, कृष्णविवराभोवती फिरणाऱ्या ‘ॲक्रिशन डिस्क’ आणि त्यावर पडणाऱ्या ‘कृष्णविवराच्या कृष्णछाये’चे. आइन्स्टाईनच्या सिद्धांतानुसार कृष्णविवराभोवती अवकाश-काळ इतका वक्र होतो, की प्रकाशाच्या वक्रीभवनामुळे कृष्णविवराच्या पलीकडे असलेल्या ॲक्रिशन डिस्कचा भागही निरीक्षक पाहू शकतो आणि या दृश्‍य गोष्टींवर कृष्णविवराची छाया पडलेली (सुपरइंपोज झालेली) दिसू शकते. कृष्णविवराभोवतीच्या ॲक्रिशन डिस्कचा निरीक्षकांशी असलेल्या कोनावर या छायेचा आकार अवलंबून असतो.  

Event Horizon Telescope collaboration (ETH) या महत्त्वाकांक्षी प्रकल्पाची सुरुवात केवळ आणि केवळ कृष्णविवराचे छायाचित्र घेणे, हे उद्दीष्ट समोर ठेवून करण्यात आली. आपल्या जवळ असल्याने आपल्या आकाशगंगेच्या केंद्रस्थानी असलेले कृष्णविवर सॅजिटॅरिअस ऐ स्टार आणि दूर असूनही अत्यंत महाकाय असलेल्या कन्या तारकासमूहातील दीर्घिका एम ८७ च्या केंद्रस्थानातील कृष्णविवरांची निवड छायाचित्रांसाठी करण्यात आली. सॅजिटॅरिअस ऐ स्टार आणि एम ८७ च्या केंद्रस्थानातील कृष्णविवर यांचा आपल्याला दिसणारा दृश्‍य आकार हा सारखाच आहे. एस ८७ मधील कृष्णविवर हे सॅजिटॅरिअस ऐ स्टारच्या १५०० पट वस्तुमानाचे आहे. त्यामुळे त्याच्या इव्हेंट होरायझनची त्रिज्याही सॅजिटॅरिअस ऐ स्टारपेक्षा कितीतरी अधिक आहे. त्याचमुळे त्याबाहेरील ॲक्रिशन डिस्कची त्रिज्यादेखील प्रचंड आहे. या सर्व कारणाने सुमारे ५.५ कोटी प्रकाशवर्षे अंतरावरील कृष्णविवराचा दृश्‍य आकार हा आपल्या आकाशगंगेतील केवळ २६००० प्रकाशवर्षे अंतरावर असणाऱ्या सॅजिटॅरिअस ऐ स्टारच्या दृश्‍यआकाराएवढाच आहे. असे असले, तरी या दोन्हीचेही छायाचित्र घेणे म्हणजे चंद्रावर एक आंबा ठेवून त्याचे पृथ्वीवरून छायाचित्र घेण्यासारखे आहे. 

एवढ्या लहान दृश्‍य आकाराच्या वस्तूचे छायाचित्र घेण्यासाठी जवळ जवळ पृथ्वीच्या आकाराच्या रेडिओ दुर्बिणीची आवश्‍यकता होती. ETH या प्रकल्पाद्वारे शास्त्रज्ञांनी Very Long Baseline interferometry (VLIB)  या तंत्राचा वापर करून पृथ्वीवर असलेल्या ८ वेगवेगळ्या रेडिओ दुर्बिणींचा वापर केला. या सर्व दुर्बिणींचा एकत्रित परिणाम म्हणून पृथ्वीच्या आकाराची दुर्बीण वापरून ETH ने १.३ mm या तरंगलांबीच्या रेडिओ लहरी वापरून सॅजिटॅरिअस ऐ स्टार आणि एम ८७ च्या केंद्रस्थानातील कृष्णविवर या दोन्हींचे छायाचित्रण सुरू केले. या दुर्बिणी या हायड्रोजन मेसर ॲटोमिक क्‍लॉक सारखी अत्याधुनिक ॲटॉमिक घड्याळे वापरून सिंक्रोनाईज केल्या होत्या. या एकत्रित प्रयत्नांचा परिणाम म्हणून या दुर्बिणीच्या मदतीने २० मायक्रो आर्क सेकंद एवढ्या छोट्या भागाचेही चित्रण शक्‍य झाले. (चंद्राचा आपल्याला दिसणारा आकार ३० आर्क मिनीट एवढा असतो.) 

 एप्रिल २०१८ मधील सलग पाच दिवस या दुर्बिणींमधून या दोन्हीकडून येणाऱ्या रेडिओ लहरींची नोंद करण्याचे काम सुरू होते. यात जमा झालेली एकूण माहिती ही ५ पेटाबाईट (५० दशलक्ष गिगाबाईट) पेक्षाही कितीतरी जास्त आहे. वेगवेगळ्या दुर्बिणीतून जमा झालेली माहिती हार्डड्राईव्हच्या माध्यमातून विमानाने, बोटीने, जमिनीवरून Max Plank Institute for Radio Astronomy आणि MIT Haystack Observatory येथे आणण्यात आली. विशेष महासंगणकाच्या मदतीने या माहितीचे विश्‍लेषण करण्यात आले. एप्रिल २०१७ पासून सुमारे २०० संशोधक, अभ्यासक ज्यात अनेक भारतीय देखील आहेत, ज्या माहितीची वाट पाहत होते, ती माहिती जमा झाली होती. केटी बोमन या तरुण संगणकतज्ज्ञ मुलीने लिहिलेल्या संगणक प्रणालीच्या मदतीने या माहितीचे विश्‍लेषण होऊन एक प्रतिमा तयार होत होती. १० एप्रिल २०१९ या दिवशी ही प्रतिमा सर्वांसाठी खुली करण्यात आली. खगोलशास्त्राच्या इतिहासातले अजून एक सोनेरी पान लिहिले गेले.
 
हे छायाचित्र रेडिओ तरंगांच्या मदतीने तयार केलेले संगणकीय रिप्रेझेंटेशन आहे. यात सोनेरी पिवळ्या कड्याच्या मध्यभागी काळी पोकळी असे स्वरूप दिसते आहे. आइनस्टाईनच्या सिद्धांतानुसार प्रतिमा एखाद्या कड्यासारखी आणि त्याच्या मध्यभागी पोकळी अशी असणेच अपेक्षित होते. मात्र, प्रकल्पावर काम करणाऱ्या अनेक संशोधकांना मिळणाऱ्या माहितीतून तयार होणारी प्रतिमा कशी असेल याचा अंदाज नव्हता. त्यांच्या मते, ही प्रतिमा एखाद्या धुरकट गोळ्यासारखी किंवा पसरट चकतीसारखी काहीही असू शकत होती. मात्र, केटी बोमनच्या प्रणालीने हे सगळे अंदाज धुळीला मिळवत आज दिसणारी प्रतिमा सादर केली. याने आइन्स्टाईनच्या सापेक्षतावादाच्या सिद्धांताला अधिक बळकटी मिळाली.

यात दिसणारी कड्यासारखी रचना ही एका दिशेला अत्यंत तेजस्वी, तर दुसऱ्या बाजूला अंधूक आहे. या तेजस्वी बाजूकडील प्रारणे आपल्या दिशेने येत आहेत, तर विरुद्ध बाजूची प्रारणे ही आपल्यापासून लांब जात आहेत. डॉप्लर इफेक्‍टमुळे या तऱ्हेची प्रतिमा मिळते आहे. तसेच या कड्याची आतली बाजू म्हणजे इव्हेंट होरायझन असे वाटू शकते. मात्र, तसे नाही. इव्हेंट होरायझनच्या लगेच बाहेरील बाजूचा अवकाश एवढा वक्र झालेला असतो, की तेथे असलेल्या सर्व वस्तू या कृष्णविवराभोवती फिरत राहातात. प्रकाशसुद्धा! त्यामुळे इव्हेंट होरायझनपासून सुमारे २.५ पट अंतरावर वा दूर असलेल्या वस्तूंपासून बाहेर पडणारी प्रारणेच आपल्याला मिळू शकतात. या अंतराला ‘फोटॉन ऑर्बिट’ म्हणतात. याच्या आत गेलेल्या सगळ्या वस्तू एकतर कृष्णविवराभोवतीच फिरत राहातात. प्रत्यक्ष कृष्णविवर आणि त्याचे इव्हेंट होरायझन हे त्याहून लहान आहे. परंतु, दिसणारे हे कडे म्हणजे फोटॉन ऑर्बिट नाही, तर कृष्णविवराच्या प्रचंड गुरुत्वाकर्षणामुळे तयार झालेल्या गुरुत्वीय भिंगाचा परिणाम आहे.

या प्रकल्पाने मानवी महत्वाकांक्षेच्या मर्यादा विस्तृत झाल्या आहेत. तसेच तंत्रज्ञानाच्या योग्य वापराचा परिणामही समोर आला आहे. आपल्या आकाशगंगेच्या केंद्रस्थानी असलेल्या सॅजिटॅरिअस ऐ स्टारचीही माहिती या प्रकल्पातून घेतली गेली आहे. त्याच्या प्रतिमेची आता सर्वांना उत्सुकता आहे. ETH ची क्षमता वाढवून (अधिक रेडिओ दुर्बिणी यात समाविष्ट करून) अधिक अचूक आणि दूरस्थ निरीक्षणे घेण्यात येतील. फोटॉन ऑर्बिटच्या आत काय चालते याचा धांडोळा घेण्याचा पुढील प्रयत्न असेल. 

या प्रकल्पामुळे काही गोष्टी समोर आल्या आहेत. त्याचा थोडक्‍यात गोषवारा असा-

  1. आइनस्टाईनचा सापेक्षतावादाचा सिद्धांत अधिक बळकट झाला आहे. 
  2. आजपर्यंत कृष्णविवरांच्या संभाव्य वस्तुमानाचा अभ्यास हा तेथील वायूंचा अभ्यास करून करण्यात येत असे. परंतु, प्रथमतःच रेडिओ प्रारणांचा अभ्यास करून कृष्णविवराचे वस्तुमान काढण्यात आले. एम ८७ च्या कृष्णविवराचे वायूच्या अभ्यासाने काढलेले वस्तुमान हे सूर्याच्या ३.५ अब्ज पट येत होते, तर गुरुत्वाकर्षणाच्या गणिताने काढलेले वस्तुमान हे ६.२ ते ६.६ अब्ज पट येत होते. आता मिळालेल्या प्रतिमेच्या अभ्यासानुसार ते ६.५ अब्ज पट आहे. याचाच अर्थ गुरुत्वीय अभ्यास हा वायूंच्या अभ्यासापेक्षा अधिक अचूक आहे. 
  3. हे कृष्णविवर हे स्वतःभोवती फिरणारे कृष्णविवर आहे.
  4. कृष्णविवराभोवती मोठ्या प्रमाणात मॅटर (इलेक्‍ट्रॉन) आहेत. त्यामुळेच त्यातून एवढ्या मोठ्या प्रमाणात रेडिओ तरंग मिळू शकले. 
  5. कृष्णविवराची गुरुत्वीय शक्ती आणि गुरुत्वीय भिंग या संकल्पना अधिक दृढ झाल्या.
  6. कृष्णविवराच्या त्यानंतर घेतलेल्या प्रतिमांद्वारे दिसले, की त्याच्या भोवतालच्या प्रारणांची तीव्रता बदलती असते. म्हणजेच कृष्णविवर ही डायनॅमिक वस्तू आहे.
  7. पुढील अभ्यासातून कृष्णविवराशी चुंबकीय क्षेत्र निगडित आहे का, याचाही अंदाज लागेल.

 विश्‍व अमर्याद नाही. पण मानवी बुद्धिमत्ता, प्रयत्न, चिकाटी आणि सगळ्यात महत्त्वाचे कुतूहल ज्ञानाच्या मर्यादा अधिकाधिक पुढे नेत चालले आहेत. १९१९ साली दोन बोटी महासागरात प्रवासाला निघाल्या, त्यावेळच्या खग्रास सूर्यग्रहणाचा अभ्यास करायला. त्या छायाचित्रांद्वारे सूर्यासारख्या प्रचंड वस्तुमान असलेल्या गोष्टींमुळे प्रकाशाचे वक्रीभवन होते, हे सिद्ध झाले. १०० वर्षानंतर २०१९ साली त्याच आइन्स्टाईनच्या सापेक्षतावादाच्या सिद्धांताला भक्कम पाठबळ देणारे कृष्णविवराचे छायाचित्र प्रसिद्ध होते आहे. 

आता वाट पाहूया या छायाचित्रांतून पुढे येणाऱ्या अधिकाधिक माहितीची.
 

संबंधित बातम्या