બ્રહ્માંડના અંધકારની તસવીર: ઇવેન્ટ હોરાઇઝન ટેલિસ્કોપ અને બ્લેક હોલના ફોટોગ્રાફી પાછળનું વિજ્ઞાન
પૃથ્વી જેવડા આભાસી ટેલિસ્કોપની મદદથી વૈજ્ઞાનિકોએ કેવી રીતે પ્રકાશને પણ ગળી જનારા બ્લેક હોલની તસવીર ઝડપી, તેની તકનીકી અને વૈજ્ઞાનિક સમજૂતી.
બ્રહ્માંડના સૌથી રહસ્યમય પદાર્થોમાં બ્લેક હોલ (black hole) મોખરે છે. બ્લેક હોલ એટલા શક્તિશાળી હોય છે કે તેમનું ગુરુત્વાકર્ષણ પ્રકાશને પણ પોતાની બહાર નીકળવા દેતું નથી. દાયકાઓ સુધી બ્લેક હોલ માત્ર ગાણિતિક સમીકરણો અને કલ્પનાઓ પૂરતા મર્યાદિત હતા, પરંતુ ૧૦ એપ્રિલ, ૨૦૧૯ના રોજ માનવજાતે પહેલીવાર બ્લેક હોલની વાસ્તવિક તસવીર જોઈ. આ ઐતિહાસિક સિદ્ધિ ઇવેન્ટ હોરાઇઝન ટેલિસ્કોપ (Event Horizon Telescope - EHT) દ્વારા મેળવવામાં આવી હતી. EHT એ કોઈ એક ટેલિસ્કોપ નથી, પરંતુ સમગ્ર વિશ્વમાં ફેલાયેલા રેડિયો ટેલિસ્કોપ્સનું એક શક્તિશાળી નેટવર્ક છે, જે સાથે મળીને પૃથ્વીના કદ જેવડું એક આભાસી ટેલિસ્કોપ બનાવે છે.
આ પ્રોજેક્ટનો મુખ્ય ઉદ્દેશ્ય બ્લેક હોલની 'ઇવેન્ટ હોરાઇઝન' (event horizon) એટલે કે ઘટના ક્ષિતિજની તસવીર લેવાનો હતો. ઇવેન્ટ હોરાઇઝન એ બ્લેક હોલની આસપાસની એવી સીમા છે, જેની અંદર ગયેલી કોઈપણ વસ્તુ ક્યારેય પાછી આવી શકતી નથી. EHT એ મેસિયર ૮૭ (Messier 87) નામની આકાશગંગાના કેન્દ્રમાં રહેલા અતિ-વિશાળ બ્લેક હોલ (supermassive black hole) પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કર્યું હતું. આ બ્લેક હોલ પૃથ્વીથી કરોડો પ્રકાશવર્ષ દૂર હોવા છતાં, તેની આસપાસના પ્રકાશના વલયને ઝડપવામાં વૈજ્ઞાનિકો સફળ રહ્યા હતા. આ સફળતા પાછળ 'વેરી લોંગ બેઝલાઇન ઇન્ટરફેરોમેટ્રી' (VLBI) નામની જટિલ પદ્ધતિ જવાબદાર છે.
વેરી લોંગ બેઝલાઇન ઇન્ટરફેરોમેટ્રી (VLBI) કેવી રીતે કામ કરે છે?
VLBI એ રેડિયો ખગોળશાસ્ત્રની એક એવી પદ્ધતિ છે જેમાં પૃથ્વી પર અલગ-અલગ સ્થળોએ આવેલા અનેક રેડિયો ટેલિસ્કોપ્સ એકસાથે એક જ અવકાશી પદાર્થનું અવલોકન કરે છે. જ્યારે આ તમામ ટેલિસ્કોપ્સના ડેટાને ભેગા કરવામાં આવે છે, ત્યારે તે એક એવા ટેલિસ્કોપ તરીકે કામ કરે છે જેનું કદ બે સૌથી દૂરના ટેલિસ્કોપ્સ વચ્ચેના અંતર જેટલું હોય છે. આ અંતરને 'બેઝલાઇન' (baseline) કહેવામાં આવે છે. EHT ના કિસ્સામાં, આ બેઝલાઇન પૃથ્વીના વ્યાસ જેટલી મોટી હતી, જેના કારણે તેની રિઝોલ્યુશન (resolution) એટલે કે વિગતો જોવાની ક્ષમતા અભૂતપૂર્વ બની ગઈ હતી.
દરેક ટેલિસ્કોપ અવકાશી પદાર્થમાંથી આવતા રેડિયો તરંગોને ઝીલે છે. આ તરંગો અત્યંત નબળા હોય છે અને તેમને ચોકસાઈથી નોંધવા માટે દરેક ટેલિસ્કોપ પાસે પોતાની અત્યંત સચોટ પરમાણુ ઘડિયાળ (atomic clock) હોય છે, જેને હાઇડ્રોજન મેઝર (hydrogen maser) કહેવામાં આવે છે. આ ઘડિયાળ જીપીએસ (GPS) ટાઈમ સ્ટાન્ડર્ડ સાથે જોડાયેલી હોય છે. જ્યારે રેડિયો સિગ્નલ ટેલિસ્કોપ પર પહોંચે છે, ત્યારે તેની સાથે તે સમયની ચોક્કસ નોંધ પણ લેવામાં આવે છે. આ ડેટાને ડિજિટલ સ્વરૂપમાં રૂપાંતરિત કરીને હાર્ડ ડ્રાઈવમાં સંગ્રહિત કરવામાં આવે છે.
- સિગ્નલ ગ્રહણવિશ્વભરના રેડિયો ટેલિસ્કોપ્સ એકસાથે બ્લેક હોલમાંથી આવતા રેડિયો તરંગોને ઝીલે છે.
- સમયની નોંધદરેક ટેલિસ્કોપ પરમાણુ ઘડિયાળનો ઉપયોગ કરીને સિગ્નલ પહોંચવાના ચોક્કસ સમયની નોંધ લે છે.
- ડેટા સંગ્રહવિશાળ માત્રામાં ડેટાને હાર્ડ ડ્રાઈવ્સમાં સંગ્રહિત કરવામાં આવે છે અને વિમાન દ્વારા લેબમાં મોકલાય છે.
- સુપરકોમ્પ્યુટિંગસુપરકોમ્પ્યુટર્સ અલગ-અલગ ટેલિસ્કોપ્સના ડેટાને સમય મુજબ એકબીજા સાથે જોડે છે (Correlation).
- તસવીર નિર્માણજટિલ ગાણિતિક અલ્ગોરિધમ્સનો ઉપયોગ કરીને ડેટાને દ્રશ્યમાન તસવીરમાં રૂપાંતરિત કરવામાં આવે છે.
ડેટાનો પહાડ અને 'સ્નીકરનેટ'ની જરૂરિયાત
EHT દ્વારા એકત્રિત કરવામાં આવતો ડેટા એટલો વિશાળ હોય છે કે તેને ઇન્ટરનેટ દ્વારા મોકલવો અશક્ય છે. ૨૦૧૭ના અવલોકન અભિયાન દરમિયાન, દક્ષિણ ધ્રુવ (South Pole) પરના ટેલિસ્કોપથી લઈને હવાઈ અને મેક્સિકો સુધીના ટેલિસ્કોપ્સે પેટાબાઈટ્સ (petabytes) જેટલો ડેટા એકત્રિત કર્યો હતો. આ ડેટા ભરેલી હાર્ડ ડ્રાઈવ્સને વિમાન દ્વારા કેન્દ્રીય પ્રયોગશાળાઓમાં મોકલવામાં આવે છે. આ પદ્ધતિને મજાકમાં 'સ્નીકરનેટ' (sneakernet) કહેવામાં આવે છે, કારણ કે ડેટા વાયર દ્વારા નહીં પણ ભૌતિક રીતે મુસાફરી કરે છે.
ખાસ કરીને દક્ષિણ ધ્રુવ ટેલિસ્કોપનો ડેટા મેળવવામાં મોટી મુશ્કેલી પડે છે. ત્યાં એપ્રિલથી ઓક્ટોબર દરમિયાન શિયાળામાં કોઈ ફ્લાઈટ્સ ઉડી શકતી નથી. ૨૦૧૭ના ડેટા માટે પણ વૈજ્ઞાનિકોએ ડિસેમ્બર સુધી રાહ જોવી પડી હતી જ્યારે દક્ષિણ ધ્રુવથી હાર્ડ ડ્રાઈવ્સનું શિપમેન્ટ પહોંચ્યું હતું. આ તમામ ડેટાને અમેરિકાના MIT હેસ્ટેક ઓબ્ઝર્વેટરી અને જર્મનીના મેક્સ પ્લાન્ક ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ફોર રેડિયો એસ્ટ્રોનોમી ખાતે મોકલવામાં આવે છે. ત્યાં ૮૦૦ જેટલા સીપીયુ (CPU) ધરાવતા સુપરકોમ્પ્યુટર્સ આ ડેટાનું વિશ્લેષણ કરે છે.
| વિગત | મેસિયર ૮૭ (M87*) | સેજિટેરિયસ A* (Sgr A*) |
|---|---|---|
| સ્થાન | M87 આકાશગંગા | મિલ્કી વે (આપણી આકાશગંગા) |
| અંતર | ૫.૫ કરોડ પ્રકાશવર્ષ | ૨૭,૦૦૦ પ્રકાશવર્ષ |
| દળ (સૂર્યના ગુણાંકમાં) | ૬.૫ અબજ | આશરે ૪૦ લાખ |
| ઇવેન્ટ હોરાઇઝન વ્યાસ | ૪૦ અબજ કિમી | M87* કરતા ઘણો નાનો |
ડેટામાંથી તસવીર બનાવવાની જટિલ પ્રક્રિયા
જ્યારે બધી હાર્ડ ડ્રાઈવ્સ કેન્દ્રીય સ્થળે પહોંચે છે, ત્યારે 'કોરિલેશન' (correlation) નામની પ્રક્રિયા શરૂ થાય છે. સુપરકોમ્પ્યુટર્સ દરેક ટેલિસ્કોપના ડેટાને તેમની પરમાણુ ઘડિયાળના સમય મુજબ એકબીજા સાથે સરખાવે છે. પૃથ્વીના વાતાવરણમાં થતા ફેરફારો અને ટેલિસ્કોપના અંતરને કારણે સિગ્નલ પહોંચવામાં નેનોસેકન્ડ્સનો તફાવત હોઈ શકે છે, જેને સુધારવો અત્યંત જરૂરી છે. આ માટે 'ક્લોઝર ફેઝ' (closure phase) નામની તકનીકનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, જે ૧૯૫૦ના દાયકામાં રોજર જેનિસન દ્વારા વિકસાવવામાં આવી હતી.
બ્લેક હોલની અંતિમ તસવીર બનાવવા માટે ગાણિતિક અલ્ગોરિધમ્સ (algorithms) નો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. EHT ની ટીમે પરિણામોની વિશ્વસનીયતા ચકાસવા માટે ચાર સ્વતંત્ર ટીમો બનાવી હતી. આ ટીમોએ CLEAN અને CHIRP જેવા અલગ-અલગ અલ્ગોરિધમ્સનો ઉપયોગ કર્યો હતો. CHIRP અલ્ગોરિધમ કેથરિન બાઉમેન અને તેમની ટીમ દ્વારા વિકસાવવામાં આવ્યું હતું. ૨૦૨૩માં, વૈજ્ઞાનિકોએ PRIMO નામના નવા અલ્ગોરિધમનો ઉપયોગ કરીને ૨૦૧૭ના ડેટામાંથી જ વધુ સ્પષ્ટ અને શાર્પ તસવીરો પણ બનાવી છે.
M87* અને સેજિટેરિયસ A*: બે અલગ લક્ષ્યો
EHT એ મુખ્યત્વે બે બ્લેક હોલ પર ધ્યાન આપ્યું છે. પ્રથમ M87* છે, જે મેસિયર ૮૭ આકાશગંગાના કેન્દ્રમાં છે. તે પૃથ્વીથી ૫.૫ કરોડ પ્રકાશવર્ષ દૂર છે અને તેનું દળ સૂર્ય કરતા ૬.૫ અબજ ગણું વધારે છે. તેની ઇવેન્ટ હોરાઇઝનનો વ્યાસ આશરે ૪૦ અબજ કિલોમીટર છે. ૨૦૧૯માં જાહેર થયેલી તસવીરમાં દેખાતું નારંગી વલય વાસ્તવમાં બ્લેક હોલની આસપાસ ફરતો અત્યંત ગરમ વાયુ છે, જે પ્રકાશના વેગની નજીકની ઝડપે ગતિ કરે છે.
બીજું લક્ષ્ય આપણી પોતાની આકાશગંગા, મિલ્કી વે (Milky Way) ના કેન્દ્રમાં રહેલો બ્લેક હોલ સેજિટેરિયસ A* (Sagittarius A*) છે. તે પૃથ્વીથી ૨૭,૦૦૦ પ્રકાશવર્ષ દૂર છે. જોકે તે M87* કરતા ઘણો નાનો છે, પરંતુ પૃથ્વીની નજીક હોવાને કારણે આકાશમાં તેનું કદ લગભગ સમાન દેખાય છે. ૧૨ મે, ૨૦૨૨ના રોજ વૈજ્ઞાનિકોએ સેજિટેરિયસ A* ની પ્રથમ તસવીર જાહેર કરી હતી. આ બંને બ્લેક હોલના કદમાં મોટો તફાવત હોવા છતાં, તેમની ઇવેન્ટ હોરાઇઝન પાસેના દેખાવમાં આશ્ચર્યજનક સમાનતા જોવા મળી છે, જે આલ્બર્ટ આઈન્સ્ટાઈનના સામાન્ય સાપેક્ષતાના સિદ્ધાંત (General Relativity) ને સમર્થન આપે છે.
વિજ્ઞાન માટે આ તસવીરોનું મહત્વ
બ્લેક હોલની આ તસવીરો માત્ર ફોટોગ્રાફ્સ નથી, પરંતુ ભૌતિકશાસ્ત્રના મૂળભૂત નિયમોની કસોટી છે. આઈન્સ્ટાઈનના સિદ્ધાંત મુજબ, બ્લેક હોલના પ્રચંડ ગુરુત્વાકર્ષણને કારણે તેની આસપાસ પ્રકાશ વળે છે અને એક 'શેડો' (shadow) એટલે કે પડછાયો બનાવે છે. EHT દ્વારા લેવામાં આવેલી તસવીરોમાં આ પડછાયો બરાબર તેવો જ દેખાયો જેવી આગાહી ગણિત દ્વારા કરવામાં આવી હતી. આ અવલોકનોએ સાબિત કર્યું કે અત્યંત આત્યંતિક પરિસ્થિતિઓમાં પણ આઈન્સ્ટાઈનનો સિદ્ધાંત સાચો ઠરે છે.
વધુમાં, માર્ચ ૨૦૨૧માં M87* ની પોલરાઇઝ્ડ (polarized) એટલે કે ધ્રુવીભૂત પ્રકાશમાં તસવીર લેવામાં આવી હતી. આ તસવીર બ્લેક હોલની આસપાસના ચુંબકીય ક્ષેત્રો વિશે માહિતી આપે છે. વૈજ્ઞાનિકો હવે સમજી શકે છે કે બ્લેક હોલ કેવી રીતે તેની આસપાસના પદાર્થોને ગળી જાય છે અને કેવી રીતે તેમાંથી શક્તિશાળી જેટ (jets) બહાર ફેંકાય છે. સેન્ટોરસ A (Centaurus A) જેવી અન્ય આકાશગંગાઓના જેટની પણ EHT દ્વારા ૧.૩ mm તરંગલંબાઇ પર અત્યંત સ્પષ્ટ તસવીરો લેવામાં આવી છે.
ભવિષ્યની યોજનાઓ અને પડકારો
EHT પ્રોજેક્ટ સતત વિકસી રહ્યો છે. ૨૦૧૮ થી, ટેલિસ્કોપ નેટવર્ક ૮૭૦ μm (૩૪૫ GHz) ની તરંગલંબાઇ પર અવલોકન કરવાની ક્ષમતા ધરાવે છે, જે ૧૯ માઇક્રોઆર્કસેકન્ડનું રિઝોલ્યુશન આપે છે. આ અત્યાર સુધીનું કોઈપણ જમીન આધારિત ટેલિસ્કોપનું શ્રેષ્ઠ રિઝોલ્યુશન છે. ભવિષ્યમાં, વૈજ્ઞાનિકો આ નેટવર્કમાં વધુ ટેલિસ્કોપ્સ ઉમેરવાની અને ટૂંકી તરંગલંબાઇ પર અવલોકન કરવાની યોજના બનાવી રહ્યા છે જેથી બ્લેક હોલના 'વીડિયો' પણ બનાવી શકાય.
અવકાશ આધારિત VLBI (Space VLBI) પણ એક નવો માર્ગ ખોલી રહ્યું છે. રશિયાના સ્પેક્ટ્ર-આર (Spektr-R) જેવા ઉપગ્રહોએ પૃથ્વી પરના ટેલિસ્કોપ્સ સાથે મળીને કામ કર્યું છે, જેનાથી પૃથ્વીના વ્યાસ કરતા પણ મોટી બેઝલાઇન પ્રાપ્ત થઈ છે. આનાથી ૮ માઇક્રોઆર્કસેકન્ડ જેટલું સૂક્ષ્મ રિઝોલ્યુશન મેળવવું શક્ય બન્યું છે. જેમ જેમ વધુ ટેલિસ્કોપ્સ અને વધુ શક્તિશાળી અલ્ગોરિધમ્સ ઉમેરાતા જશે, તેમ તેમ બ્રહ્માંડના આ અંધકારમય રાક્ષસો વિશેની આપણી સમજ વધુ સ્પષ્ટ થતી જશે.
