गोष्ट गुरुत्वाकर्षण लहरींची

(Published in संवाद... सर्जनशील मनांशी - दिवाळी विज्ञान-तंत्रज्ञान विशेषांक, २०१६)

 
आजपासून शंभर वर्षांपूर्वी, म्हणजेच १९१६ साली अल्बर्ट आईनस्टाईन यांनी आपल्या जनरल थिअरी ऑफ रिलेटीव्हीटी (सामान्य सापेक्षतावाद) या सिद्धांतामध्ये गुरुत्वाकर्षण लहरींचे अस्तित्व वर्तविले आहे.

आजपर्यंत गूढ असलेल्या या लहरींचा शोध ११ फेब्रुवारी २०१६ रोजी जगजाहीर करण्यात आला. गेली ५ दशके जगभरातील शास्त्रज्ञ गुरुत्वीय लहरींच्या शोधात होते. या अदृश्य लहरींच्या निरीक्षणासाठी डिटेक्टर्स म्हणून वापरण्यात येणारे उपकरण हे अंतरातील अतिसूक्ष्म बदलास संवेदनशील असणे आवश्यक असते. गुरुत्वाकर्षण लहरींचा वेध घेण्याचा पायंडा १९६० च्या दशकात जोसेफ वेबर यांनी घातला. वेबर यांनी या कार्यासाठी रेझोनंट बार डिटेक्टर्स तयार केले. हे डिटेक्टर्स ॲल्युमिनिअम धातूपासून घडवलेले सिलेंडर्स असून भूपृष्ठावरील हालचालींमुळे निरीक्षणात येऊ शकणारा व्यत्यय टाळण्यासाठी अधांतरी ठेवण्यात आले होते. या उपकरणाच्या सहाय्याने जरी गुरुत्वाकर्षण लहरींचा वेध घेण्यास यश मिळाले नाही, तरी पुढील काळात क्रायोजेनिक रेझोनंट बार्स, लेझर इंटरफेरोमेट्रिक डिटेक्टर्स यांसारखी प्रगत उपकरणे बनविण्यास प्रोत्साहन मिळाले. बार डिटेक्टर्स ची क्षमता सूक्ष्म बदल मोजण्यासाठी मर्यादित असल्याने लेझर इंटरफेरोमेट्रिक डिटेक्टर्स हे अतिसूक्ष्म अशा या लहरींच्या निरीक्षणासाठी योग्य असल्याचे सिद्ध झाले.



लेझर इंटरफेरोमीटर मध्ये लांब अशा दोन बाहूंची रचना वापरली जाते. दोन्ही बाजूंच्या शेवट एक सपाट आरसा असतो. लेझर स्त्रोतापासून दोनही आरसे समान अंतरावर एकमेकांना काटकोनात असतात. ही सर्व रचना निर्वात पोकळी निर्माण केलेल्या बोगद्यांमध्ये बसवलेली असते. लेझर किरण एका विशिष्ट पद्धतीने आरस्यांवर सोडले जाते, जेणेकरून परावर्तित किरण जेव्हा एकत्र येतात तेव्हा फोटो-डिटेक्टर वर त्यांची एक विशिष्ट अशी रचना दिसते. जेव्हा गुरुत्वाकर्षण लहर पृथ्वीमधून प्रवास करते, तेव्हा ताणलेल्या कापडाप्रमाणेच एक बाजू ताणली जाऊन दुसरी आकुंचित होते. यामुळे परावर्तित लेझर किरणांच्या अंतरात बदल होऊन फोटो-डिटेक्टर वर तयार होणारी रचना देखील बदलते. अशा पद्धतीने गुरुत्वाकर्षण लहरींमुळे भूपृष्ठावरील होणारे अतिसूक्ष्म बदल नोंदविले जातात.


लेझर इंटरफेरोमेट्रिक डिटेक्टर्स वापरून गुरुत्वाकर्षण लहरींचा वेध घेण्याची तयारी जरी १९७० च्या नजीक सुरू झाली असली तरी त्यासाठी आवश्यक असे सरकारी शिक्कामोर्तब व निधी हे १९९० च्या दशकात पूर्णतेस आले. १९९७ साली हॅनफर्ड (वॉशिंग्टन) व लिव्हिंगटन (लुझिआना) येथे ‘लायगो’ - LIGO (Laser Interferometric Gravitational-wave Observatory) च्या पहिल्या डिटेक्टर्स ची रचना पूर्ण झाली. २००२ ते २००६ च्या कालावधीत लायगो चा पहिला चाचणी व निरीक्षणात्मक टप्पा पार पडला. या काळातही गुरुत्वाकर्षण लहरींचे अस्तित्व गूढ राहिले. यानंतर प्रगत उपकरणे वापरून लायगो ची पुनर्रचना करण्यात आली. २०११ ते २०१४ च्या काळात Advanced LIGO ची बांधणी व चाचणी पार पडली. २०१५ मध्ये या प्रगत वेधशाळेची संवेदनशीलता पहिल्या टप्प्यातील उपकरणापेक्षा बऱ्याच अंशी वाढल्याचे निरीक्षणास आले.

१४ सप्टेंबर २०१५ रोजी, प्रत्यक्ष निरीक्षणासाठी सज्ज होण्याआधी चालू असलेल्या उपकरणाच्या तांत्रिक चाचणी दरम्यान, दोन्ही लायगो च्या ४ किलोमीटर लांबीच्या डिटेक्टर्समध्ये हायड्रोजन च्या अणु-गाभ्यापेक्षा (१०-१५ मीटर) हजार पट लहान (१०-१८ मीटर) हालचाल निदर्शनास आली. अंतरातील या लहानशा बदलासोबतच लायगो ने दोन कृष्णविवरांची टक्कर झाल्याने उत्सर्जित झालेल्या गुरुत्वाकर्षण लहरींची (GW150914) ऐतिहासिक नोंद केली. ही निरीक्षणे सखोल पडताळून ११ फेब्रुवारी २०१६ रोजी हा शोध जगजाहीर करण्यात आला. आणि यासोबतच खगोलशास्त्रामध्ये एका नव्या पर्वाची सुरुवात झाली. यानंतर १५ जून २०१६ रोजी आणखी एका कृष्णविवर जोडीच्या टकरेने अंतराळात निर्माण झालेल्या गुरुत्वाकर्षण लहरींचा (GW151226) शोध जगजाहीर करण्यात आला. हे निरीक्षण पहिल्या यशस्वी शोधानंतर काही महिन्यांतच, २६ डिसेंबर २०१५ रोजी नोंदविले गेले होते.





१७ व्या शतकात आयझॅक न्यूटन यांनी गुरुत्वाकर्षण कसे कार्य करते हे सांगितल्याचे आपणां सर्वांस माहित आहे. न्यूटन यांच्या गुरुत्वाकर्षणाच्या सिद्धांतानुसार कोणतीही जड खगोलीय वस्तू जेव्हा गतिमान असते तेव्हा तिच्या भोवतालच्या गुरुत्वीय क्षेत्रात बदलत्या स्थलानुसार तत्काळ बदल होतात, व या वस्तूमुळे निर्माण होणारे विश्वातील गुरुत्वीय बल ही तत्क्षण बदलते.

आईनस्टाईन यांचा २० व्या शतकाच्या सुरुवातीला मांडलेला सामान्य सापेक्षतावादाचा सिद्धांत मात्र काही वेगळेच सांगतो. या सिद्धांतानुसार, विश्वातील कोणत्याही प्रकारचा संदेश, कोणतेही बल हे प्रकाशाच्या वेगाहून अधिक वेगाने प्रवास करू शकत नाहीत – यांत वस्तूच्या बदललेल्या स्थलाचा देखील समावेश होतो. इतर अवकाशीय वस्तूंना एखाद्या वस्तूचे अवकाशातील स्थान हे त्या वस्तूच्या गुरुत्वीय क्षेत्रामुळे कळते – आपण असे म्हणू शकतो की गुरुत्वीय क्षेत्र हे अवकाशातील संदेश-वहनासाठी माध्यमाचे कार्य करीत असते. सामान्य सापेक्षतावाद असे मानतो की गुरुत्वीय क्षेत्रातील बदल हे अवकाशातून प्रकाशाच्या वेगाने प्रवास करतात. या बदलांनाच शास्त्रज्ञ ‘अवकाश-कालातील गुरुत्वाकर्षणाच्या लहरी’ म्हणून संबोधतात. एकत्रितपणे स्थलाच्या ३ मिती, व काळाची १ मिती म्हणजे अवकाश-काल (spacetime).

सापेक्षतावाद हा चतुर्मितीय गुरुत्वाकर्षण चपखलपणे स्पष्ट करतो. चतुर्मितीय अवकाशाची कल्पना करणे अवघड असल्याने आपण सोप्या उदाहरणाने ही संकल्पना समजून घेऊ.

जड वस्तुमान हे आपल्या आजुबाजूच्या अवकाश-कालास वक्र करते; जसे सर्व बाजूंनी ताणलेल्या पडद्यावर ठेवलेला जड गोळा पडदा वाकवतो. या जड वस्तूभोवती एखादा लहान गोल सोडल्यास तो वक्र पृष्ठामुळे जड वस्तूकडे ओढला जातो. यालाच आपण गुरुत्वाकर्षण म्हणतो. या जड वस्तूचे स्थानांतर झाल्यास ह्या पृष्ठावर तरंग तयार होतात, ज्यांना आपण गुरुत्वाकर्षण लहरी म्हणतो. जसे गतिमान भारांमुळे विद्युतचुंबकीय लहरी निर्माण होतात, तसेच गतिमान वस्तुमानामुळे गुरुत्वाकर्षण लहरी निर्माण होतात. गुरुत्वाकर्षण हे विश्वातील सर्वांत जास्त दुर्बल असे बल असल्याने गुरुत्वाकर्षण लहरी या अतिसूक्ष्म असतात. भौतिकशास्त्रज्ञांच्या मते सर्वांत बलवान अशी गुरुत्वाकर्षण लहर ही अवकाश-कालामध्ये १०-१८ मीटर इतके विस्थापन करू शकते.





या प्रकारच्या लहरींची निर्मिती ही भव्य वस्तुमान असलेल्या व प्रचंड वेगाने फिरणाऱ्या अशा प्रणालींतून होऊ शकते; उदाहरणार्थ, एकमेकांभोवती अत्यंत जलद गतीने फिरत एकत्र होणारी दोन कृष्णविवरे. या प्रकारच्या खगोलीय वस्तू कमी प्रमाणात माहित असून त्या आपणांपासून कित्येक प्रकाशवर्षे दूर आहेत. सममितीय घटनेतून गुरुत्वाकर्षण लहरींची निर्मिती होऊ शकत नाही. गुरुत्वाकर्षण लहरींच्या निर्मितीस कारण हा सममितीचा अभाव असतो. जसे, एखाद्या ताऱ्याचा स्फोट जेव्हा सर्व दिशांनी एकसारखा न होता ठराविक दिशेने बल उत्सर्जित झाले, किंवा एखादा अतिवेगाने फिरणारा तारा ज्याच्या सर्व मिती वेगामुळे असमान झाल्या आहेत, अशा घटनांमध्ये गुरुत्वाकर्षण लहरी निर्माण होऊ शकतात.

२०१५ मध्ये नोंदविलेल्या दोनही घटना या कृष्णविवरांची टक्कर होत्या. यांतील प्रत्येक कृष्णविवर आपल्या सूर्याच्या वस्तुमानापेक्षा (२ × १०३० किलोग्रॅम) ०७ ते ४० पट वस्तुमानाचे होते. आतापर्यंत प्रकाशाचे गुरुत्वाकर्षणामुळे होणारे वक्रीभवन वापरून अप्रत्यक्षपणे कृष्णविवरांचे अस्तित्व सिद्ध केले गेले होते. परंतु, गेल्या वर्षी लागलेल्या या ऐतिहासिक शोधाने कृष्णविवरांचे प्रत्यक्ष अस्तित्व निदर्शनास आले आहे. या शोधामागे जगभरातील कित्येक शास्त्रज्ञ जबाबदार असून यांतील काही भारतीय देखील आहेत. लवकरच भारत भूमीवर देखील ‘लायगो इंडिया’ प्रकल्प अस्तित्वात येत असून याबद्दल भारतीय खगोलशास्त्रज्ञांची उत्सुकता वाढली आहे.





आजपर्यंत विश्वाकडे पाहण्यासाठी जशी विद्युतचुंबकीय लहरींची एक एक खिडकी उघडत गेली आहे, तसे आपल्याला दिसणारे विश्वाचे चित्र आणखी सखोल व रंगीत झाले आहे. बौद्धिक उत्सुकता, मूलभूत प्रश्न व त्यांची उत्तरे शोधण्यासाठी केले जाणारे अथक प्रयत्न, आणि उत्तरोत्तर प्रगत होणाऱ्या तंत्रज्ञानाच्या सहाय्याने विश्वाकडे पाहण्यासाठी मानवाला आणखी एक खिडकी खुली झाली आहे - गुरुत्वाकर्षण लहरी! या नव्या तावदानातून कोणत्या रूपात विश्वरूपदर्शन घडते याकडे संपूर्ण मानवजात आता डोळे लावून बसली आहे.

- सोनल थोरवे