आकाशगंगेच्या केंद्रातल्या कृष्णविवराचा प्रकाशवेध

अल्बर्ट आइनस्टाइनने १९१५ साली सापेक्षतेचा व्यापक सिद्धांत प्रसिद्ध केला. या सिद्धांतानुसार जड वस्तुमानाभोवतीचा अवकाश-काल गुरुत्वाकर्षणामुळे वक्र पावतो. विशिष्ट वस्तुमानापेक्षा मोठे तारे जेव्हा मरण पावतात तेव्हा त्यांचे कृष्णविवरात रुपांतर होते.

कृष्णविवरांभोवतीचे गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र इतके शक्तिशाली असते की त्यातून प्रकाशही बाहेर पडू शकत नाही. अशा कृष्णविवरांची जेव्हा टक्कर होते तेव्हा त्यातून बाहेर पडणाऱ्या गुरुत्वीय लहरींचा शोध लायगो वेधशाळेने पहिल्यांदा २०१५ साली लावला. अशाच प्रकारे आपल्या आकाशगंगेच्या आणि इतर दीर्घिकांच्या केंद्रस्थानी महाकाय कृष्णविवरे असल्याचे पुरावे मिळाले आहेत. २०१९ साली खगोलशास्त्रज्ञांनी इव्हेंट होरायझन टेलिस्कोप (Event Horizon Telescope) वापरून M87 दीर्घिकेच्या केंद्रस्थानी असलेल्या M87* या सूर्याच्या सुमारे साडेसहा अब्जपट वस्तुमान असलेल्या कृष्णविवराचा फोटो प्रसिद्ध केला होता.

१२ मे २०२२ रोजी या गटाने आपल्या आकाशगंगेच्या केंद्रस्थानी असलेल्या Sagittarius A* (Sgr A*) नावाच्या कृष्णविवराचा फोटो प्रसिद्ध केला आहे. या कृष्णविवराचे वस्तुमान सूर्याच्या सुमारे ४० लाखपट असून ते आपल्यापासून सुमारे २५ हजार प्रकाशवर्षे अंतरावर आहे. या लेखात आपण हा फोटो कसा काढला आणि त्यातून काय निष्कर्ष निघतात हे थोडक्यात पाहू.

Event Horizon Telescope म्हणजे काय आणि तो कसा वापरतात?

Event Horizon Telescope ही Very Long Baseline Interferometry (VLBI) प्रकारची दुर्बीण आहे. यातले रेडिओ इंटरफेरोमेट्रीचे तंत्र तसे सोपे आहे आणि अनेक रेडिओ दुर्बिणींत वापरले जाते. उदा. पुण्याजवळचा Giant Meterwave Radio Telescope (GMRT). हे कशा प्रकारे काम करते हे समजून घेण्यासाठी शेजारी शेजारी असणाऱ्या दोन रेडिओ अँटेनांची कल्पना करा. जर एखादा स्रोत या दोन अँटेनांच्या बरोबर मध्यभागी वर आकाशात असेल तर त्या स्रोताकडून दोन्ही अँटेनांना सिग्नल एकाच वेळी मिळेल. याउलट जर स्रोत थोडा बाजूला असेल तर एका अँटेनाला दुसऱ्या अँटेनाच्या तुलनेत सिग्नल लवकर मिळेल (अंतर कमी असल्याने). हे दोन सिग्नल कोरिलेट (correlate) केले की स्रोत कुठल्या दिशेत आहे हे सांगता येते. या दिशेची अचूकता ही दोन अँटेनांमधल्या अंतरावर अवलंबून असते. अँटेनांमधील अंतर जितके जास्त तितक्या अचूकपणे आपण स्रोताची दिशा ओळखू शकतो. थोडक्यात एकमेकांपासून लांब असणारे अँटेने/डिश वापरून आपण अँटेनांमधल्या अंतराच्या आकाराची एक इफेक्टिव दुर्बीण तयार करू शकतो. हे अँटेना जितक्या जास्त अंतरांवर आणि वेगवेगळ्या दिशांनी पसरलेले असतील तितके चांगले. उदा. जीएमआरटीमध्ये Y आकारात ३० रेडिओ डिश पसरलेले आहेत ज्यातील अंतर सुमारे २५ किमीपर्यंत आहे.

इव्हेंट होरायझन टेलिस्कोप हीच गोष्ट ग्रीनलँड, फ्रान्स, स्पेन, हवाई, मेक्सिको, चिली, अंटार्क्टिका या ठिकाणी पसरलेल्या विविध रेडिओ दुर्बिणी वापरून करतो. इतक्या लांबवर पसरलेल्या दुर्बिणी वापरल्याने या दुर्बिणीचा इफेक्टिव्ह आकार जवळपास पृथ्वीच्या व्यासाइतका आहे. त्यामुळे इव्हेंट होरायझन टेलिस्कोप ही आजपर्यंत सर्वाधिक रिझोल्युशन (resolution) असणारी दुर्बीण आहे. हे करण्यासाठी या सगळ्या विविध खंडांमध्ये पसरलेल्या दुर्बिणी वापरून एकाच वेळी (सगळीकडे हवा चांगली असताना) समान तरंगलांबी वापरून निरीक्षणे करणे, त्या दुर्बिणींवर अचूक घड्याळे बसवणे, हा सगळा डेटा विमानाने किंवा बोटीने एके ठिकाणी आणणे आणि कोरिलेट करणे आणि वेगवेगळ्या गटांनी वेगवेगळी तंत्रे वापरून स्वतंत्रपणे इमेज प्रोसेसिंग करणे इ. कामे करावी लागतात.

जर कृष्णविवरातून प्रकाशही बाहेर पडू शकत नसेल तर कृष्णविवराचा फोटो म्हणजे नक्की काय?

या दीर्घिकांच्या केंद्रस्थानी असलेल्या कृष्णविवरांभोवती आजूबाजूच्या वायूंची तबकडी (accretion disk) तयार झालेली असते. हा वायू कृष्णविवराभोवती फिरत फिरत शेवटी कृष्णविवरात कोसळतो, तो पर्यंत हा वायू प्रचंड तापलेला असतो. आपल्या आकाशगंगेतले कृष्णविवर हे सूर्याच्या सुमारे ४० लाखपट वस्तुमानाचे आहे. आजूबाजूचा वायू आणि तारे गिळंकृत करत ही कृष्णविवरे हळुहळू मोठी होत जातात. वरील फोटोंमध्ये जे प्रकाशमान रिंगण दिसते आहे तो म्हणजे कृष्णविवरात कोसळणाऱ्या तप्त वायूमधून येणारा प्रकाश आहे.

आइनस्टाइनच्या सापेक्षतेच्या सिद्धांतानुसार कृष्णविवराच्या मागच्या बाजूने येणारा प्रकाशही गुरुत्वाकर्षणामुळे वाकून आपल्या बाजूला येतो. त्यामुळे रिंगण जे दिसतेय त्यात कृष्णविवराच्या जवळपास सगळ्या बाजूंनी येणारा प्रकाश समाविष्ट आहे.

या रिंगणाची त्रिज्या (Black hole shadow) कृष्णविवराच्या त्रिज्येच्या (Schwarzschild radius or event horizon) साधारण अडीचपट असते. याचे स्पष्टीकरण Veritasium युट्यूब चॅनलच्या ह्या व्हिडिओत सोप्या प्रकारे दिले आहे. ही रिंगणाची त्रिज्या वापरून आपण कृष्णविवराचा आकार किंवा वस्तुमान मोजू शकतो.

रिंगणातून येणारा प्रकाश हा कृष्णविवरात पडणाऱ्या वायूमुळे असल्यामुळे रिंगणाची अंतर्गत रचना थोडीफार बदलू शकते, पण रिंगणाचा आकार (आपल्या मानवी कालरेखेवर) बदलणार नाही कारण तो कृष्णविवराच्या गुणधर्मांवर (वस्तुमान) आधारलेला आहे.

तीन वर्षांपूर्वी फोटो काढलेल्या M87* आणि १२ मे रोजी जाहीर झालेल्या Sgr A* ह्या कृष्णविवरांच्या फोटोंमध्ये काय फरक आहे?

M87* हे M87 नावाच्या दीर्घिकेच्या केंद्रस्थानी असलेले महाकाय कृष्णविवर आहे. त्याचे वस्तुमान सूर्याच्या सुमारे साडेसहा अब्जपट असून ते आपल्यापासून सुमारे ५ कोटी प्रकाशवर्षं अंतरावर आहे! त्या तुलनेत आपल्या आकाशगंगेच्या केंद्रस्थानी असलेले Sgr A* हे कृष्णविवर साधारण हजारपट लहान, पण साधारण तितकेच जवळ आहे, त्यामुळे दोघांचा आकाशातला आकार जवळपास सारखाच आहे. M87* हे कृष्णविवर प्रचंड मोठे असल्याने त्याच्या भोवतीचा वायूही तुलनेने हळू फिरतो, त्यामुळे त्याचा फोटो काढणं अंतर जास्त असूनही तुलनेने सोपे होते. त्या तुलनेत Sgr A* चे चित्र काही मिनिटांत बदलत असल्याने हे काम जास्त कष्टप्रद होते.

आइनस्टाइनने शंभरहून अधिक वर्षांपूर्वी मांडलेला सापेक्षतेचा व्यापक सिद्धांत विश्वाची रचना कशी आहे आणि आपली आकाशगंगा व इतर दीर्घिका कशा तयार झाल्या हे समजून घेण्यासाठी अतिशय महत्त्वाचा आहे. कृष्णविवरांच्या अस्तित्वाचे भाकीत हे सापेक्षतेचा सिद्धांत वापरून मांडण्यात आले होते. हजारपट वस्तुमानाचा फरक असलेल्या दोन कृष्णविवरांचे फोटो बरेचसे सारखेच आहेत ही बाब कृष्णविवरे कशी असतात याच्या आपल्या आकलनाला आणि त्याला आधारभूत असलेल्या आइनस्टाइनच्या सापेक्षतेच्या सिद्धांताला बळकटी देते. दीर्घिका आणि त्यांच्या केंद्रस्थानी असलेली महाकाय कृष्णविवरे यांचा एकमेकांवर कसा आणि काय प्रभाव पडतो हा खगोलशास्त्रातला महत्त्वाचा संशोधनाचा विषय आहे. या कृष्णविवरांचा अभ्यास आपल्या आकाशगंगेसारख्या दीर्घिकांची निर्मिती आणि वाढ कशी होते आणि पर्यायाने त्याचा त्यांतील सूर्यासारख्या ताऱ्यांच्या निर्मितीवर कसा प्रभाव पडतो यावर प्रकाश पाडू शकेल.

मिहिर कुलकर्णी, खगोलशास्त्रज्ञ असून त्यांनी कोलंबिया विद्यापीठातून खगोलशास्त्रात पीएचडी केली आहे. ते सध्या युनिव्हर्सिटी ऑफ टोलिडो, ओहायो इथे पोस्टडॉक्टरल संशोधक म्हणून काम करतात.

संदर्भ:

१.https://eventhorizontelescope.org/blog/astronomers-reveal-first-image-black-hole-heart-our-galaxy

२.https://iopscience.iop.org/journal/2041-8205/page/Focus_on_First_Sgr_A_Results

मूळ लेख ‘ऐसी अक्षरे’ या वेबपोर्टलवर प्रसिद्ध झाला असून काही संपादकीय संस्करण करून हा लेख ‘द वायर मराठी’वर प्रसिद्ध केला आहे.