અદૃશ્યની તસવીર: પૃથ્વી જેટલા વર્ચ્યુઅલ ટેલિસ્કોપથી બ્લેક હોલનું પ્રથમ ચિત્ર કેવી રીતે લેવાયું

વિશ્વના ખગોળશાસ્ત્ર અને ભૌતિકવિજ્ઞાનના ઇતિહાસમાં ૧૦ એપ્રિલ ૨૦૧૯નો દિવસ સુવર્ણ અક્ષરે અંકિત થઈ ગયો. દાયકાઓ સુધી જે અવકાશી પદાર્થ માત્ર ગણિતશાસ્ત્રીઓના જટિલ સમીકરણો અને સૈદ્ધાંતિક ભૌતિકવિજ્ઞાનના કાગળો પર અસ્તિત્વ ધરાવતો હતો, તેનું પ્રથમ વાસ્તવિક ચિત્ર માનવજાત સમક્ષ રજૂ થયું. આ પદાર્થ એટલે બ્લેક હોલ (black hole)—અવકાશમાં એટલું પ્રચંડ ગુરુત્વાકર્ષણ ધરાવતી રચના, જેના સકંજામાંથી પ્રકાશનું એક કિરણ પણ છટકી શકતું નથી. જ્યારે કોઈ પદાર્થમાંથી પ્રકાશ જ બહાર ન આવી શકે, ત્યારે તેનો ફોટોગ્રાફ કેવી રીતે લઈ શકાય તે વિજ્ઞાન જગતનો સૌથી મોટો સવાલ હતો.

આ અશક્ય લાગતા કાર્યને શક્ય બનાવ્યું હાર્વર્ડ યુનિવર્સિટીના વરિષ્ઠ એસ્ટ્રોફિઝિસિસ્ટ શેપ ડોલેમેન (Shep Doeleman) અને તેમના ૨૫૦ સાથી સંશોધકોની ટીમે. તેમણે સમગ્ર પૃથ્વી પર અલગ-અલગ ખંડોમાં પથરાયેલા રેડિયો ટેલિસ્કોપોને એકબીજા સાથે જોડીને ‘ઇવેન્ટ હોરાઇઝન ટેલિસ્કોપ’ (Event Horizon Telescope - EHT) નામનું એક અત્યંત વિશાળ વર્ચ્યુઅલ નેટવર્ક રચ્યું. આ વૈશ્વિક ઉપકરણની મદદથી પૃથ્વીથી લગભગ ૫૫ મિલિયન (૫.૫ કરોડ) પ્રકાશવર્ષ દૂર આવેલી મેસિયર ૮૭ (M87) ગેલેક્સીના કેન્દ્રમાં રહેલા અતિવિશાળ બ્લેક હોલની છબી લેવામાં આવી.

કલ્પનાથી ગણિત સુધી: બ્લેક હોલનો સૈદ્ધાંતિક ઇતિહાસ

બ્લેક હોલનો વિચાર સાપેક્ષતાવાદ કરતાં પણ જૂનો છે. ૧૭૮૪માં અંગ્રેજ ખગોળશાસ્ત્રી જ્હોન મિશેલ (John Michell) દ્વારા એક પત્રમાં ગણતરી રજૂ કરવામાં આવી હતી કે જો કોઈ તારાની ઘનતા સૂર્ય જેટલી જ હોય પરંતુ તેની ત્રિજ્યા સૂર્ય કરતાં ૫૦૦ ગણી વધારે હોય, તો તેની સપાટી પરથી છટકી જવાનો વેગ (escape velocity) પ્રકાશના વેગ કરતાં વધી જશે. પરિણામે, તેમાંથી કોઈ પ્રકાશ બહાર નહીં આવી શકે. ૧૭૯૬માં ફ્રેન્ચ વૈજ્ઞાનિક પિયરે-સિમોન લાપ્લાસ (Pierre-Simon Laplace) દ્વારા પણ સ્વતંત્ર રીતે આવો જ ખ્યાલ રજૂ કરવામાં આવ્યો હતો.

આધુનિક ભૌતિકશાસ્ત્રમાં આ વિષયને મજબૂત આધાર ૧૯૧૫માં મળ્યો, જ્યારે આલ્બર્ટ આઈન્સ્ટાઈને સામાન્ય સાપેક્ષતાવાદ (General Relativity) રજૂ કર્યો. આ સિદ્ધાંત મુજબ ગુરુત્વાકર્ષણ એ કોઈ પારંપરિક બળ નથી, પરંતુ દ્રવ્યમાન દ્વારા અવકાશ-સમય (spacetime) ના તાણાવાણામાં પડતો વળાંક છે. આઈન્સ્ટાઈનના સમીકરણો પ્રગટ થયાના થોડા જ મહિનાઓમાં, પ્રથમ વિશ્વયુદ્ધના મોરચે લડી રહેલા જર્મન ભૌતિકવિજ્ઞાની કાર્લ શ્વાર્ઝચાઈલ્ડ (Karl Schwarzschild) દ્વારા તેનો પ્રથમ સચોટ ઉકેલ શોધાયો. તેમણે દર્શાવ્યું કે જો કોઈ ચોક્કસ દ્રવ્યમાન એક અતિસૂક્ષ્મ સીમામાં સંકોચાઈ જાય, તો ત્યાં સમય અને અવકાશના સમીકરણો અનંત થઈ જાય છે. આ સીમાને પાછળથી શ્વાર્ઝચાઈલ્ડ ત્રિજ્યા (Schwarzschild radius) નામ આપવામાં આવ્યું.

શરૂઆતના દાયકાઓમાં આઈન્સ્ટાઈન અને આર્થર એડિંગ્ટન (Arthur Eddington) જેવા દિગ્ગજ વૈજ્ઞાનિકો માનતા હતા કે વાસ્તવિક પ્રકૃતિમાં આવો સંપૂર્ણ સંકોચન પામતો પદાર્થ અશક્ય છે. ૧૯૩૧માં ભારતીય વૈજ્ઞાનિક સુબ્રહ્મણ્યમ ચંદ્રશેખર (Subrahmanyan Chandrasekhar) દ્વારા દર્શાવાયું કે અમુક મર્યાદાથી વધુ વજન ધરાવતા તારાઓનું ગુરુત્વાકર્ષણ પતન ઇલેક્ટ્રોન દબાણથી રોકી શકાતું નથી. ત્યારબાદ ૧૯૩૯માં જે. રોબર્ટ ઓપનહાઇમર (J. Robert Oppenheimer) અને જ્યોર્જ વોલ્કોફ દ્વારા ન્યુટ્રોન તારાઓની મહત્તમ મર્યાદા નક્કી કરવામાં આવી, જેને TOV લિમિટ કહેવામાં આવે છે. એ જ વર્ષે ઓપનહાઇમર અને હાર્ટલેન્ડ સ્નાઇડરે દર્શાવ્યું કે ભારે તારાનું ગુરુત્વાકર્ષણ સંકોચન તેને પોતાની શ્વાર્ઝચાઈલ્ડ ત્રિજ્યાની અંદર ધકેલી દે છે.

૧૯૫૮માં ડેવિડ ફિન્કેલસ્ટેઈન (David Finkelstein) દ્વારા આ સીમાને ‘ઇવેન્ટ હોરાઇઝન’ (event horizon) એટલે કે ઘટના ક્ષિતિજ તરીકે ઓળખાવવામાં આવી. તેમણે તેને એક એવો ‘એકતરફી પટલ’ (unidirectional membrane) ગણાવ્યો જેની અંદર કોઈપણ ઘટના પ્રવેશી શકે છે, પરંતુ અંદર બનેલી કોઈ ઘટનાની અસર બહારની દુનિયા સુધી પહોંચી શકતી નથી. ૧૯૬૩માં રોય કેર (Roy Kerr) દ્વારા પરિભ્રમણ કરતા બ્લેક હોલનો સચોટ ગાણિતિક ઉકેલ શોધાયો. જોકે, આ તમામ સૈદ્ધાંતિક તારણો છતાં, બ્લેક હોલનું સીધું નિરીક્ષણ હજુ બાકી હતું.

તારાઓના મૃત્યુથી લઈને આકાશગંગાઓના હૃદય સુધી

ખગોળશાસ્ત્રમાં મુખ્યત્વે બે પ્રકારના બ્લેક હોલ જોવા મળે છે. પ્રથમ પ્રકાર છે સ્ટેલર-માસ બ્લેક હોલ (stellar-mass black holes), જે સૂર્ય કરતાં દસથી વીસ ગણા મોટા તારાઓના જીવનના અંતે સુપરનોવા (supernova) વિસ્ફોટ બાદ અંદરના ગર્ભના પતનથી બને છે. આપણી આકાશગંગામાં આવા લાખો બ્લેક હોલ હોઈ શકે છે. ૧૯૭૧ થી ૧૯૭૪ દરમિયાન ઓળખાયેલું Cygnus X-1 આવો જ એક એક્સ-રે બાઈનરી સ્ત્રોત હતો, જે માનવજાત દ્વારા સ્વીકારાયેલો સૌપ્રથમ મજબૂત બ્લેક હોલ ઉમેદવાર બન્યો હતો.

બીજો પ્રકાર છે સુપરમેસિવ બ્લેક હોલ (supermassive black holes). આ દાનવી કદના બ્લેક હોલ લાખો કે અબજો સૂર્ય જેટલું દ્રવ્યમાન ધરાવે છે અને તે લગભગ દરેક મોટી આકાશગંગાના કેન્દ્રમાં બિરાજે છે. આપણી પોતાની આકાશગંગા (Milky Way) ના કેન્દ્રમાં પણ સેજિટેરિયસ એ-સ્ટાર (Sagittarius A*) નામનો સુપરમેસિવ બ્લેક હોલ છે, જે આશરે ૪.૩ મિલિયન (૪૩ લાખ) સૂર્ય જેટલું દ્રવ્યમાન ધરાવે છે. વૈજ્ઞાનિકોએ રેડિયો તરંગો દ્વારા આકાશગંગાઓના કેન્દ્રમાંથી પ્રકાશની ઝડપે ફેંકાતા પ્રચંડ જેટ્સ (jets) જોયા હતા, જે ફક્ત સ્પિનિંગ સુપરમેસિવ બ્લેક હોલ દ્વારા જ શક્ય બને છે.

પૃથ્વી જેટલો મોટો કેમેરા: ઇવેન્ટ હોરાઇઝન ટેલિસ્કોપ

ભલે સુપરમેસિવ બ્લેક હોલ અત્યંત વિશાળ હોય, પરંતુ પૃથ્વીથી તેનું અતિશય અંતર જોતાં આકાશમાં તેનું દેખીતું કદ (angular size) અત્યંત નાનું દેખાય છે. શેપ ડોલેમેનના જણાવ્યા અનુસાર, M87 ગેલેક્સીના બ્લેક હોલને પૃથ્વી પરથી જોવો એ ચંદ્રની સપાટી પર પડેલા એક સફરજનની તસવીર લેવા સમાન છે. આટલું અતિસૂક્ષ્મ રિઝોલ્યુશન મેળવવા માટે ઓપ્ટિકલ ટેલિસ્કોપ પૂરતા નથી; તેના માટે પૃથ્વીના વ્યાસ જેટલા વિશાળ દર્પણવાળા ટેલિસ્કોપની જરૂર પડે.

ભૌતિક રીતે પૃથ્વી જેટલો મોટો ટેલિસ્કોપ બનાવવો અશક્ય હોવાથી વૈજ્ઞાનિકોએ વ્હેરી લોંગ બેઝલાઇન ઇન્ટરફેરોમેટ્રી (Very Long Baseline Interferometry - VLBI) પદ્ધતિનો ઉપયોગ કર્યો. હવાઈ, એરિઝોના, સ્પેન, ચિલી, મેક્સિકો અને દક્ષિણ ધ્રુવ (Antarctica) પર સ્થાપિત શક્તિશાળી રેડિયો ટેલિસ્કોપ્સને પરસ્પર જોડી દેવામાં આવ્યા. આ પદ્ધતિમાં સમગ્ર પૃથ્વી એક વિશાળ વર્ચ્યુઅલ ટેલિસ્કોપનું કામ કરે છે.

આ પ્રક્રિયા અત્યંત જટિલ હતી. દરેક ટેલિસ્કોપ મિલીમીટર તરંગલંબાઈ પર આકાશના તે ચોક્કસ બિંદુ તરફ કેન્દ્રિત કરવામાં આવ્યા. સમગ્ર ડેટાને પરમાણુ ઘડિયાળો (atomic clocks) ની મદદથી નેનોસેકન્ડના સ્તરે સિંક્રોનાઇઝ કરવામાં આવ્યો હતો. ટેલિસ્કોપ્સ દ્વારા એટલા વિશાળ પ્રમાણમાં ડેટા એકત્ર થયો કે તેને ઇન્ટરનેટ દ્વારા ટ્રાન્સફર કરવો અશક્ય હતો; તેથી હાર્ડ ડ્રાઇવ્સને સીધી વિમાન મારફતે સુપરકોમ્પ્યુટર્સ સુધી પહોંચાડવામાં આવી હતી.

પ્રકાશનું વલય અને અનંતનો પડછાયો: ચિત્રમાં શું દેખાય છે?

જ્યારે એપ્રિલ ૨૦૧૯માં પરિણામ સામે આવ્યું, ત્યારે આખી દુનિયાએ એક નારંગી રંગનું તેજસ્વી વલય અને તેની વચ્ચે એક કાળો ઘેરો જોયો. સામાન્ય માણસને સવાલ થાય કે જો બ્લેક હોલ કાળો છે, તો આ તેજસ્વી કડી શાની છે? હકીકતમાં, બ્લેક હોલ પોતાના અતિપ્રચંડ ગુરુત્વાકર્ષણને કારણે આસપાસના વાયુ અને પદાર્થને પોતાની તરફ ખેંચે છે. આ પદાર્થ બ્લેક હોલની આસપાસ એક ચક્રાકાર થાળી બનાવે છે, જેને એક્રીશન ડિસ્ક (accretion disk) કહે છે.

અતિશય ઘર્ષણ અને દબાણને કારણે આ વાયુ સેંકડો અબજ ડિગ્રી સુધી ગરમ થાય છે અને તેમાંથી પ્રચંડ પ્રકાશ ઉત્સર્જિત થાય છે. આઈન્સ્ટાઈનના સામાન્ય સાપેક્ષતાવાદ મુજબ, ગુરુત્વાકર્ષણ પ્રકાશના પથને વાંકો વાળી દે છે જેને ગ્રેવિટેશનલ લેન્સિંગ (gravitational lensing) કહે છે. બ્લેક હોલની પાછળ રહેલો પ્રકાશ પણ તેના ગુરુત્વાકર્ષણને કારણે વળીને આપણી તરફ આવે છે, જેનાથી એક સંપૂર્ણ તેજસ્વી રીંગ રચાય છે. કેન્દ્રમાં દેખાતો કાળો વિસ્તાર એ વાસ્તવમાં બ્લેક હોલનો ‘પડછાયો’ (shadow) છે, જે ઇવેન્ટ હોરાઇઝન કરતાં લગભગ અઢી ગણો મોટો દેખાય છે.

આ તસવીરમાં તેજસ્વી રીંગનો નીચેનો ભાગ વધુ ચમકતો દેખાય છે, જે ડોપ્લર બીમિંગ (Doppler beaming) અસર દર્શાવે છે. આ દર્શાવે છે કે એક્રીશન ડિસ્કનો પદાર્થ અત્યંત ઝડપે આપણી દિશામાં ફરી રહ્યો છે. પાછળથી વૈજ્ઞાનિકોએ આ જ બ્લેક હોલની ધ્રુવીભૂત પ્રકાશ (polarized light) વાળી છબી પણ મેળવી, જેણે બ્લેક હોલની ધાર પર રહેલા શક્તિશાળી ચુંબકીય ક્ષેત્રોની રચના જાહેર કરી.

સ્થિર તસવીરથી બ્લેક હોલના સિનેમા તરફ

ઇવેન્ટ હોરાઇઝન ટેલિસ્કોપનું આ કાર્ય માત્ર એક તસવીર લેવા પૂરતું સીમિત ન હતું. તેણે આઈન્સ્ટાઈનના સામાન્ય સાપેક્ષતાવાદને બ્રહ્માંડના સૌથી ચરમસીમા જેવા વાતાવરણમાં ચકાસીને સો ટકા સાચો સાબિત કર્યો. જો સામાન્ય સાપેક્ષતાવાદમાં સહેજ પણ ખામી હોત, તો આ પડછાયાનો આકાર ગોળાકાર ન રહેતાં વિકૃત થઈ ગયો હોત.

શેપ ડોલેમેન અને ક્વોન્ટા મેગેઝિનના સંવાદ મુજબ, ખગોળવિજ્ઞાન હવે આગલા તબક્કામાં પ્રવેશી રહ્યું છે. વૈજ્ઞાનિકો આગામી સમયમાં ટેલિસ્કોપ નેટવર્કમાં વધુ નવી વેધશાળાઓ ઉમેરી રહ્યા છે. ડોલેમેનના જણાવ્યા અનુસાર, ૨૦૩૦ના દાયકાની શરૂઆત સુધીમાં વૈજ્ઞાનિકો બ્લેક હોલના માત્ર સ્થિર ફોટોગ્રાફ જ નહીં, પરંતુ તેની આસપાસ ઘૂમતા પદાર્થ અને નીકળતા જેટ્સના રીઅલ-ટાઇમ વીડિયો (movies) પણ રેકોર્ડ કરી શકશે. સદીઓ પહેલાં માત્ર કલ્પનામાં રહેલો બ્રહ્માંડનો આ સૌથી અંધકારમય ખૂણો હવે માનવ બુદ્ધિ અને ટેકનોલોજીના પ્રતાપે વિજ્ઞાનની ખુલ્લી કિતાબ બની રહ્યો છે.