कृष्णपदार्थ खरंच कृष्णविवरांपासून बनलेला आहे का ?

जपान, भारत आणि अमेरिका या देशांतील एका संयुक्त संशोधन गटाने काढलेल्या निष्कर्षामुळे आता प्रा. स्टीफन हॉकिंग यांनी काही दशकांपूर्वी मांडलेल्या सिद्धांताला आव्हान मिळाले आहे. या संशोधन गटाने कृष्णपदार्थ व विश्वनिर्मितीच्या सुरुवातीच्या काळातील कृष्णविवरांबद्दल एक संशोधन निबंध जागतिक दर्जाच्या Nature Astronomy  या संशोधन नियतकालिकात १ एप्रिल २०१९ रोजी प्रसिद्ध केला आहे. पुण्यातील आयुकामध्ये कार्यरत असलेले डॉ. सुहृद मोरे आणि डॉ. अनुप्रिता मोरे हे शास्त्रज्ञ या गटातील सदस्य आहेत.
संपूर्ण विश्वामध्ये कृष्णपदार्थ आता जवळपास ८५% एवढ्या प्रमाणात आहे. आजपर्यंत कृष्णपदार्थ कण शोधण्याचे अनेक प्रयत्न झाले. विशेषतः CERN मधील लार्ज हॅड्रॉन कोलायडर (LHC) यासारख्या प्रवेगक (accelerator) मध्ये झालेल्या प्रयोगातून सुद्धा कृष्णपदार्थ शोधणे आजपर्यंत शक्य झाले नाही. सन १९७१ मध्ये डॉ. स्टीफन हॉकिंग यांनी विश्वाच्या निर्मितीनंतरच्या सुरुवातीच्या काळात जन्माला आलेल्या कृष्णविवरांपासून कृष्णपदार्थाची निर्मिती झाली असावी, असा सिद्धांत मांडला होता. इतर सर्व प्रयोगातून कृष्णपदार्थाचे अस्तित्त्व सिद्ध करण्यात अपयश आल्यामुळे, प्रा. हॉकिंग यांच्या सिद्धांताला कठोर निकषांच्या प्रयोगातून तपासून पाहण्याची उत्सुकता वैज्ञानिक समुदायामध्ये होती.

डॉ. अनुप्रिता मोरे आणि डॉ. सुहृद मोरे

कृष्णपदार्थाचा अभ्यास करणारे अनेक आंतरराष्ट्रीय प्रकल्प आहेत. त्यातील काही महत्त्वाच्या प्रकल्पामध्ये PICO, Canfranc Underground Laboratory, सॅनफर्ड SURF, Fermi गॅमा किरण अवकाश दुर्बिण, SNOLAB कॅनडा, AMANDA, IceCube Neutrino वेधशाळा, ANTARES दुर्बिण या अशा अनेक प्रकल्पांचा समावेश आहे ज्यामध्ये कृष्णपदार्थ थेट प्रयोगाद्वारे किंवा अप्रत्यक्ष मिळणाऱ्या पुराव्याद्वारे शोधण्याचा जगभर प्रयत्न सुरु आहे. या संशोधन प्रकल्पाच्या संदर्भात सप्टेंबर २०१५ मध्ये जागतिक LIGO प्रकल्पाने जेव्हा पहिल्यांदा गुरुत्त्वीय लहरींची नोंद करून त्यांचा शोध जाहीर केला त्यानंतर कृष्णपदार्थ हे आदिम कृष्णविवरांच्या स्वरूपात असतील का याचा शोध घेण्याला गती मिळाली, हे उल्लेखनीय आहे.
कृष्णपदार्थ हा एक प्रकारचा गुरुत्त्वीय मूलप्रवाह (Gravitational Glue) आहे ज्यामुळे दीर्घिका आणि दीर्घिकांचे समूह हे एकत्रित राहतात. वैश्विक सूक्ष्मतरंग अवकाश (कॉस्मिक माइक्रोवेव्ह बॅकग्राऊंड) आणि विश्वाच्या निर्मितीबद्दल महत्त्वाची असलेली घटना बिग बँग सिद्धांत याच्या अभ्यासावरून असे दिसून आले आहे की कृष्णपदार्थ हे सध्या माहित असलेल्या विश्वातील मूलकणांपेक्षा वेगळ्या पद्धतीचे आहेत. सध्या जगभरात बऱ्याच आघाडीच्या विद्यापीठात आणि संशोधन संस्थांमध्ये कृष्णपदार्थ (डार्क मॅटर) या विषयावर संशोधन सुरु आहे. यामध्ये प्रामुख्याने कृष्णपदार्थ हे विश्वातील मूलककणांपासून बनले आहेत का याचा तपास घेणाऱ्या संशोधानाचा समावेश आहे.
परंतु दुसऱ्या बाजूला, हेही खरं आहे की विश्वातील मूलकणांचे विश्लेषण करणारा स्टॅंडर्ड मॉडेल सिद्धांत, ज्याद्वारे मूलकणांचे १६ गटांमध्ये वर्गीकरण केले गेले आहे, त्याद्वारे कृष्णपदार्थाचे विश्लेषण करणे अजूनतरी शक्य झालेले नाही. त्यामुळे विश्वाच्या निर्मितीच्या वेळी ज्या घटना घडल्या त्यांचा संदर्भ हा कृष्णपदार्थाचे अस्तित्त्व शोधण्यासाठी वापरण्याचे प्रयत्न सुरु झाले. यामध्ये विश्वनिर्मितीच्या वेळचे कृष्णविवर यांचा प्रामुख्याने समावेश आहे. कृष्णपदार्थ आणि कृष्णविवरे हे प्रकाशाबरोबर कोणतीही क्रिया करीत नसल्याने त्यांचे अस्तित्त्व शोधण्यासाठी काही पर्यायी सिद्धांताद्वारे व प्रयोगाद्वारे शोध घेण्याची गरज होती. पण कृष्णपदार्थांचे अस्तित्त्व हे तारे आणि दीर्घिका यांच्या परिवलनामुळे तसेच त्यांच्या मार्गात येणाऱ्या प्रकाशाचे वक्रीभवन झाल्यामुळे तयार झालेल्या परिस्थितीमध्ये अभ्यासले जाऊ शकते.
त्याचाच भाग म्हणून या संशोधन गटाने ‘ग्रॅव्हिटेशनल लेन्सिंग परिणाम’ या संकल्पनेचा वापर करून आपल्या आणि अँड्रोमेडा (देवयानी) दीर्घिकेच्या मधील अवकाशात असणाऱ्या आदिम कृष्णविवरांचा शोध घेऊन अभ्यास केला. ‘ग्रॅव्हिटेशनल लेन्सिंग’ याबद्दल भाकीत करणाऱ्या पहिल्या काही शास्त्रज्ञांमध्ये अल्बर्ट आईन्स्टाईन हे एक होते. दूरस्थ अंतरावरील ताऱ्याकडून येणारा प्रकाश हा मध्ये अडथळा ठरणाऱ्या विशाल अशा वस्तुमान असलेल्या खगोलीय वस्तूमुळे वक्र (bending of light) होतो. याला ग्रॅव्हिटेशनल लेन्सिंग म्हणतात. फक्त शक्तिशाली दुर्बिणीच्या साहाय्यानेच या परिणामाचे निरीक्षण करणे शक्य होते.
अवकाशातील हे आदिम कृष्णविवर कशी वाटचाल करतात याचा अंदाज घेत या संशोधन गटाने पॅसिफिक महासागरातील हवाई बेटावरील जपानी सुबारू दुर्बिणीच्या साहाय्याने देवयानी दीर्घिकेची संपूर्ण रात्रभर अनेक निरीक्षणे नोंदवली. देवयानी दीर्घिकेमध्ये आदिम कृष्णविवरांमुळे ग्रॅव्हिटेशनल लेन्सिंगचा परिणाम दाखवू शकणारे  अनेक तारे निरिक्षणादरम्यान नोंदवले जातील अशी या संशोधकांना आशा होती. ग्रॅव्हिटेशनल लेन्सिंग ही दुर्मिळ घटना शक्य होण्यासाठी दूरस्थ तारा, आदिम कृष्णविवर आणि पृथ्वीवरील निरीक्षक हे एका सरळ रेषेमध्ये स्थापित असण्याची पूर्वअट असते.देवयानी दीर्घिकेच्या दिशेने होणाऱ्या ग्रॅव्हिटेशनल लेन्सिंगचा परिणाम टिपण्यासाठी सुबारू दुर्बिणीचा वापर अत्यावश्यक होता. सुबारू दुर्बिणीचे प्राथमिक भिंग हे ८.२ मीटर व्यासाचे आहे ज्यामुळे संपूर्ण देवयानी दीर्घिकेची निरीक्षणे नोंदवणे शक्य झाले. सुबारू दुर्बिणीच्या साहाय्याने नोंदवलेल्या १९० सलग निरीक्षणांमधून  संशोधकांना  आदिम कृष्णविवरांमुळे अँड्रोमेडा दीर्घिकेमधील जवळपास १००० तारे अधिक प्रकाशमान होण्याची अपेक्षा होती.  परंतु या गटाला याप्रकारचा फक्त एकच नमुना सापडला. त्यामुळे, एकूण कृष्णपदार्थापैकी १ टक्क्यापेक्षा कमी प्रमाण हे आपल्या चंद्राएवढ्या वस्तुमान असलेल्या आदिम कृष्णविवरांपासून बनले आहे.
या संशोधनाचे महत्त्व: चंद्राच्या वस्तुमानाएवढे आणि ०.१ मिमी आकाराएवढ्या आदिम

हवाई बेटांवर असलेली सुबारू दुर्बीण देवयानी दीर्घिकेकडे पाहताना…

कृष्णविवरांपासून कृष्णपदार्थ बनले असण्याची शक्यता या संशोधनातील निरीक्षणांमुळे फेटाळली गेली आहे. डॉ. हॉकिंग यांनी आदिम कृष्णविवरांबद्दल मांडलेल्या सिद्धांताच्या तुलनेत हा निगेटिव्ह रिझल्ट (नकारात्मक निष्कर्ष) म्हणता येईल. यामुळे विश्वाच्या मूलभूत सरंचनेसाठी जबाबदार असणाऱ्या घटकांबद्दल आपल्या ज्ञानात आणखी भर पडली आहे. आता त्याहून महत्त्वाचे म्हणजे या संशोधनाने आदिम काळातील विश्वाच्या भौतिकशास्त्राबद्दल काही गणितीय अटींची परिमाणे सुद्धा निश्चित केली आहेत.
या संशोधन प्रकल्पामध्ये जपान, अमेरिका आणि भारत या तीन देशांचे शास्त्रज्ञ व संशोधन संस्था यांचा समावेश आहे. त्यासोबत वेळोवेळी येणाऱ्या आव्हानांबद्दल विचारले असता डॉ. सुहृद मोरे म्हणाले, “मूलभूत विज्ञानातील यापुढील महत्त्वाचे शोध हे आंतरराष्ट्रीय सहकार्याच्या मोठ्या प्रकल्पातून लागण्याची शक्यता जास्त आहे आणि यासाठी आपण तयार राहिले पाहिजे. विशेषतः खगोलशास्त्रातील बरेच उच्चस्तरीय संशोधन प्रकल्प हे तंत्रज्ञानातील प्रगतीवर अवलंबून आहेत. त्यामुळे आपण यादृष्टीने आवश्यक दर्जाच्या- क्षमतेच्या संवेदनशील दुर्बिणी, पायाभूत सुविधा तसेच विविध देशांत पसरलेल्या संशोधन संस्थांबरोबर भागीदारी करणे ही काळाची गरज आहे. त्यासाठी आपल्या वैज्ञानिक संस्थांमध्ये काही सांस्कृतिक मूल्यांचा विशेष विशेष आग्रह धरला जाण्याची आवश्यकता आहे. उदाहरणार्थ आम्ही ज्या जपानी संस्थेबरोबर काम केले तिथे वेळेचे खूप महत्त्व आहे. कामाचा दर्जा आणि समयसूचकता, शिस्त तसेच एकमेकांच्या जीवनशैलीबद्दल आदर असणं हे तर आवश्यक आहेच. त्याचबरोबर तुम्ही ज्या संस्थेत काम करता त्या संस्थेने तुम्हाला एखाद्या वैज्ञानिक संकल्पनेवर काम करण्यासाठी स्वातंत्र्य देणं हि सुद्धा तेवढीच महत्त्वाची गोष्ट आहे. भारतातील तरुण प्राध्यापक आणि शास्त्रज्ञांनी यापुढे नेहमी आंतरराज्यीयच नव्हे तर आंतरराष्ट्रीय भागीदारीच्या संशोधन प्रकल्पात सहभागी होण्यासाठी उत्सुक व तत्पर असले पाहिजे. आयुका सहभागी असेल्या LIGO व TMT हे आंतरराष्ट्रीय प्रकल्प ही याची आश्वासक व आशादायी उदाहरणे आहेत.”
या प्रकारच्या मूलभूत विज्ञानातील शोधांमुळे विज्ञानप्रसार करण्यासाठी कशी मदत होईल याबद्दल बोलताना डॉ. अनुप्रिता मोरे म्हणाल्या, “आपल्या आजूबाजूला दैनंदिन वापराच्या कित्येक वस्तू या तंत्रज्ञानातील प्रगतीमुळे जरी शक्य झाल्या असल्या तरी त्यांचा त्यांचा विकास हा विज्ञानातील मूलभूत शोधांमुळेच शक्य झाला आहे. त्यामुळे कोणत्याही प्रकारच्या मूलभूत वैज्ञानिक शोधाला अतिशय महत्त्व आहे. विद्यापीठे किंवा शैक्षणिक संस्था यांनी विज्ञान व तंत्रज्ञानाच्या प्रतिकृती, प्रदर्शने, तसेच मूलभूत वैज्ञानिक शोधांबद्दल प्रात्यक्षिके सादरीकरण लहान, तरुण मुलांसमोर अधिकाधिक प्रमाणात करायला हवीत. आम्ही लहान असताना आम्हाला वैज्ञानिकांना थेट भेटण्याची किंवा

विश्वाच्या सुरुवातीच्या काळातील कृष्णविवरांचे वस्तुमान आणि त्याच्या तुलनेत कृष्णपदार्थ निर्मिती मध्ये त्यांचे असणारे प्रमाण हे समजावून सांगणारा आलेख. या आलेखातील लाल रंगाच्या भागासंबंधित प्रस्तुत संशोधनाचे योगदान आहे.

ऐकायची संधी खूप कमी मिळायची. नंतर काही वर्षे आम्हाला दूरदर्शन वरून प्रसारित होणाऱ्या Turning Point ची मेजवानी होती. हा कार्यक्रम आमच्यासाठी अत्यंत प्रेरणादायी ठरला. आज दूरचित्रवाणी वाहिन्या शेकड्याने उपलब्ध आहेत. संगणक, इंटरनेट मध्ये प्रचंड प्रगती झाली आहे. त्यामुळे विज्ञान शिक्षणसंस्थानी अधिकाधिक प्रमाणात मल्टीमीडिया तंत्रज्ञानाच्या सहाय्याने मूलभूत विज्ञानाबद्दल माहिती पसरवण्याचे काम करणे आवश्यक आहे. या बाबतीत आपण बरीच मोठी मजल मारण्याची अजून गरज आहे असे वाटते.”
डॉ. सुहृद मोरे आणि डॉ. अनुप्रिता मोरे यांनी Nature Astronomy या नियतकालिकात प्रसिद्ध झालेल्या शोधामुळे, विश्वनिर्मिती तसेच आपल्या विश्वाची एकूण संरचना याबद्दल अधिक माहिती कळाल्यामुळे आपल्या ज्ञानात अधिक भर पडली आहे आणि त्यामुळे याप्रकारच्या शोधांमुळे आपल्याला पुढील संशोधनातुन वैश्विक सत्य जाणून घेण्यासाठी आणखी एक मोठी खिडकी खुली झाली आहे, यावर विश्वास वाटतो, अशी भावना व्यक्त केली.
सह-लेखक आणि त्यांचे कार्यस्थान (शोधनिबंधाच्या श्रेयनामावली नुसार)
हिरोको नीकुरा, मासाहिरो ताकादा, नाओकी यासुदा (हे सर्व — Kavli IPMU, तोकियो विद्यापीठ), रॉबर्ट लप्टन (इन्स्टिट्यूट फॉर ऍडव्हान्सड स्टडी, प्रिन्स्टन विद्यापीठ, अमेरिका), ताकाहिरो सुमी (ओसाका विद्यापीठ, जपान), सुहृद मोरे (आयुका, भारत), तोशिकी कुरिता, सुनाओ सुगियामा (हे दोन्ही– Kavli IPMU, तोकियो विद्यापीठ), अनुप्रिता मोरे (आयुका, भारत), मासामुने ओगुरी (Kavli IPMU, तोकियो विद्यापीठ), मासाशी चिबा (तोहोकू विद्यापीठ)
Nature Astronomy
जानेवारी २०१७ मध्ये सुरु झालेले Nature Astronomy हे फक्त ऑनलाईन स्वरूपात प्रसिद्ध होणारे एकमेव संशोधन नियतकालिक आहे. या नियतकालिकामध्ये खगोलशास्त्र, खगोलभौतिकशास्त्र आणि खगोलीय विज्ञानाच्या अत्याधुनिक संशोधनाच्या दृष्टीने महत्त्वपूर्ण संशोधन, पुनरावलोकन आणि टिप्पणीस प्रसिद्धी दिली जाते. याद्वारे खगोलशास्त्र संबंधित विद्याशाखांमध्ये संवाद वाढीस लागावा असा प्रयत्न या नियतकालिकाद्वारे केला जातो. उत्सुक वाचकांना येथे अधिक माहिती मिळेल.

(लेखाच्या सुरुवातीला असलेल्या छायाचित्राविषयी – विश्वाच्या सुरुवातीच्या काळातील कृष्णविवर जर त्या दीर्घिकेतील ताऱ्यासमोरून गेले तर तो तारा अधिक प्रकाशमान दिसतो. जर ते कृष्णविवर हळूहळू त्या स्थानाकडून दुसरीकडे जात असेल तर तो तारा सुद्धा त्याच्या मूळ प्रकाशमान पातळीवर हळूहळू जाऊन पोचतो. (Credit: Kavli IPMU)

राहुल माने , विज्ञान-तंत्रज्ञान विषयावर लिहिणारे पत्रकार असून, ‘इंडियन अॅकॅडेमी ऑफ सायन्सेस’चे ‘एस. रामशेषन विज्ञान लेखन’ फेलो आहेत.