‘कृष्णविवर’ ..आणि भारतीय शास्त्रज्ञ

यंदाचे भौतिकशास्त्रातील नोबेल अ‍ॅण्ड्रिया गेज आणि राइनहार्ड गेण्झेल यांच्यासह रॉजर पेनरोज यांना जाहीर झाले. ‘कृष्णविवर’ या विषयावर त्यांनी केलेले संशोधन अनेक शास्त्रज्ञांच्या कार्यावर उभे आहे; त्यामध्ये भारतीय शास्त्रज्ञही आहेत. ‘कृष्णविवर’विषयक या संशोधनसाखळीचा हा वेध..

थोर ब्रिटिश भौतिकशास्त्रज्ञ सर आयझ्ॉक न्यूटन म्हणाले होते, ‘‘महामानवांच्या खांद्यावर मी उभा आहे, म्हणून मला इतरांपेक्षा दूरचं दिसतं.’’ विज्ञानाच्या बाबतीत हे सामान्य सत्य आहे. कुणाच्या तरी खांद्यावर- बुटका असो की उंच, उभं राहिल्याशिवाय कोणताही शोध लागत नाही.

‘जनरल थिअरी ऑफ रिलेटिव्हिटी’ वा गुरुत्वाकर्षणाचा सिद्धांत या अल्बर्ट आइनस्टाइन यांच्या मांडणीनुसार, प्रचंड वस्तुमानात ताऱ्याचा विलय होतो आणि अटळपणे कृष्णविवर तयार होतं. या कृष्णविवराची निर्मिती नेमकी कशी होते याचा शोध रॉजर पेनरोज यांनी लावला. पेनरोज कुणाच्या खांद्यावर उभे आहेत याचा आढावा सदर लेखात घेतला आहे.

भौतिकशास्त्रातील नोबेल पुरस्कार मिळाल्याने पेनरोज यांचं कार्य सध्या बातमीचा विषय बनला आहे. पेनरोज आणि दोन खगोलशास्त्रज्ञांना हा पुरस्कार विभागून मिळाला आहे. आपल्या आकाशगंगेच्या तारकापुंजाच्या केंद्रभागी प्रचंड वस्तुमान असणारा तारा- म्हणजेच कृष्णविवर या दोन शास्त्रज्ञांनी स्वतंत्रपणे शोधून काढलं.

कृष्णविवर या शब्दाशी भारतीय इतिहासाचं नातं एक कुप्रसिद्ध घटनेशी संबंधित आहे. १७५६ साली बंगालचा नवाब सिराज उद-दौला याने १४६ ब्रिटिश सैनिकांना कोलकात्याच्या फोर्ट विल्यमच्या अंधारकोठडीत डांबून ठार केलं होतं. त्या कोठडीला कोलकात्याचं ब्लॅकहोल वा कृष्णविवर म्हटलं गेलं (कोलकात्याचं आजचं मुख्य टपालघर त्याच जागेवर उभं आहे. या जागेतून कोणतंही पत्र बाहेर येत नाही अशी तक्रार कोलकातावासी करतात याचं आश्चर्य वाटू नये!).

गंमत अशी की, या घटनेनंतर काही वर्षांतच कृष्णविवराची वैज्ञानिक शक्यता संकल्पनेच्या पातळीवर पुढे आली.

१७८४ मध्ये ब्रिटिश पाद्री आणि शास्त्रज्ञ जॉन मिचेल आणि त्याच्यानंतर दोन वर्षांनी फ्रेंच गणितज्ज्ञ पियरे सायमन लाप्लास यांनी असा दावा केला की, कोणतीही वस्तू कमालीची महाकाय आणि घनदाट असेल तर तिचं गुरुत्वाकर्षण एवढं प्रचंड असतं की त्यातून प्रकाशाचीही सुटका होऊ शकत नाही. अशी वस्तू जर अस्तित्वात असेल तर ती काळी आणि अदृश्य-कृष्णविवर असेल.

आधुनिक काळातली कथा सुरू होते सुब्रमण्यन चंद्रशेखर यांच्यापासून. मद्रासमधून बी.एस्सी.ची पदवी मिळवल्यावर १९३० साली ते इंग्लडला केम्ब्रिज विद्यापीठात उच्चशिक्षणासाठी रवाना झाले. बोटीवरच्या या सफरीमध्ये त्यांनी पांढऱ्या बटूंबाबत गणितं मांडली.

तोपर्यंत अशी समजूत होती की ताऱ्यांचा अंत पांढऱ्या बटूंमध्ये होतो. पांढरे बटू हे एक न सुटलेलं कोडं वा रहस्य होतं. इलेक्ट्रॉन्सच्या दबावामुळे ही वस्तू गुरुत्वाकर्षण बलाचा सामना करते. या वस्तूंचा गणिती शोध घेताना चंद्रशेखर यांनी अल्बर्ट आइनस्टाइन यांचा सापेक्षता सिद्धांत आणि पुंजयामिकीचा नवा सिद्धांत यांचा मेळ घातला. पांढऱ्या बटूचं अधिकाधिक वस्तुमान सूर्याच्या १.४ पट असू शकेल हा आश्चर्यकारक शोध त्यांनी लावला. पांढऱ्या बटूच्या वस्तुमान मर्यादेलाच चंद्रशेखर मर्यादा (चंद्रशेखर लिमिट) म्हटलं जातं. यापेक्षा अधिक वस्तुमान असणारा पांढरा बटू कोसळून पडतो. हा महत्त्वपूर्ण शोध होता.

मात्र, सर आर्थर एडिंग्टन या थोर खगोलशास्त्रज्ञाने चंद्रशेखर यांच्या मौलिक संशोधनाची चेष्टा केली. अतिशय अशास्त्रीयपणे. परंतु याच शोधासाठी चंद्रशेखर यांना १९८३चा नोबेल पुरस्कार मिळाला आणि चंद्रशेखर यांच्या संशोधनावर शिक्कामोर्तब झालं.

एखादा तारा प्रचंड वस्तुमानाचा असेल तर पांढरा बटू म्हणून त्याचा अंत होणार नाही; अशा परिस्थितीत काय घडू शकेल? त्याचं उत्तर असं की, ताऱ्याचं संकुचन होईल आणि तो इतका घनदाट होईल की त्यातील सर्व द्रव्यांचं रूपांतर न्यूट्रॉन या अणू कणांमध्ये होईल. इलेक्ट्रॉनच्या दबावामुळे पांढरे बटू गुरुत्वाकर्षण बलाचा सामना करतात, त्याप्रमाणेच न्यूट्रॉनच्या दबावामुळे स्थिर स्थिती प्राप्त होईल आणि अशा ताऱ्याचं रूपांतर न्यूट्रॉन ताऱ्यात होईल.

या वस्तूचं द्रव्य एवढं घनदाट असेल की, त्या चमचाभर द्रव्याचं वजन संपूर्ण मानवजातीएवढं असेल. अशा वस्तूच्या वस्तुमानाची मर्यादा सूर्याच्या वस्तुमानाच्या तीनपट असेल.

न्यूट्रॉन तारा या मर्यादेपेक्षाही प्रचंड असेल तर तो अनिश्चित काळासाठी संकुचन पावेल. कारण सध्याच्या सिद्धांतांनुसार त्याच्या संकुचनाला विरोध करणारा दबाव कोणत्याही स्रोतातून निर्माण होणार नाही. असा तारा शून्य आकाराचा आणि प्रचंड घनतेचा व चमत्कारिकअसेल.

या स्थितीला पोहोचण्यापूर्वीच ती वस्तू इतकी सघन, संकुचित होईल, की त्यातून सूर्यप्रकाशही निसटू शकणार नाही. या स्थितीला म्हणतात ‘कृष्णविवर’! आइनस्टाइनचा जनरल रिलेटिव्हिटीचा सिद्धांत आणि काल-अवकाशबद्ध भूमिती यांच्या सुंदर मिलाफातून हा निष्कर्ष हाती लागतो. गुरुत्वाकर्षण म्हणजे काळ-अवकाश यांची वक्रता. काळ व अवकाश यांचं जाळं आहे अशी कल्पना करा. त्यामध्ये एक चेंडू टाकला तर चेंडूच्या वजनामुळे त्या जाळ्याला बाक येईल. गुरुत्वाकर्षणामुळे काळ-अवकाश वक्र होतं, असं आइनस्टाइननं सिद्ध केलं. या कारणामुळे आइनस्टाइनच्या सिद्धांतातील कृष्णविवर अतिशय गहन आणि चक्रावून टाकणारं आहे. न्यूटनच्या सिद्धांतानुसार मिचेल आणि लाप्लास यांनी मांडलेलं कृष्णविवर त्या तुलनेत साधं-सोपं होतं.

ताऱ्याच्या आकुंचनाचं गणित सर्वप्रथम मांडलं कोलकात्याच्या बिश्वेश्वर दत्त यांनी. १९३८ मध्ये. परंतु हा महत्त्वाचा निष्कर्ष हाती आल्यावर दत्त यांचं अकाली निधन झालं. त्यांच्यावर हर्नियाची शस्त्रक्रिया सुरू होती आणि ऑपरेशन टेबलवरच त्यांचा मृत्यू झाला.

त्यानंतर एका वर्षांनं रॉबर्ट ओपेनहायमर (पहिल्या अणुबॉम्बचा जनक) आणि हार्टलॅण्ड स्नायडर या अमेरिकेतील दोन शास्त्रज्ञांनी दत्त यांच्याप्रमाणेच निष्कर्ष काढले. त्यामुळे ओपेनहायमर-स्नायडर यांचा ताऱ्याचा आकुंचनाचा सिद्धांत असं या शोधाचं नामकरण झालं.

तो काळ दुसऱ्या महायुद्धाचा होता. त्यामुळे भारतातील वैज्ञानिक शोधाची माहिती परदेशात सत्वर जाणं कठीण होतं. बिश्वेश्वर दत्त यांच्या अचानक झालेल्या अकाली मृत्यूमुळे त्यांच्या योगदानाची दखल घेतली गेली नाही. मात्र १९९९ साली ‘जर्नल ऑफ जनरल रिलेटिव्हिटी अ‍ॅण्ड ग्रॅव्हिटेशन’ या नियतकालिकाने बिश्वेश्वर दत्त यांच्या निबंधाची मूळ प्रत मिळवून प्रसिद्ध केली. त्यामुळे कृष्णविवराच्या निर्मितीचा पाया रचणाऱ्या संशोधनाच्या श्रेयात ओपेनहायमर आणि स्नायडर यांच्याही आधी दत्त यांचं योगदान मान्य करायला हवं.

कोलकात्याच्या आशुतोष महाविद्यालयातील व्याखाते अमलकुमार रायचौधुरी यांनी १९५३ साली एक समीकरण मांडलं. आइनस्टाइनच्या गुरुत्वाकर्षण सिद्धांतानुसार सूक्ष्म कणांच्या संकलनाची, उत्क्रांतीची उकल मांडणाऱ्या या समीकरणाला ‘रायचौधुरी समीकरण’ म्हणतात. शून्य आकाराचा प्रचंड घनतेचा चमत्कारिक तारा निर्माण होणं अटळ आहे, ही बाब रायचौधुरी यांच्या समीकरणानं सिद्ध केली.

दत्त, ओपेनहायमर आणि स्नायडर यांच्या गृहीतकांना अटी व शर्ती होत्या. त्यामुळे त्यांचा उपयोग रायचौधुरी यांनी आपल्या संशोधनात केला नव्हता. सूक्ष्मकणांच्या संकलन आणि उत्क्रांतीची उकल कोणत्याही अटी वा शर्तीशिवाय करणारं समीकरण त्यांनी मांडलं.

साठच्या दशकाच्या मध्यावर स्टीफन हॉकिंग आणि रॉजर पेनरोज यांनी रायचौधुरी यांच्या समीकरणाचा उपयोग केला. त्यासाठी त्यांनी गणिती पृथ्थकरणाची वैश्विक तंत्रं (ग्लोबल मॅथॅमॅटिकल टेक्निक्स) वापरली आणि अतिशय गहन भाकीत केलं की, कृष्णविवराच्या केंद्रस्थानी असणारी चमत्कारिकता आइनस्टाइनच्या गुरुत्वाकर्षणाच्या सिद्धांतानुसार अटळ आहे. त्यांनी अतिशय शक्तिशाली सिद्धांत कष्टसाध्य गणिताने प्रस्थापित केले. या कार्यासाठीच पेनरोज यांना नोबेल पुरस्काराने गौरवण्यात आलं. नोबेल पुरस्कार मरणोत्तर दिला जात नाही, त्यामुळे हॉकिंग यांचा समावेश करण्यात आला नाही.

रायचौधुरी यांनी मांडलेल्या समीकरणामुळे गुरुत्वाकर्षणीय संकुचनामध्ये चमत्कारिकता अटळ आहे याचं सूतोवाच झालं. परंतु हॉकिंग आणि पेनरोज यांनी असं सिद्ध केलं की, ताऱ्याच्या संकुचनामुळे त्याचे पृष्ठभाग असे कैद होतात की त्यामधून द्रव्य आणि प्रकाश निसटू शकत नाही. या सिद्धांतासाठी हॉकिंग आणि पेनरोज यांनी गणिती पृथ्थकरणाची वैश्विक तंत्रं (ग्लोबल अ‍ॅनालिसिस टेक्निक्स) उपयोगात आणली. सारांशाने सांगायचं तर, हॉकिंग-पेनरोज यांनी कृष्णविवरांच्या निर्मितीची प्रक्रिया काल-अवकाश भूमितीच्या संज्ञांमध्ये मांडली. कृष्णविवर चक्रावून टाकणारं आणि अनोखं आहे, कारण ती शुद्ध भूमितीय वस्तू आहे.

भौतिकशास्त्रातील गहनतेचा अनुक्रम पुढीलप्रमाणे मांडता येईल. भौतिकशास्त्राचा नवा नियम.. आइनस्टाइनचा काल-अवकाश वक्रतेचा गुरुत्वाकर्षणाचा नियम सर्वोच्च स्थानी आहे.

त्यानंतर विविध भौतिक व्यवस्थांच्या (सिस्टीम्स) चलनवलनाची समीकरणं- उदाहरणार्थ ताऱ्यांचं संकुचन किंवा विश्वाचं प्रसरण पावणं; आणि त्यानंतर विविध समीकरणांतून हाती येणारे अतिशय महत्त्वाचे, उपयोगी आणि रोचक निष्कर्ष. आइनस्टाइनच्या गुरुत्वाकर्षणाच्या सिद्धांतामुळे कृष्णविवरं, विश्वाचं प्रसरण इत्यादी अनेक बाबतींत अतिशय गहन निष्कर्ष हाती लागले. रायचौधुरी यांच्या समीकरणाची भूमिका या उतरंडीत अतिशय सुस्पष्ट आहे.

फ्रेड हॉईल आणि जयंत नारळीकर यांनी १९६६ साली पुढील प्रश्न उपस्थित केला : आपल्या सभोवतालच्या द्रव्याचं प्रसरण रोखण्यासाठी आणि आकाशगंगेसारखी रचना निर्माण करण्यासाठी त्याच्या केंद्रस्थानी केवढय़ा प्रचंड वस्तुमानाचा तारा असायला हवा?

त्यांनी असं शोधलं की, त्यासाठी सदर ताऱ्याचं वस्तुमान सूर्यापेक्षा अब्जावधी पट असायला हवं. त्यामुळे त्यांनी असा दावा केला की, आपल्या तारकापुंजाने (गॅलेक्सी) एका महाप्रचंड ताऱ्याचा आसरा घेतलेला असावा.

अ‍ॅण्ड्रिया गेज आणि राइनहार्ड गेण्झेल यांना पेनरोजसह नोबेल पुरस्कार मिळाला आहे. आपल्या तारकापुंजाच्या (गॅलेक्सी) केंद्रस्थानी असणारी अतिप्रचंड वस्तू त्यांनी शोधून काढली, असं प्रशस्तिपत्रात नमूद केलं आहे. ही अतिप्रचंड वस्तू म्हणजे एक कृष्णविवर आहे अशी सामान्य समजूत आहे. हॉईल आणि नारळीकर यांनी अर्धशतकापूर्वी जे भाकीत केलं होतं ते आज प्रत्यक्ष निरीक्षणांनी सिद्ध झालं आहे.

आइनस्टाइनच्या सापेक्षता सिद्धांतावर आधारित अनेक मोठे शोध खगोलभौतिकशास्त्र आणि विश्वउत्पत्तीशास्त्रात १९६०-७० या दशकात लावण्यात आले. कृष्णविवराचं स्पष्टीकरण आइनस्टाइनच्या समीकरणानंतर लगोलग मांडण्यात आलं. मात्र कृष्णविवराचं आकलन १९६० मध्ये- म्हणजे आइनस्टाइनच्या शोधानंतर ४५ वर्षांनी झालं.

कृष्णविवर (ब्लॅकहोल) ही संज्ञा जॉन व्हीलर यांनी १९६७ साली न्यू यॉर्कमधील एका परिषदेत श्रोत्यानं विचारलेल्या प्रश्नाला उत्तर देताना घडवली. १९६३ साली न्यूझीलंड येथील भौतिकशास्त्रज्ञ रॉय केर यांनी आइनस्टाइनच्या समीकरणाच्या आधारे चक्राकार फिरणाऱ्या कृष्णविवराचं विवरण केलं होतं.

२.७ केल्विन (उणे २७० सेंटिग्रेड) या तापमानाला होणाऱ्या किरणोत्सर्गाच्या वैश्विक सूक्ष्मतरंगांचा शोध महास्फोटाच्या (बिग-बँग) सिद्धांताच्या भाकीतासाठी अतिशय महत्त्वाचा होता. विश्वाची निर्मिती वैशिष्टय़पूर्ण अशा अतितप्त महास्फोटातून (बिग-बँग) झाली आणि त्याचा पुरावा किरणोत्सर्गाच्या सूक्ष्मतरंगातून मिळतो. या शोधांमुळे कृष्णविवराची निर्मिती आणि परिणामी केंद्रस्थानी असणारी चमत्कारिकता यांच्या संशोधनाचा मार्ग खुला झाला. ही दोन्ही अंगं आइनस्टाइनच्या गुरुत्वाकर्षणाच्या सिद्धांतात सामावली आहे.

कृष्णविवर म्हणजे काय?

कोणत्याही ताऱ्याभोवतीच्या अवकाशाचं वक्रीभवन झालं की प्रकाशासह सर्व काही त्याच्या आत कैद होतं. या स्थितीला ‘कृष्णविवर (ब्लॅकहोल)’ म्हणतात. त्याच्यातून प्रकाशाचीही सुटका होत नाही. त्यामुळे कृष्णविवरात काय घडतं आहे, याची कुठलीही माहिती बाहेरच्या निरीक्षकाला मिळू शकत नाही. माहितीची संपूर्ण नाकेबंदी होते. कृष्णविवराच्या केंद्रस्थानी दडलेली असते चमत्कारिकता, कारण तिथे अवकाश आणि काळ यांना अस्तित्व नसतं. मात्र अमर्याद वक्रता असते, ज्यामध्ये सर्व द्रव्य आणि प्रकाशही कैद होतो.

(नरेश दधिच हे सैद्धांतिक भौतिकशास्त्रज्ञ म्हणून पुणे येथील ‘आयुका’ या स्वायत्त संशोधन संस्थेत कार्यरत होते; तर अजित केंभावी हे त्याच संस्थेतील खगोलभौतिकशास्त्रज्ञ आहेत.)

nkd@iucaa.in

(अनुवाद : सुनील तांबे)