हॉकिंगचा नियम

आइन्स्टाइन यांच्या व्यापक सापेक्षतावादाच्या सिद्धांतानं गुरुत्वाकर्षणाची व्याख्या बदलली. व्यापक सापेक्षतावादाच्या सिद्धांतानुसार प्रत्येक वस्तूभोवतालचं अवकाश हे वक्र झालेलं असतं. आपल्याला अभिप्रेत असलेली ‘सरळ’ रेषा ही अशा अवकाशात वक्र स्वरूपात असते. वस्तू जितकी अधिक वजनदार, तितकं तिच्याभोवतीचं अवकाश अधिक वक्र. त्या-त्या ठिकाणच्या वक्रतेनुसारच, विविध वस्तूंचा अवकाशातून प्रवास होत असतो. उदाहरणार्थ, सूर्यामुळे जे आसपासचं अवकाश वक्र झालं आहे, त्या वक्राकाराला अनुसरूनच पृथ्वी आणि इतर ग्रह ठरावीक कक्षांत सूर्याभोवती प्रदक्षिणा घालीत आहेत. जेव्हा एखादी प्रलयंकारी घटना घडते, तेव्हा या वक्रतेत मोठा बदल होतो. हा बदल लहरींच्या स्वरूपात सर्वत्र पसरत जातो – जशा, तलावाच्या पाण्यात दगड टाकल्यावर निर्माण होणाऱ्या वर्तुळाकार लहरी सगळीकडे पसरत जातात. अंतराळातल्या एखाद्या घटनेमुळे निर्माण होणाऱ्या या ‘गुरुत्वीय लहरी’ लायगोसारखे प्रकल्प टिपू शकतात.

अमेरिकेतल्या कॅलिफोर्निआ इन्स्टिट्यूट ऑफ टेक्नॉलॉजी आणि मॅसॅच्युसेट्स इन्स्टिट्यूट ऑफ टेक्नॉलॉजी या संस्थांनी उभारलेल्या लायगो प्रकल्पाद्वारे १४ सप्टेंबर २०१५ रोजी अशा गुरुत्वीय लहरी सर्वप्रथम टिपल्या गेल्या. या गुरुत्वीय लहरी दोन कृष्णविवरांच्या टकरीतून निर्माण झाल्या होत्या. या दोन्ही कृष्णविवरांचं या टकरीनंतर विलीनीकरण होऊन, त्यांचं एक नवं कृष्णविवर निर्माण झालं. या घटनेत निर्माण झालेल्या गुरुत्वीय लहरींचा अभ्यास हा विविध अंगांनी चालू आहे. या संशोधनात, ज्याला कृष्णविवरांसंबंधीचा दुसरा नियम म्हटलं जातं, तोही अभ्यासला गेला. हा गणिती निष्कर्ष काढला होता, ब्रिटिश खगोलभौतिकशास्त्रज्ञ स्टिफन हॉकिंग यांनी पाच दशकांपूर्वी. या निष्कर्षानुसार, ‘कृष्णविवराचा आकार कधीही कमी होत नाही!’.

कृष्णविवर म्हणजे आपल्या अतितीव्र गुरुत्वाकर्षणापायी आपल्याकडच्या प्रकाशालासुद्धा बाहेर पडू न देणारी वस्तू. प्रकाशही बाहेर पडत नसल्यामुळे, कृष्णविवराच्या केंद्रापासून ठरावीक अंतरापर्यंत, कुठली घटना घडते आहे, ते आपल्याला बाहेरून दिसू शकत नाही. या अंतराला कृष्णविवराचं ‘घटनाक्षितिज’ म्हटलं जातं. एका दृष्टीनं कृष्णविवराचा हा आकारच! कृष्णविवराचा हा आकार त्याच्या वजनावर अवलंबून असतो. कृष्णविवराचं वजन जितकं जास्त, तितका त्याचा आकार मोठा. जेव्हा दोन कृष्णविवरांचं विलीनीकरण होतं, तेव्हा नव्या कृष्णविवराचं वजन हे दोन्ही कृष्णविवरांच्या एकत्रित वजनापेक्षा कमी असता कामा नये, हे अपेक्षितच आहे. तसंच, विलीनीकरणातून निर्माण झालेल्या या कृष्णविवराचा आकारही, दोन्ही कृष्णविवरं एकत्रित केल्यानंतर अपेक्षित असलेल्या आकारापेक्षा कमी असता कामा नये.

आता या नव्या कृष्णविवराच्या बाबतीत आणखी एक शक्यता उद्‍भवू शकते. कृष्णविवरं ही स्वतःभोवती फिरत असल्याचं, कृष्णविवरांचं गणित दर्शवतं. त्यामुळे विलीनीकरणानंतर निर्माण झालेल्या कृष्णविवराचा आकार अपेक्षेपेक्षा कमी राहून, त्याचा स्वतःभोवती फिरण्याचा वेग मात्र वाढू शकतो. हा दुसरा प्रकार काहीसा, स्केटिंग करणाऱ्या खेळाडूच्या बाबतीत घडून येतो. या खेळाडूनं हात शरीराजवळ घेऊन स्वतःचा आकार लहान केला की, त्याचा स्वतःभोवती फिरण्याचा वेग वाढतो. आता या कृष्णविवरांच्या टकरीदरम्यान, नव्या कृष्णविवराचा आकार अपेक्षेइतका मोठा न होता, त्याऐवजी त्याचा स्वतःभोवती फिरण्याचा वेग वाढला तर? मात्र कृष्णविवरांसंबंधीच्या दुसऱ्या नियमानुसार कृष्णविवराचा आकार कधीही कमी होत नाही. म्हणजे विलीनीकरणातून निर्माण झालेल्या कृष्णविवराचा आकार हा दोन्ही कृष्णविवरांच्या एकत्रित आकारापेक्षा कमी असता कामा नये. त्यामुळे विलीनीकरणातून निर्माण झालेल्या कृष्णविवराचा आकार अपेक्षेपेक्षा लहान असला तर, कृष्णविवरांसंबंधीचा दुसरा नियम बाद ठरतो. दोन कृष्णविवरांच्या विलीनीकरणानंतर कृष्णविवराचा आकार अपेक्षेइतका वाढतो की कमी राहतो, हे शोधण्याची उत्तम संधी लायगोनं नोंदवलेल्या कृष्णविवरांच्या टकरीमुळे निर्माण झाली. आणि ही संधी लायगो प्रकल्पातील मॅक्सिमिलिआनो इसी आणि त्यांच्या इतर सहकाऱ्यांनी अलीकडेच यशस्वीरीत्या साधली!

लायगो या प्रकल्पाचा एक भाग म्हणजे त्यातले, प्रकाशकिरणांच्या प्रवासासाठी बांधलेले दोन लांबलचक बोगदे. दोन वेगवेगळ्या दिशांना असलेल्या या बोगद्यांतून प्रकाशकिरण सोडले जातात. सुमारे चार किलोमीटर अंतरावरील आरशांवर परावर्तित होऊन हे प्रकाशकिरण पुनः एकाच ठिकाणी येतात. एकत्र आलेल्या या प्रकाशकिरणांचा एकमेकांवर परिणाम होऊन त्यातून विशिष्ट प्रकारचा, पट्ट्यांच्या स्वरूपातला आकृतीबंध तयार होतो. (या परिणामाला व्यतिकरण म्हटलं जातं.) आता गुरुत्वीय लहर जर पृथ्वीवर पोचली तर, इथल्या अवकाशाच्या वक्रतेत अल्पसा बदल होतो, त्यामुळे प्रकाशकिरण पार करीत असलेल्या अंतरातही अल्पकाळापुरता किचिंतसा बदल होतो. अंतरातला हा बदल प्रकाशकिरणांच्या दिशांनुसार वेगवेगळा असतो. परिणामी, प्रकाशकिरण एकत्र होऊन निर्माण होणाऱ्या आकृतीबंधातही किंचितसा बदल होऊन गुरुत्वीय लहरींची या बदलाच्या स्वरूपात नोंद होते.

मॅक्सिमिलिआनो इसी आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी ही टक्कर होण्याच्या काही क्षण अगोदर निर्माण झालेल्या गुरुत्वीय लहरींची, टक्कर झाल्यानंतर निर्माण झालेल्या गुरुत्वीय लहरींशी तुलना केली. या तुलनेद्वारे त्यांनी या दोन्ही कृष्णविवरांच्या घटनाक्षितिजांच्या एकत्रित क्षेत्रफळात – म्हणजे आकारात – टकरीनंतर झालेला बदल अभ्यासला. मॅक्सिमिलिआनो इसी आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांना या क्षेत्रफळात विलीनीकरणामुळे कुठलीही घट झाल्याचं आढळलं नाही. याचा अर्थ, नव्या कृष्णविवराचा आकार दोन कृष्णविवरांच्या एकत्रित आकारापेक्षा कमी झालेला नव्हता. या निरीक्षणांवरून कृष्णविवरांसंबधीचा दुसरा नियम हा योग्य असल्याचं स्पष्ट झालं. स्टिफन हॉकिंग यांनी काढलेला गणिती निष्कर्ष खरा ठरला.

कृष्णविवरांबद्दलच्या या दुसऱ्या नियमाची प्रचिती घेतल्यानंतर मॅक्सिमिलिआनो इसी आणि त्यांचे सहकारी अत्यंत उत्तेजित झाले आहेत. कारण कृष्णविवरांसंबंधीच्या नियमांचं भौतिकशास्त्रातील इतर काही नियमांशी साधर्म्य आहे. हे सर्व साधर्म्य म्हणजे योगायोग नसून त्यामागे निश्चित स्वरूपाचं भौतिकशास्त्र असल्याची खात्री या संशोधकांना पटली आहे. कृष्णविवरांचं भौतिकशास्त्र आणखी पुढे नेण्यास आता एक निश्चित स्वरूपाचा आधार लाभला आहे.

— डॉ. राजीव चिटणीस.

छायाचित्र सौजन्य: N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno – Max Planck Institute for Gravitational Physics, Simulating eXtreme Spacetimes Collaboration