गुरुत्वाकर्षणाच्या लहरी

आयुका’त संशोधन केलेले अनेक तरुण आज जगात इतरत्र असलेल्या ‘लायगो’ आणि तत्सदृश वेधशाळांत दिसतात

अंतराळातील कृष्णविवरांच्या टकरीमुळे नुकत्याच शोध लागलेल्या गुरुत्वीय लहरींच्या संशोधनाचा आजवरचा प्रवास, त्यातले अडथळे आणि या शोधात जगभरच्या शास्त्रज्ञांनी उपसलेले अविश्रांत कष्ट, भारतीय शास्त्रज्ञांचे त्यातील योगदान आणि या शोधामुळे विश्वनिर्मितीचे रहस्य उलगडण्यास मिळू शकणारी दिशा आदीचा धांडोळा घेणारा ज्येष्ठ खगोलशास्त्रज्ञ डॉ. जयंत नारळीकर यांचा खास लेख..

ध्वनी इकडून तिकडे जातो तो लहरींच्या रूपात. प्रकाशसुद्धा लहरींच्या रूपात जातो. पाण्यामध्ये खडा टाकला की जलतरंग पसरताना दिसतात. जरी या तीनही उदाहरणांत भौतिकशास्त्राचे आधारभूत नियम वेगळे असले तरी भौतिक प्रभाव लहरींच्या रूपात पसरतात, ही महत्त्वाची गोष्ट. असाच परिणाम गुरुत्वाकर्षणाच्या बाबतीत दिसून येतो का?
न्यूटनने जेव्हा गुरुत्वाकर्षणाचा सिद्धान्त मांडला तेव्हा त्याने असे गृहीत धरले होते की, एका वस्तूचा दुसऱ्या वस्तूवर होणारा आकर्षणाचा परिणाम ‘तत्काल’ स्वरूपाचा असतो.. म्हणजे हा परिणाम अनंत वेगाने इकडून तिकडे जातो. प्राध्यापक हरमन बॉण्डी यांनी एका काल्पनिक प्रयोगाद्वारे यावर भाष्य केले आहे. समजा, जादूने कोणी सूर्य आहे तेथून दूर नेऊन ठेवला तर त्याची जाणीव पृथ्वीवासीयांना केव्हा आणि कशी होईल? सूर्यप्रकाश सूर्यापासून पृथ्वीपर्यंत यायला सुमारे ५०० सेकंद इतका वेळ घेतो. तेव्हा सूर्य नाहीसा झाल्याचे आपल्याला कळायला ५०० सेकंदांचा अवधी लागेल. पण न्यूटनच्या वरील सिद्धान्तानुसार, सूर्याचे गुरुत्वाकर्षण नाहीसे झाल्याचे आपल्याला तत्काळ कळेल. त्याचा एक परिणाम म्हणजे पृथ्वीची फिरण्याची कक्षा बदलेल. अशा तऱ्हेने प्रकाश वापरून एक उत्तर (५०० सेकंद), तर गुरुत्वाकर्षण वापरून वेगळे उत्तर (शून्य सेकंद) मिळते.
हा विरोधाभास आपले गणित कुठेतरी चुकते, हे सूचित करतो.
या उदाहरणाने बॉण्डी यांनी असे दाखवले की, गुरुत्वाकर्षणाच्या सिद्धान्तात सुधारणेची गरज असून सुधारित सिद्धान्तानुसार गुरुत्वीय आकर्षण प्रकाशवेगाने व्हायला हवे. आणि तसे घडण्याची आशा निर्माण झाली १९१५ साली- जेव्हा आइन्स्टाईनने व्यापक सापेक्षतेचा सिद्धान्त मांडला. सूर्यमालेतील वेधांनी हा सिद्धान्त न्यूटनच्या सिद्धान्ताहून अधिक सरस असल्याची ग्वाही दिली. तेव्हा साहजिकच हा प्रश्न निर्माण झाला, की आइन्स्टाईनच्या सिद्धान्तानुसार गुरुत्वाकर्षणाचे प्रभाव प्रकाशाच्या वेगाने जाणाऱ्या लहरींच्या माध्यमाने प्रवास करतात का?
प्रश्न अवघड होता. आधीच आइन्स्टाईनचा सिद्धान्त समजायला अवघड होता. त्यानुसार गुरुत्वाकर्षणाचा प्रभाव काल आणि अवकाश यांच्या मोजमापासाठी वापरलेल्या भूमितीवर पडतो. कल्पना करा- अवकाशात एक मोठा त्रिकोण प्रकाशकिरणांच्या मार्गानी आखला आहे. आपल्या शालेय पाठय़पुस्तकानुसार या त्रिकोणाच्या तीन कोनांची बेरीज १८० अंश भरते. पण असाच त्रिकोण सूर्याभोवती काढला तर या कोनांची बेरीज १८० अंशांपेक्षा किंचित जास्त भरेल. (पाहा चित्र क्र. १) अशा प्रकारचे सूक्ष्म परिणाम मापून शास्त्रज्ञांनी आइन्स्टाईनच्या बाजूने कौल दिला होता.
पण यापलीकडे जाऊन हे निश्चित करणे गरजेचे होते की, अवकाशात गुरुत्वीय लहरी आहेत का? ज्याप्रमाणे दिवा लावला की त्यातून निघणारा
प्रकाश लहरींच्या रूपात पसरतो, तसेच गुरुत्वाकर्षणाचे स्रोतदेखील गुरुत्वीय परिणाम प्रकाशवेगाने पसरवतात का?
व्यापक सापेक्षतावादाच्या क्लिष्ट समीकरणातून या प्रश्नाचे ‘हो / नाही’ असे उत्तर शोधून काढणे सोपे नव्हते. उलटसुलट दोन्ही प्रकारची उत्तरे मिळत होती. खुद्द आइन्स्टाईनने एकदा आपल्या गणितातून या प्रश्नाचे नकारार्थी उत्तर काढले. आइन्स्टाईनच्या सिद्धान्तात गुरुत्वाकर्षणाच्या लहरी नसतात, हा त्याचा निष्कर्ष अर्थातच महत्त्वाचा होता. त्यावर एक सेमिनार व्हावा असे त्याला वाटले. प्रिस्टन येथील उच्च शिक्षणाच्या त्याच्या संस्थेत सेमिनार आयोजित झालादेखील. पण आदल्या दिवशी आइन्स्टाईनला आपल्या गणितात चूक सापडली आणि ती दुरूस्त केल्यावर त्याला आढळून आले की, लहरींचे अस्तित्व नाकारणारा त्याचा निष्कर्ष चुकीचा होता. तरी त्याने या प्रश्नावर सेमिनार घेतला आणि शेवटी आपण केलेली चूकही दाखवली.
ही घटना सांगायचा उद्देश हा की, सैद्धान्तिक रूपात लहरींचे अस्तित्व मान्य व्हायला चार दशकांचा कालखंड जावा लागला. मुळात गुरुत्वाकर्षणाच्या लहरी असतात, हे निश्चित झाल्यावरच मग प्रायोगिक मार्गाने त्यांचा शोध घ्यायचे प्रयत्न सुरू झाले.
गुरुत्वाकर्षणाच्या लहरींचे स्रोत कशा प्रकारचे असावेत? ढोबळ गणित मांडूनसुद्धा दिसून येते की, पुरेशा तीव्रतेच्या लहरी (ज्यांचे अस्तित्व मापू शकणारी यंत्रणा प्रयोगशाळेत उभारता येईल) उत्पन्न करण्याची क्षमता मानवनिर्मित उपकरणांत नाही. त्यासाठी अंतराळात शोध घ्यायला हवा. मूळ स्रोत पुढील प्रकारचे असू शकतील :
१. स्फोट होणारे महातारे
२. परस्परांभोवती फिरणारे तारे
३. कृष्णविवरांचे एकमेकांवर आपटणे
त्याशिवाय जर काही विश्वरचनेच्या सिद्धान्तात म्हटल्याप्रमाणे नव्या वस्तूंचे सृजन चालू असेल तर त्याचेही पडसाद लहरींच्या रूपात उमटतील.
अशा स्रोतांतून उमटलेल्या गुरुत्वीय लहरी कशा ‘पकडायच्या’, यावर प्रायोगिक मार्ग शोधण्यासाठी विचारमंथन चालू असतानाच अशा लहरींचे अस्तित्व सिद्ध करणारी एक अनपेक्षित माहिती उजेडात आली. ढरफ 1913 + 16 या सूचिक्रमाने ओळखला जाणारा एक स्पंदक तारा (पल्सार) आणि एक शेजारचा तारा यांचे तारायुगुल रेडिओ दुर्बिणीने पाहत असता जोसेफ टेलर आणि त्यांचे सहकारी हल्स यांना असे दिसून आले की, या तारायुगुलाच्या एकमेकांभोवती फिरण्याच्या आवर्तनकाळात कालानुसार घट होत आहे. जरी तारायुगुलातून ज्या गुरुत्वीय लहरी निघतात, त्या मापण्याचे उपकरण निरीक्षकांना उपलब्ध नव्हते, तरी सैद्धान्तिक गणित मांडून अशा लहरींतून किती ऊर्जा प्रक्षेपित होते याचा हिशोब लावणे शक्य होते. आणि ऊर्जेचे गणित मांडून हेही सांगता येते की, तारायुगुलाच्या आवर्तनकाळात कसा बदल होईल! गुरुत्वाकर्षणाच्या लहरींच्या प्रक्षेपणामागचे हे गणित आवर्तनकाळाच्या बदलाशी बरोबर जुळते. अर्थात वर सांगितल्याप्रमाणे स्रोतांच्या विविध प्रकारांत तारायुगुलाचा एक पर्याय आहेच. या आणि गुरुत्वाकर्षणाच्या आणखी काही सिद्धतेसाठी टेलर व हल्स यांना १९९३ सालचे नोबेल पारितोषिक मिळाले.
टेलर-हल्स शोधावरून गुरुत्वीय लहरींचे अस्तित्व सिद्ध होत असले तरी त्या लहरी प्रत्यक्ष ‘पाहता’ याव्यात यासाठी शास्त्रज्ञांनी नव्याने प्रयत्न सुरू केले. आधुनिक काळात अशा प्रयत्नांना विपुल मनुष्यबळ लाभते. (छकॅड प्रकल्पात एक हजारच्या आसपास शास्त्रज्ञांनी भाग घेतला.) तरी सुरुवातीच्या काळात (१९६०-१९७० च्या दशकात) जोसेफ वेबर या एकटय़ा शास्त्रज्ञाने हे आव्हान स्वीकारले होते हे विसरता कामा नये. पण वेबरच्या प्रयत्नांना यश मिळाले नाही. याचे मुख्य कारण असे की, अपेक्षित परिणाम अतिशय सूक्ष्म असल्याने त्यासाठी अत्याधुनिक तंत्रशास्त्र लागते. ते वेबरच्या काळात उपलब्ध नव्हते. सध्याच्या तंत्रज्ञानाची भिस्त ‘इंटरफेरॉमीटर’ या उपकरणावर आहे. यामागचा विचार असा : समजा, अइ हा प्रकाशमार्ग उत्तर-दक्षिण, तर अउ हा पूर्व-पश्चिम आहे. प्रकाशकिरण अइ या मार्गाने पाठवण्यात आले तरी एका आरशाने अ येथे काही प्रमाणात वळवली जातात. समजा, निम्मी किरणे अइ दिशेने, तर निम्मी वळवून अउ कडे जातात. अइ आणि अउ ही अंतरे समान असतात. मात्र, अइ कडे जाणारी किरणे इ येथील आरशावर परावर्तित होतात, तर अउ कडे जाणारी उ येथील आरशावर. दोन्ही परावर्तित किरणे परत अ येथे भेटतात तेव्हा एकत्रित रूपात त्यांची छाननी केली जाते. याला स्टेज ७ म्हणू. (पाहा चित्र क्र. २)
जर एखाद्या घटनेतून उद्भवणाऱ्या गुरुत्वीय लहरी अइ, अउ वरून गेल्या तर भूमितीच्या बदलाने मार्ग अइ, अउ यांच्या लांबीत फरक होतो. त्यामुळे स्टेज ७ वरील छाननीत बदल होईल- जिचे माप आपल्याकडे असेल. या छाननीवरून गुरुत्वीय लहरींची ऊर्जा किती, याचा अंदाज लावता येतो.
ही ऊर्जा किती स्वल्प आहे याचा अंदाज लावायला कल्पना करा की, एका हत्तीच्या पाठीवर एक माशी बसली. हत्तीचे वजन किंचित वाढेल! किती वाढेल? मूळ वजनाच्या सुमारे अब्जांशाने! त्या वाढीचा अब्जांश घेतला तर आपण गुरुत्वीय लहरींनी आपल्या आसमंतात केलेल्या बदलापर्यंत पोहोचू.
या कल्पनेला मूर्त स्वरूप देण्यासाठी प्रकाश हा लेसर स्वरूपात घेतला. कारण सामान्य प्रकाशकिरण पसरत जाण्याची भीती असते, तशी लेसरची नसते. त्यातून अइ, अउ मार्गावर पोकळी निर्माण केल्यास लेसर आणखी तीव्र असेल. अइ व अउ चार किलोमीटर (प्रत्येकी) असल्याने इतक्या लांब नळ्यांतून पोकळी निर्माण करून प्रकाशाच्या लेसरना जायला मार्ग निर्माण केला गेला. अशा धर्तीवर अमेरिकेत उत्तर-पश्चिम आणि दक्षिण-पूर्व अशा दोन टोकाला ‘वेधशाळा’ बांधण्यात आल्या. लायगो (छकॅड) नावाच्या ‘लेसर इंटरफेरॉमीटर ग्रॅव्हिटेशनल वेव्ह ऑब्झर्वेटरी’ या वेधशाळा आहेत- एक रिचमंड, वॉशिंग्टन स्टेटजवळ, तर दुसरी लिव्हिंग्स्टन लुइजियाना स्टेटजवळ. दोन्हीतले अंतर ३००२ किलोमीटर आहे. (पाहा चित्र क्र. ३)
दोन वेधशाळा कशाला? आपण जे ‘सिग्नल’ मिळवणार ते अतिशय मंद असल्याने ते नक्की दूरच्या स्रोताकडून आलेत याची खात्री करायला कमीत कमी दोन वेधशाळा पाहिजेत. अगदी लहान भूकंप झाला तर त्याच्या जवळची वेधशाळा त्याचे अस्तित्व दाखवेल, पण दूरची वेधशाळा परिणाम दाखवणार नाही. त्याउलट, अंतराळात स्फोट झाला तर दोन्ही वेधशाळा त्याचे परिणाम जवळजवळ सारखे रेकॉर्ड करतील. ‘नॅशनल सायन्स फाऊंडेशन, अमेरिका’ या संस्थेच्या प्रमुख मदतीने आणि इतर काही देशांच्या सहभागाने २००२ साली लायगो प्रकल्प कार्यान्वित झाला आणि या सूक्ष्मदर्शी शोधाला सुरुवात झाली. पण २०१० सालापर्यंत या ६२ कोटी डॉलर खर्चून बांधलेल्या वेधशाळेने शोधांच्या बाबतीत नकारघंटाच वाजवली. तेव्हा तिच्यात अनेक सुधारणा करून ‘अ‍ॅड्व्हान्स्ड लायगो’ नावाखाली फेब्रुवारी २०१५ ला पुन्हा वेध घेण्यास सुरुवात झाली. १४ सप्टेंबर २०१५ या दिवशी सकारात्मक वेध मिळाला असे वाटले. पण खात्री करून घ्यायला पुष्कळ काळजी घेण्यात आली. अखेर खात्री झाल्यावर ११ फेब्रुवारी २०१६ रोजी या शोधावर लिहिलेला निबंध ‘फिजिकल रिवू लेटर्स’ या प्रख्यात नियतकालिकात प्रसिद्ध करण्यात आला. या निबंधाचे लेखक होते लायगो, अमेरिका आणि ‘व्हगरे, युरोपातील १०१२ शास्त्रज्ञ! तसेच ११ तारखेलाच लायगोच्या संचालकांनी घोषणा केली की, लायगोला गुरुत्वीय लहरी सापडल्या!
लायगोला सापडलेल्या गुरुत्वीय लहरींचा उगम कुठे झाला? गणित वापरून तज्ज्ञांनी काढलेला निष्कर्ष असा : सूर्याच्या ३० पटीने वस्तुमान असलेली दोन कृष्णविवरे एकमेकांभोवती फिरता फिरता एकमेकांत शिरून त्यातून एक मोठे कृष्णविवर निर्माण होते. अशावेळी निघालेल्या या लहरी सुमारे १.३ अब्ज प्रकाशवर्षे प्रवास करत इथे पोहोचल्या!
अर्थात गुरुत्वीय लहरींचे हे पहिलेवहिले उदाहरण. यापुढे आणखी वेध मिळतील तेव्हा आपल्या माहितीत भर पडेल. पण गुरुत्वाकर्षणाच्या लहरींची एक नवी खिडकी उघडली असून विश्वाच्या भूतकाळाबद्दल आपल्या माहितीत निश्चितच भर पडणार.

भारताचा सहभाग
सुमारे २५ वर्षांपूर्वी बंगलोरमध्ये भरलेल्या एका चर्चासत्रात भारतातील खगोल वैज्ञानिक पंचवार्षिक योजनेत खगोलशास्त्रात नव्या सोयी असाव्यात याचा विचार करीत होते. नुकत्याच अस्तित्वात आलेल्या ‘आयुका’ संस्थेतर्फे संजीव धुरंधर या शास्त्रज्ञाने गुरुत्वाकर्षणाच्या लहरींवर कुठली शोधकार्ये करता येतील यावर सविस्तर चर्चा केली. पण त्यावेळच्या ज्येष्ठ वैज्ञानिकांनी त्या सूचनांना फारसे महत्त्व दिले नाही. त्यानंतर स्वत:च्याच हिमतीवर ‘आयुका’ने या विषयात संशोधन चालू केले. गणिताचा वापर करून पुष्कळ गोंगाटाखाली दडून बसलेली महत्त्वाची माहिती कशी उकरून काढायची, हा या संशोधनाचा एक भाग होता. संजीव आणि त्यांचे विद्यार्थी व सहकारी यांच्या संशोधनाचा आज परिणाम जाणवतो. ‘आयुका’त संशोधन केलेले अनेक तरुण आज जगात इतरत्र असलेल्या ‘लायगो’ आणि तत्सदृश वेधशाळांत दिसतात.
खुद्द ‘लायगो’करांना आज गरज भासते आहे ती- त्यांच्या वेधशाळेत भर टाकायला दूरची एक वेधशाळा असावी, याची. ‘लायगो’करांनी निवडलेला प्रकल्प ‘लायगो- भारत’ भारतीय तंत्रज्ञानाला पेलेल असा आत्मविश्वास आणि भारतीय शास्त्रज्ञांची संशोधनक्षमता यातून पुढे आलेला! २५ वर्षांपूर्वी पाहिलेले स्वप्न आता वास्तवात येणार काय?
खगोलशास्त्रज्ञ डॉ. जयंत नारळीकर jvn@iucaa.in

Loksatta Telegram लोकसत्ता आता टेलीग्रामवर आहे. आमचं चॅनेल (@Loksatta) जॉइन करण्यासाठी येथे क्लिक करा आणि ताज्या व महत्त्वाच्या बातम्या मिळवा.

मराठीतील सर्व लेख बातम्या वाचा. मराठी ताज्या बातम्या (Latest Marathi News) वाचण्यासाठी डाउनलोड करा लोकसत्ताचं Marathi News App. ताज्या बातम्या (latest News) फेसबुक , ट्विटरवरही वाचता येतील.

Web Title: Gravity waves

ताज्या बातम्या