Gravitational Waves : अंतराळाची अदृश्य कंपने: गुरुत्वाकर्षण तरंग

Gravitational Waves : विश्वाकडे पाहताना आपण सर्वसाधारणपणे प्रकाशाचा विचार करतो. तारे, दीर्घिका, तेजोमेघ, कृष्णविवरे आणि दूरवरच्या खगोलीय वस्तूंपासून निघणारा प्रकाश दुर्बिणींमधून पकडला जातो आणि त्यातून विश्वाची माहिती मिळते. पण, विश्व स्वत:ची माहिती केवळ प्रकाशाच्या माध्यमातूनच पाठवत नाही. अवकाश आणि कालाच्या रचनेत निर्माण होणाऱ्या अत्यंत सूक्ष्म कंपनांच्या रूपातही विश्व संदेश पाठवते. या कंपनांना गुरुत्वाकर्षण तरंग म्हणतात. ते डोळ्यांना दिसत नाहीत, सामान्य दुर्बिणींनी पकडता येत नाहीत; मात्र विश्वातील काही अत्यंत शक्तिशाली घटनांची माहिती ते आपल्यापर्यंत घेऊन येतात.

गुरुत्वाकर्षण तरंगांची कल्पना अल्बर्ट आईनस्टाईनच्या सामान्य सापेक्षतावादाच्या सिद्धांतातून उदयास आली. १९१५ मध्ये मांडलेल्या या सिद्धांतानुसार गुरुत्वाकर्षण हे पारंपरिक अर्थाने एखादे अदृश्य ओढणारे बल नसून वस्तुमान आणि ऊर्जा यांच्यामुळे अवकाश-कालाच्या रचनेत निर्माण होणारी वक्रता आहे. सूर्याभोवती पृथ्वीची हालचाल ही या वक्र अवकाश-कालाशी संबंधित आहे. मात्र, जेव्हा विश्वातील अत्यंत प्रचंड वस्तुमान असलेल्या वस्तू वेगाने हालचाल करतात, विशेषत: त्यांच्या हालचालीत असममित बदल होतात, तेव्हा अवकाश-कालाच्या या वक्रतेत निर्माण होणारे बदल तरंगांच्या रूपाने बाहेरच्या दिशेने प्रसारित होऊ शकतात. यांनाच गुरुत्वाकर्षण तरंग म्हणतात. आईनस्टाईनने १९१६ मध्ये त्यांच्या अस्तित्वाचा सैद्धांतिक अंदाज मांडला होता.

गुरुत्वाकर्षण तरंगांची तुलना पाण्यात निर्माण होणाऱ्या लाटांशी केली जाते; मात्र पाण्याच्या लाटा पाण्याच्या माध्यमातून प्रवास करतात, तर गुरुत्वाकर्षण तरंगांसाठी अशा कोणत्याही माध्यमाची आवश्यकता नसते. ते स्वत: अवकाश-कालाच्या भूमितीत निर्माण होणारे तरंग आहेत आणि प्रकाशाप्रमाणे निर्वातातून प्रकाशाच्या वेगाने प्रवास करतात. एखादा गुरुत्वाकर्षण तरंग पृथ्वीवरून जाताना अवकाशातील अंतरांमध्ये अत्यंत सूक्ष्म प्रमाणात ताण आणि आकुंचन निर्माण करतो, मात्र हे बदल अतिसूक्ष्म असतात. पहिल्या थेट निरीक्षणात नोंदवलेल्या गुरुत्वाकर्षण तरंगाचा ताण सुमारे दहाचा उणे एकविसाव्या घाताइतका होता, म्हणजेच पृथ्वीवरून गेलेल्या त्या तरंगाने अवकाशातील अंतरामध्ये निर्माण केलेला सापेक्ष बदल अविश्वसनीयपणे लहान होता. अशा सूक्ष्म परिणामाचा शोध घेण्यासाठी अत्यंत संवेदनशील मापनयंत्रांची आवश्यकता होती.

हीच भूमिका लायगो-लेझर-इंटरफेरोमीटर-ग्रॅव्हिटेशन-तरंग वेधशाळेने बजावली. अमेरिकेतील हॅनफर्ड आणि लिव्हग्स्िंटन येथे लायगोच्या दोन वेधशाळा आहेत. वेधशाळेची रचना ‘एल’ आकाराची असून तिच्या दोन भुजा सुमारे चार किलोमीटर लांब आहेत. या दोन दिशांमध्ये लेझर किरण पाठवले जातात. आरशांवरून परावर्तीत होऊन परतणाऱ्या किरणांचा परस्पर संबंध अत्यंत अचूकपणे मोजला जातो. गुरुत्वाकर्षण तरंग वेधशाळेतून गेल्यास दोन दिशांमधील अंतरांमध्ये अतिसूक्ष्म फरक निर्माण होतो आणि त्याचा परिणाम लेझरच्या संकेतामध्ये दिसू शकतो.
ही मोजणी अत्यंत कठीण असते. लायगोमध्ये प्रोटॉनच्या व्यासाच्या अत्यंत सूक्ष्म अंशाइतका अंतरबदल शोधण्याची क्षमता आहे. इतक्या सूक्ष्म बदलावर भूकंप, यांत्रिक कंपने, तापमानातील बदल, ध्वनी आणि इतर असंख्य बाह्य व्यत्ययांचा परिणाम होतो, त्यामुळे वेधशाळेची रचना अत्यंत संवेदनशील तसेच बाह्य कंपांपासून संरक्षित ठेवावी लागते. लेझर, आरसे, निर्वात नळ्या आणि कंपन-नियंत्रणाच्या अत्याधुनिक तंत्रांचा एकत्रित वापर करून हे मापन शक्य झाले.

अखेर १४ सप्टेंबर २०१५ रोजी लायगोच्या दोन्ही वेधशाळांनी एकाच खगोलीय घटनेतून आलेला गुरुत्वाकर्षण तरंग संकेत नोंदवला. या घटनेला GW150914 असे नाव देण्यात आले. सुमारे १.३ अब्ज वर्षांपूर्वी दोन कृष्णविवरे एकमेकांभोवती फिरत जवळ आली आणि अखेरीस त्यांचे विलयन झाले. यातून निर्माण झालेल्या प्रचंड अवकाश-कालीय अस्थिरतेचा अत्यंत सूक्ष्म संकेत पृथ्वीपर्यंत पोहोचला होता. या निरीक्षणाने आईनस्टाईनच्या शतकभरापूर्वीच्या भाकिताची थेट पुष्टी केली.

याचे महत्त्व केवळ एका सिद्धांताच्या पुष्टीपुरते मर्यादित नव्हते. आतापर्यंत खगोलशास्त्र मुख्यत: विद्युतचुंबकीय प्रारणावर आधारित होते. गुरुत्वाकर्षण तरंगांनी विश्वाचे निरीक्षण करण्यासाठी एक पूर्णपणे नवी पद्धत दिली. कृष्णविवर स्वत: प्रकाश उत्सर्जित करत नसल्यामुळे त्यांचा थेट प्रकाशाच्या माध्यमातून अभ्यास करणे कठीण असते. मात्र, दोन कृष्णविवरांच्या विलयनातून निर्माण होणाऱ्या गुरुत्वीय लहरींमधून त्यांच्या वस्तुमानांविषयी, त्यांच्या परिवलन वैशिष्ट्यांविषयी आणि खुद्द विलयनाच्या प्रक्रियेविषयी माहिती मिळू शकते. गुरुत्वाकर्षण तरंग केवळ कृष्णविवरांच्या विलयनातूनच निर्माण होतात असे नाही. न्यूट्रॉन ताऱ्यांच्या विलयनासारख्या घटनाही गुरुत्वाकर्षण तरंग निर्माण करू शकतात. २०१७ मध्ये GW170817 या घटनेत दोन न्यूट्रॉन ताऱ्यांच्या विलयनातून आलेले गुरुत्वाकर्षण तरंग आणि त्याच घटनेशी संबंधित प्रकाश दोन्ही नोंदवले गेले. ही घटना विशेष ठरली, कारण एका वैश्विक घटनेचा अभ्यास गुरुत्वाकर्षण तरंग आणि विद्युतचुंबकीय प्रारण या दोन्ही माध्यमांतून प्रथमच करण्यात आला.

यामुळे खगोलशास्त्रात ‘मल्टी-मेसेंजर ऑब्झर्व्हेशन’ अधिक प्रभावी झाले आहे. एखादी खगोलीय घटना प्रकाश, गुरुत्वीय लहरी किंवा इतर प्रकारचे संकेत निर्माण करते, तेव्हा या विविध स्रोतांकडून मिळणारी माहिती एकत्रित करून त्या घटनेचे अधिक पूर्ण चित्र उभे करता येते. प्रकाश पदार्थांचे आणि प्रारणांचे स्वरूप उघड करू शकतो, तर गुरुत्वीय लहरी अवकाश-कालातील गतिशील बदलांविषयी माहिती देतात. परिणामी, वैज्ञानिक आता विश्वाकडे केवळ ‘पाहण्या’ऐवजी, ते ‘ऐकणे’ही शक्य आहे. अर्थात, येथे ‘ऐकणे’ हा शब्द लाक्षणिक अर्थाने वापरला आहे; उपकरणांद्वारे टिपलेले संकेत मानवी श्रवणक्षमतेच्या मर्यादेत त्यांच्या वारंवारतेतील बदलांचे रूपांतर करून ध्वनीमध्ये बदलले जाऊ शकतात. गुरुत्वीय लहरींचा अभ्यास विश्वातील अशा भागांपर्यंत पोहोचण्याची संधी देतो, जे प्रकाशाच्या माध्यमातून सहजपणे पाहता येत नाहीत. यामुळे कृष्णविवरांची विलयन प्रक्रिया, न्यूट्रॉन ताऱ्यांची धडक आणि अत्यंत घन वस्तूंची हालचाल यांसारख्या घटनांमध्ये गुरुत्वाकर्षणाची भूमिका थेट तपासणे शक्य होते.

या अदृश्य लहरींचे वैशिष्ट्य असे आहे की, त्या विश्वातील घटनांची ‘प्रतिमा’ स्वत:सोबत वाहून नेत नाहीत; त्याऐवजी त्या घटनांनी अवकाश-कालावर उमटवलेली गतिशील मुद्रा त्या वाहून नेतात. अब्जावधी वर्षांपूर्वी घडलेली दोन दूरस्थ कृष्णविवरांची विलयनाची घटना, आज पृथ्वीवरील अत्यंत संवेदनशील उपकरणांमध्ये एका क्षणभंगुर संकेताच्या स्वरूपात दिसून येते. यामध्ये कृष्णविवरांचे वस्तुमान, कक्षीय गती आणि विलयनाची प्रक्रिया यांविषयीची माहिती सामावलेली असते. आईनस्टाईनच्या गणितातून शंभर वर्षांपूर्वी जन्मलेली ही कल्पना आज प्रत्यक्ष निरीक्षणाचे साधन आहे. गुरुत्वाकर्षण तरंगांनी खगोलशास्त्राला केवळ आणखी एक निरीक्षणपद्धती दिली नाही; त्यांनी विश्वाकडे पाहण्याची आपली संकल्पनाच विस्तारित केली. विश्व शांत दिसत असले तरी त्याच्या अवकाश-कालाच्या वस्त्रात सतत कंपने निर्माण होत असतात आणि त्या अदृश्य कंपनांमध्ये विश्वाच्या सर्वाधिक शक्तिशाली घटनांची माहिती प्रवास करत असते.

सुजाता बाबर
sumiba_r@yahoo.com

Read About : India Poverty Reduction : गरिबी कमी झाली; जीवनमान बदलले का?
E-Paper : Punyanagari E-Paper