#कृष्णविवरनपरतीचा_मार्ग
भाग १
हिंदी सिनेमातील काही गाणी आपण सहज गुणगुणत असतो…समय का ये पल थम सा गया है, ये लम्हा जो ठहरा है, तू है यहा तो जाता लम्हा ठहर जाये वगैरे वगैरे. आपल्याला या सुंदर कवी कल्पना वाटतात आणि काही क्षण (गुलाबी 😉) संपूच नयेत असे वाटते. पण आपल्याला कल्पना ही नसते की विश्वात अश्या काही जागा आहेत जिथे हा पल, लम्हा, क्षण, काळ अक्षरशः थांबलेला असतो. सत्य हे कल्पिताहून अद्भुत असते. कृष्णविवर किंवा ब्लॅक होल ही एक अशीच आपली मति कुंठित करणारी जागा आहे.
कृष्णविवर आपल्याला दिसू शकत नाही कारण त्याचे गुरुत्वाकर्षण एवढे प्रखर असते की प्रकाशकिरणही त्याच्या तावडीतून सुटू शकत नाही. आपल्या प्रचंड वस्तुमानाने आणि घनतेने कृष्णविवर आसपासचा अवकाश काळ अतिवक्र करते.
पंचतंत्रातील सिंह आणि सशाची गोष्ट तुम्ही ऐकली असेलच..सशाला सिंहाच्या गुहेत जाणाऱ्या पाऊलखुणा दिसल्या पण गुहेतून बाहेर येणाऱ्या पाऊलखुणा मात्र नव्हत्या. कृष्णविवर हे ही या पंचतंत्रातील सिंहाच्या गुहेप्रमाणे आहे. तावडीत सापडलेल्या पदार्थाचा स्वाहाकार करणारे. एकदिशामार्गासारखे, एकदा कृष्णविवरात गेलेली गोष्ट कृष्णविवराच्या बाहेर येणे अशक्यच.
कृष्णविवरची संकल्पना तशी जुनीच आहे. जॉन मिशेलने १७८३ साली लँडनच्या रॉयल सोसायटीत सादर केलेल्या शोधनिबंधात डार्क स्टार म्हणजेच कृष्णतारा अशी संकल्पना मांडली होती. पुढे १७९६ साली पिअर सिमोन दी लाप्लास याने ही आपल्या ‘ल सिस्टीम दू मोंद’ ग्रंथातून अशीच संकल्पना मांडली. कृष्णविवर या संकल्पनेची डार्क स्टार म्हणजेच कृष्णतारा ही सर्वात जुनी आवृत्ती होती.
न्यूटनने १६८६ साली लिहिलेल्या प्रिंसिपिया या ग्रंथातून गुरुत्वाकर्षण आणि त्याअनुषंगाने मुक्तीवेग किंवा एस्केप वेलॉसिटी या संकल्पना व्यक्त होत होत्या. कोणताही तारा किंवा ग्रह याला स्वतःचे गुरुत्वाकर्षण आणि मुक्तीवेग असतो. समजा आपण एका मैदानात उभे राहून एक दगड आकाशात फेकला तर तो उंच जाऊन काही कालावधी नंतर जमिनीवर पडेल. कारण पृथ्वीचे गुरुत्वाकर्षण त्याला खाली खेचते. पण समजा आपण तो दगड पुरेश्या वेगाने (११.२ किलोमीटर प्रति सेकंद) आकाशात फेकू शकलो तर तो पृथ्वीच्या गुरुत्वाकर्षणावर मात करून अवकाशात निघून जाईल. ११.२ किलोमीटर प्रति सेकंद हा पृथ्वीचा मुक्तीवेग आहे. अवकाशात रॉकेट सोडताना साधारणतः याच वेगाने सोडावे लागते. प्रत्येक ग्रहाचा, ताऱ्याचा मुक्तीवेग हा त्याच्या गुरुत्वाकर्षणावर अवलंबून असतो. गुरुत्वाकर्षण जेवढे अधिक तेवढा मुक्तीवेग अधिक असणार हे उघड आहे. सूर्याचा मुक्तीवेग आहे ६२५ किलोमीटर प्रति सेकंद. म्हणजे सूर्याच्या गुरुत्वाकर्षणातून निसटायचे असेल तर सेकंदाला ६२५ किलोमीटर इतका वेग गाठावा लागेल.
जॉन मिशेल आणि पिअर सिमॉन द लाप्लास यांनीही हीच मुक्तीवेग ही संकल्पना वापरून डार्क स्टारच्या अस्तित्वाविषयी भाष्य केले होते. प्रकाशकिरण हे कणांचे बनलेले असतात आणि त्यांचा वेग सीमित असतो हे त्याकाळी मान्य झाले होते. मिशेल ने असे मांडले की एखादा तारा इतक्या प्रचंड वस्तुमानाचा असू शकेल की ज्याचा मुक्तीवेग प्रकाशाच्या वेगापेक्षाही जास्त असू शकेल (प्रकाशाचा वेग सेकंदाला ३ लाख किलोमीटर इतका प्रचंड आहे) म्हणजेच अश्या ताऱ्यावरून प्रकाशाचे कण बाहेर निसटू शकणार नाही त्यामुळे त्या ताऱ्याच्या उत्सर्जित केलेला प्रकाश ताऱ्याचे गुरुत्वाकर्षण खेचून घेईल आणि आपल्याला तो तारा दिसणारच नाही. मिशेल ने मांडले की सूर्याएवढीच घनता असलेल्या पण सूर्यापेक्षा ५०० पट जास्त व्यास असलेल्या ताऱ्यांचा मुक्तीवेग प्रकाशाच्या वेगापेक्षा जास्त असेल. त्या ताऱ्याने उत्सर्जित केलेले प्रकाशकिरण, त्या ताऱ्याच्या प्रखर गुरुत्वाकर्षणामुळे त्या ताऱ्याकडेच मागे फिरतील.
पिअर सिमॉन दि लाप्लास ने मांडलेली डार्क स्टार ची संकल्पना जॉन मिशेल च्या संकल्पनेपेक्षा थोडी वेगळी होती. लाप्लास याने त्यासाठी दे कॉर्पस ऑबस्कर्स म्हणजे अदृश्य तारा असा शब्द वापरला होता. लाप्लास यांनी या अदृश्य ताऱ्याचा व्यास सूर्यापेक्षा २५० पट मोठा असावा असा तर्क केला होता. अर्थात त्यावेळी इतर शास्त्रज्ञानी मिशेल आणि लाप्लास यांना वेड्यात काढले होते हे सांगायला नकोच. मिशेल आणि लाप्लास यांच्या कृष्णतारा या संकल्पनेत आणि सध्याच्या कृष्णविवर या संकल्पनेत खूपच फरक आहे, पण तरीही कृष्णविवराच्या या संकल्पनात्मक पूर्वजाची म्हणजेच कृष्णताऱ्याची संकल्पना त्या काळात मांडणे हे मिशेल आणि लाप्लास यांच्या बुद्धिवैभवाची साक्ष आहे.
याच संकल्पनेचा पुढे विकास होऊन काळालाही थांबवण्याचे सामर्थ्य असणारे कृष्णविवर आपल्याला समजणार होते.
क्रमशः
©जयेश चाचड
#कृष्णविवरनपरतीचा_मार्ग
भाग २
बंगालचा नवाब सिराजउदौला ने, २० जानेवारी १७५६ ला कलकत्त्याला ब्रिटिशांच्या ताब्यातील फोर्ट विल्यम हा किल्ला काबीज करून सुमारे १४६ ब्रिटिश स्त्री-पुरुषांना किल्ल्यातील एका अठरा बाय चौदा फुटांच्या लहानश्या अंधाऱ्या खोलीत कोंडून ठेवले होते. परिणामी त्यातील फक्त २३ जण वाचले आणि उरलेले १२३ जण मृत्युमुखी पडले. ब्रिटीश इतिहासकारांनी या छोट्या खोलीच्या तुरुंगालाच ब्लॅक होल ऑफ कलकत्ता असे म्हटले आहे. कृष्णविवर अर्थात ब्लॅक होल च्या ऐतिहासिक संदर्भाला वैज्ञानिक अर्थ प्राप्त व्हायला सुमारे दोनशे वर्षांचा काळ जावा लागला. १९६७ साली कृष्णविवराचे कृष्णविवर असे नामकरण झाले.
कोणताही तारा स्थिरावतो तो म्हणजे ताऱ्याच्या केंद्रात सुरू असलेल्या अणूसन्मिलन (nuclear fusion) प्रक्रियेमुळे उत्पन्न होणार आण्विक दाब (atomic pressure) आणि ताऱ्याचा अवपात करणारे गुरुत्वाकर्षण यांच्या समतोलाने. ताऱ्याच्या केंद्रभागी चार हायड्रोजन चे अणू एकत्र येऊन एक हेलियम चा अणू बनतो आणि काही ऊर्जा मुक्त होते. या प्रक्रियेने ताऱ्याचे अणूकेंद्र ताऱ्याला बाह्य दिशेने बल लावते. यालाच आण्विक दाब म्हणतात. याउलट ताऱ्याचे वस्तुमान ताऱ्याला स्वतःच्याच गुरुत्वाकर्षणाखाली कोलमडायला लावते. याला गुरुत्वीय अवपात (gravitational collapse) असे म्हणतात. आण्विक दाब आणि गुरुत्वाकर्षण समान असताना तारा स्थिर रहातो. पण जसजसे ताऱ्याच्या केंद्रातील हायड्रोजन चा साठा संपायला लागतो तसतसे आण्विक दाब कमी होऊन, गुरुत्वाकर्षण वाढू लागते आणि तारा स्वतःच्याच गुरुत्वाकर्षणाखाली ढासळू लागतो. आपला सूर्य सध्या स्थिर अवस्थेत आहे आणि त्याने आपले निम्मे आयुष्य व्यतित केले आहे. भविष्यात सुमारे ५ अब्ज वर्षांनी सूर्याच्या केंद्रातील हायड्रोजन चा साठा संपुष्टात येणार आहे आणि सूर्याचा व्यास वाढून तो बुध, शुक्र आणि पृथ्वी यांचा घास घेणार हे नक्की. पुढे आपला बाह्यभाग अवकाशात सोडून सूर्याचे श्वेतबटु ताऱ्यात (white dwarf) रुपांतर होईल.
कृष्णविवराची बहुआयामी कल्पना करणे अवघड आहे. कल्पना करा एका बाथटब मध्ये किंवा एखाद्या सिंक मध्ये पाणी जाण्याच्या जागी अडथळा करून जर तो बाथटब किंवा सिंक पाण्याने भरला आणि हळूच तो अडथळा काढला असता पाण्यात भोवरा निर्माण होऊन पाणी वक्राकार मार्गाने बाथटब किंवा सिंक मधून बाहेर पडेल. या पाण्यात कागदाचा तुकडा टाकला असता तो भोवऱ्याभोवती गोलाकार फिरून भोवऱ्यात विलीन होईल. कृष्णविवराशी याची तुलना करता, ते पाणी म्हणजे अवकाश काळ, भोवरा म्हणजे कृष्णविवर आणि कागदाचा तुकडा म्हणजे पदार्थ जसे, ग्रह किंवा तारे. कृष्णविवर आपल्या सभोवतालचे अवकाश काळ (space time) कसे वक्र करते त्याची थोडीफार कल्पना तुम्हाला आली असेल.
क्रमशः
© जयेश चाचड
#कृष्णविवरनपरतीचा_मार्ग
भाग ३
ताऱ्याच्या केंद्रातील हायड्रोजन चा साठा संपल्यावर त्याचे काय होते याबद्दल वैज्ञानिकांमध्ये कुतूहल होते. आईनस्टाइननी १९०५ साली विवक्षित सापेक्षतेचा सिद्धांत मांडला व पुढे १९१५ साली व्यापक सापेक्षतेचा सिद्धांत मांडला. या सिद्धांताद्वारे न्यूटनप्रणित गुरुत्वाकर्षणाच्या संकल्पनेला धक्का बसून त्याचे सुधारित स्वरूप मांडण्यात आले. या नवीन सापेक्षता सिद्धांतानुसार वस्तूच्या अस्तित्वामुळे तिच्या परीसरतील अवकाश-काळात येणारी वक्रता म्हणजेच गुरुत्वाकर्षण अशी नवीन संकल्पना पुढे आली. कल्पना करा की एखादी चादर चारी बाजूनी ताणून धरली आहे. चादरीला लांबी आणि रुंदी या दोनच मिती आहेत. आता या चादरीवर एखादी वजनदार वस्तू ठेवली की चादरीवर एक खळगा निर्माण होईल. वस्तूचे वजन जितके अधिक तितकाच खोल खळगा असेल. हा खळगा द्विमितीय अवकाश काळातील वक्रता दाखवतो. ही चादर म्हणजे अवकाश काळ आणि जड वस्तू म्हणजे सूर्य अशी कल्पना करा. सूर्याच्या वस्तुमानामुळे सूर्याभोवतीच्या अवकाश काळात वक्रता निर्माण होते. पृथ्वी, मंगळ, वगैरे ग्रह सूर्याने वक्र केलेल्या अवकाश काळात घरंगळत सरळ मार्गाने जातात पण अवकाश काळ वक्र असल्याने ते सूर्याभोवती प्रदक्षिणा घालताहेत असे आपल्याला वाटते. हा झाला स्थळावर वक्रतेचा परिणाम. काळावरही (काळ ही चौथी मिती आहे) या वक्रतेचा परिणाम होतो.
आईन्स्टाइन च्या सापेक्षता सिद्धांताच्या आधी स्वयंसिद्ध काळाची (absolute) संकल्पना होती. पण आईनस्टाइन ने दाखवून दिले की काळ हा स्वयंसिद्ध नसून सापेक्ष (relative) असतो. गुरुत्वाकर्षणाचा जसा वस्तूच्या गती वर परिणाम होतो तसाच काळावरही परिणाम होतो. अतिवक्र अवकाश काळात वेळेची गती मंदावते. वस्तूच्या गतीचाही वेळेवर परिणाम होतो. वस्तूचा वेग जितका अधिक तेवढे त्यातील कालमापन स्थिर वस्तुतील कालमापनाच्या सापेक्ष हळू होते. तुम्ही ख्रिस्तोफर नोलन चा इंटरस्टेलर हा सिनेमा बघितला असेल. या सिनेमातही हेच तत्व वापरले आहे. मी पाहिलेल्या विज्ञानपटात इंटरस्टेलर हा सर्वोत्कृष्ट सिनेमा आहे. (या सिनेमाविषयी एक विनोद खूप प्रसिद्ध झाला होता. सिनेमाचे तिकीट मिळवण्याआधी तुम्हाला सापेक्षतेचा कोर्स करून त्यावरील परीक्षेत उत्तीर्ण व्हावे लागेल. पास झाल्याचे सर्टिफिकेट दाखवल्यावरच तुम्हाला तिकिट मिळेल 😄)
या अनुषंगाने जुळ्यांचा विरोधाभास (twins paradox) अशी एक गमतीशीर संकल्पना आहे. समजा पृथ्वीवर जुळे भाऊ जन्माला आले. त्यातील एका भाऊ पृथ्वी वरच राहिला आणि दुसऱ्या भावाला एका अवकाश यानात बसवून प्रकाशाच्या वेगाच्या ८० ते ९० टक्के वेगाने (प्रकाशाचा वेग आपण कधीच गाठू शकणार नाही. ते अशक्य आहे) अंतराळात सोडले. पृथ्वीवर राहिलेला भाऊ ४० वर्षाचा झाला आणि ते अंतराळ यान त्याच्या जुळ्या भावाला घेऊन परत पृथ्वी वर आले. पृथ्वीवरील भावाचे वय ४० वर्षे आहे पण अंतराळात प्रकाशाच्या वेगाच्या जवळपास प्रवास करणाऱ्या भावाचे वय मात्र २० वर्षाचेच असेल. कारण दोघांचे सापेक्ष कालमापन (frame of reference) वेगवेगळे आहे.
थोडक्यात तुम्हाला जर कालप्रवास करायचा असेल तर एक तर प्रकाशाच्या वेगाने प्रवास करा अथवा कृष्णविवरच्या घटना क्षितिजाला न ओलांडता त्याभोवती परिवलन करा. तुमच्या कालप्रवासासाठी शुभेच्छा..
क्रमशः
©जयेश चाचड
#कृष्णविवरनपरतीचा_मार्ग
भाग ४
ताऱ्यातील हायड्रोजनचा साठा संपुष्टात आल्यावर ताऱ्याचे आण्विक बल कमी होऊन गुरुत्वाकर्षण वाढते हे आपण पाहिले. ताऱ्याचा शेवट कशा प्रकारे होईल हे ताऱ्याच्या वस्तुमानवरून ठरते. ताऱ्याच्या वस्तुमानानुसार त्याचा तीन प्रकारांनी अंत होऊ शकतो.
१९१५ साली आईनस्टाइन नी व्यापक सापेक्षतेचा सिद्धांत मांडल्यावर लगेचच कार्ल श्वार्झश्चिल्ड यांनी व्यापक सापेक्षतेतील गुरुत्वाकर्षणाचा ताऱ्यांवर काय परिणाम होतो हे अभ्यासायला सुरवात केली. सामान्यतः तारा परिवलनशील असतो. परिवलनामुळे जे केंद्रोत्सारी बल (centrifugal force) निर्माण होते त्यामुळे तारा विषुववृत्ताच्या दिशेत फुगतो म्हणजेच ताऱ्यांचा विषुववृत्ताचा व्यास हा त्याच्या ध्रुवीय व्यासापेक्षा जास्त होतो. सापेक्षतेतील क्षेत्रीय समीकरणे (field equations) सोडवताना या केंद्रोत्सारी बलामुळे येणारी गणिती क्लिष्टता टाळण्यासाठी श्वार्झश्चिल्ड ह्यांनी दोन गोष्टी गृहीत धरल्या, एक म्हणजे तारा स्थिर आहे आणि दुसरे म्हणजे तारा संपूर्णपणे गोल (spherical symmetric) आहे. या गृहितकांच्या आधारे क्षेत्रीय समीकरणे सोडवून श्वार्झश्चिल्ड ह्यांनी ताऱ्याच्या परिसरात गुरुत्वाकर्षणामुळे निर्माण होणाऱ्या अवकाश काळाच्या वक्रतेचे सुयोग्य उत्तर शोधून काढले. हा शोधनिबंध त्यांनी आईनस्टाइन ह्यांच्याकडे पाठवला. १६ जानेवारी १९१६ साली आइन्स्टाइनने हा शोधनिबंध प्रशियन अकॅडमी ऑफ सायन्सेस ला सादर केला. लगेच श्वार्झश्चिल्ड नी दुसरा शोधनिबंध आईन्स्टाईन कडे सुपूर्त केला आणि २४ फेब्रुवारी १९१६ साली आईन्स्टाईनने हा दुसरा शोधनिबंधही अकॅडमी समोर सादर केला. आईन्स्टाईन ह्या शोधनिबंधाने चांगलेच प्रभावित झाले होते. दुर्देवाने १९ जून १९१६ रोजी श्वार्झश्चिल्ड ह्यांचे आकस्मिक निधन झाले. सापेक्षतेतील क्षेत्रीय समिकरणांचे उत्तर श्वार्झश्चिल्ड ह्यांनी शोधून काढल्याबद्दल आईन्स्टाईन ह्यांना सुरवातीला आनंद झाला पण त्या उत्तरातून व्यक्त होणारा परीणाम त्यांना पटत नव्हता. हा परिणाम म्हणजे तारा स्वतःच्याच गुरुत्वाकर्षणाने कोलमडून त्याला बिंदूवत अवस्था प्राप्त होते आणि त्या बिंदूची घनता अनंत असते. ताऱ्यांची ही बिंदूवत अवस्था त्याला बाहेरच्या विश्वापासून तोडून टाकेल हे आईनस्टाइन ह्यांना मान्य नव्हते.
केंद्रातील इंधन संपल्यावर प्रचंड वस्तुमानाच्या तारा गुरुत्वीय अवपाताने कोसळून परिसरातील अवकाश काळ वक्र करतो. तारा जसजसा आकुंचित होतो तसतसा अवकाश काल अधिक वक्र होत जातो. ताऱ्याच्या एका विशिष्ट त्रिज्येला अवकाश काळाची वक्रता इतकी जास्त होते की त्यामधून प्रकाशकिरणही बाहेर निसटू शकत नाहीत. असा तारा विश्वापासून अलग होतो. ताऱ्याच्या ज्या त्रिज्येला प्रकाशकिरण अडकून पडतात त्या त्रिज्येला श्वार्झश्चिल्ड त्रिज्या असे म्हणतात. यालाच इव्हेंट होरायझन अर्थात घटना क्षितिज असेही नाव आहे.
क्रमशः
©जयेश चाचड
कृष्णविवरनपरतीचा_मार्ग
भाग ५
शेक्सपिअरने म्हटले आहेच नावात काय आहे.. पण काही वैज्ञानिक संकल्पनांची नावे त्या संकल्पनांना चपखल बसतात. ब्लॅक होल ही सुद्धा अशीच एक संकल्पना. ब्लॅक होल च्या नामांतराचा इतिहास ही थोडा गमतीशीर आहे.
१९१६ साली श्वार्झश्चिल्ड ह्यांनी व्यापक सापेक्षता सिद्धांतातील क्षेत्रीय समीकरणे सोडवून कृष्णविवराचे अस्तित्व सूचित केले. पुढे रॉबर्ट ओपनहायमर ने स्वतःच्या गुरुत्वाकर्षणाखाली कोलमडण्यासाठी ताऱ्याचे वस्तुमान सूर्याच्या वस्तुमानाच्या तीन पटीहुन जास्त असले पाहिजे असे सिद्ध केले (रॉबर्ट ओपनहायमर ने दुसऱ्या महायुध्दात अमेरिकेच्या अणूबाँब निर्मितीच्या उपक्रमाचे नेतृत्व केले होते). पण १९३९ साली ताऱ्याच्या केंद्रात आण्विक दाब कसा निर्माण होत असावा याची फारशी माहिती नव्हती. हा प्रश्न सोडवला तो हॅन्स बेथॉ नी. (प्रसिद्ध अल्फा-बीटा-गॅमा थिअरीमधले “बीटा” ते हेच बेथॉ)
१९५८ सालपर्यंत गुरुत्वाकर्षणामुळे कोलमडून बिंदूवत होणाऱ्या ताऱ्यासाठी श्वार्झश्चिल्ड सिंग्युलॅरिटी हाच शब्द वापरला जायचा. सिंग्युलॅरिटी म्हणजे विशेषांवस्था जिथे भौतिकशास्त्राचे सर्व नियम फिके पडतात..ज्या व्यापक सापेक्षता सिद्धांतातून सिंग्युलॅरिटी ची संकल्पना येते तो सिद्धांतही सिंग्युलॅरिटीपाशी निकामी ठरतो. पुढे डेव्हीड फिंकेलस्टाइन ने दाखवून दिले की श्वार्झश्चिल्ड त्रिज्या ही एक मर्यादा आहे. या मर्यादेच्या आत वस्तू जाऊ शकतात पण तेथून बाहेर येऊ शकत नाहीत. वुल्फगॅंग रिंडलर नी श्वार्झश्चिल्ड त्रिज्येला इव्हेंट होरायझन असे नाव दिले. मराठीत यालाच घटना क्षितिज म्हणतात. विश्वातील कोणत्याही घटनेची मर्यादा ही श्वार्झश्चिल्ड त्रिज्या असते, या मर्यादेच्या आत कोणत्या घटना घडतात याचा आपल्याला कधीच पत्ता लागणार नाही.
१९५८ ते १९६७ पर्यंत कृष्णविवरासाठी निरनिराळी नावे वापरण्यात आली. रशियन शास्त्रज्ञ फ्रोझन स्टार असा शब्द वापरायचे, तर युरोप आणि अमेरिकेतील शास्त्रज्ञ कोलॅपस्ड स्टार असा शब्द वापरायचे. ताऱ्यांची अंतिम अवस्था या शब्दातुन प्रभावी पणे व्यक्त होत नव्हती. १९६७ साली जॉन व्हीलर ह्यांनी या अवस्थेला ब्लॅक होल असा शब्द रूढ केला. २९ डिसेंबर १९६७ रोजी अमेरिकन असोसिएशन फॉर ऍडवान्समेन्ट ऑफ सायन्स या संस्थेच्या सभेत व्हीलरनी ब्लॅकहोल हा शब्द अधिकृतपणे वापरण्यात यावा असे जाहीर केले. फ्रोझन स्टार, कोलॅपस्ड स्टार हे शब्द हद्दपार झाले. ब्लॅक होल किंवा कृष्णविवर सर्वमान्य झाला.
क्रमशः
©जयेश चाचड
कृष्णविवरनपरतीचा_मार्ग
भाग ६
कृष्णविवराची निर्मितीची प्रक्रिया जरा चमत्कारिक आहे. आधीच्या भागात सांगितल्या प्रमाणे ताऱ्याच्या केंद्रातील हायड्रोजन चा साठा संपल्यावर तारा स्वतःच्याच गुरुत्वाकर्षणाने कोलमडू लागतो. आणि ताऱ्याचे बाह्य स्तर ताऱ्याच्या केंद्रावर दबाव आणतात. ताऱ्याचे केंद्र आकुंचन पावते आणि त्यामुळे निर्माण झालेल्या अतिरिक्त दाबामुळे केंद्राचे तापमान वाढून १० कोटी अंश केल्व्हीन एवढे झाले की हेलियम च्या ज्वलनाची सुरवात होते. तीन हेलियम अणू एकत्र येऊन एक कार्बन चा अणू बनतो. या प्रक्रियेला ट्रीपल अल्फा प्रोसेस म्हणतात (जॉर्ज गॅमॉव्ह च्या कॉस्मिक न्यूक्लोसिंथेसिस चे खंडन करण्यासाठी फ्रेड हॉयल यांनी ही स्टेलर न्यूक्लोसिंथेसिस ची संकल्पना मांडली). या प्रक्रियेतून हिलीयम जास्तीत जास्त वेगाने जळू लागतो. यालाच हेलियम फ्लॅश असे नाव आहे. हेलियम फ्लॅश मुळे पुन्हा आण्विक दाब निर्माण होतो. बऱ्याचदा ह्या कार्बनला आणखीन एक हेलियम चा अणू येऊन मिळतो आणि कार्बन चे रूपांतर ऑक्सिजन मध्ये होते. त्यामुळे ताऱ्याच्या केंद्रात कार्बन, त्याबाहेरील स्तरात ऑक्सिजन, त्याबाहेर हेलियम आणि त्याबाहेर हायड्रोजन अशी ताऱ्याची स्थिती होते. थोडक्यात असा तारा निरनिराळ्या स्तरांचा बनलेला असतो. अश्या ताऱ्याचा बाह्यभाग अवकाशात उडून जातो . मूळ ताऱ्याचे वस्तुमान किती असते ह्यावर ताऱ्याचा अंत कसा होईल ते ठरते. ताऱ्याचे वस्तुमान जर सूर्याच्या वस्तुमानाच्या दीडपटीत असेल तर बाह्यस्तर उडून गेलेला तारा इलेक्ट्रॉन्स च्या डीजनरसी प्रेशरने स्थिरावतो. (ह्या डीजनरसी प्रेशर चा शोध प्रसिद्ध शास्त्रज्ञ वुल्फगॅंग पाऊली ह्याने शोधलेल्या मनाई तत्वातुन लागला. पाऊलीज एक्स्लुजनरी प्रिंसिपल या नावाने ते क्वांटम मेकॅनिक्स मध्ये प्रसिद्ध आहे) अश्या इलेक्ट्रॉन्स च्या डीजनरसी प्रेशर ने स्थिरावलेल्या ताऱ्याचा व्यास खूपच कमी, फार तर पृथ्वी एवढा असतो. पण त्याची घनता मात्र अतिप्रचंड असते. अश्या ताऱ्याला श्वेतबटु किंवा व्हाईट ड्वार्फ असे म्हणतात. सूर्याच्या वस्तुमानाच्या दिडपट वस्तुमान असलेल्या ताऱ्याचा अंत श्वेतबटुत होतो. ही वस्तुमानाची मर्यादा चंद्रशेखर लिमिट म्हणून ओळखली जाते. भारतीय शास्त्रज्ञ सुब्रह्मण्यम चंद्रशेखर ह्यांनी ही मर्यादा शोधून काढली. या पृथ्वीच्या आकाराच्या श्वेतबटु ताऱ्याचे गुरुत्वाकर्षण मात्र पृथ्वीच्या २ लक्ष पट असते.पृथ्वीवरील एक ग्रॅम वस्तूचे वजन श्वेतबटुवर कित्येक लक्ष टन भरेल. तुम्ही व्याध तारा बघितला असेल कधीतरी…या व्याध ताऱ्याचा एक जोडीदार आहे जो श्वेतबटु तारा आहे जो आपण नुसत्या डोळ्यांनी पाहू नाही शकत. आपल्या सूर्याचा शेवट ही श्वेतबटु ताऱ्यात होणार आहे.
ताऱ्याचे वस्तुमान जर सूर्याच्या वस्तुमानाच्या दीडपटीहुन जास्त असेल तर…डीजनरसी प्रेशर ताऱ्याचे ढासळणे थांबवू शकेल ?
क्रमशः
©जयेश चाचड
#कृष्णविवरनपरतीचा_मार्ग
भाग ७
मागच्या काही भागांपैकी एक भागात ताऱ्याचे इंधन संपुष्टात आल्यावर त्याच्या वस्तुमानानुसार त्या ताऱ्याचा अंत तीन प्रकारे होऊ शकतो असे सांगितले होते. श्वेतबटु तारा हा त्यापैकीच एक प्रकार. ज्या ताऱ्याचे वस्तुमान चंद्रशेखर लिमिट च्या आत आहे म्हणजेच सूर्याच्या दीड पट आहे त्या ताऱ्याचा अंत श्वेतबटुत होतो. ज्या ताऱ्याचे वस्तुमान सूर्याच्या वस्तुमानाच्या दीडपटीहुन जास्त आहे अश्या ताऱ्याचे काय होते…
चंद्रशेखर ह्यांनी जेव्हा चंद्रशेखर लिमिट शोधून काढली तेव्हा १९३० साली इलेक्ट्रॉन आणि प्रोटॉन या दोन कणाचेच अस्तित्व सिद्ध झाले होते. अखेर १९३२ साली जेम्स चॅडविकने न्यूट्रॉन नावाचा कण शोधून काढला. न्यूट्रॉनवर कोणत्याही प्रकारचा विद्युतभार नसतो. अणूकेंद्रकात प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन कण एकमेकांशी तीव्र बलाने (strong force) बांधलेले असतात. स्वतंत्र अवस्थेत मात्र न्यूट्रॉन कण आपले अस्तित्व फार काळ टिकवू शकत नाही. काही वेळातच त्याचा ऱ्हास होऊन इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन आणि न्यूट्रिनो हे कण निर्माण होतात. न्यूट्रॉनच्या ह्या ऱ्हासाला बीटा डिके असे नाव आहे. न्यूट्रॉन कण हे पाऊली चे मनाई तत्व पाळतात.
फ्रित्झ झ्विस्की आणि वॉल्टर बाड यांनी असे मांडले की श्वेतबटु ही ताऱ्यांची अंतिम अवस्था नसून त्यापुढेही ताऱ्याचे आकुंचन होते. सूर्याच्या वस्तुमानाच्या दीडपटीने वस्तुमान असलेल्या ताऱ्याच्या केंद्रात अणूसाखळी प्रक्रियेने नवीन मूलद्रव्याची निर्मिती सुरू असते. हायड्रोजन, हेलियम, कार्बन, ऑक्सिजन, लोखंड अशी ही साखळी आहे. एकदा का ताऱ्याच्या केंद्रात लोखंड तयार व्हायला लागले की त्यापुढील मूलद्रव्य तयार करण्याऐवढे तापमान केंद्राचे नसते, त्यामुळे गुरुत्वीय अवपात टाळण्यासाठी ताऱ्याचा गाभ्याचा अंत:स्फोट म्हणजेच इम्प्लॉजन होते आणि अंतर्भागातील अतिप्रचंड ऊर्जा ताऱ्याच्या बाह्यस्तरात मुक्त होते, परिणामी एक प्रचंड स्फोट होऊन ताऱ्याचा बाह्यस्तर अवकाशात भिरकावला जातो. ह्यालाच अतिनवं तारा किंवा सुपर नोव्हा असे म्हणतात. सुपर नोव्हा हा दिवसा निव्वळ डोळ्यांनी दिसू शकतो. तसेच या स्फोटाची तीव्रता एवढी जबरदस्त असते की सम्पूर्ण आकाशगंगेच्या प्रकाशापेक्षा या सुपर नोव्हा चा प्रकाश प्रखर असतो. या स्फोटात गॅमा किरणे आणि विश्वकिरणे मुक्त होतात. आपल्या पृथ्वीच्या शंभर प्रकाशवर्ष अंतरात जर एखाद्या सुपर नोव्हा चा स्फोट झाला तर पृथ्वीवरील जीवन नष्ट होईल कारण गॅमा किरणे आणि विश्वकिरणे पृथ्वीचे वातावरण नष्ट करतील.
अश्या सुपर नोव्हाचा स्फोट होऊन मागे उरतो तो अतिवेगाने स्वतःभोवती भ्रमण करणारा फक्त न्यूट्रॉन कणांपासून बनलेला न्यूट्रॉन तारा. सूर्याच्या वस्तुमानाच्या १.५ पट ते ३ पट वस्तुमान असणाऱ्या ताऱ्याचा अंत न्यूट्रॉन ताऱ्यात होतो. या मर्यादेला ओपनहायमर-व्होल्कोफ लिमिट असे म्हणतात. हा न्यूट्रॉन तारा श्वेतबटुपेक्षा घन असून त्याहून लहान असतो. हा स्पंदन पावणारा तारा आहे म्हणून यास पल्सार असेही म्हणतात. १९६७ साली जोसेलिन बेल हिने असा न्यूट्रॉन तारा सर्वप्रथम शोधून काढला.
न्यूट्रॉन तारा अतिघन असतो आणि त्याचे चुंबकीय क्षेत्र जबरदस्त असते. काही न्यूट्रॉन ताऱ्यांचे चुंबकीय क्षेत्र खूपच जास्त असते, अश्या ताऱ्याना मॅग्नेटार असे म्हणतात. मॅग्नेटार चे चुंबकीय क्षेत्र इतके प्रखर असते की समजा जर सूर्याच्या जागी एखादा मॅग्नेटार असता तर आपल्या रक्तातील लोह त्याने खेचून घेतले असते.
ताऱ्याचे वस्तुमान सूर्याच्या ३ पटीहून अधिक असेल तर…? तर जगातील कोणतीही शक्ती ताऱ्याला गुरुत्वीय अवपातापासून थांबवू शकत नाही. तारा स्वतःचाच गुरुत्वाकर्षणाने बिंदूवत होतो आणि निर्माण होते ते वस्तुमानचा ग्रास घेणारे कृष्णविवर.
क्रमशः
©जयेश चाचड
#कृष्णविवरनपरतीचा_मार्ग
भाग ८
सुपरनोव्हा आणि ब्लॅक होल म्हटले की आपल्याला विनाशच आठवतो. सुपरनोव्हा म्हणजे अतिप्रचंड स्फोट आणि ब्लॅक होल म्हणजे वस्तुमान गिळणारे अवकाशातील विशालकाय व्हॅक्यूम क्लिनर. पण या दोन्ही गोष्टी नवनिर्माण करत असतील असे आपल्या ध्यानातही येत नाही. पण हे खरे आहे की सुपरनोव्हा आणि कृष्णविवर यामुळेच आपले अस्तित्व आहे.
एक साधे उदाहरण आहे, आपणास जीवनास आवश्यक असणारा ऑक्सिजन कुठून आला ? तो निर्माण झालाय तो निर्माण झालाय एखाद्या न्यूट्रॉन ताऱ्याच्या केंद्रात आणि सुपरनोव्हा द्वारे अवकाशात विखुरला गेला. आपल्याला आवश्यक असणारी मूलद्रव्य ऑक्सिजन, नायट्रोजन, सोडियम, मॅग्नेशियम, कॅल्शियम ही अशीच सुपरनोव्हा एक्सप्लोजन द्वारे आपणापर्यंत पोहचली आहेत. या सर्वांची निर्मिती ताऱ्यांच्या केंद्रात आणि सुपरनोव्हा मुळे निर्माण झालेल्या अफाट ऊर्जेतून झाली आहे. एका अर्थाने आपण ताऱ्यांचे वंशज आहोत. एक फ्लॅशबॅक ची कल्पना करा. तुमच्या रोजच्या वापरातील स्टीलचे ताट, चमचा कुठून आले, तर स्टीलच्या दुकानातून. त्या दुकानात ते कुठून आले, तर ताट, चमचे बनवणाऱ्या कंपनी कडून. कंपनीत ते कुठून आले तर स्टीलच्या उत्पादकांकडून. स्टीलच्या उत्पादकाकडे ते कुठून आले तर लोखंडच्या खाणीतील अशुद्ध स्वरूपाच्या लोखंडातून. त्या खाणीत ते लोखंड कुठून आले, तर पृथ्वी निर्माण होताना अतितप्त द्रवस्वरूपातील लोखंड थंड होऊन त्याचे घनीकरण होऊन निर्माण झालेल्या खडकातून. त्या खडकात ते कुठून आले तर एखाद्या मृत्यूमुखी पडणाऱ्या ताऱ्याच्या अंतर्भागात स्टेलर न्यूक्लोसिंथेसिस द्वारे ते निर्माण झाले आणि सुपरनोव्हा च्या स्फोटात आपल्या सूर्यमालेपर्यंत आले. असा हा फ्लॅशबॅक आपल्याला पार ताऱ्याच्या मृत्यू पर्यंत घेऊन जातो. जर सुपरनोव्हा नसते तर आज आपणही नसतो.
आता तुम्ही म्हणाल कृष्णविवरात कसली आलीये नवनिर्मिती...तावडीत सापडलेल्या वस्तूचा स्वाहाकार करणे हाच कृष्णविवराचा मुख्य गुणधर्म. पण याच कृष्णविवरामुळे दीर्घिकेंची निर्मिती होते. प्रत्येक दीर्घिकांच्या केंद्रस्थानी महाकाय कृष्णविवर (super massive black hole) असते. ते दीर्घिकेतील सर्व ताऱ्याना आपल्या गुरुत्वाकर्षणाने बद्ध करून आपल्याभोवती फिरायला लावते. दीर्घिकांच्या केंद्रस्थानी कृष्णविवर नसते तर दीर्घिका स्थिर न होताच त्यातील तारे विखरून गेले असते आणि निश्चित गती नसल्याने एकमेकांवर आदळले असते. एखाद्या वहातुक नियंत्रकासारखे कृष्णविवर दीर्घिकेतील ताऱ्यांची दिशा नियंत्रित करते. आपल्या आकाशगंगेच्या केंद्रस्थानी ही असेच एक महाकाय कृष्णविवर आहे. सॅजीटॉरियस ए असे त्याचे नामकरण केले आहे. धनु (Sagittarius) राशीत त्याचे स्थान आहे म्हणून सॅजीटॉरियस ए असे नाव ठेवण्यात आले आहे. या महाकाय कृष्णविवराचे वस्तुमान सुमारे वीस लाख सूर्याच्या वस्तुमानाएवढे प्रचंड आहे. आपली सूर्यमाला आकाशगंगेच्या केंद्रापासून म्हणजेच Sagittarius A पासून सुमारे २६ हजार प्रकाशवर्षे दूर आहे. या Sagittarius A मुळेच आज आपली आकाशगंगा आहे आणि पर्यायाने आपण आहोत.
क्रमशः
©जयेश चाचड
कृष्णविवरनपरतीचा_मार्ग
भाग ९
स्वतःच्या गुरुत्वाकर्षणाखाली ढासळणाऱ्या सूर्याच्या तीन पटीहून अधिक वस्तुमान असणाऱ्या ताऱ्याच्या भोवती एक सीमा तयार होते. या सीमेपासून प्रकाशकिरण बाहेर पडू शकत नाहीत आणि तो तारा या सीमेच्या आत अदृश्य होऊन कृष्णविवराची निर्मिती होते. या सीमेला घटना क्षितिज किंवा इव्हेंट होरायझन असे समर्पक नाव आहे. या सीमेच्या आत काय घडते ते आपल्याला कधीच कळू शकणार नाही. एक प्रकारे आपणास कळू शकणाऱ्या घटनांची घटनाक्षितिज ही मर्यादा आहे. या घटना क्षितिजाचा व्यास त्या ताऱ्याच्या वस्तुमानावर अवलंबून असतो. साधारणपणे सूर्याच्या दहापट वस्तुमानाच्या ताऱ्यापासून बनलेल्या कृष्णविवराच्या घटना क्षितिजाचा व्यास सुमारे ६० किलोमीटर असतो. घटना क्षितिजापलीकडे गुरुत्वाकर्षण एवढे प्रभावी असते की तारा चिरडला जाऊन त्याचा आकार एका बिंदूएवढा होतो. या बिंदूलाच विशेषवस्था किंवा सिंग्युलॅरिटी असे नाव आहे. येथे अवकाश काळाची वक्रता अनंत होते.
कृष्णविवराच्या सीमेवर वेळेला अस्तित्वच उरत नाही. कृष्णविवराच्या घटना क्षितीजाच्या आत स्थळ आणि काळ यांची अदलाबदल झालेली असते. अवकाश काळाची वक्रता कमी असलेल्या प्रदेशात स्थळाच्या तीन मित्या आणि काळाची एक मिती अशा एकूण चार मित्या असतात. स्थळात आपण पुढे मागे, वर खाली जाऊ शकतो. काळात मात्र आपण नेहमी एकाच दिशेने म्हणजे पुढे जातो. काळात मागे जात येत नाही. पण अनंत वक्रता असलेल्या कृष्णविवराच्या घटना क्षितीजाच्या आत मात्र या संकल्पनेची पूर्ण अदलाबदल होते. कृष्णविवरात आपण काळाच्या तिन्ही रुपात म्हणजे भूत, वर्तमान आणि भविष्य यात संचार करू शकतो. पण काळाच्या बाबतीत मिळालेले स्वातंत्र्य स्थळाच्या बाबतीत रहात नाही. स्थळात आपण पुढे मागे, वर खाली जाऊ शकत नाही. आपले स्पॅगेटीफीकेशन होऊन अतिशय भयानक पद्धतीने सिंग्युलॅरिटीत आपला अंत होतो.
क्रमशः
©जयेश चाचड
#कृष्णविवरनपरतीचा_मार्ग
भाग १०
आइनस्टाइन ह्यांनी काळ हा स्वयंसिद्ध नसून सापेक्ष आहे हे त्याच्या सुप्रसिद्ध विवक्षित सापेक्षतेच्या सिद्धांतात सिद्ध केले. कृष्णविवर हे त्याचे उत्तम उदाहरण आहे. जसजसे आपण एखाद्या कृष्णविवराच्या समीप जाऊ तसतशी काळाची गती मंदावेल. कल्पना करा एक व्यक्ती A पृथ्वी वर आहे आणि दुसरी व्यक्ती B सूर्याच्या दहापट वस्तुमान असणाऱ्या एका कृष्णविवराभोवती फिरणाऱ्या एका अवकाशयानात आहे. आणि त्या दोघांचा एकमेकांशी रेडिओ संदेशद्वारे संपर्क होतो आहे. जसजसा B कृष्णविवराच्या दिशेत सरकू लागेल तसतसे A ला B कडून येणारे संदेश मंद गतीने येत आहेत असे वाटेल. A च्या तुलनेत B च्या काळाची गती धीमी होत जाईल. पण B ला हा काळाचा मंदपणा जाणवणार नाही कारण फ्रेम ऑफ रेफरन्स ने त्याचे घड्याळ यथायोग्य चालू असेल. B च्या सर्व शारीरिक क्रिया, हृदयाचे ठोके, चयापचय, मेंदूतील क्रिया या सर्व त्याच्या घड्याळानुसार घडतील. इथे पृथ्वी वर A ला मात्र वेगळाच अनुभव येईल. B जसजसा कृष्णविवराच्या घटना क्षितिजाकडे जाईल तसतसे A ला असे वाटेल की B ची गती कमी होतेय. प्रत्यक्षात B घटना क्षितिज ओलांडताना A ला कधीच दिसणार नाही. घटना क्षितिजावर B हा काळाच्या प्रवाहात गोठून गेलाय म्हणजेच फ्रीज झालाय असेच A ला वाटेल. A ने अनंत काळ वाट पाहिली तरी त्याला B ची काहीच हालचाल दिसणार नाही आणि B ने घटना क्षितिज ओलांडताना पाठवलेला संदेश A ला कधीच मिळणार नाही. इथे B जेव्हा कृष्णविवराची मर्यादा म्हणजेच घटना क्षितिज ओलांडेल तेव्हा त्याचे घड्याळ पूर्णपणे बंद पडेल. कृष्णविवरच्या टायडल फोर्स चा मात्र B च्या शरीरावर भयानक परिणाम होईल. B च्या शरीराचा जो भाग कृष्णविवराच्या दिशेत आहे तो कृष्णविवराच्या जबरदस्त गुरुत्वाकर्षणाने ताणला जाईल. एखाद्या न्यूडल्स प्रमाणे त्याच्या शरीराची अवस्था होईल. यालाच स्पॅगीटीफिकेशन म्हणतात.
घटना क्षितिजावर B ला दोन विचित्र दृश्ये बघायला मिळतील. बाह्य वस्तूंकडून येणार प्रकाश अतिवक्र झाल्यामुळे बाहीरील वस्तूंच्या विकृत प्रतिमा त्याला दिसू लागतील. बाह्य प्रकाश तीव्र गुरुत्वकर्षणाच्या क्षेत्रात आला की त्यातुन गुरुत्वीय नीलस्मृती (gravitational blue shift) निर्माण होते. ही नीलस्मृती इतक्या वेगात घडून येईल की प्रकाशकिरण दृश्य मर्यादा ओलांडून अदृश्य कक्षेत म्हणजेच अल्ट्रा व्हायलेट, एक्स रे आणि गॅमा रे यांच्या मर्यादेत शिरतील. क्षणार्धात बाह्य विश्वाचा भविष्यकाळ B च्या नजरे समोरून सरकेल आणि लुप्त होईल. यास होलोग्रॅफिक इमेज म्हणतात. सुप्रसिद्ध शास्त्रज्ञ लिओनार्ड सस्किन्ड यांचे या विषयावरील संशोधन आणि स्टीफन हाँकिंग यांच्या बरोबरचा त्यांचा इन्फॉर्मेशन पॅराडॉक्स यावरील वाद, हे सर्वच खूप रंजक आहे.
एकदा घटना क्षितिज पार केल्यावर B च्या शरीरातील सर्व अणू रेणू चिरडून कृष्णविवराच्या सिंग्युलॅरिटीत विलीन होतील.
क्रमशः
©जयेश चाचड
कृष्णविवरनपरतीचा_मार्ग
भाग ११
श्वार्झश्चिल्ड यांनी आईन्स्टाईन च्या सापेक्षतावादातील क्षेत्रीय समीकरणे सोडवताना गणिती क्लिष्टता टाळण्यासाठी तारा स्थिर आहे असे गृहीत धरले होते. त्यामुळे श्वार्झश्चिल्ड यांच्या गणितातून व्यक्त होणारे कृष्णविवर हे स्थिर होते. पण विश्वातील तारे हे स्थिर नसून परीवलनशील आहेत. आपला सूर्य ही सुमारे २८ दिवसात स्वतःभोवती एक परीवलन पूर्ण करतो. त्यामुळे कोणत्याही ताऱ्याचे कृष्णविवर झाले तर ते स्थिर असणार नाही, उलट लॉ ऑफ कंन्झर्वेशन ऑफ अँग्युलर मोमेंटम अर्थात कोनीय संवेगाच्या अक्षय्यतेच्या नियमानुसार ताऱ्याचा आकार लहान झाला की त्याचा परिवलन वेग वाढायला हवा. स्वतःभोवती फिरणारा स्केटर वेग वाढवण्यासाठी आपले हात आखडून घेतो तो याच नियमाने. अर्थात, कृष्णविवर देखील प्रचंड वेगाने स्वतःभोवती परिवलन करता असणार हे उघड आहे.
आईन्स्टाईन ह्यांची क्षेत्रीय समीकरणे सोडवताना ताऱ्यांचे परीवलन लक्ष्यात घेऊन ती सोडवायला हवी होती. ही किमया साधली ती १९६३ साली रॉय केर ह्यांनी. कृष्णविवराच्या सिंग्युलॅरिटी पासून एका विशिष्ट अंतरावर मुक्ती वेग (escape velocity) प्रकाशाच्या वेगाएवढाच असतो. या अंतरावर वस्तू स्थिर राहू शकेल. यालाच स्टॅटिक लिमिट म्हणतात. या स्टॅटिक लिमिट ने सिंग्युलॅरिटी सभोवताली प्रतल रेखाटले तर त्याला स्टॅटिक सर्फेस असे म्हणतात. परीवलनशील कृष्णविवराच्या इव्हेंट होरायझन आणि या स्टॅटिक सर्फेस चा संबंध असतो.
परिवलनशील कृष्णविवराचे इव्हेंट होरायझन गोलाकृती तर स्टॅटिक सर्फेस दीर्घवर्तुळाकार असते. त्यामुळे इव्हेंट होरायझन लहान झाले की स्टॅटिक सर्फेस अधिक दीर्घवर्तुळाकार होतो. जर त्या कृष्णविवराचा स्टॅटिक सर्फेस इव्हेंट होरायझन च्या बाहेर असेल तर तेथून बाहय विश्वात निसटणे शक्य आहे. परीवलनशील कृष्णविवराचे इव्हेंट होरायझन आणि स्टॅटिक सर्फेस यामधील भागाला एर्गोस्फिअर असे नाव आहे.
रॉजर पेनरोझ ह्यांनी १९६९ साली असे प्रतिपादन केले की या एर्गोस्फिअर मध्ये एखादी वस्तू फेकली आणि तिचे दोन तुकडे केले एक तुकडा सरळ इव्हेंट होरायझन च्या दिशेत जाईल पण दुसरा तुकडा मात्र एर्गोस्फिअर मधून बाहेर पडून आपल्याबरोबर कृष्णविवराची ऊर्जा घेऊन येईल. जयंत नारळीकरांनी आपल्या एका विज्ञानकथेत हेच पेनरोझ ह्यांचे तत्व वापरले आहे. अश्या प्रकारे कृष्णविवरापासून ऊर्जा निर्मिती करता येऊ शकेल पण सध्याच्या तंत्रज्ञानाला तरी ते शक्य नाही. भविष्यात असा अमर्याद ऊर्जेचा स्रोत आपल्याला हस्तगत करता येईल का ? आताच निश्चित काही सांगता येत नाही
क्रमशः
©जयेश चाचड
#कृष्णविवरनपरतीचा_मार्ग
भाग १२
स्थिर कृष्णविवर हे स्फेरिकल सिमेट्री अर्थात गोलीय समानतेचे उत्तम उदाहरण आहे. अशा स्थिर कृष्णविवराची सिंग्युलॅरिटी बिंदूवत असून ती घटना क्षितीजाच्या केंद्रस्थानी असते. पण परिवलनशील कृष्णविवर अर्थात रॉय केर प्रणित कृष्णविवर हे जरा अनोखे असते. अशा कृष्णविवरात सिंग्युलॅरिटी बिंदूवत नसून चक्राकार असते. यालाच रिंग सिंग्युलॅरिटी म्हणतात. ही रिंग सिंग्युलॅरिटी कृष्णविवराच्या परिवलन अक्षाशी ९०° चा कोन करते म्हणजेच ती कृष्णविवराच्या विषुववृत्ताच्या प्रतलात असते. परिवलनशील कृष्णविवराच्या या गुणधर्मामुळे एक विलक्षण संकल्पना सध्या आकार घेतेय.
जसजसे कृष्णविवरात पदार्थ जातो तसतसा कृष्णविवराच्या परीवलनाचा वेग वाढतो. अशा कृष्णविवरात विद्युतभारीत कण गेल्यामुळे रिंग सिंग्युलॅरिटी भोवती अजून एक सीमा तयार होते. ही आतली एक सीमा आणि बाहेरची घटना क्षितीजाची दुसरी सीमा अश्या दोन सीमा परीवलनशील कृष्णविवराला असू शकतात. कृष्णविवराच्या परिवलनाची मर्यादा एका विशिष्ट मर्यादेबाहेत गेली की त्याची आतील सीमा आणि बाहेरची सीमा एक होतात, अर्थात कृष्णविवराचे घटनाक्षितिज नाहीसे होते आणि उरतो तो फक्त एक बिंदू. कृष्णविवराची मूळ सिंग्युलॅरिटी उघडी पडते. यालाच नेकेड सिंग्युलॅरिटी असे म्हणतात. कृष्णविवराची सिंग्युलॅरिटी नेहमीच घटना क्षितीजात बंदिस्त असते असा रॉजर पेनरोझ यांचा एक सिद्धांत आहे. या सिद्धांताचे नाव मोठे गमतीशीर आहे. कॉस्मिक सेन्सोरशिप हायपोथिसिस असे या सिद्धांताचे नाव आहे. (अर्थात ह्याचा आपल्या सेन्सॉरबोर्ड शी काहीच संबंध नाहीये 😉).
या रिंग सिंग्युलॅरिटीच्या विषुववृत्ताच्या प्रतलातून घटना क्षितीजाच्या आत विशिष्ट कोन करून शिरणारी वस्तू अवकाश काळाच्या अनंत वक्रतेला सामोरी न जाता थेट रिंग सिंग्युलॅरिटी मधून आरपार निघून जाते. या रिंग सिंग्युलॅरिटीच्या पलीकडे मात्र कदाचित निगेटिव्ह विश्व असू शकेल कारण कृष्णविवराच्या केंद्रापासूनचे या क्षेत्राचे अंतर ऋण असेल. त्या निगेटिव्ह विश्वात वस्तू एकमेकांना दूर लोटतील. आपल्या विश्वात नेकेड सिंग्युलॅरिटी आढळत नाही (ह्यावर संशोधन सुरू आहे). पण अशी काही विश्वे असतील जिथे इव्हेंट होरायझन मुक्त अश्या नेकेड सिंग्युलॅरिटी ची रेलचेल असेल. अशा विश्वात सातत्याने ऊर्जा उत्सर्जित होत राहील आणि अशा प्रमाणाबाहेर ऊर्जा असणाऱ्या विश्वात जीवसृष्टीचा विकास शक्य होणार नाही.
भविष्यात कधीकाळी आपणास या रिंग सिंग्युलॅरितीला ओलांडून दुसऱ्या विश्वात प्रवेश करणे जमेल का? की आपल्या पूर्वजांचे आगमन अश्याच एखाद्या अज्ञात विश्वातून (कदाचित ते विश्व राहण्यालायक न उरल्याने) झाले असेल...काहीच सांगता येत नाही.
क्रमशः
©जयेश चाचड
#कृष्णविवरनपरतीचा_मार्ग#
भाग १३
कृष्णविवराला चुंबकीय क्षेत्र (magnatic field) असते का ? हा थोडा सोपा भासणारा अवघड प्रश्न शास्त्रज्ञांना पडला होता. आपल्या पृथ्वीला चुंबकीय क्षेत्र आहे. त्यामुळेच सूर्यापासून येणाऱ्या विद्युतभारयुक्त कणांपासून आपले रक्षण होते. सुर्यालाही चुंबकीय क्षेत्र आहे आणि ते पृथ्वी च्या चुंबकीय क्षेत्राच्या तुलनेत कितीतरी अधिक आहे. सूर्याच्या चुंबकीय क्षेत्राच्या बलरेषा (line of force) पार पृथ्वी पलीकडे गेल्या आहेत. या बलरेषा ग्रह किंवा ताऱ्याच्या एका चुंबकीय ध्रुवातून सुरू होऊन दुसऱ्या चुंबकीय ध्रुवात संपतात. त्यावरून प्रश्न असा होता की ज्या ताऱ्याचे कृष्णविवरात रूपांतर होते त्या ताऱ्याच्या चुंबकीय क्षेत्राचे काय होते ? चुंबकीय बलरेषा तश्याच राहतात की नष्ट होतात...
बरीच वर्षे हा प्रश्न अनुत्तरित होता. शेवटी ही कोंडी फोडली ती व्हीटली गिन्झबर्ग या शास्त्रज्ञाने. गिन्झबर्ग ने मांडले की कृष्णविवर फक्त वस्तूंचाच स्वाहाकार करते असे नाही तर ज्या ताऱ्यापासून ते तयार होते त्या ताऱ्याचे चुंबकीय क्षेत्रही गिळकृत करते. म्हणजेच त्या ताऱ्याचे कृष्णविवर होताना चुंबकीय क्षेत्राच्या बलरेषा नष्ट होतात. अर्थात कृष्णविवराचे चुंबकीय क्षेत्र शून्य असते.
पुढे जॉन व्हीलर यांनी यावर आणखीन संशोधन करून एक मजेशीर सिद्धांत मांडला. कोणताही ग्रह अथवा तारा हा त्याच्या केंद्रोत्सारी बलामुळे (centrifugal force) विषुववृत्ताच्या ठिकाणी फुगीर होतो. पण व्हीलर यांनी दाखवून दिले की कृष्णविवरात असे काही नसते. कृष्णविवर हे संपूर्ण गोलाकृती असते. मूळ ताऱ्याची फुगीरता त्यात नसते. अर्थात कृष्णविवराच्या बाहेर काहीच डोकावू शकत नाही. या सिद्धांताला एक गंमतीशीर नाव आहे, - "Black hole has no hair" अर्थात "कृष्णविवर केशविहित असते" किंवा "कृष्णविवराला केस नसतात". आपल्या शरीराच्या बाहेर आपले केस डोकावत असतात, कृष्णविवराच्या बाहेर काहीच डोकावू शकत नाही, ते संपूर्ण गोलाकृती असते ह्या अर्थाने कदाचित असे गमतीशीर नाव रूढ झाले असावे, आणि सध्या तेच प्रचलित आहे.
आता प्रश्न येतो तो कृष्णविवर बनताना या केसांचे(म्हणजेच चुंबकीय बलरेषांचे) काय होते? तर कृष्णविवर निर्माण होताना कृष्णविवराबाहेर डोकावणाऱ्या सर्व वस्तूंचे गुरुत्वीय लहरीत (gravitational waves) मध्ये रूपांतर होते. त्यापैकी काही कृष्णविवरातच विलीन होतात तर काही बाह्य अवकाशात मुक्त होतात. ग्रॅव्हीटॉन हे मूलकण या लहरीचे वाहक आहेत. विद्युतप्रवाह आणि चुंबकीय क्षेत्र यांचा परस्पर संबंध असतो. कृष्णविवरात हा संबंध तुटून चुंबकीयक्षेत्र वेगळे होते (electomagnetic radiation द्वारे) आणि कृष्णविवराचे चुंबकीय केस नामशेष होतात.
ज्यांचे प्रारणात रूपांतर होऊ शकत नाही अशी भौतिक तत्वे म्हणजे वस्तुमान (Mass), परीवलन (spin) आणि विद्युतभार (electric charge). कृष्णविवर निर्माण होतांना या तीनच गोष्टी शिल्लक राहतात बाकी सर्व गोष्टींचे विविध प्रारणात रूपांतर होऊन त्या बाह्य विश्वात मुक्त होतात.
कृष्णविवर तयार होताना फार मोठ्या माहितीचा नाश होतो असा सरळ सोपा अर्थ कृष्णविवराला केस नसतात ह्या सिद्धांताचा आहे. कृष्णविवर हे माहिती गिळकृत करणारे विवर आहे ह्या अर्थी या संकल्पने ला इन्फॉर्मेशन सिंक असाही एक यथार्थ शब्द वापरला जातो. एकदा कृष्णविवर निर्माण झाल्यावर ते मूळ कोणत्या पदार्थापासून बनलेले असते, ते पदार्थापासून की प्रतिपदार्थापासून (anit matter) बनलेले असते या प्रश्नांना काहीच अर्थ रहात नाही. सर्व समान असणारी कृष्णविवरे एकसारखीच असतात असेच कृष्णविवराला केस नसतात या सिद्धांताचे तात्पर्य आहे.
क्रमशः
©जयेश चाचड
#कृष्णविवरनपरतीचा_मार्ग
भाग १४
कृष्णविवरातून कोणत्या गोष्टीचे उत्सर्जन होत असेल का ? तसेही प्रकाशालाही न सोडणाऱ्या कृष्णविवरातून कोणतीही गोष्ट निसटणे अशक्य असते. १९७४ साली प्रसिद्ध शास्त्रज्ञ स्टीफन हाँकिंग यांनी असे दाखवून दिले की कृष्णविवरातून पण प्रारणाचे उत्सर्जन होत असते त्यामुळे कृष्णविवर तितकेसे कृष्ण नसते.
विश्वातील कोणत्याही निर्वात प्रदेशात भासमान किंवा आभासी कणांची (virtual particles) रेलचेल असते. हे आभासी कण जोडयांनी निर्माण होतात आणि त्यांचे भौतिक गुणधर्म परस्परांच्या विरुद्ध असतात. ह्या आभासी कणांच्या जोड्या क्षणार्धात निर्माण होऊन नष्ट होतात. हायझेनबर्ग च्या अनिश्चितता तत्वनुसार निर्वात प्रदेशातून ऊर्जेची निर्यात करून मूलकणांची निर्मिती शक्य आहे. ही निर्यात केलेली ऊर्जा अक्षयतेच्या नियमानुसार कालांतराने परत करावी लागते. त्यामुळे या आभासी कणांच्या जोड्या क्षणार्धात निर्माण होऊन नष्ट होतात. हे कॅसिमिर इफेक्ट ने सिद्ध झालेले आहे. काही कारणांमुळे हे प्रतिकण नष्ट न होता मुक्त झाले तर त्यांचे खऱ्या कणात रूपांतर होऊ शकते.
कृष्णविवराच्या सीमेवर अर्थात घटना क्षितिजावरसुद्धा ह्या आभासी कणांची निर्मिती होऊन ते नष्ट होत असतात. या आभासी कणांच्या जोडी पैकी एक कण कृष्णविवरात आकर्षित झाला तर दुसरा कण विलग होऊन कृष्णविवरच्या पकडीतून निसटून त्याचे वास्तव कणात रूपांतर होईल. त्यामुळे कृष्णविवर फोटॉन कणांचे उत्सर्जन करते आहे असे आपल्याला वाटेल. यात कृष्णविवराची ऊर्जा सातत्याने कमी होईल. कारण कृष्णविवराकडून आभासी कणांनी निर्यात केलेली ऊर्जा बाह्य विश्वाला परत करावी लागेल आणि ती प्रारणाच्या स्वरूपात मुक्त होईल. या प्रारणालाच हाँकिंग रेडिएशन असे म्हणतात. हाँकिंग ह्यांनी दाखवून दिले की हाँकिंग रेडिएशन मुळे हळूहळू कृष्णविवर स्वतःचे वस्तुमान प्रारणाच्या स्वरूपात उत्सर्जित करून शेवटी नष्ट होईल. अर्थात ही खूपच धीमी प्रक्रिया आहे. या साठी अब्जावधी वर्षांचा कालावधी लागेल.
क्रमशः
©जयेश चाचड
#कृष्णविवरनपरतीचा_मार्ग
भाग १५
प्रचंड वस्तुमानाच्या ताऱ्याचा गुरुत्वीय अवपात होऊन त्याचे कृष्णविवरात रूपांतर होते हे आपल्याला माहीत आहेच. अर्थात असे कृष्णविवर सुद्धा प्रचंड वस्तुमानाचे असणार हे उघड आहे. पण एखाद्या कमी वस्तुमानाच्या वस्तूचे पण कृष्णविवरात रूपांतर करता येऊ शकेल. त्यासाठी त्या वस्तूवर प्रचंड दाब देऊन तिचा आकार तिचे वस्तुमान कमी न करता लहान करावा लागेल. उदाहरणार्थ एक अब्ज टन वस्तुमान असलेला एखादा पर्वत चेपून, दाब देऊन एखाद्या न्यूट्रॉच्या आकाराचा केला (पर्वताचे एक अब्ज टन हे वस्तुमान कायम ठेवून) तर त्याचे कृष्णविवरात रूपांतर होईल.
आपल्या सूर्याचे कृष्णविवरात रूपांतर होण्यासाठी सूर्याची त्रिज्या ३ किलोमीटर करावी लागेल. आणि पृथ्वी साठी ही मर्यादा असेल सुमारे ०.८७ सेंटीमीटर. काही कारणामुळे अफाट बाह्य दाब उत्पन्न झाला तर अशी परिस्थिती निर्माण होऊ शकते. यातूनच प्रसिद्ध शास्त्रज्ञ स्टीफन हाँकिंग यांनी असे मांडले की महास्फोटाच्या वेळी (बिग बँग च्या वेळी) असा अफाट बाह्य दाब असणे शक्य आहे. बिग बँग च्या अत्यल्प काळात उत्पन्न झालेल्या सर्व वस्तू प्रचंड बलाने एकमेकांवर आघात करून अतिप्रचंड बाह्य दाब निर्माण करत होत्या. त्यामुळे या काळात अतिसूक्ष्म अशी कृष्णविवरे निर्माण झाली असावीत जी ताऱ्यांपासून नाही तर बिग बँग च्या वेळी असणाऱ्या भौतिक परिस्थितीमुळे निर्माण झाली असावीत. यानांच मिनी ब्लॅक होल म्हणतात. किंबहुना बिग बँग च्या नंतरच्या काही कालावधीत अस्तित्वात आलेल्या आपल्या विश्वात ह्या सूक्ष्म कृष्णविवरांची रेलचेल असावी. सूक्ष्म कृष्णविवरांचे घटना क्षितिज अत्यल्प अंतराचे म्हणजेच काही मीटर च्या अंतराचे असावे. अर्थात काही मीटर अंतरावरूनच ह्या सूक्ष्म कृष्णविवरांच्या गुरुत्वकर्षणाचा प्रभाव शून्य होतो. अर्थात सूक्ष्म कृष्णविवरापासून फार थोड्या अंतरावरचाच अवकाश काळ अतिवक्र असेल. अशा सूक्ष्म कृष्णविवरांचे घटना क्षितिजसुद्धा खूपच विरळ असेल. यातील काही सूक्ष्म कृष्णविवरे आजही अस्तित्वात असतील. किंबहुना आपल्या सुर्यमालेतही अशा सूक्ष्म कृष्णविवराचे अस्तित्व नाकारता येत नाही. शास्त्रज्ञाच्या अंदाजानुसार एक घन प्रकाशवर्ष अंतरात सुमारे ३०० सूक्ष्म कृष्णविवरे असावीत. हे जर खरे असेल तर विश्वाच्या हरवलेल्या वस्तुमानांपैकी एक दशलक्षांश वस्तुमानाचा पत्ता लागेल.
बिग बँग च्या वेळी अस्तित्वात असणाऱ्या भौतिक परिस्थितीमुळे सूक्ष्म कृष्णविवरे अस्तित्वात आली असावीत. सध्या अशाच एका भौतिक परिस्थितेचे अल्प प्रमाणात प्रायोगिक प्रतिरूप करण्यात शास्त्रज्ञ मग्न आहेत. स्वित्झलॅन्ड येथील जीनिव्हा येथे लार्ज हायड्रोन कोलायडर या जगातील सर्वात मोठ्या सूक्ष्मकण त्वरक यंत्रात (particle accelerator) मूलकणांच्या टकरी घडवून आणून त्याद्वारे विश्वरचनेचे गूढ उकलण्याचा शास्त्रज्ञानी निश्चय केला आहे. या प्रयोगात काही अत्यल्प प्रमाणात सूक्ष्म कृष्णविवरांची निर्मिती संभवते. ही सूक्ष्म कृष्णविवरे क्षणार्धात नष्ट होतील असे शास्त्रज्ञांचे गणित आहे. पण हे गणित चुकले तर...???
समाप्त
©जयेश चाचड
भाग १
हिंदी सिनेमातील काही गाणी आपण सहज गुणगुणत असतो…समय का ये पल थम सा गया है, ये लम्हा जो ठहरा है, तू है यहा तो जाता लम्हा ठहर जाये वगैरे वगैरे. आपल्याला या सुंदर कवी कल्पना वाटतात आणि काही क्षण (गुलाबी 😉) संपूच नयेत असे वाटते. पण आपल्याला कल्पना ही नसते की विश्वात अश्या काही जागा आहेत जिथे हा पल, लम्हा, क्षण, काळ अक्षरशः थांबलेला असतो. सत्य हे कल्पिताहून अद्भुत असते. कृष्णविवर किंवा ब्लॅक होल ही एक अशीच आपली मति कुंठित करणारी जागा आहे.
कृष्णविवर आपल्याला दिसू शकत नाही कारण त्याचे गुरुत्वाकर्षण एवढे प्रखर असते की प्रकाशकिरणही त्याच्या तावडीतून सुटू शकत नाही. आपल्या प्रचंड वस्तुमानाने आणि घनतेने कृष्णविवर आसपासचा अवकाश काळ अतिवक्र करते.
पंचतंत्रातील सिंह आणि सशाची गोष्ट तुम्ही ऐकली असेलच..सशाला सिंहाच्या गुहेत जाणाऱ्या पाऊलखुणा दिसल्या पण गुहेतून बाहेर येणाऱ्या पाऊलखुणा मात्र नव्हत्या. कृष्णविवर हे ही या पंचतंत्रातील सिंहाच्या गुहेप्रमाणे आहे. तावडीत सापडलेल्या पदार्थाचा स्वाहाकार करणारे. एकदिशामार्गासारखे, एकदा कृष्णविवरात गेलेली गोष्ट कृष्णविवराच्या बाहेर येणे अशक्यच.
कृष्णविवरची संकल्पना तशी जुनीच आहे. जॉन मिशेलने १७८३ साली लँडनच्या रॉयल सोसायटीत सादर केलेल्या शोधनिबंधात डार्क स्टार म्हणजेच कृष्णतारा अशी संकल्पना मांडली होती. पुढे १७९६ साली पिअर सिमोन दी लाप्लास याने ही आपल्या ‘ल सिस्टीम दू मोंद’ ग्रंथातून अशीच संकल्पना मांडली. कृष्णविवर या संकल्पनेची डार्क स्टार म्हणजेच कृष्णतारा ही सर्वात जुनी आवृत्ती होती.
न्यूटनने १६८६ साली लिहिलेल्या प्रिंसिपिया या ग्रंथातून गुरुत्वाकर्षण आणि त्याअनुषंगाने मुक्तीवेग किंवा एस्केप वेलॉसिटी या संकल्पना व्यक्त होत होत्या. कोणताही तारा किंवा ग्रह याला स्वतःचे गुरुत्वाकर्षण आणि मुक्तीवेग असतो. समजा आपण एका मैदानात उभे राहून एक दगड आकाशात फेकला तर तो उंच जाऊन काही कालावधी नंतर जमिनीवर पडेल. कारण पृथ्वीचे गुरुत्वाकर्षण त्याला खाली खेचते. पण समजा आपण तो दगड पुरेश्या वेगाने (११.२ किलोमीटर प्रति सेकंद) आकाशात फेकू शकलो तर तो पृथ्वीच्या गुरुत्वाकर्षणावर मात करून अवकाशात निघून जाईल. ११.२ किलोमीटर प्रति सेकंद हा पृथ्वीचा मुक्तीवेग आहे. अवकाशात रॉकेट सोडताना साधारणतः याच वेगाने सोडावे लागते. प्रत्येक ग्रहाचा, ताऱ्याचा मुक्तीवेग हा त्याच्या गुरुत्वाकर्षणावर अवलंबून असतो. गुरुत्वाकर्षण जेवढे अधिक तेवढा मुक्तीवेग अधिक असणार हे उघड आहे. सूर्याचा मुक्तीवेग आहे ६२५ किलोमीटर प्रति सेकंद. म्हणजे सूर्याच्या गुरुत्वाकर्षणातून निसटायचे असेल तर सेकंदाला ६२५ किलोमीटर इतका वेग गाठावा लागेल.
जॉन मिशेल आणि पिअर सिमॉन द लाप्लास यांनीही हीच मुक्तीवेग ही संकल्पना वापरून डार्क स्टारच्या अस्तित्वाविषयी भाष्य केले होते. प्रकाशकिरण हे कणांचे बनलेले असतात आणि त्यांचा वेग सीमित असतो हे त्याकाळी मान्य झाले होते. मिशेल ने असे मांडले की एखादा तारा इतक्या प्रचंड वस्तुमानाचा असू शकेल की ज्याचा मुक्तीवेग प्रकाशाच्या वेगापेक्षाही जास्त असू शकेल (प्रकाशाचा वेग सेकंदाला ३ लाख किलोमीटर इतका प्रचंड आहे) म्हणजेच अश्या ताऱ्यावरून प्रकाशाचे कण बाहेर निसटू शकणार नाही त्यामुळे त्या ताऱ्याच्या उत्सर्जित केलेला प्रकाश ताऱ्याचे गुरुत्वाकर्षण खेचून घेईल आणि आपल्याला तो तारा दिसणारच नाही. मिशेल ने मांडले की सूर्याएवढीच घनता असलेल्या पण सूर्यापेक्षा ५०० पट जास्त व्यास असलेल्या ताऱ्यांचा मुक्तीवेग प्रकाशाच्या वेगापेक्षा जास्त असेल. त्या ताऱ्याने उत्सर्जित केलेले प्रकाशकिरण, त्या ताऱ्याच्या प्रखर गुरुत्वाकर्षणामुळे त्या ताऱ्याकडेच मागे फिरतील.
पिअर सिमॉन दि लाप्लास ने मांडलेली डार्क स्टार ची संकल्पना जॉन मिशेल च्या संकल्पनेपेक्षा थोडी वेगळी होती. लाप्लास याने त्यासाठी दे कॉर्पस ऑबस्कर्स म्हणजे अदृश्य तारा असा शब्द वापरला होता. लाप्लास यांनी या अदृश्य ताऱ्याचा व्यास सूर्यापेक्षा २५० पट मोठा असावा असा तर्क केला होता. अर्थात त्यावेळी इतर शास्त्रज्ञानी मिशेल आणि लाप्लास यांना वेड्यात काढले होते हे सांगायला नकोच. मिशेल आणि लाप्लास यांच्या कृष्णतारा या संकल्पनेत आणि सध्याच्या कृष्णविवर या संकल्पनेत खूपच फरक आहे, पण तरीही कृष्णविवराच्या या संकल्पनात्मक पूर्वजाची म्हणजेच कृष्णताऱ्याची संकल्पना त्या काळात मांडणे हे मिशेल आणि लाप्लास यांच्या बुद्धिवैभवाची साक्ष आहे.
याच संकल्पनेचा पुढे विकास होऊन काळालाही थांबवण्याचे सामर्थ्य असणारे कृष्णविवर आपल्याला समजणार होते.
क्रमशः
©जयेश चाचड
#कृष्णविवरनपरतीचा_मार्ग
भाग २
बंगालचा नवाब सिराजउदौला ने, २० जानेवारी १७५६ ला कलकत्त्याला ब्रिटिशांच्या ताब्यातील फोर्ट विल्यम हा किल्ला काबीज करून सुमारे १४६ ब्रिटिश स्त्री-पुरुषांना किल्ल्यातील एका अठरा बाय चौदा फुटांच्या लहानश्या अंधाऱ्या खोलीत कोंडून ठेवले होते. परिणामी त्यातील फक्त २३ जण वाचले आणि उरलेले १२३ जण मृत्युमुखी पडले. ब्रिटीश इतिहासकारांनी या छोट्या खोलीच्या तुरुंगालाच ब्लॅक होल ऑफ कलकत्ता असे म्हटले आहे. कृष्णविवर अर्थात ब्लॅक होल च्या ऐतिहासिक संदर्भाला वैज्ञानिक अर्थ प्राप्त व्हायला सुमारे दोनशे वर्षांचा काळ जावा लागला. १९६७ साली कृष्णविवराचे कृष्णविवर असे नामकरण झाले.
कोणताही तारा स्थिरावतो तो म्हणजे ताऱ्याच्या केंद्रात सुरू असलेल्या अणूसन्मिलन (nuclear fusion) प्रक्रियेमुळे उत्पन्न होणार आण्विक दाब (atomic pressure) आणि ताऱ्याचा अवपात करणारे गुरुत्वाकर्षण यांच्या समतोलाने. ताऱ्याच्या केंद्रभागी चार हायड्रोजन चे अणू एकत्र येऊन एक हेलियम चा अणू बनतो आणि काही ऊर्जा मुक्त होते. या प्रक्रियेने ताऱ्याचे अणूकेंद्र ताऱ्याला बाह्य दिशेने बल लावते. यालाच आण्विक दाब म्हणतात. याउलट ताऱ्याचे वस्तुमान ताऱ्याला स्वतःच्याच गुरुत्वाकर्षणाखाली कोलमडायला लावते. याला गुरुत्वीय अवपात (gravitational collapse) असे म्हणतात. आण्विक दाब आणि गुरुत्वाकर्षण समान असताना तारा स्थिर रहातो. पण जसजसे ताऱ्याच्या केंद्रातील हायड्रोजन चा साठा संपायला लागतो तसतसे आण्विक दाब कमी होऊन, गुरुत्वाकर्षण वाढू लागते आणि तारा स्वतःच्याच गुरुत्वाकर्षणाखाली ढासळू लागतो. आपला सूर्य सध्या स्थिर अवस्थेत आहे आणि त्याने आपले निम्मे आयुष्य व्यतित केले आहे. भविष्यात सुमारे ५ अब्ज वर्षांनी सूर्याच्या केंद्रातील हायड्रोजन चा साठा संपुष्टात येणार आहे आणि सूर्याचा व्यास वाढून तो बुध, शुक्र आणि पृथ्वी यांचा घास घेणार हे नक्की. पुढे आपला बाह्यभाग अवकाशात सोडून सूर्याचे श्वेतबटु ताऱ्यात (white dwarf) रुपांतर होईल.
कृष्णविवराची बहुआयामी कल्पना करणे अवघड आहे. कल्पना करा एका बाथटब मध्ये किंवा एखाद्या सिंक मध्ये पाणी जाण्याच्या जागी अडथळा करून जर तो बाथटब किंवा सिंक पाण्याने भरला आणि हळूच तो अडथळा काढला असता पाण्यात भोवरा निर्माण होऊन पाणी वक्राकार मार्गाने बाथटब किंवा सिंक मधून बाहेर पडेल. या पाण्यात कागदाचा तुकडा टाकला असता तो भोवऱ्याभोवती गोलाकार फिरून भोवऱ्यात विलीन होईल. कृष्णविवराशी याची तुलना करता, ते पाणी म्हणजे अवकाश काळ, भोवरा म्हणजे कृष्णविवर आणि कागदाचा तुकडा म्हणजे पदार्थ जसे, ग्रह किंवा तारे. कृष्णविवर आपल्या सभोवतालचे अवकाश काळ (space time) कसे वक्र करते त्याची थोडीफार कल्पना तुम्हाला आली असेल.
क्रमशः
© जयेश चाचड
#कृष्णविवरनपरतीचा_मार्ग
भाग ३
ताऱ्याच्या केंद्रातील हायड्रोजन चा साठा संपल्यावर त्याचे काय होते याबद्दल वैज्ञानिकांमध्ये कुतूहल होते. आईनस्टाइननी १९०५ साली विवक्षित सापेक्षतेचा सिद्धांत मांडला व पुढे १९१५ साली व्यापक सापेक्षतेचा सिद्धांत मांडला. या सिद्धांताद्वारे न्यूटनप्रणित गुरुत्वाकर्षणाच्या संकल्पनेला धक्का बसून त्याचे सुधारित स्वरूप मांडण्यात आले. या नवीन सापेक्षता सिद्धांतानुसार वस्तूच्या अस्तित्वामुळे तिच्या परीसरतील अवकाश-काळात येणारी वक्रता म्हणजेच गुरुत्वाकर्षण अशी नवीन संकल्पना पुढे आली. कल्पना करा की एखादी चादर चारी बाजूनी ताणून धरली आहे. चादरीला लांबी आणि रुंदी या दोनच मिती आहेत. आता या चादरीवर एखादी वजनदार वस्तू ठेवली की चादरीवर एक खळगा निर्माण होईल. वस्तूचे वजन जितके अधिक तितकाच खोल खळगा असेल. हा खळगा द्विमितीय अवकाश काळातील वक्रता दाखवतो. ही चादर म्हणजे अवकाश काळ आणि जड वस्तू म्हणजे सूर्य अशी कल्पना करा. सूर्याच्या वस्तुमानामुळे सूर्याभोवतीच्या अवकाश काळात वक्रता निर्माण होते. पृथ्वी, मंगळ, वगैरे ग्रह सूर्याने वक्र केलेल्या अवकाश काळात घरंगळत सरळ मार्गाने जातात पण अवकाश काळ वक्र असल्याने ते सूर्याभोवती प्रदक्षिणा घालताहेत असे आपल्याला वाटते. हा झाला स्थळावर वक्रतेचा परिणाम. काळावरही (काळ ही चौथी मिती आहे) या वक्रतेचा परिणाम होतो.
आईन्स्टाइन च्या सापेक्षता सिद्धांताच्या आधी स्वयंसिद्ध काळाची (absolute) संकल्पना होती. पण आईनस्टाइन ने दाखवून दिले की काळ हा स्वयंसिद्ध नसून सापेक्ष (relative) असतो. गुरुत्वाकर्षणाचा जसा वस्तूच्या गती वर परिणाम होतो तसाच काळावरही परिणाम होतो. अतिवक्र अवकाश काळात वेळेची गती मंदावते. वस्तूच्या गतीचाही वेळेवर परिणाम होतो. वस्तूचा वेग जितका अधिक तेवढे त्यातील कालमापन स्थिर वस्तुतील कालमापनाच्या सापेक्ष हळू होते. तुम्ही ख्रिस्तोफर नोलन चा इंटरस्टेलर हा सिनेमा बघितला असेल. या सिनेमातही हेच तत्व वापरले आहे. मी पाहिलेल्या विज्ञानपटात इंटरस्टेलर हा सर्वोत्कृष्ट सिनेमा आहे. (या सिनेमाविषयी एक विनोद खूप प्रसिद्ध झाला होता. सिनेमाचे तिकीट मिळवण्याआधी तुम्हाला सापेक्षतेचा कोर्स करून त्यावरील परीक्षेत उत्तीर्ण व्हावे लागेल. पास झाल्याचे सर्टिफिकेट दाखवल्यावरच तुम्हाला तिकिट मिळेल 😄)
या अनुषंगाने जुळ्यांचा विरोधाभास (twins paradox) अशी एक गमतीशीर संकल्पना आहे. समजा पृथ्वीवर जुळे भाऊ जन्माला आले. त्यातील एका भाऊ पृथ्वी वरच राहिला आणि दुसऱ्या भावाला एका अवकाश यानात बसवून प्रकाशाच्या वेगाच्या ८० ते ९० टक्के वेगाने (प्रकाशाचा वेग आपण कधीच गाठू शकणार नाही. ते अशक्य आहे) अंतराळात सोडले. पृथ्वीवर राहिलेला भाऊ ४० वर्षाचा झाला आणि ते अंतराळ यान त्याच्या जुळ्या भावाला घेऊन परत पृथ्वी वर आले. पृथ्वीवरील भावाचे वय ४० वर्षे आहे पण अंतराळात प्रकाशाच्या वेगाच्या जवळपास प्रवास करणाऱ्या भावाचे वय मात्र २० वर्षाचेच असेल. कारण दोघांचे सापेक्ष कालमापन (frame of reference) वेगवेगळे आहे.
थोडक्यात तुम्हाला जर कालप्रवास करायचा असेल तर एक तर प्रकाशाच्या वेगाने प्रवास करा अथवा कृष्णविवरच्या घटना क्षितिजाला न ओलांडता त्याभोवती परिवलन करा. तुमच्या कालप्रवासासाठी शुभेच्छा..
क्रमशः
©जयेश चाचड
#कृष्णविवरनपरतीचा_मार्ग
भाग ४
ताऱ्यातील हायड्रोजनचा साठा संपुष्टात आल्यावर ताऱ्याचे आण्विक बल कमी होऊन गुरुत्वाकर्षण वाढते हे आपण पाहिले. ताऱ्याचा शेवट कशा प्रकारे होईल हे ताऱ्याच्या वस्तुमानवरून ठरते. ताऱ्याच्या वस्तुमानानुसार त्याचा तीन प्रकारांनी अंत होऊ शकतो.
१९१५ साली आईनस्टाइन नी व्यापक सापेक्षतेचा सिद्धांत मांडल्यावर लगेचच कार्ल श्वार्झश्चिल्ड यांनी व्यापक सापेक्षतेतील गुरुत्वाकर्षणाचा ताऱ्यांवर काय परिणाम होतो हे अभ्यासायला सुरवात केली. सामान्यतः तारा परिवलनशील असतो. परिवलनामुळे जे केंद्रोत्सारी बल (centrifugal force) निर्माण होते त्यामुळे तारा विषुववृत्ताच्या दिशेत फुगतो म्हणजेच ताऱ्यांचा विषुववृत्ताचा व्यास हा त्याच्या ध्रुवीय व्यासापेक्षा जास्त होतो. सापेक्षतेतील क्षेत्रीय समीकरणे (field equations) सोडवताना या केंद्रोत्सारी बलामुळे येणारी गणिती क्लिष्टता टाळण्यासाठी श्वार्झश्चिल्ड ह्यांनी दोन गोष्टी गृहीत धरल्या, एक म्हणजे तारा स्थिर आहे आणि दुसरे म्हणजे तारा संपूर्णपणे गोल (spherical symmetric) आहे. या गृहितकांच्या आधारे क्षेत्रीय समीकरणे सोडवून श्वार्झश्चिल्ड ह्यांनी ताऱ्याच्या परिसरात गुरुत्वाकर्षणामुळे निर्माण होणाऱ्या अवकाश काळाच्या वक्रतेचे सुयोग्य उत्तर शोधून काढले. हा शोधनिबंध त्यांनी आईनस्टाइन ह्यांच्याकडे पाठवला. १६ जानेवारी १९१६ साली आइन्स्टाइनने हा शोधनिबंध प्रशियन अकॅडमी ऑफ सायन्सेस ला सादर केला. लगेच श्वार्झश्चिल्ड नी दुसरा शोधनिबंध आईन्स्टाईन कडे सुपूर्त केला आणि २४ फेब्रुवारी १९१६ साली आईन्स्टाईनने हा दुसरा शोधनिबंधही अकॅडमी समोर सादर केला. आईन्स्टाईन ह्या शोधनिबंधाने चांगलेच प्रभावित झाले होते. दुर्देवाने १९ जून १९१६ रोजी श्वार्झश्चिल्ड ह्यांचे आकस्मिक निधन झाले. सापेक्षतेतील क्षेत्रीय समिकरणांचे उत्तर श्वार्झश्चिल्ड ह्यांनी शोधून काढल्याबद्दल आईन्स्टाईन ह्यांना सुरवातीला आनंद झाला पण त्या उत्तरातून व्यक्त होणारा परीणाम त्यांना पटत नव्हता. हा परिणाम म्हणजे तारा स्वतःच्याच गुरुत्वाकर्षणाने कोलमडून त्याला बिंदूवत अवस्था प्राप्त होते आणि त्या बिंदूची घनता अनंत असते. ताऱ्यांची ही बिंदूवत अवस्था त्याला बाहेरच्या विश्वापासून तोडून टाकेल हे आईनस्टाइन ह्यांना मान्य नव्हते.
केंद्रातील इंधन संपल्यावर प्रचंड वस्तुमानाच्या तारा गुरुत्वीय अवपाताने कोसळून परिसरातील अवकाश काळ वक्र करतो. तारा जसजसा आकुंचित होतो तसतसा अवकाश काल अधिक वक्र होत जातो. ताऱ्याच्या एका विशिष्ट त्रिज्येला अवकाश काळाची वक्रता इतकी जास्त होते की त्यामधून प्रकाशकिरणही बाहेर निसटू शकत नाहीत. असा तारा विश्वापासून अलग होतो. ताऱ्याच्या ज्या त्रिज्येला प्रकाशकिरण अडकून पडतात त्या त्रिज्येला श्वार्झश्चिल्ड त्रिज्या असे म्हणतात. यालाच इव्हेंट होरायझन अर्थात घटना क्षितिज असेही नाव आहे.
क्रमशः
©जयेश चाचड
कृष्णविवरनपरतीचा_मार्ग
भाग ५
शेक्सपिअरने म्हटले आहेच नावात काय आहे.. पण काही वैज्ञानिक संकल्पनांची नावे त्या संकल्पनांना चपखल बसतात. ब्लॅक होल ही सुद्धा अशीच एक संकल्पना. ब्लॅक होल च्या नामांतराचा इतिहास ही थोडा गमतीशीर आहे.
१९१६ साली श्वार्झश्चिल्ड ह्यांनी व्यापक सापेक्षता सिद्धांतातील क्षेत्रीय समीकरणे सोडवून कृष्णविवराचे अस्तित्व सूचित केले. पुढे रॉबर्ट ओपनहायमर ने स्वतःच्या गुरुत्वाकर्षणाखाली कोलमडण्यासाठी ताऱ्याचे वस्तुमान सूर्याच्या वस्तुमानाच्या तीन पटीहुन जास्त असले पाहिजे असे सिद्ध केले (रॉबर्ट ओपनहायमर ने दुसऱ्या महायुध्दात अमेरिकेच्या अणूबाँब निर्मितीच्या उपक्रमाचे नेतृत्व केले होते). पण १९३९ साली ताऱ्याच्या केंद्रात आण्विक दाब कसा निर्माण होत असावा याची फारशी माहिती नव्हती. हा प्रश्न सोडवला तो हॅन्स बेथॉ नी. (प्रसिद्ध अल्फा-बीटा-गॅमा थिअरीमधले “बीटा” ते हेच बेथॉ)
१९५८ सालपर्यंत गुरुत्वाकर्षणामुळे कोलमडून बिंदूवत होणाऱ्या ताऱ्यासाठी श्वार्झश्चिल्ड सिंग्युलॅरिटी हाच शब्द वापरला जायचा. सिंग्युलॅरिटी म्हणजे विशेषांवस्था जिथे भौतिकशास्त्राचे सर्व नियम फिके पडतात..ज्या व्यापक सापेक्षता सिद्धांतातून सिंग्युलॅरिटी ची संकल्पना येते तो सिद्धांतही सिंग्युलॅरिटीपाशी निकामी ठरतो. पुढे डेव्हीड फिंकेलस्टाइन ने दाखवून दिले की श्वार्झश्चिल्ड त्रिज्या ही एक मर्यादा आहे. या मर्यादेच्या आत वस्तू जाऊ शकतात पण तेथून बाहेर येऊ शकत नाहीत. वुल्फगॅंग रिंडलर नी श्वार्झश्चिल्ड त्रिज्येला इव्हेंट होरायझन असे नाव दिले. मराठीत यालाच घटना क्षितिज म्हणतात. विश्वातील कोणत्याही घटनेची मर्यादा ही श्वार्झश्चिल्ड त्रिज्या असते, या मर्यादेच्या आत कोणत्या घटना घडतात याचा आपल्याला कधीच पत्ता लागणार नाही.
१९५८ ते १९६७ पर्यंत कृष्णविवरासाठी निरनिराळी नावे वापरण्यात आली. रशियन शास्त्रज्ञ फ्रोझन स्टार असा शब्द वापरायचे, तर युरोप आणि अमेरिकेतील शास्त्रज्ञ कोलॅपस्ड स्टार असा शब्द वापरायचे. ताऱ्यांची अंतिम अवस्था या शब्दातुन प्रभावी पणे व्यक्त होत नव्हती. १९६७ साली जॉन व्हीलर ह्यांनी या अवस्थेला ब्लॅक होल असा शब्द रूढ केला. २९ डिसेंबर १९६७ रोजी अमेरिकन असोसिएशन फॉर ऍडवान्समेन्ट ऑफ सायन्स या संस्थेच्या सभेत व्हीलरनी ब्लॅकहोल हा शब्द अधिकृतपणे वापरण्यात यावा असे जाहीर केले. फ्रोझन स्टार, कोलॅपस्ड स्टार हे शब्द हद्दपार झाले. ब्लॅक होल किंवा कृष्णविवर सर्वमान्य झाला.
क्रमशः
©जयेश चाचड
कृष्णविवरनपरतीचा_मार्ग
भाग ६
कृष्णविवराची निर्मितीची प्रक्रिया जरा चमत्कारिक आहे. आधीच्या भागात सांगितल्या प्रमाणे ताऱ्याच्या केंद्रातील हायड्रोजन चा साठा संपल्यावर तारा स्वतःच्याच गुरुत्वाकर्षणाने कोलमडू लागतो. आणि ताऱ्याचे बाह्य स्तर ताऱ्याच्या केंद्रावर दबाव आणतात. ताऱ्याचे केंद्र आकुंचन पावते आणि त्यामुळे निर्माण झालेल्या अतिरिक्त दाबामुळे केंद्राचे तापमान वाढून १० कोटी अंश केल्व्हीन एवढे झाले की हेलियम च्या ज्वलनाची सुरवात होते. तीन हेलियम अणू एकत्र येऊन एक कार्बन चा अणू बनतो. या प्रक्रियेला ट्रीपल अल्फा प्रोसेस म्हणतात (जॉर्ज गॅमॉव्ह च्या कॉस्मिक न्यूक्लोसिंथेसिस चे खंडन करण्यासाठी फ्रेड हॉयल यांनी ही स्टेलर न्यूक्लोसिंथेसिस ची संकल्पना मांडली). या प्रक्रियेतून हिलीयम जास्तीत जास्त वेगाने जळू लागतो. यालाच हेलियम फ्लॅश असे नाव आहे. हेलियम फ्लॅश मुळे पुन्हा आण्विक दाब निर्माण होतो. बऱ्याचदा ह्या कार्बनला आणखीन एक हेलियम चा अणू येऊन मिळतो आणि कार्बन चे रूपांतर ऑक्सिजन मध्ये होते. त्यामुळे ताऱ्याच्या केंद्रात कार्बन, त्याबाहेरील स्तरात ऑक्सिजन, त्याबाहेर हेलियम आणि त्याबाहेर हायड्रोजन अशी ताऱ्याची स्थिती होते. थोडक्यात असा तारा निरनिराळ्या स्तरांचा बनलेला असतो. अश्या ताऱ्याचा बाह्यभाग अवकाशात उडून जातो . मूळ ताऱ्याचे वस्तुमान किती असते ह्यावर ताऱ्याचा अंत कसा होईल ते ठरते. ताऱ्याचे वस्तुमान जर सूर्याच्या वस्तुमानाच्या दीडपटीत असेल तर बाह्यस्तर उडून गेलेला तारा इलेक्ट्रॉन्स च्या डीजनरसी प्रेशरने स्थिरावतो. (ह्या डीजनरसी प्रेशर चा शोध प्रसिद्ध शास्त्रज्ञ वुल्फगॅंग पाऊली ह्याने शोधलेल्या मनाई तत्वातुन लागला. पाऊलीज एक्स्लुजनरी प्रिंसिपल या नावाने ते क्वांटम मेकॅनिक्स मध्ये प्रसिद्ध आहे) अश्या इलेक्ट्रॉन्स च्या डीजनरसी प्रेशर ने स्थिरावलेल्या ताऱ्याचा व्यास खूपच कमी, फार तर पृथ्वी एवढा असतो. पण त्याची घनता मात्र अतिप्रचंड असते. अश्या ताऱ्याला श्वेतबटु किंवा व्हाईट ड्वार्फ असे म्हणतात. सूर्याच्या वस्तुमानाच्या दिडपट वस्तुमान असलेल्या ताऱ्याचा अंत श्वेतबटुत होतो. ही वस्तुमानाची मर्यादा चंद्रशेखर लिमिट म्हणून ओळखली जाते. भारतीय शास्त्रज्ञ सुब्रह्मण्यम चंद्रशेखर ह्यांनी ही मर्यादा शोधून काढली. या पृथ्वीच्या आकाराच्या श्वेतबटु ताऱ्याचे गुरुत्वाकर्षण मात्र पृथ्वीच्या २ लक्ष पट असते.पृथ्वीवरील एक ग्रॅम वस्तूचे वजन श्वेतबटुवर कित्येक लक्ष टन भरेल. तुम्ही व्याध तारा बघितला असेल कधीतरी…या व्याध ताऱ्याचा एक जोडीदार आहे जो श्वेतबटु तारा आहे जो आपण नुसत्या डोळ्यांनी पाहू नाही शकत. आपल्या सूर्याचा शेवट ही श्वेतबटु ताऱ्यात होणार आहे.
ताऱ्याचे वस्तुमान जर सूर्याच्या वस्तुमानाच्या दीडपटीहुन जास्त असेल तर…डीजनरसी प्रेशर ताऱ्याचे ढासळणे थांबवू शकेल ?
क्रमशः
©जयेश चाचड
#कृष्णविवरनपरतीचा_मार्ग
भाग ७
मागच्या काही भागांपैकी एक भागात ताऱ्याचे इंधन संपुष्टात आल्यावर त्याच्या वस्तुमानानुसार त्या ताऱ्याचा अंत तीन प्रकारे होऊ शकतो असे सांगितले होते. श्वेतबटु तारा हा त्यापैकीच एक प्रकार. ज्या ताऱ्याचे वस्तुमान चंद्रशेखर लिमिट च्या आत आहे म्हणजेच सूर्याच्या दीड पट आहे त्या ताऱ्याचा अंत श्वेतबटुत होतो. ज्या ताऱ्याचे वस्तुमान सूर्याच्या वस्तुमानाच्या दीडपटीहुन जास्त आहे अश्या ताऱ्याचे काय होते…
चंद्रशेखर ह्यांनी जेव्हा चंद्रशेखर लिमिट शोधून काढली तेव्हा १९३० साली इलेक्ट्रॉन आणि प्रोटॉन या दोन कणाचेच अस्तित्व सिद्ध झाले होते. अखेर १९३२ साली जेम्स चॅडविकने न्यूट्रॉन नावाचा कण शोधून काढला. न्यूट्रॉनवर कोणत्याही प्रकारचा विद्युतभार नसतो. अणूकेंद्रकात प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन कण एकमेकांशी तीव्र बलाने (strong force) बांधलेले असतात. स्वतंत्र अवस्थेत मात्र न्यूट्रॉन कण आपले अस्तित्व फार काळ टिकवू शकत नाही. काही वेळातच त्याचा ऱ्हास होऊन इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन आणि न्यूट्रिनो हे कण निर्माण होतात. न्यूट्रॉनच्या ह्या ऱ्हासाला बीटा डिके असे नाव आहे. न्यूट्रॉन कण हे पाऊली चे मनाई तत्व पाळतात.
फ्रित्झ झ्विस्की आणि वॉल्टर बाड यांनी असे मांडले की श्वेतबटु ही ताऱ्यांची अंतिम अवस्था नसून त्यापुढेही ताऱ्याचे आकुंचन होते. सूर्याच्या वस्तुमानाच्या दीडपटीने वस्तुमान असलेल्या ताऱ्याच्या केंद्रात अणूसाखळी प्रक्रियेने नवीन मूलद्रव्याची निर्मिती सुरू असते. हायड्रोजन, हेलियम, कार्बन, ऑक्सिजन, लोखंड अशी ही साखळी आहे. एकदा का ताऱ्याच्या केंद्रात लोखंड तयार व्हायला लागले की त्यापुढील मूलद्रव्य तयार करण्याऐवढे तापमान केंद्राचे नसते, त्यामुळे गुरुत्वीय अवपात टाळण्यासाठी ताऱ्याचा गाभ्याचा अंत:स्फोट म्हणजेच इम्प्लॉजन होते आणि अंतर्भागातील अतिप्रचंड ऊर्जा ताऱ्याच्या बाह्यस्तरात मुक्त होते, परिणामी एक प्रचंड स्फोट होऊन ताऱ्याचा बाह्यस्तर अवकाशात भिरकावला जातो. ह्यालाच अतिनवं तारा किंवा सुपर नोव्हा असे म्हणतात. सुपर नोव्हा हा दिवसा निव्वळ डोळ्यांनी दिसू शकतो. तसेच या स्फोटाची तीव्रता एवढी जबरदस्त असते की सम्पूर्ण आकाशगंगेच्या प्रकाशापेक्षा या सुपर नोव्हा चा प्रकाश प्रखर असतो. या स्फोटात गॅमा किरणे आणि विश्वकिरणे मुक्त होतात. आपल्या पृथ्वीच्या शंभर प्रकाशवर्ष अंतरात जर एखाद्या सुपर नोव्हा चा स्फोट झाला तर पृथ्वीवरील जीवन नष्ट होईल कारण गॅमा किरणे आणि विश्वकिरणे पृथ्वीचे वातावरण नष्ट करतील.
अश्या सुपर नोव्हाचा स्फोट होऊन मागे उरतो तो अतिवेगाने स्वतःभोवती भ्रमण करणारा फक्त न्यूट्रॉन कणांपासून बनलेला न्यूट्रॉन तारा. सूर्याच्या वस्तुमानाच्या १.५ पट ते ३ पट वस्तुमान असणाऱ्या ताऱ्याचा अंत न्यूट्रॉन ताऱ्यात होतो. या मर्यादेला ओपनहायमर-व्होल्कोफ लिमिट असे म्हणतात. हा न्यूट्रॉन तारा श्वेतबटुपेक्षा घन असून त्याहून लहान असतो. हा स्पंदन पावणारा तारा आहे म्हणून यास पल्सार असेही म्हणतात. १९६७ साली जोसेलिन बेल हिने असा न्यूट्रॉन तारा सर्वप्रथम शोधून काढला.
न्यूट्रॉन तारा अतिघन असतो आणि त्याचे चुंबकीय क्षेत्र जबरदस्त असते. काही न्यूट्रॉन ताऱ्यांचे चुंबकीय क्षेत्र खूपच जास्त असते, अश्या ताऱ्याना मॅग्नेटार असे म्हणतात. मॅग्नेटार चे चुंबकीय क्षेत्र इतके प्रखर असते की समजा जर सूर्याच्या जागी एखादा मॅग्नेटार असता तर आपल्या रक्तातील लोह त्याने खेचून घेतले असते.
ताऱ्याचे वस्तुमान सूर्याच्या ३ पटीहून अधिक असेल तर…? तर जगातील कोणतीही शक्ती ताऱ्याला गुरुत्वीय अवपातापासून थांबवू शकत नाही. तारा स्वतःचाच गुरुत्वाकर्षणाने बिंदूवत होतो आणि निर्माण होते ते वस्तुमानचा ग्रास घेणारे कृष्णविवर.
क्रमशः
©जयेश चाचड
#कृष्णविवरनपरतीचा_मार्ग
भाग ८
सुपरनोव्हा आणि ब्लॅक होल म्हटले की आपल्याला विनाशच आठवतो. सुपरनोव्हा म्हणजे अतिप्रचंड स्फोट आणि ब्लॅक होल म्हणजे वस्तुमान गिळणारे अवकाशातील विशालकाय व्हॅक्यूम क्लिनर. पण या दोन्ही गोष्टी नवनिर्माण करत असतील असे आपल्या ध्यानातही येत नाही. पण हे खरे आहे की सुपरनोव्हा आणि कृष्णविवर यामुळेच आपले अस्तित्व आहे.
एक साधे उदाहरण आहे, आपणास जीवनास आवश्यक असणारा ऑक्सिजन कुठून आला ? तो निर्माण झालाय तो निर्माण झालाय एखाद्या न्यूट्रॉन ताऱ्याच्या केंद्रात आणि सुपरनोव्हा द्वारे अवकाशात विखुरला गेला. आपल्याला आवश्यक असणारी मूलद्रव्य ऑक्सिजन, नायट्रोजन, सोडियम, मॅग्नेशियम, कॅल्शियम ही अशीच सुपरनोव्हा एक्सप्लोजन द्वारे आपणापर्यंत पोहचली आहेत. या सर्वांची निर्मिती ताऱ्यांच्या केंद्रात आणि सुपरनोव्हा मुळे निर्माण झालेल्या अफाट ऊर्जेतून झाली आहे. एका अर्थाने आपण ताऱ्यांचे वंशज आहोत. एक फ्लॅशबॅक ची कल्पना करा. तुमच्या रोजच्या वापरातील स्टीलचे ताट, चमचा कुठून आले, तर स्टीलच्या दुकानातून. त्या दुकानात ते कुठून आले, तर ताट, चमचे बनवणाऱ्या कंपनी कडून. कंपनीत ते कुठून आले तर स्टीलच्या उत्पादकांकडून. स्टीलच्या उत्पादकाकडे ते कुठून आले तर लोखंडच्या खाणीतील अशुद्ध स्वरूपाच्या लोखंडातून. त्या खाणीत ते लोखंड कुठून आले, तर पृथ्वी निर्माण होताना अतितप्त द्रवस्वरूपातील लोखंड थंड होऊन त्याचे घनीकरण होऊन निर्माण झालेल्या खडकातून. त्या खडकात ते कुठून आले तर एखाद्या मृत्यूमुखी पडणाऱ्या ताऱ्याच्या अंतर्भागात स्टेलर न्यूक्लोसिंथेसिस द्वारे ते निर्माण झाले आणि सुपरनोव्हा च्या स्फोटात आपल्या सूर्यमालेपर्यंत आले. असा हा फ्लॅशबॅक आपल्याला पार ताऱ्याच्या मृत्यू पर्यंत घेऊन जातो. जर सुपरनोव्हा नसते तर आज आपणही नसतो.
आता तुम्ही म्हणाल कृष्णविवरात कसली आलीये नवनिर्मिती...तावडीत सापडलेल्या वस्तूचा स्वाहाकार करणे हाच कृष्णविवराचा मुख्य गुणधर्म. पण याच कृष्णविवरामुळे दीर्घिकेंची निर्मिती होते. प्रत्येक दीर्घिकांच्या केंद्रस्थानी महाकाय कृष्णविवर (super massive black hole) असते. ते दीर्घिकेतील सर्व ताऱ्याना आपल्या गुरुत्वाकर्षणाने बद्ध करून आपल्याभोवती फिरायला लावते. दीर्घिकांच्या केंद्रस्थानी कृष्णविवर नसते तर दीर्घिका स्थिर न होताच त्यातील तारे विखरून गेले असते आणि निश्चित गती नसल्याने एकमेकांवर आदळले असते. एखाद्या वहातुक नियंत्रकासारखे कृष्णविवर दीर्घिकेतील ताऱ्यांची दिशा नियंत्रित करते. आपल्या आकाशगंगेच्या केंद्रस्थानी ही असेच एक महाकाय कृष्णविवर आहे. सॅजीटॉरियस ए असे त्याचे नामकरण केले आहे. धनु (Sagittarius) राशीत त्याचे स्थान आहे म्हणून सॅजीटॉरियस ए असे नाव ठेवण्यात आले आहे. या महाकाय कृष्णविवराचे वस्तुमान सुमारे वीस लाख सूर्याच्या वस्तुमानाएवढे प्रचंड आहे. आपली सूर्यमाला आकाशगंगेच्या केंद्रापासून म्हणजेच Sagittarius A पासून सुमारे २६ हजार प्रकाशवर्षे दूर आहे. या Sagittarius A मुळेच आज आपली आकाशगंगा आहे आणि पर्यायाने आपण आहोत.
क्रमशः
©जयेश चाचड
कृष्णविवरनपरतीचा_मार्ग
भाग ९
स्वतःच्या गुरुत्वाकर्षणाखाली ढासळणाऱ्या सूर्याच्या तीन पटीहून अधिक वस्तुमान असणाऱ्या ताऱ्याच्या भोवती एक सीमा तयार होते. या सीमेपासून प्रकाशकिरण बाहेर पडू शकत नाहीत आणि तो तारा या सीमेच्या आत अदृश्य होऊन कृष्णविवराची निर्मिती होते. या सीमेला घटना क्षितिज किंवा इव्हेंट होरायझन असे समर्पक नाव आहे. या सीमेच्या आत काय घडते ते आपल्याला कधीच कळू शकणार नाही. एक प्रकारे आपणास कळू शकणाऱ्या घटनांची घटनाक्षितिज ही मर्यादा आहे. या घटना क्षितिजाचा व्यास त्या ताऱ्याच्या वस्तुमानावर अवलंबून असतो. साधारणपणे सूर्याच्या दहापट वस्तुमानाच्या ताऱ्यापासून बनलेल्या कृष्णविवराच्या घटना क्षितिजाचा व्यास सुमारे ६० किलोमीटर असतो. घटना क्षितिजापलीकडे गुरुत्वाकर्षण एवढे प्रभावी असते की तारा चिरडला जाऊन त्याचा आकार एका बिंदूएवढा होतो. या बिंदूलाच विशेषवस्था किंवा सिंग्युलॅरिटी असे नाव आहे. येथे अवकाश काळाची वक्रता अनंत होते.
कृष्णविवराच्या सीमेवर वेळेला अस्तित्वच उरत नाही. कृष्णविवराच्या घटना क्षितीजाच्या आत स्थळ आणि काळ यांची अदलाबदल झालेली असते. अवकाश काळाची वक्रता कमी असलेल्या प्रदेशात स्थळाच्या तीन मित्या आणि काळाची एक मिती अशा एकूण चार मित्या असतात. स्थळात आपण पुढे मागे, वर खाली जाऊ शकतो. काळात मात्र आपण नेहमी एकाच दिशेने म्हणजे पुढे जातो. काळात मागे जात येत नाही. पण अनंत वक्रता असलेल्या कृष्णविवराच्या घटना क्षितीजाच्या आत मात्र या संकल्पनेची पूर्ण अदलाबदल होते. कृष्णविवरात आपण काळाच्या तिन्ही रुपात म्हणजे भूत, वर्तमान आणि भविष्य यात संचार करू शकतो. पण काळाच्या बाबतीत मिळालेले स्वातंत्र्य स्थळाच्या बाबतीत रहात नाही. स्थळात आपण पुढे मागे, वर खाली जाऊ शकत नाही. आपले स्पॅगेटीफीकेशन होऊन अतिशय भयानक पद्धतीने सिंग्युलॅरिटीत आपला अंत होतो.
क्रमशः
©जयेश चाचड
#कृष्णविवरनपरतीचा_मार्ग
भाग १०
आइनस्टाइन ह्यांनी काळ हा स्वयंसिद्ध नसून सापेक्ष आहे हे त्याच्या सुप्रसिद्ध विवक्षित सापेक्षतेच्या सिद्धांतात सिद्ध केले. कृष्णविवर हे त्याचे उत्तम उदाहरण आहे. जसजसे आपण एखाद्या कृष्णविवराच्या समीप जाऊ तसतशी काळाची गती मंदावेल. कल्पना करा एक व्यक्ती A पृथ्वी वर आहे आणि दुसरी व्यक्ती B सूर्याच्या दहापट वस्तुमान असणाऱ्या एका कृष्णविवराभोवती फिरणाऱ्या एका अवकाशयानात आहे. आणि त्या दोघांचा एकमेकांशी रेडिओ संदेशद्वारे संपर्क होतो आहे. जसजसा B कृष्णविवराच्या दिशेत सरकू लागेल तसतसे A ला B कडून येणारे संदेश मंद गतीने येत आहेत असे वाटेल. A च्या तुलनेत B च्या काळाची गती धीमी होत जाईल. पण B ला हा काळाचा मंदपणा जाणवणार नाही कारण फ्रेम ऑफ रेफरन्स ने त्याचे घड्याळ यथायोग्य चालू असेल. B च्या सर्व शारीरिक क्रिया, हृदयाचे ठोके, चयापचय, मेंदूतील क्रिया या सर्व त्याच्या घड्याळानुसार घडतील. इथे पृथ्वी वर A ला मात्र वेगळाच अनुभव येईल. B जसजसा कृष्णविवराच्या घटना क्षितिजाकडे जाईल तसतसे A ला असे वाटेल की B ची गती कमी होतेय. प्रत्यक्षात B घटना क्षितिज ओलांडताना A ला कधीच दिसणार नाही. घटना क्षितिजावर B हा काळाच्या प्रवाहात गोठून गेलाय म्हणजेच फ्रीज झालाय असेच A ला वाटेल. A ने अनंत काळ वाट पाहिली तरी त्याला B ची काहीच हालचाल दिसणार नाही आणि B ने घटना क्षितिज ओलांडताना पाठवलेला संदेश A ला कधीच मिळणार नाही. इथे B जेव्हा कृष्णविवराची मर्यादा म्हणजेच घटना क्षितिज ओलांडेल तेव्हा त्याचे घड्याळ पूर्णपणे बंद पडेल. कृष्णविवरच्या टायडल फोर्स चा मात्र B च्या शरीरावर भयानक परिणाम होईल. B च्या शरीराचा जो भाग कृष्णविवराच्या दिशेत आहे तो कृष्णविवराच्या जबरदस्त गुरुत्वाकर्षणाने ताणला जाईल. एखाद्या न्यूडल्स प्रमाणे त्याच्या शरीराची अवस्था होईल. यालाच स्पॅगीटीफिकेशन म्हणतात.
घटना क्षितिजावर B ला दोन विचित्र दृश्ये बघायला मिळतील. बाह्य वस्तूंकडून येणार प्रकाश अतिवक्र झाल्यामुळे बाहीरील वस्तूंच्या विकृत प्रतिमा त्याला दिसू लागतील. बाह्य प्रकाश तीव्र गुरुत्वकर्षणाच्या क्षेत्रात आला की त्यातुन गुरुत्वीय नीलस्मृती (gravitational blue shift) निर्माण होते. ही नीलस्मृती इतक्या वेगात घडून येईल की प्रकाशकिरण दृश्य मर्यादा ओलांडून अदृश्य कक्षेत म्हणजेच अल्ट्रा व्हायलेट, एक्स रे आणि गॅमा रे यांच्या मर्यादेत शिरतील. क्षणार्धात बाह्य विश्वाचा भविष्यकाळ B च्या नजरे समोरून सरकेल आणि लुप्त होईल. यास होलोग्रॅफिक इमेज म्हणतात. सुप्रसिद्ध शास्त्रज्ञ लिओनार्ड सस्किन्ड यांचे या विषयावरील संशोधन आणि स्टीफन हाँकिंग यांच्या बरोबरचा त्यांचा इन्फॉर्मेशन पॅराडॉक्स यावरील वाद, हे सर्वच खूप रंजक आहे.
एकदा घटना क्षितिज पार केल्यावर B च्या शरीरातील सर्व अणू रेणू चिरडून कृष्णविवराच्या सिंग्युलॅरिटीत विलीन होतील.
क्रमशः
©जयेश चाचड
कृष्णविवरनपरतीचा_मार्ग
भाग ११
श्वार्झश्चिल्ड यांनी आईन्स्टाईन च्या सापेक्षतावादातील क्षेत्रीय समीकरणे सोडवताना गणिती क्लिष्टता टाळण्यासाठी तारा स्थिर आहे असे गृहीत धरले होते. त्यामुळे श्वार्झश्चिल्ड यांच्या गणितातून व्यक्त होणारे कृष्णविवर हे स्थिर होते. पण विश्वातील तारे हे स्थिर नसून परीवलनशील आहेत. आपला सूर्य ही सुमारे २८ दिवसात स्वतःभोवती एक परीवलन पूर्ण करतो. त्यामुळे कोणत्याही ताऱ्याचे कृष्णविवर झाले तर ते स्थिर असणार नाही, उलट लॉ ऑफ कंन्झर्वेशन ऑफ अँग्युलर मोमेंटम अर्थात कोनीय संवेगाच्या अक्षय्यतेच्या नियमानुसार ताऱ्याचा आकार लहान झाला की त्याचा परिवलन वेग वाढायला हवा. स्वतःभोवती फिरणारा स्केटर वेग वाढवण्यासाठी आपले हात आखडून घेतो तो याच नियमाने. अर्थात, कृष्णविवर देखील प्रचंड वेगाने स्वतःभोवती परिवलन करता असणार हे उघड आहे.
आईन्स्टाईन ह्यांची क्षेत्रीय समीकरणे सोडवताना ताऱ्यांचे परीवलन लक्ष्यात घेऊन ती सोडवायला हवी होती. ही किमया साधली ती १९६३ साली रॉय केर ह्यांनी. कृष्णविवराच्या सिंग्युलॅरिटी पासून एका विशिष्ट अंतरावर मुक्ती वेग (escape velocity) प्रकाशाच्या वेगाएवढाच असतो. या अंतरावर वस्तू स्थिर राहू शकेल. यालाच स्टॅटिक लिमिट म्हणतात. या स्टॅटिक लिमिट ने सिंग्युलॅरिटी सभोवताली प्रतल रेखाटले तर त्याला स्टॅटिक सर्फेस असे म्हणतात. परीवलनशील कृष्णविवराच्या इव्हेंट होरायझन आणि या स्टॅटिक सर्फेस चा संबंध असतो.
परिवलनशील कृष्णविवराचे इव्हेंट होरायझन गोलाकृती तर स्टॅटिक सर्फेस दीर्घवर्तुळाकार असते. त्यामुळे इव्हेंट होरायझन लहान झाले की स्टॅटिक सर्फेस अधिक दीर्घवर्तुळाकार होतो. जर त्या कृष्णविवराचा स्टॅटिक सर्फेस इव्हेंट होरायझन च्या बाहेर असेल तर तेथून बाहय विश्वात निसटणे शक्य आहे. परीवलनशील कृष्णविवराचे इव्हेंट होरायझन आणि स्टॅटिक सर्फेस यामधील भागाला एर्गोस्फिअर असे नाव आहे.
रॉजर पेनरोझ ह्यांनी १९६९ साली असे प्रतिपादन केले की या एर्गोस्फिअर मध्ये एखादी वस्तू फेकली आणि तिचे दोन तुकडे केले एक तुकडा सरळ इव्हेंट होरायझन च्या दिशेत जाईल पण दुसरा तुकडा मात्र एर्गोस्फिअर मधून बाहेर पडून आपल्याबरोबर कृष्णविवराची ऊर्जा घेऊन येईल. जयंत नारळीकरांनी आपल्या एका विज्ञानकथेत हेच पेनरोझ ह्यांचे तत्व वापरले आहे. अश्या प्रकारे कृष्णविवरापासून ऊर्जा निर्मिती करता येऊ शकेल पण सध्याच्या तंत्रज्ञानाला तरी ते शक्य नाही. भविष्यात असा अमर्याद ऊर्जेचा स्रोत आपल्याला हस्तगत करता येईल का ? आताच निश्चित काही सांगता येत नाही
क्रमशः
©जयेश चाचड
#कृष्णविवरनपरतीचा_मार्ग
भाग १२
स्थिर कृष्णविवर हे स्फेरिकल सिमेट्री अर्थात गोलीय समानतेचे उत्तम उदाहरण आहे. अशा स्थिर कृष्णविवराची सिंग्युलॅरिटी बिंदूवत असून ती घटना क्षितीजाच्या केंद्रस्थानी असते. पण परिवलनशील कृष्णविवर अर्थात रॉय केर प्रणित कृष्णविवर हे जरा अनोखे असते. अशा कृष्णविवरात सिंग्युलॅरिटी बिंदूवत नसून चक्राकार असते. यालाच रिंग सिंग्युलॅरिटी म्हणतात. ही रिंग सिंग्युलॅरिटी कृष्णविवराच्या परिवलन अक्षाशी ९०° चा कोन करते म्हणजेच ती कृष्णविवराच्या विषुववृत्ताच्या प्रतलात असते. परिवलनशील कृष्णविवराच्या या गुणधर्मामुळे एक विलक्षण संकल्पना सध्या आकार घेतेय.
जसजसे कृष्णविवरात पदार्थ जातो तसतसा कृष्णविवराच्या परीवलनाचा वेग वाढतो. अशा कृष्णविवरात विद्युतभारीत कण गेल्यामुळे रिंग सिंग्युलॅरिटी भोवती अजून एक सीमा तयार होते. ही आतली एक सीमा आणि बाहेरची घटना क्षितीजाची दुसरी सीमा अश्या दोन सीमा परीवलनशील कृष्णविवराला असू शकतात. कृष्णविवराच्या परिवलनाची मर्यादा एका विशिष्ट मर्यादेबाहेत गेली की त्याची आतील सीमा आणि बाहेरची सीमा एक होतात, अर्थात कृष्णविवराचे घटनाक्षितिज नाहीसे होते आणि उरतो तो फक्त एक बिंदू. कृष्णविवराची मूळ सिंग्युलॅरिटी उघडी पडते. यालाच नेकेड सिंग्युलॅरिटी असे म्हणतात. कृष्णविवराची सिंग्युलॅरिटी नेहमीच घटना क्षितीजात बंदिस्त असते असा रॉजर पेनरोझ यांचा एक सिद्धांत आहे. या सिद्धांताचे नाव मोठे गमतीशीर आहे. कॉस्मिक सेन्सोरशिप हायपोथिसिस असे या सिद्धांताचे नाव आहे. (अर्थात ह्याचा आपल्या सेन्सॉरबोर्ड शी काहीच संबंध नाहीये 😉).
या रिंग सिंग्युलॅरिटीच्या विषुववृत्ताच्या प्रतलातून घटना क्षितीजाच्या आत विशिष्ट कोन करून शिरणारी वस्तू अवकाश काळाच्या अनंत वक्रतेला सामोरी न जाता थेट रिंग सिंग्युलॅरिटी मधून आरपार निघून जाते. या रिंग सिंग्युलॅरिटीच्या पलीकडे मात्र कदाचित निगेटिव्ह विश्व असू शकेल कारण कृष्णविवराच्या केंद्रापासूनचे या क्षेत्राचे अंतर ऋण असेल. त्या निगेटिव्ह विश्वात वस्तू एकमेकांना दूर लोटतील. आपल्या विश्वात नेकेड सिंग्युलॅरिटी आढळत नाही (ह्यावर संशोधन सुरू आहे). पण अशी काही विश्वे असतील जिथे इव्हेंट होरायझन मुक्त अश्या नेकेड सिंग्युलॅरिटी ची रेलचेल असेल. अशा विश्वात सातत्याने ऊर्जा उत्सर्जित होत राहील आणि अशा प्रमाणाबाहेर ऊर्जा असणाऱ्या विश्वात जीवसृष्टीचा विकास शक्य होणार नाही.
भविष्यात कधीकाळी आपणास या रिंग सिंग्युलॅरितीला ओलांडून दुसऱ्या विश्वात प्रवेश करणे जमेल का? की आपल्या पूर्वजांचे आगमन अश्याच एखाद्या अज्ञात विश्वातून (कदाचित ते विश्व राहण्यालायक न उरल्याने) झाले असेल...काहीच सांगता येत नाही.
क्रमशः
©जयेश चाचड
#कृष्णविवरनपरतीचा_मार्ग#
भाग १३
कृष्णविवराला चुंबकीय क्षेत्र (magnatic field) असते का ? हा थोडा सोपा भासणारा अवघड प्रश्न शास्त्रज्ञांना पडला होता. आपल्या पृथ्वीला चुंबकीय क्षेत्र आहे. त्यामुळेच सूर्यापासून येणाऱ्या विद्युतभारयुक्त कणांपासून आपले रक्षण होते. सुर्यालाही चुंबकीय क्षेत्र आहे आणि ते पृथ्वी च्या चुंबकीय क्षेत्राच्या तुलनेत कितीतरी अधिक आहे. सूर्याच्या चुंबकीय क्षेत्राच्या बलरेषा (line of force) पार पृथ्वी पलीकडे गेल्या आहेत. या बलरेषा ग्रह किंवा ताऱ्याच्या एका चुंबकीय ध्रुवातून सुरू होऊन दुसऱ्या चुंबकीय ध्रुवात संपतात. त्यावरून प्रश्न असा होता की ज्या ताऱ्याचे कृष्णविवरात रूपांतर होते त्या ताऱ्याच्या चुंबकीय क्षेत्राचे काय होते ? चुंबकीय बलरेषा तश्याच राहतात की नष्ट होतात...
बरीच वर्षे हा प्रश्न अनुत्तरित होता. शेवटी ही कोंडी फोडली ती व्हीटली गिन्झबर्ग या शास्त्रज्ञाने. गिन्झबर्ग ने मांडले की कृष्णविवर फक्त वस्तूंचाच स्वाहाकार करते असे नाही तर ज्या ताऱ्यापासून ते तयार होते त्या ताऱ्याचे चुंबकीय क्षेत्रही गिळकृत करते. म्हणजेच त्या ताऱ्याचे कृष्णविवर होताना चुंबकीय क्षेत्राच्या बलरेषा नष्ट होतात. अर्थात कृष्णविवराचे चुंबकीय क्षेत्र शून्य असते.
पुढे जॉन व्हीलर यांनी यावर आणखीन संशोधन करून एक मजेशीर सिद्धांत मांडला. कोणताही ग्रह अथवा तारा हा त्याच्या केंद्रोत्सारी बलामुळे (centrifugal force) विषुववृत्ताच्या ठिकाणी फुगीर होतो. पण व्हीलर यांनी दाखवून दिले की कृष्णविवरात असे काही नसते. कृष्णविवर हे संपूर्ण गोलाकृती असते. मूळ ताऱ्याची फुगीरता त्यात नसते. अर्थात कृष्णविवराच्या बाहेर काहीच डोकावू शकत नाही. या सिद्धांताला एक गंमतीशीर नाव आहे, - "Black hole has no hair" अर्थात "कृष्णविवर केशविहित असते" किंवा "कृष्णविवराला केस नसतात". आपल्या शरीराच्या बाहेर आपले केस डोकावत असतात, कृष्णविवराच्या बाहेर काहीच डोकावू शकत नाही, ते संपूर्ण गोलाकृती असते ह्या अर्थाने कदाचित असे गमतीशीर नाव रूढ झाले असावे, आणि सध्या तेच प्रचलित आहे.
आता प्रश्न येतो तो कृष्णविवर बनताना या केसांचे(म्हणजेच चुंबकीय बलरेषांचे) काय होते? तर कृष्णविवर निर्माण होताना कृष्णविवराबाहेर डोकावणाऱ्या सर्व वस्तूंचे गुरुत्वीय लहरीत (gravitational waves) मध्ये रूपांतर होते. त्यापैकी काही कृष्णविवरातच विलीन होतात तर काही बाह्य अवकाशात मुक्त होतात. ग्रॅव्हीटॉन हे मूलकण या लहरीचे वाहक आहेत. विद्युतप्रवाह आणि चुंबकीय क्षेत्र यांचा परस्पर संबंध असतो. कृष्णविवरात हा संबंध तुटून चुंबकीयक्षेत्र वेगळे होते (electomagnetic radiation द्वारे) आणि कृष्णविवराचे चुंबकीय केस नामशेष होतात.
ज्यांचे प्रारणात रूपांतर होऊ शकत नाही अशी भौतिक तत्वे म्हणजे वस्तुमान (Mass), परीवलन (spin) आणि विद्युतभार (electric charge). कृष्णविवर निर्माण होतांना या तीनच गोष्टी शिल्लक राहतात बाकी सर्व गोष्टींचे विविध प्रारणात रूपांतर होऊन त्या बाह्य विश्वात मुक्त होतात.
कृष्णविवर तयार होताना फार मोठ्या माहितीचा नाश होतो असा सरळ सोपा अर्थ कृष्णविवराला केस नसतात ह्या सिद्धांताचा आहे. कृष्णविवर हे माहिती गिळकृत करणारे विवर आहे ह्या अर्थी या संकल्पने ला इन्फॉर्मेशन सिंक असाही एक यथार्थ शब्द वापरला जातो. एकदा कृष्णविवर निर्माण झाल्यावर ते मूळ कोणत्या पदार्थापासून बनलेले असते, ते पदार्थापासून की प्रतिपदार्थापासून (anit matter) बनलेले असते या प्रश्नांना काहीच अर्थ रहात नाही. सर्व समान असणारी कृष्णविवरे एकसारखीच असतात असेच कृष्णविवराला केस नसतात या सिद्धांताचे तात्पर्य आहे.
क्रमशः
©जयेश चाचड
#कृष्णविवरनपरतीचा_मार्ग
भाग १४
कृष्णविवरातून कोणत्या गोष्टीचे उत्सर्जन होत असेल का ? तसेही प्रकाशालाही न सोडणाऱ्या कृष्णविवरातून कोणतीही गोष्ट निसटणे अशक्य असते. १९७४ साली प्रसिद्ध शास्त्रज्ञ स्टीफन हाँकिंग यांनी असे दाखवून दिले की कृष्णविवरातून पण प्रारणाचे उत्सर्जन होत असते त्यामुळे कृष्णविवर तितकेसे कृष्ण नसते.
विश्वातील कोणत्याही निर्वात प्रदेशात भासमान किंवा आभासी कणांची (virtual particles) रेलचेल असते. हे आभासी कण जोडयांनी निर्माण होतात आणि त्यांचे भौतिक गुणधर्म परस्परांच्या विरुद्ध असतात. ह्या आभासी कणांच्या जोड्या क्षणार्धात निर्माण होऊन नष्ट होतात. हायझेनबर्ग च्या अनिश्चितता तत्वनुसार निर्वात प्रदेशातून ऊर्जेची निर्यात करून मूलकणांची निर्मिती शक्य आहे. ही निर्यात केलेली ऊर्जा अक्षयतेच्या नियमानुसार कालांतराने परत करावी लागते. त्यामुळे या आभासी कणांच्या जोड्या क्षणार्धात निर्माण होऊन नष्ट होतात. हे कॅसिमिर इफेक्ट ने सिद्ध झालेले आहे. काही कारणांमुळे हे प्रतिकण नष्ट न होता मुक्त झाले तर त्यांचे खऱ्या कणात रूपांतर होऊ शकते.
कृष्णविवराच्या सीमेवर अर्थात घटना क्षितिजावरसुद्धा ह्या आभासी कणांची निर्मिती होऊन ते नष्ट होत असतात. या आभासी कणांच्या जोडी पैकी एक कण कृष्णविवरात आकर्षित झाला तर दुसरा कण विलग होऊन कृष्णविवरच्या पकडीतून निसटून त्याचे वास्तव कणात रूपांतर होईल. त्यामुळे कृष्णविवर फोटॉन कणांचे उत्सर्जन करते आहे असे आपल्याला वाटेल. यात कृष्णविवराची ऊर्जा सातत्याने कमी होईल. कारण कृष्णविवराकडून आभासी कणांनी निर्यात केलेली ऊर्जा बाह्य विश्वाला परत करावी लागेल आणि ती प्रारणाच्या स्वरूपात मुक्त होईल. या प्रारणालाच हाँकिंग रेडिएशन असे म्हणतात. हाँकिंग ह्यांनी दाखवून दिले की हाँकिंग रेडिएशन मुळे हळूहळू कृष्णविवर स्वतःचे वस्तुमान प्रारणाच्या स्वरूपात उत्सर्जित करून शेवटी नष्ट होईल. अर्थात ही खूपच धीमी प्रक्रिया आहे. या साठी अब्जावधी वर्षांचा कालावधी लागेल.
क्रमशः
©जयेश चाचड
#कृष्णविवरनपरतीचा_मार्ग
भाग १५
प्रचंड वस्तुमानाच्या ताऱ्याचा गुरुत्वीय अवपात होऊन त्याचे कृष्णविवरात रूपांतर होते हे आपल्याला माहीत आहेच. अर्थात असे कृष्णविवर सुद्धा प्रचंड वस्तुमानाचे असणार हे उघड आहे. पण एखाद्या कमी वस्तुमानाच्या वस्तूचे पण कृष्णविवरात रूपांतर करता येऊ शकेल. त्यासाठी त्या वस्तूवर प्रचंड दाब देऊन तिचा आकार तिचे वस्तुमान कमी न करता लहान करावा लागेल. उदाहरणार्थ एक अब्ज टन वस्तुमान असलेला एखादा पर्वत चेपून, दाब देऊन एखाद्या न्यूट्रॉच्या आकाराचा केला (पर्वताचे एक अब्ज टन हे वस्तुमान कायम ठेवून) तर त्याचे कृष्णविवरात रूपांतर होईल.
आपल्या सूर्याचे कृष्णविवरात रूपांतर होण्यासाठी सूर्याची त्रिज्या ३ किलोमीटर करावी लागेल. आणि पृथ्वी साठी ही मर्यादा असेल सुमारे ०.८७ सेंटीमीटर. काही कारणामुळे अफाट बाह्य दाब उत्पन्न झाला तर अशी परिस्थिती निर्माण होऊ शकते. यातूनच प्रसिद्ध शास्त्रज्ञ स्टीफन हाँकिंग यांनी असे मांडले की महास्फोटाच्या वेळी (बिग बँग च्या वेळी) असा अफाट बाह्य दाब असणे शक्य आहे. बिग बँग च्या अत्यल्प काळात उत्पन्न झालेल्या सर्व वस्तू प्रचंड बलाने एकमेकांवर आघात करून अतिप्रचंड बाह्य दाब निर्माण करत होत्या. त्यामुळे या काळात अतिसूक्ष्म अशी कृष्णविवरे निर्माण झाली असावीत जी ताऱ्यांपासून नाही तर बिग बँग च्या वेळी असणाऱ्या भौतिक परिस्थितीमुळे निर्माण झाली असावीत. यानांच मिनी ब्लॅक होल म्हणतात. किंबहुना बिग बँग च्या नंतरच्या काही कालावधीत अस्तित्वात आलेल्या आपल्या विश्वात ह्या सूक्ष्म कृष्णविवरांची रेलचेल असावी. सूक्ष्म कृष्णविवरांचे घटना क्षितिज अत्यल्प अंतराचे म्हणजेच काही मीटर च्या अंतराचे असावे. अर्थात काही मीटर अंतरावरूनच ह्या सूक्ष्म कृष्णविवरांच्या गुरुत्वकर्षणाचा प्रभाव शून्य होतो. अर्थात सूक्ष्म कृष्णविवरापासून फार थोड्या अंतरावरचाच अवकाश काळ अतिवक्र असेल. अशा सूक्ष्म कृष्णविवरांचे घटना क्षितिजसुद्धा खूपच विरळ असेल. यातील काही सूक्ष्म कृष्णविवरे आजही अस्तित्वात असतील. किंबहुना आपल्या सुर्यमालेतही अशा सूक्ष्म कृष्णविवराचे अस्तित्व नाकारता येत नाही. शास्त्रज्ञाच्या अंदाजानुसार एक घन प्रकाशवर्ष अंतरात सुमारे ३०० सूक्ष्म कृष्णविवरे असावीत. हे जर खरे असेल तर विश्वाच्या हरवलेल्या वस्तुमानांपैकी एक दशलक्षांश वस्तुमानाचा पत्ता लागेल.
बिग बँग च्या वेळी अस्तित्वात असणाऱ्या भौतिक परिस्थितीमुळे सूक्ष्म कृष्णविवरे अस्तित्वात आली असावीत. सध्या अशाच एका भौतिक परिस्थितेचे अल्प प्रमाणात प्रायोगिक प्रतिरूप करण्यात शास्त्रज्ञ मग्न आहेत. स्वित्झलॅन्ड येथील जीनिव्हा येथे लार्ज हायड्रोन कोलायडर या जगातील सर्वात मोठ्या सूक्ष्मकण त्वरक यंत्रात (particle accelerator) मूलकणांच्या टकरी घडवून आणून त्याद्वारे विश्वरचनेचे गूढ उकलण्याचा शास्त्रज्ञानी निश्चय केला आहे. या प्रयोगात काही अत्यल्प प्रमाणात सूक्ष्म कृष्णविवरांची निर्मिती संभवते. ही सूक्ष्म कृष्णविवरे क्षणार्धात नष्ट होतील असे शास्त्रज्ञांचे गणित आहे. पण हे गणित चुकले तर...???
समाप्त
©जयेश चाचड
No comments:
Post a Comment