અવકાશના તાણાવાણામાં ધ્રુજારી: ગુરુત્વાકર્ષણ તરંગોનું વિજ્ઞાન અને બ્રહ્માંડને સાંભળવાની નવી બારી
આલ્બર્ટ આઈન્સ્ટાઈનની સદી જૂની આગાહીથી લઈને લિગો પ્રયોગશાળાની અદભુત શોધ સુધી, ગુરુત્વાકર્ષણ તરંગોએ ખગોળશાસ્ત્રની દિશા કેવી રીતે બદલી નાખી તેની ઊંડી ગાથા.
આપણા બ્રહ્માંડને નિહાળવા માટે માનવજાત સદીઓથી માત્ર પ્રકાશ અને વિદ્યુતચુંબકીય તરંગો (electromagnetic waves) પર નિર્ભર હતી. ટેલિસ્કોપ દ્વારા તારાઓ અને આકાશગંગાઓને જોવા એ બ્રહ્માંડને 'જોવા' સમાન હતું, પરંતુ વર્ષ ૨૦૧૫માં વિજ્ઞાનજગતે એક એવી ક્રાંતિ જોઈ જેણે માનવજાતને બ્રહ્માંડનો અવાજ 'સાંભળવાની' ક્ષમતા આપી. જ્યારે અવકાશમાં બે અતિ વિશાળ બ્લેક હોલ એકબીજાની આસપાસ પ્રચંડ વેગથી ભ્રમણ કરીને એકબીજામાં વિલીન થયા, ત્યારે તેમનાથી સ્પેસટાઇમ એટલે કે દેશકાળના તાણાવાણામાં સૂક્ષ્મ લહેરો ઉત્પન્ન થઈ હતી. આ લહેરોને ગુરુત્વાકર્ષણ તરંગો (gravitational waves) કહેવામાં આવે છે, જે પ્રકાશની ગતિએ સમગ્ર વિશ્વમાં ફેલાય છે.
આલ્બર્ટ આઈન્સ્ટાઈને વર્ષ ૧૯૧૫માં રજૂ કરેલા સામાન્ય સાપેક્ષતાવાદના સિદ્ધાંત (General Theory of Relativity) દ્વારા દર્શાવ્યું હતું કે ગુરુત્વાકર્ષણ એ કોઈ પારંપરિક બળ નથી, પરંતુ વિશાળ દ્રવ્યમાનને કારણે દેશકાળના વળાંક (spacetime curvature)નું પરિણામ છે. જ્યારે કોઈ પ્રચંડ દ્રવ્યમાન ધરાવતો પદાર્થ અસમાન ગતિથી પ્રવેગિત થાય છે, ત્યારે તે સ્પેસટાઇમના ફેબ્રિકમાં વિક્ષોભ પેદા કરે છે. ન્યૂટનના ગુરુત્વાકર્ષણના નિયમમાં ગુરુત્વાકર્ષણની અસર ત્વરિત માનવામાં આવતી હતી અને તેમાં આવા કોઈ તરંગોની શક્યતા નહોતી, તેથી આ તરંગો સાપેક્ષતાવાદી ભૌતિકશાસ્ત્રની એક અનન્ય અને અસાધારણ ઘટના છે.
સૈદ્ધાંતિક વિવાદોથી પ્રાયોગિક પુરાવા સુધીની સફર
ગુરુત્વાકર્ષણ તરંગોનો ઈતિહાસ રોમાંચક વળાંકોથી ભરેલો રહ્યો છે. વર્ષ ૧૮૯૩માં ઓલિવર હેવિસાઇડે અને ૧૯૦૫માં હેનરી પોઈનકેરેએ સૌપ્રથમ વિચાર વ્યક્ત કર્યો હતો કે જો વિદ્યુતભાર પ્રવેગિત થવાથી ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગો બને છે, તો પ્રવેગિત દ્રવ્યમાનથી પણ તરંગો સર્જાવા જોઈએ. આઈન્સ્ટાઈને ૧૯૧૬માં ગાણિતિક ગણતરીઓ કરીને દર્શાવ્યું કે આવા તરંગો પ્રકાશની ઝડપે ગતિ કરવા જોઈએ. જોકે, પાછળથી ૧૯૩૬માં આઈન્સ્ટાઈન અને નાથન રોઝને એક સંશોધનપત્ર લખીને એવો દાવો કર્યો કે આવા તરંગો વાસ્તવમાં અસ્તિત્વ ધરાવી શકતા નથી કારણ કે સમીકરણોમાં અસામાન્ય ગાણિતિક અનંતતાઓ જોવા મળતી હતી. પરંતુ પીઅર રિવ્યુ દરમિયાન હોવર્ડ પી. રોબર્ટસને સાબિત કર્યું કે આ મુશ્કેલી માત્ર કોઓર્ડિનેટ સિસ્ટમની પસંદગીની ખામી હતી, કોઈ ભૌતિક અવરોધ નહોતો.
આ તરંગો વાસ્તવિક ઊર્જાનું વહન કરે છે કે નહીં તે પ્રશ્નનો ઉકેલ ૧૯૫૭માં રિચાર્ડ ફેનમેને તેમની પ્રખ્યાત 'સ્ટીકી બીડ આર્ગ્યુમેન્ટ' (sticky bead argument) દ્વારા આપ્યો હતો. તેમણે તર્ક આપ્યો કે જો કોઈ સળિયા પર બે મણકા મુક્ત રીતે સરકી શકે તેમ હોય, તો ગુરુત્વાકર્ષણ તરંગ પસાર થતી વખતે મણકા વચ્ચે ઘર્ષણ થશે અને ઉષ્મા પેદા થશે, જે સાબિત કરે છે કે તરંગો યાંત્રિક કાર્ય કરે છે અને ઊર્જા ધરાવે છે. ૧૯૬૦ના દાયકામાં જોસેફ વેબરે એલ્યુમિનિયમના વિશાળ સિલિન્ડર (વેબર બાર્સ) બનાવીને તેમને પકડવાનો દાવો કર્યો હતો, પરંતુ વિશ્વભરની અન્ય પ્રયોગશાળાઓ તે પરિણામોનું પુનરાવર્તન કરી શકી નહીં.
આ તરંગોનું પ્રથમ પરોક્ષ પ્રમાણ વર્ષ ૧૯૭૪માં મળ્યું, જ્યારે રસેલ એલન હલ્સ અને જોસેફ હૂટન ટેલર જુનિયરે 'હલ્સ-ટેલર બાઈનરી પલ્સર' (PSR 1913+16) નામની બે ન્યુટ્રોન તારાઓની જોડી શોધી કાઢી. સામાન્ય સાપેક્ષતાના સિદ્ધાંત મુજબ ગુરુત્વાકર્ષણ તરંગો ઉત્સર્જિત થવાને કારણે આ તારાઓની ભ્રમણકક્ષા ધીમે ધીમે સંકોચાઈ રહી હતી. વર્ષોના અવલોકનો દર્શાવતા હતા કે તેમની કક્ષાનો ક્ષય આઈન્સ્ટાઈનની ગણતરીઓ સાથે અદ્ભુત રીતે મેળ ખાતો હતો, જેના માટે હલ્સ અને ટેલરને ૧૯૯૩નું ભૌતિકશાસ્ત્રનું નોબેલ પારિતોષિક એનાયત કરવામાં આવ્યું હતું.
ગુરુત્વાકર્ષણ તરંગોનું કાર્ય અને વિશિષ્ટતાઓ
જ્યારે કોઈ ગુરુત્વાકર્ષણ તરંગ અવકાશમાંથી પસાર થાય છે, ત્યારે તે મુક્ત પતન પામતા પદાર્થો વચ્ચેના અંતરમાં ફેરફાર કરે છે. આ તરંગો સ્પેસટાઇમને એક દિશામાં ખેંચે છે (stretch) અને તેની લંબ દિશામાં સંકોચે છે (squeeze). આ અસરની તીવ્રતા સ્ત્રોતથી અંતરના વ્યસ્ત પ્રમાણમાં ઘટે છે, અંતરના વર્ગના પ્રમાણમાં નહીં. જોકે, પૃથ્વીથી આ ખગોળીય સ્ત્રોતો કરોડો અબજો પ્રકાશવર્ષ દૂર હોવાથી, અહીં પહોંચતી વખતે આ તરંગોની અસર અત્યંત નહિવત થઈ જાય છે.
પૃથ્વી પર આવા તરંગોને કારણે પેદા થતો વિકૃતિ દર એટલે કે સ્ટ્રેન (strain: અંતરમાં થતો સાપેક્ષ ફેરફાર) ૧૦ની ૨૦મી ઘાતમાં એક ભાગ કરતાં પણ ઓછો હોય છે. ગુરુત્વાકર્ષણ તરંગો શૂન્યાવકાશમાં બરાબર પ્રકાશની ગતિ (c)થી પ્રવાસ કરે છે. ઓગસ્ટ ૨૦૧૭માં લિગો અને વર્ગો દ્વારા નોંધાયેલી GW170817 ઘટનામાં, ૧૩ કરોડ પ્રકાશવર્ષ દૂર સ્થિત NGC 4993 ગેલેક્સીમાંથી ઉત્સર્જિત થયેલા ગુરુત્વાકર્ષણ તરંગો અને ગામા-રે કિરણો પૃથ્વી પર લગભગ એકસાથે પહોંચ્યા હતા. આ માપણીએ પ્રાયોગિક રીતે સાબિત કર્યું કે પ્રકાશની ગતિ અને ગુરુત્વાકર્ષણ તરંગોની ગતિ વચ્ચેનો તફાવત ૧૦ની ૧૫મી ઘાતમાં એક ભાગ કરતાં પણ ઓછો છે.
- વિશાળ પિંડોનું પ્રવેગિત ભ્રમણબે બ્લેક હોલ અથવા ન્યુટ્રોન તારાઓ એકબીજાની અત્યંત નજીક આવીને પ્રચંડ ગતિથી ભ્રમણ કરે છે.
- દેશકાળમાં લહેરોનું ઉત્સર્જનઆ પ્રવેગિત ગતિને લીધે સ્પેસટાઇમના તાણાવાણામાં વિક્ષોભ પેદા થાય છે જે પ્રકાશની ઝડપે બહાર ફેલાય છે.
- પૃથ્વી પર તરંગનું આગમનઅબજો પ્રકાશવર્ષનું અંતર કાપીને તરંગો પૃથ્વી પર પહોંચે છે, ત્યારે તેમની અસર અતિશય સૂક્ષ્મ હોય છે.
- લેસર ઇન્ટરફેરોમીટરમાં વિકૃતિની નોંધણીલિગોના લંબરૂપ આર્મ્સમાંથી પસાર થતા લેસર કિરણોના વ્યતિકરણમાં થતા અત્યંત નાના ફેરફારથી સિગ્નલ પકડાય છે.
લિગો: માનવ ઇતિહાસનું સૌથી સંવેદનશીલ યંત્ર
ગુરુત્વાકર્ષણ તરંગોને પકડવા માટે લેસર ઇન્ટરફેરોમીટર ગ્રેવિટેશનલ-વેવ ઓબ્ઝર્વેટરી એટલે કે લિગો (LIGO)ની રચના કરવામાં આવી હતી. યુનાઈટેડ સ્ટેટ્સની નેશનલ સાયન્સ ફાઉન્ડેશન (NSF) દ્વારા ભંડોળ પૂરું પાડવામાં આવેલો આ અત્યાર સુધીનો સૌથી મોટો પ્રોજેક્ટ છે. ૧૯૮૦ અને ૧૯૯૦ના દાયકામાં કેલટેક અને એમઆઈટીના વૈજ્ઞાનિકો રૈનર વાઈસ, કિપ થોર્ન અને બેરી બેરીશના નેતૃત્વ હેઠળ આ સાહસ શરૂ થયું. ૧૯૯૪માં બેરી બેરીશના ડિરેક્ટર બન્યા બાદ પ્રોજેક્ટને નવું માળખું મળ્યું અને હેનફોર્ડ (વોશિંગ્ટન) તથા લિવિંગ્સ્ટન (લ્યુઇસિયાના) ખાતે બે વેધશાળાઓ બાંધવામાં આવી.
લિગો ડિટેક્ટર અંગ્રેજી અક્ષર 'L' આકારની ૪ કિલોમીટર લાંબી બે નિર્વાત પાઈપો ધરાવે છે. લેસર કિરણને બીમ સ્પ્લિટર વડે બે ભાગમાં વિભાજીત કરીને બંને બાજુ મોકલવામાં આવે છે, જ્યાં છેડે મુકેલા અતિ સચોટ અરીસાઓથી અથડાઈને પ્રકાશ પાછો ફરે છે. સામાન્ય સ્થિતિમાં બંને કિરણો એકબીજાના તરંગોને રદ કરી દે છે. પરંતુ જ્યારે કોઈ ગુરુત્વાકર્ષણ તરંગ પસાર થાય છે, ત્યારે એક આર્મ લંબાય છે અને બીજી સંકોચાય છે, જેના કારણે લેસર કિરણોના આગમન સમયમાં અત્યંત સૂક્ષ્મ તફાવત સર્જાય છે.
આ ઉપકરણ પ્રોટોનના કદના દસ હજારમા ભાગ કરતાં પણ નાના અંતરના ફેરફારને માપી શકે છે. મૂળ લિગો ૨૦૦૨ થી ૨૦૧૦ સુધી કાર્યરત હતું પરંતુ તેમાં કોઈ તરંગો પકડાયા નહોતા. ત્યારબાદ ૨૦ કરોડ ડોલરના ખર્ચે તેને 'એડવાન્સ્ડ લિગો'માં અપગ્રેડ કરવામાં આવ્યું, જેની કુલ કિંમત ૬૨ કરોડ ડોલર થઈ ગઈ. ૧૪ સપ્ટેમ્બર ૨૦૧૫ના રોજ, ૧.૩ અબજ પ્રકાશવર્ષ દૂર બે બ્લેક હોલના વિલીનીકરણથી પેદા થયેલા પ્રથમ ગુરુત્વાકર્ષણ તરંગની ઐતિહાસિક સીધી શોધ થઈ. આ સીમાચિહ્નરૂપ સિદ્ધિ માટે વર્ષ ૨૦૧૭નું નોબેલ પારિતોષિક રૈનર વાઈસ, કિપ થોર્ન અને બેરી બેરીશને સંયુક્ત રીતે એનાયત કરવામાં આવ્યું.
અવલોકન તબક્કા અને પ્રભાવશાળી આંકડા
લિગો તેના નિરીક્ષણો અલગ-અલગ તબક્કાઓ એટલે કે 'રન્સ' (runs)માં કરે છે. પ્રથમ રન O1 સપ્ટેમ્બર ૨૦૧૫ થી જાન્યુઆરી ૨૦૧૬ સુધી ચાલ્યો હતો, જેમાં ૩ બ્લેક હોલ મર્જર નોંધાયા હતા. બીજો રન O2 નવેમ્બર ૨૦૧૬ થી ઓગસ્ટ ૨૦૧૭ દરમિયાન ચાલ્યો, જેમાં સાત બ્લેક હોલ અને પ્રથમ વખત બે ન્યુટ્રોન તારાઓનું વિલીનીકરણ પકડાયું. ત્રીજો રન O3 એપ્રિલ ૨૦૧૯ થી માર્ચ ૨૦૨૦ સુધી ચાલ્યો હતો, જેમાં ન્યુટ્રોન તારા અને બ્લેક હોલના પ્રથમ સંયુક્ત મર્જરની શોધ થઈ.
| ઓબ્ઝર્વેશન રન | સમયગાળો | નોંધાયેલી મુખ્ય ઘટનાઓ |
|---|---|---|
| O1 | ૧૨ સપ્ટેમ્બર ૨૦૧૫ – ૧૯ જાન્યુઆરી ૨૦૧૬ | ૩ ઘટનાઓ (તમામ બ્લેક હોલ મર્જર) |
| O2 | ૩૦ નવેમ્બર ૨૦૧૬ – ૨૫ ઓગસ્ટ ૨૦૧૭ | ૮ ઘટનાઓ (૭ બ્લેક હોલ અને ૧ ન્યુટ્રોન તારા મર્જર) |
| O3 | ૧ એપ્રિલ ૨૦૧૯ – ૨૭ માર્ચ ૨૦૨૦ | પ્રથમ ન્યુટ્રોન તારા-બ્લેક હોલ મર્જર સહિત અનેક ઘટનાઓ |
| O4 | ૨૪ મે ૨૦૨૩ – ૧૮ નવેમ્બર ૨૦૨૫ | ૨૫૦ ઉમેદવારો પૈકી ૭૭ પુષ્ટિ થયેલ અને ૧૭૩ વિશ્લેષણ હેઠળ |
ચોથો રન O4 મે ૨૦૨૩ થી નવેમ્બર ૨૦૨૫ સુધી ચાલ્યો હતો. ફેબ્રુઆરી ૨૦૨૬ સુધીના ડેટા મુજબ, લિગો દ્વારા કુલ ૩૯૧ ગુરુત્વાકર્ષણ તરંગોની ઘટનાઓ નોંધવામાં આવી છે. O4 રન દરમિયાન કુલ ૨૫૦ સંભવિત ઉમેદવાર સંકેતો મળ્યા હતા, જેમાંથી ૭૭ ઘટનાઓની પુષ્ટિ થઈ ચૂકી છે અને બાકીની ૧૭૩ વિશ્લેષણ હેઠળ છે.
આંતરરાષ્ટ્રીય સ્તરે લિગો સાથે ઇટાલીનું ૩ કિલોમીટર લાંબુ 'વર્ગો' (Virgo) ડિટેક્ટર અને જાપાનનું 'કાગ્રા' (KAGRA) ડિટેક્ટર પણ જોડાયેલા છે. O4 રન દરમિયાન બાઈનરી ન્યુટ્રોન સ્ટાર મર્જર માટે વિવિધ ડિટેક્ટર્સની સંવેદનશીલતા ઘણી અલગ રહી હતી.
ગુરુત્વાકર્ષણ ખગોળશાસ્ત્રનું વૈશ્વિક અને ભારતીય મહત્વ
ગુરુત્વાકર્ષણ તરંગો સામાન્ય પ્રકાશ કરતાં તદ્દન અલગ છે કારણ કે તે માર્ગમાં આવતા કોઈપણ પદાર્થ, ધૂળના વાદળો કે વાયુઓ દ્વારા રોકાતા કે શોષાતા નથી. આ વિશિષ્ટ ગુણધર્મને કારણે ખગોળશાસ્ત્રીઓ સુપરનોવા, સફેદ વામન તારાઓ (white dwarfs), ન્યુટ્રોન તારાઓ અને બ્લેક હોલની એવી ઘટનાઓનો અભ્યાસ કરી શકે છે જે ઓપ્ટિકલ કે રેડિયો ટેલિસ્કોપ માટે અદ્રશ્ય છે. એટલું જ નહીં, બિગ બેંગ પછીના શરૂઆતના સમયમાં બ્રહ્માંડ પ્રકાશ માટે અપારદર્શક હતું, પરંતુ ગુરુત્વાકર્ષણ તરંગો દ્વારા બ્રહ્માંડની ઉત્પત્તિના તે શરૂઆતના રહસ્યો પણ ઉકેલી શકાશે.
ખૂબ જ ઓછી આવૃત્તિવાળા તરંગોને પકડવા માટે 'પલ્સર ટાઈમિંગ એરે' (pulsar timing arrays) પદ્ધતિ વપરાય છે, જેમાં આપણી આકાશગંગાના આશરે ૧૦૦ જેટલા પલ્સર્સના સિગ્નલોના સમયનું વર્ષો સુધી નિરીક્ષણ કરવામાં આવે છે. સ્ટીફન હોકિંગ અને વર્નર ઇઝરાયેલના જણાવ્યા અનુસાર, ૧૦ની ઋણ ૭ ઘાત હર્ટ્ઝથી લઈને ૧૦ની ૧૧ ઘાત હર્ટ્ઝ સુધીની વિવિધ ફ્રીક્વન્સી ધરાવતા ગુરુત્વાકર્ષણ તરંગો શોધી શકાય છે.
ભવિષ્યમાં યુરોપિયન સ્પેસ એજન્સી દ્વારા અવકાશ આધારિત 'લિસા' (LISA) વેધશાળા અને યુરોપમાં જમીન પર 'આઈન્સ્ટાઈન ટેલિસ્કોપ' વિકસાવવામાં આવી રહ્યા છે. સમગ્ર વિશ્વમાં વધુ ડિટેક્ટર્સ હોવાથી આકાશમાં ઘટનાનું ચોક્કસ સ્થાન શોધવામાં સરળતા રહે છે. ભારતમાં પણ લિગો-ઈન્ડિયા પ્રોજેક્ટ આ વૈશ્વિક નેટવર્કનો મહત્વપૂર્ણ હિસ્સો બનવા જઈ રહ્યો છે, જે ભારતીય વિજ્ઞાન અને એન્જિનિયરિંગ ક્ષમતાઓને વૈશ્વિક ફલક પર નવી ઊંચાઈ આપશે. ગુરુત્વાકર્ષણ તરંગોની શોધ એ માત્ર જૂના સિદ્ધાંતોની ચકાસણી નથી, પરંતુ બ્રહ્માંડના અજ્ઞાત ખૂણાઓને ખુલ્લા કરતી એક સંપૂર્ણપણે નવી આંખ અને કાન છે.
