બ્રહ્માંડના ધબકારા માપતું યંત્ર: LIGO અને લેઝર ઇન્ટરફેરોમેટ્રીની અદભૂત કાર્યપદ્ધતિ
આઈન્સ્ટાઈનના ગુરુત્વાકર્ષણ તરંગોને પકડવા માટે માનવજાતે બનાવેલું સૌથી સંવેદનશીલ યંત્ર LIGO કેવી રીતે કામ કરે છે અને તેની પાછળનું વિજ્ઞાન શું છે તેની ઊંડી સમજૂતી.
સપ્ટેમ્બર ૨૦૧૫માં માનવ ઇતિહાસમાં એક અભૂતપૂર્વ ઘટના બની હતી. પૃથ્વીથી લગભગ ૧.૩ અબજ પ્રકાશવર્ષ દૂર બે વિશાળ બ્લેક હોલ એકબીજામાં ભળી ગયા અને તેના કારણે અવકાશના તાણાવાણામાં જે ધ્રુજારી પેદા થઈ તે પૃથ્વી સુધી પહોંચી. આ ધ્રુજારી એટલે કે ગુરુત્વાકર્ષણ તરંગો (gravitational waves) ને પકડવા માટે વૈજ્ઞાનિકોએ દાયકાઓ સુધી મહેનત કરી હતી. આ સફળતા જે યંત્ર દ્વારા મળી તેનું નામ છે LIGO એટલે કે લેઝર ઇન્ટરફેરોમીટર ગ્રેવિટેશનલ-વેવ ઓબ્ઝર્વેટરી (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). અગાઉ બ્રહ્માંડ વિશેની તમામ માહિતી આપણને પ્રકાશ અથવા અન્ય ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક રેડિયેશન દ્વારા મળતી હતી, પરંતુ LIGO એ આપણને બ્રહ્માંડને 'સાંભળવાની' એક નવી ક્ષમતા આપી છે.
LIGO એ ભૌતિકશાસ્ત્રનો અત્યાર સુધીનો સૌથી મોટો અને મહત્વાકાંક્ષી પ્રયોગ છે. તેની રચના એટલી ચોક્કસ છે કે તે પ્રોટોનના વ્યાસના દસ-હજારમા ભાગ જેટલા અત્યંત સૂક્ષ્મ ફેરફારને પણ માપી શકે છે. આટલી ચોકસાઈ મેળવવા માટે LIGO 'લેઝર ઇન્ટરફેરોમેટ્રી' (laser interferometry) નામની તકનીકનો ઉપયોગ કરે છે. વિકિપીડિયાના અહેવાલ મુજબ, આ તકનીકમાં પ્રકાશના તરંગોને એકબીજા પર સુપરઇમ્પોઝ (superimpose) કરીને તેમાંથી માહિતી મેળવવામાં આવે છે. જ્યારે બે તરંગો એકબીજાને મળે છે, ત્યારે તેમની વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાથી જે પેટર્ન બને છે તેને ઇન્ટરફેરન્સ (interference) કહેવામાં આવે છે.
| ઓબ્ઝર્વેટરી | સ્થળ | આર્મની લંબાઈ (કિમી) | સંવેદનશીલતા (Mpc) |
|---|---|---|---|
| LIGO | અમેરિકા | ૪ | ૧૬૦-૧૯૦ |
| Virgo | ઇટાલી | ૩ | ૮૦-૧૧૫ |
| KAGRA | જાપાન | ૩ | > ૧ |
ઇન્ટરફેરોમેટ્રીનો પાયાનો સિદ્ધાંત
ઇન્ટરફેરોમેટ્રી સમજવા માટે આપણે તરંગોના સુપરપોઝિશન (superposition) ના સિદ્ધાંતને સમજવો પડે. જ્યારે સમાન આવૃત્તિવાળા બે તરંગો એકબીજા સાથે જોડાય છે, ત્યારે તેમની તીવ્રતાનો આધાર તેમની વચ્ચેના ફેઝ (phase) એટલે કે તબક્કાના તફાવત પર હોય છે. જો બે તરંગો એકબીજા સાથે સુસંગત હોય, એટલે કે તેમના શિખરો એકબીજા પર આવતા હોય, તો તેને કન્સ્ટ્રક્ટિવ ઇન્ટરફેરન્સ (constructive interference) કહેવામાં આવે છે અને પ્રકાશની તીવ્રતા વધે છે. તેનાથી ઉલટું, જો એક તરંગનું શિખર બીજા તરંગના ખાડા પર આવે, તો તેને ડિસ્ટ્રક્ટિવ ઇન્ટરફેરન્સ (destructive interference) કહેવાય છે અને પ્રકાશ એકબીજાને નાબૂદ કરે છે.
મોટાભાગના ઇન્ટરફેરોમીટર માઈકલસન (Michelson) કન્ફિગરેશનનો ઉપયોગ કરે છે. આમાં એક જ લેઝર સ્ત્રોતમાંથી આવતા પ્રકાશને બીમ સ્પ્લિટર (beam splitter) દ્વારા બે ભાગમાં વહેંચવામાં આવે છે. આ બંને બીમ અલગ-અલગ રસ્તાઓ પર મુસાફરી કરે છે અને અંતે ફરીથી એકબીજા સાથે જોડાય છે. જો આ બંને રસ્તાઓની લંબાઈમાં સહેજ પણ ફેરફાર થાય, તો તેમના ફેઝમાં તફાવત આવે છે અને ડિટેક્ટર પર દેખાતી પ્રકાશની પેટર્ન બદલાઈ જાય છે. LIGO માં આ જ સિદ્ધાંતનો ઉપયોગ કરીને ગુરુત્વાકર્ષણ તરંગોને કારણે અવકાશની લંબાઈમાં થતા ફેરફારને માપવામાં આવે છે.
- લેઝર સ્પ્લિટિંગએક લેઝર બીમને બીમ સ્પ્લિટર દ્વારા બે ભાગમાં વહેંચીને અલગ-અલગ આર્મ્સમાં મોકલવામાં આવે છે.
- પ્રકાશનું પરાવર્તન૪ કિમી દૂર રહેલા અરીસાઓ પરથી પ્રકાશ અથડાઈને પાછો ફરે છે, જે અનેકવાર પુનરાવર્તિત થાય છે.
- તરંગોનું મિલનબંને આર્મ્સમાંથી પાછા ફરેલા બીમ ફરીથી ભેગા થાય છે અને એકબીજાને નાબૂદ કરે છે.
- ડિટેક્શનગુરુત્વાકર્ષણ તરંગ આવતા લંબાઈ બદલાય છે અને ડિટેક્ટર પર પ્રકાશ દેખાય છે, જે સિગ્નલ તરીકે નોંધાય છે.
LIGO ની અદભૂત સંરચના
LIGO ના બે મુખ્ય કેન્દ્રો અમેરિકામાં હેનફોર્ડ અને લિવિંગસ્ટન ખાતે આવેલા છે. દરેક કેન્દ્રમાં 'L' આકારની બે વિશાળ પાઈપો હોય છે, જેની લંબાઈ ૪ કિલોમીટર હોય છે. આ પાઈપોની અંદર સંપૂર્ણ શૂન્યાવકાશ (vacuum) રાખવામાં આવે છે જેથી લેઝર બીમને કોઈ અવરોધ ન નડે. આ ૪ કિમી લાંબા આર્મ્સના છેડે અત્યંત શુદ્ધ અને ભારે અરીસાઓ લટકાવવામાં આવ્યા હોય છે. જ્યારે લેઝર બીમ આ અરીસાઓ પર અથડાઈને પાછો ફરે છે, ત્યારે તે હજારો કિલોમીટરની મુસાફરી કરી ચૂક્યો હોય છે.
વૈજ્ઞાનિકોના જણાવ્યા મુજબ, LIGO ના અરીસાઓ એટલા સ્થિર રાખવામાં આવે છે કે પૃથ્વીની સામાન્ય ધ્રુજારી કે વાહનોનો અવાજ પણ તેને અસર ન કરે. આ માટે અત્યંત જટિલ વાઈબ્રેશન આઈસોલેશન સિસ્ટમનો ઉપયોગ થાય છે. જ્યારે કોઈ ગુરુત્વાકર્ષણ તરંગ પૃથ્વી પરથી પસાર થાય છે, ત્યારે તે અવકાશને એક દિશામાં ખેંચે છે અને બીજી દિશામાં સંકોચે છે. આના કારણે LIGO ના એક આર્મની લંબાઈ સહેજ વધે છે અને બીજાની ઘટે છે. આ અત્યંત સૂક્ષ્મ ફેરફાર લેઝર બીમના ફેઝમાં ફેરફાર લાવે છે, જે ફોટોડિટેક્ટર (photodetector) દ્વારા પકડાઈ જાય છે.
કાર્યપદ્ધતિ: સ્ટેપ-બાય-સ્ટેપ સમજૂતી
LIGO ની કાર્યપદ્ધતિને સમજવા માટે આપણે લેઝરના પ્રવાસને અનુસરવો પડે. સૌ પ્રથમ, એક શક્તિશાળી લેઝર સ્ત્રોતમાંથી પ્રકાશ છોડવામાં આવે છે. આ પ્રકાશ બીમ સ્પ્લિટર પર પડે છે, જે તેને બે સમાન ભાગમાં વહેંચીને કાટખૂણે આવેલા બે આર્મ્સમાં મોકલે છે. દરેક આર્મમાં અરીસાઓ વચ્ચે પ્રકાશ અનેકવાર અથડાય છે, જેનાથી તેની અસરકારક મુસાફરી ૧,૧૨૦ કિલોમીટર જેટલી વધી જાય છે. આનાથી યંત્રની સંવેદનશીલતામાં અનેકગણો વધારો થાય છે.
- લેઝરનું વિભાજનએક શક્તિશાળી લેઝર બીમ સ્પ્લિટર દ્વારા બે સમાન ભાગમાં વહેંચાય છે.
- મુસાફરી અને પરાવર્તનબંને લેઝર બીમ ૪ કિમી લાંબા આર્મ્સમાં મુસાફરી કરે છે અને અરીસાઓ પર અથડાઈને પાછા ફરે છે.
- તરંગોની ઓળખજો ગુરુત્વાકર્ષણ તરંગ પસાર થાય, તો આર્મ્સની લંબાઈમાં ફેરફાર થવાથી ડિટેક્ટર પર પ્રકાશના ઝબકારા દેખાય છે.
સામાન્ય સ્થિતિમાં, આ બંને બીમ જ્યારે પાછા ફરે છે ત્યારે તેઓ એકબીજાને સંપૂર્ણપણે નાબૂદ કરે તે રીતે ગોઠવાયેલા હોય છે (destructive interference). એટલે કે ડિટેક્ટર પર કોઈ પ્રકાશ દેખાતો નથી. પરંતુ જ્યારે ગુરુત્વાકર્ષણ તરંગ પસાર થાય છે, ત્યારે આર્મ્સની લંબાઈમાં ફેરફાર થવાને કારણે આ સંતુલન ખોરવાય છે. પરિણામે, ડિટેક્ટર પર પ્રકાશના ઝબકારા દેખાય છે. આ ઝબકારાની પેટર્ન પરથી વૈજ્ઞાનિકો નક્કી કરી શકે છે કે આ તરંગો કયા પ્રકારની ખગોળીય ઘટનામાંથી આવ્યા છે.
આંકડા અને ચોકસાઈની સીમાઓ
LIGO ની ક્ષમતા આશ્ચર્યજનક છે. તે ૪ કિમી લાંબા આર્મમાં થતા ફેરફારને ૧૦^-૧૮ મીટરની ચોકસાઈથી માપી શકે છે. સરખામણી માટે કહીએ તો, આ માપ એક પરમાણુના ન્યુક્લિયસ કરતા પણ હજારો ગણું નાનું છે. આટલી ચોકસાઈ મેળવવા માટે અત્યાર સુધીમાં કરોડો ડોલરનો ખર્ચ કરવામાં આવ્યો છે. શરૂઆતના LIGO પ્રોજેક્ટમાં ૨૦૦૨ થી ૨૦૧૦ દરમિયાન કોઈ તરંગો મળ્યા નહોતા. ત્યારબાદ ૨૦૦ મિલિયન ડોલરના ખર્ચે તેને અપગ્રેડ કરીને 'એડવાન્સ્ડ LIGO' (Advanced LIGO) બનાવવામાં આવ્યું, જેની સંવેદનશીલતા ૪ ગણી વધારે હતી.
વિકિપીડિયાના ડેટા મુજબ, ફેબ્રુઆરી ૨૦૨૬ સુધીમાં LIGO એ કુલ ૪ ઓબ્ઝર્વેશન રન પૂર્ણ કર્યા છે અને ૩૯૧ ગુરુત્વાકર્ષણ તરંગો શોધી કાઢ્યા છે. ચોથા રન (O4) દરમિયાન જ ૨૫૦ સંભવિત ઘટનાઓ નોંધાઈ હતી, જેમાંથી ૭૭ ની પુષ્ટિ થઈ ચૂકી છે. આ પ્રયોગોમાં માત્ર અમેરિકા જ નહીં, પરંતુ ઇટાલીનું Virgo અને જાપાનનું KAGRA ઓબ્ઝર્વેટરી પણ સહયોગ આપે છે. આ વૈશ્વિક નેટવર્કને કારણે તરંગો કઈ દિશામાંથી આવે છે તે ચોક્કસપણે જાણી શકાય છે.
| વિગત | સંખ્યા |
|---|---|
| કુલ સંભવિત ઘટનાઓ (Candidates) | ૨૫૦ |
| પુષ્ટિ થયેલ ઘટનાઓ | ૭૭ |
| અંતિમ વિશ્લેષણ હેઠળ | ૧૭૩ |
ઇતિહાસ અને નોબેલ પુરસ્કાર
ગુરુત્વાકર્ષણ તરંગોનું અસ્તિત્વ આલ્બર્ટ આઈન્સ્ટાઈને ૧૯૧૬માં તેમના જનરલ થિયરી ઓફ રિલેટિવિટીમાં ભાખ્યું હતું. જોકે, તે સમયે તેને માપવા માટેની ટેકનોલોજી ઉપલબ્ધ નહોતી. ૧૯૬૦ના દાયકામાં જોસેફ વેબર જેવા વૈજ્ઞાનિકોએ તેને શોધવાના પ્રયત્નો શરૂ કર્યા. ૧૯૭૦ના દાયકામાં રાયનર વેઈસ (Rainer Weiss) એ લેઝર ઇન્ટરફેરોમીટરનો ઉપયોગ કરવાનો વિચાર રજૂ કર્યો. ત્યારબાદ કિપ થોર્ન (Kip Thorne) અને બેરી બેરિશ (Barry Barish) ના નેતૃત્વમાં LIGO પ્રોજેક્ટ સાકાર થયો.
LIGO પ્રોજેક્ટને શરૂઆતમાં ઘણા અવરોધોનો સામનો કરવો પડ્યો હતો. ૧૯૯૪માં જ્યારે બેરી બેરિશ ડાયરેક્ટર બન્યા, ત્યારે તેમણે આ પ્રોજેક્ટને નવું જીવન આપ્યું. ૩૯૫ મિલિયન ડોલરના બજેટ સાથે તે નેશનલ સાયન્સ ફાઉન્ડેશન (NSF) નો સૌથી મોટો પ્રોજેક્ટ બન્યો. ૨૦૧૫માં મળેલી પ્રથમ સફળતા બાદ, ૨૦૧૭માં રાયનર વેઈસ, કિપ થોર્ન અને બેરી બેરિશને ભૌતિકશાસ્ત્રમાં નોબેલ પુરસ્કાર એનાયત કરવામાં આવ્યો હતો. આ શોધે સાબિત કર્યું કે વિજ્ઞાનમાં ધીરજ અને ચોકસાઈનું કેટલું મહત્વ છે.
ભારત અને સામાન્ય લોકો માટે મહત્વ
LIGO ની સફળતા માત્ર વૈજ્ઞાનિકો પૂરતી મર્યાદિત નથી. આ ટેકનોલોજીના વિકાસથી અત્યંત ચોકસાઈવાળા લેઝર, શૂન્યાવકાશ પ્રણાલીઓ અને વાઈબ્રેશન કંટ્રોલ સિસ્ટમ્સમાં ક્રાંતિ આવી છે. ભારત પણ હવે આ ક્ષેત્રમાં મોટું યોગદાન આપવા જઈ રહ્યું છે. મહારાષ્ટ્રના હિંગોલીમાં 'LIGO-India' પ્રોજેક્ટ પર કામ ચાલી રહ્યું છે, જે વૈશ્વિક નેટવર્કને વધુ મજબૂત બનાવશે. આનાથી ભારતીય વૈજ્ઞાનિકો અને એન્જિનિયરોને વિશ્વના સૌથી અદ્યતન વિજ્ઞાન સાથે જોડાવાની તક મળશે.
સામાન્ય લોકો માટે આ શોધ બ્રહ્માંડને જોવાની એક નવી બારી છે. જેવી રીતે એક્સ-રે દ્વારા આપણે શરીરની અંદર જોઈ શકીએ છીએ, તેવી જ રીતે ગુરુત્વાકર્ષણ તરંગો દ્વારા આપણે બ્લેક હોલ અને ન્યુટ્રોન સ્ટાર્સ જેવી રહસ્યમય વસ્તુઓની અંદરની પ્રક્રિયાઓ જાણી શકીએ છીએ. આ ટેકનોલોજી ભવિષ્યમાં આપણને બિગ બેંગ (Big Bang) એટલે કે બ્રહ્માંડની ઉત્પત્તિના સમયના તરંગો શોધવામાં પણ મદદ કરી શકે છે. વિજ્ઞાનની આ સફર હજુ તો શરૂ થઈ છે, અને LIGO તેમાં પાયાનો પથ્થર સાબિત થયું છે.
