अंतरिक्ष के ताने-बाने में कंपन: गुरुत्वाकर्षण तरंगों का विज्ञान और ब्रह्मांड को सुनने की नई खिड़की
अल्बर्ट आइंस्टीन की सदी पुरानी भविष्यवाणी से लेकर लिगो प्रयोगशाला की अद्भुत खोज तक, गुरुत्वाकर्षण तरंगों ने खगोल विज्ञान की दिशा कैसे बदल दी, इसकी गहरी गाथा।
हमारे ब्रह्मांड को निहारने के लिए मानवजाति सदियों से केवल प्रकाश और विद्युतचुंबकीय तरंगों (electromagnetic waves) पर निर्भर थी। टेलिस्कोप द्वारा तारों और आकाशगंगाओं को देखना ब्रह्मांड को 'देखने' समान था, परंतु वर्ष २०१५ में विज्ञान जगत ने एक ऐसी क्रांति देखी जिसने मानवजाति को ब्रह्मांड की आवाज़ 'सुनने' की क्षमता दी। जब अंतरिक्ष में दो अति विशाल ब्लैक होल एक-दूसरे के आस-पास प्रचंड वेग से भ्रमण करके एक-दूसरे में विलीन हुए, तब उनसे स्पेसटाइम यानी देशकाल के ताने-बाने में सूक्ष्म लहरें उत्पन्न हुई थीं। इन लहरों को गुरुत्वाकर्षण तरंगें (gravitational waves) कहा जाता है, जो प्रकाश की गति से संपूर्ण विश्व में फैलती हैं।
अल्बर्ट आइंस्टाइन ने वर्ष १९१५ में प्रस्तुत किए गए सामान्य सापेक्षतावाद के सिद्धांत (General Theory of Relativity) द्वारा दर्शाया था कि गुरुत्वाकर्षण कोई पारंपरिक बल नहीं है, परंतु विशाल द्रव्यमान के कारण देशकाल के वक्र (spacetime curvature) का परिणाम है। जब कोई प्रचंड द्रव्यमान रखने वाला पदार्थ असमान गति से त्वरित होता है, तब वह स्पेसटाइम के फैब्रिक में विक्षोभ पैदा करता है। न्यूटन के गुरुत्वाकर्षण के नियम में गुरुत्वाकर्षण का प्रभाव त्वरित माना जाता था और उसमें ऐसी किसी तरंग की संभावना नहीं थी, इसलिए ये तरंगें सापेक्षतावादी भौतिकी की एक अनन्य और असाधारण घटना हैं।
सैद्धांतिक विवादों से प्रायोगिक प्रमाणों तक की यात्रा
गुरुत्वाकर्षण तरंगों का इतिहास रोमांचक मोड़ों से भरा रहा है। वर्ष १८९३ में ओलिवर हेविसाइड और १९०५ में हेनरी पॉइन्कारे ने सर्वप्रथम विचार व्यक्त किया था कि यदि विद्युत आवेश के त्वरित होने से इलेक्ट्रोमैग्नेटिक तरंगें बनती हैं, तो त्वरित द्रव्यमान से भी तरंगें सृजित होनी चाहिए। आइंस्टाइन ने १९१६ में गणितीय गणनाएँ करके दर्शाया कि ऐसी तरंगें प्रकाश की गति से गति करनी चाहिए। हालाँकि, बाद में १९३६ में आइंस्टाइन और नाथन रोज़ेन ने एक शोधपत्र लिखकर ऐसा दावा किया कि ऐसी तरंगें वास्तव में अस्तित्व नहीं रख सकती हैं क्योंकि समीकरणों में असाधारण गणितीय अनंतताएँ देखने को मिलती थीं। परंतु पीयर रिव्यू के दौरान हावर्ड पी. रॉबर्टसन ने साबित किया कि यह कठिनाई केवल कोऑर्डिनेट सिस्टम की पसंद की त्रुटि थी, कोई भौतिक बाधा नहीं थी।
ये तरंगें वास्तविक ऊर्जा का वहन करती हैं या नहीं, इस प्रश्न का हल १९५७ में रिचर्ड फेनमैन ने अपने प्रसिद्ध 'स्टीकी बीड आर्ग्यूमेंट' (sticky bead argument) द्वारा दिया था। उन्होंने तर्क दिया कि यदि किसी छड़ पर दो मनके स्वतंत्र रूप से सरक सकें, तो गुरुत्वाकर्षण तरंग के गुज़रते समय मनकों के बीच घर्षण होगा और ऊष्मा पैदा होगी, जो साबित करती है कि तरंगें यांत्रिक कार्य करती हैं और ऊर्जा रखती हैं। १९६० के दशक में जोसेफ वेबर ने एल्युमिनियम के विशाल सिलिंडर (वेबर बार्स) बनाकर उन्हें पकड़ने का दावा किया था, परंतु विश्वभर की अन्य प्रयोगशालाएँ उन परिणामों की पुनरावृत्ति नहीं कर सकीं।
इन तरंगों का प्रथम परोक्ष प्रमाण वर्ष १९७४ में मिला, जब रसेल एलन हल्स और जोसेफ हूटन टेलर जूनियर ने 'हल्स-टेल्टर बाइनरी पल्सर' (PSR 1913+16) नामक दो न्यूट्रॉन तारों की जोड़ी खोज निकाली। सामान्य सापेक्षता के सिद्धांत के अनुसार गुरुत्वाकर्षण तरंगें उत्सर्जित होने के कारण इन तारों की भ्रमण कक्षा धीरे-धीरे संकुचित हो रही थी। वर्षों के अवलोकनों दर्शाते थे कि उनकी कक्षा का क्षय आइंस्टाइन की गणनाओं के साथ अद्भुत रूप से मेल खाता था, जिसके लिए हल्स और टेलर को १९९३ का भौतिकशास्त्र का नोबेल पुरस्कार प्रदान किया गया था।
गुरुत्वाकर्षण तरंगों का कार्य और विशिष्टताएँ
जब कोई गुरुत्वाकर्षण तरंग अवकाश से गुजरती है, तब वह मुक्त पतन प्राप्त करने वाले पदार्थों के बीच के अंतर में परिवर्तन करती है। ये तरंगें स्पेसटाइम को एक दिशा में खींचती हैं (stretch) और उसकी लंब दिशा में संकुचित करती हैं (squeeze)। इस असर की तीव्रता स्रोत से दूरी के व्युत्क्रम प्रमाण में घटती है, दूरी के वर्ग के प्रमाण में नहीं। हालांकि, पृथ्वी से ये खगोलीय स्रोत करोड़ों-अरबों प्रकाशवर्ष दूर होने के कारण, यहाँ पहुँचते समय इन तरंगों का असर अत्यंत नगण्य हो जाता है।
पृथ्वी पर ऐसी तरंगों के कारण पैदा होने वाला विकृति दर यानी स्ट्रेन (strain: अंतर में होने वाला सापेक्ष परिवर्तन) १० की २०वीं घात में एक हिस्से से भी कम होता है। गुरुत्वाकर्षण तरंगें शून्यावकाश में बिल्कुल प्रकाश की गति (c) से प्रवास करती हैं। अगस्त २०१७ में लिगो और वर्गो द्वारा दर्ज की गई GW170817 घटना में, १३ करोड़ प्रकाशवर्ष दूर स्थित NGC 4993 गैलेक्सी से उत्सर्जित हुए गुरुत्वाकर्षण तरंगें और गामा-रे किरणें पृथ्वी पर लगभग एकसाथ पहुँची थीं। इस माप ने प्रायोगिक रूप से साबित किया कि प्रकाश की गति और गुरुत्वाकर्षण तरंगों की गति के बीच का अंतर १० की १५वीं घात में एक हिस्से से भी कम है।
- विशाल पिंडों का त्वरित भ्रमणदो ब्लैक होल या न्यूट्रॉन तारों एक-दूसरे के अत्यंत करीब आकर प्रचंड गति से भ्रमण करते हैं।
- देशकाल में लहरों का उत्सर्जनइस त्वरित गति के कारण स्पेसटाइम के ताने-बाने में विक्षोभ पैदा होता है जो प्रकाश की गति से बाहर फैलता है।
- पृथ्वी पर तरंग का आगमनअरबों प्रकाशवर्ष की दूरी तय करके तरंगें पृथ्वी पर पहुंचती हैं, तब उनका प्रभाव अति सूक्ष्म होता है।
- लेजर इंटरफेरोमीटर में विकृति की नोंदणीलिगो के लंबवत आर्म्स से गुजरने वाले लेजर किरणों के व्यतिकरण में होने वाले अत्यंत छोटे बदलाव से सिग्नल पकड़ा जाता है।
लिगो: मानव इतिहास का सबसे संवेदनशील यंत्र
गुरुत्वाकर्षण तरंगों को पकड़ने के लिए लेज़र इंटरफेरोमीटर ग्रेविटेशनल-वेव ऑब्जर्वेटरी यानी लिगो (LIGO) की रचना की गई थी। यूनाइटेड स्टेट्स की नेशनल साइंस फाउंडेशन (NSF) द्वारा फंड उपलब्ध कराया गया यह अब तक का सबसे बड़ा प्रोजेक्ट है। १९८० और १९९० के दशक में कैलटेक और एमआईटी के वैज्ञानिकों रैनर वाइस, किप थोर्न और बैरी बैरिश के नेतृत्व में यह साहस शुरू हुआ। १९९४ में बैरी बैरिश के डायरेक्टर बनने के बाद प्रोजेक्ट को नया ढांचा मिला और हैनफोर्ड (वाशिंगटन) तथा लिविंग्स्टन (लूईसियाना) में दो वेधशालाएँ बनाई गईं।
लिगो डिटेक्टर अंग्रेजी अक्षर 'L' आकार की ४ किलोमीटर लंबी दो निर्वात पाइपों से युक्त है। लेज़र किरण को बीम स्प्लिटर से दो भागों में विभाजित करके दोनों तरफ भेजा जाता है, जहाँ छोर पर रखे अति सटीक दर्पणों से टकराकर प्रकाश वापस लौटता है। सामान्य स्थिति में दोनों किरणें एक-दूसरे की तरंगों को रद्द कर देती हैं। परंतु जब कोई गुरुत्वाकर्षण तरंग गुजरती है, तब एक आर्म लंबी होती है और दूसरी संकुचित होती है, जिसके कारण लेज़र किरणों के आगमन के समय में अत्यंत सूक्ष्म अंतर पैदा होता है।
यह उपकरण प्रोटॉन के आकार के दस हज़ारवें भाग से भी छोटे अंतर के बदलाव को माप सकता है। मूल लाइगो २००२ से २०१० तक कार्यरत् था लेकिन उसमें कोई तरंगें पकड़ी नहीं गई थीं। इसके बाद २० करोड़ डॉलर के ख़र्च से इसे 'एडवांस्ड लाइगो' में अपग्रेड किया गया, जिसकी कुल लागत ६२ करोड़ डॉलर हो गई। १४ सितंबर २०१५ के दिन, १.३ अरब प्रकाश वर्ष दूर दो ब्लैक होल के विलीन होने से पैदा हुए पहले गुरुत्वाकर्षण तरंग की ऐतिहासिक सीधी खोज हुई। इस मील के पत्थर जैसी उपलब्धि के लिए वर्ष २०१७ का नोबेल पुरस्कार रैनर वाइस, किप थॉर्न और बैरी बैरिश को संयुक्त रूप से प्रदान किया गया।
अवलोकन चरण और प्रभावशाली आँकड़े
लाइगो अपने प्रेक्षण अलग-अलग चरणों यानी 'रन्स' (runs) में करता है। पहला रन O1 सितंबर २०१५ से जनवरी २०१६ तक चला था, जिसमें ३ ब्लैक होल मर्जर दर्ज किए गए थे। दूसरा रन O2 नवंबर २०१६ से अगस्त २०१७ के दौरान चला, जिसमें सात ब्लैक होल और पहली बार दो न्यूट्रॉन तारों का विलीन होना पकड़ा गया। तीसरा रन O3 अप्रैल २०१९ से मार्च २०२० तक चला था, जिसमें न्यूट्रॉन तारे और ब्लैक होल के पहले संयुक्त मर्जर की खोज हुई।
| ऑब्जर्वेशन रन | समयावधि | नोंद की गई मुख्य घटनाएं |
|---|---|---|
| O1 | 12 सितंबर 2015 – 19 जनवरी 2016 | 3 घटनाएं (तमाम ब्लैक होल मर्जर) |
| O2 | 30 नवंबर 2016 – 25 अगस्त 2017 | 8 घटनाएं (7 ब्लैक होल और 1 न्यूट्रॉन तारा मर्जर) |
| O3 | 1 अप्रैल 2019 – 27 मार्च 2020 | प्रथम न्यूट्रॉन तारा-ब्लैक होल मर्जर सहित अनेक घटनाएं |
| O4 | 24 मई 2023 – 18 नवंबर 2025 | 250 उम्मीदवारों में से 77 पुष्टि किए गए और 173 विश्लेषण के तहत |
चौथा रन O4 मई २०२३ से नवंबर २०२५ तक चला था। फरवरी २०२६ तक के डेटा के अनुसार, लाइगो द्वारा कुल ३९१ गुरुत्वाकर्षण तरंगों की घटनाएँ दर्ज की गई हैं। O4 रन के दौरान कुल २५० संभावित उम्मीदवार संकेत मिले थे, जिनमें से ७७ घटनाओं की पुष्टि हो चुकी है और बाकी की १७३ विश्लेषण के अधीन हैं।
अंतर्राष्ट्रीय स्तर पर लाइगो के साथ इटली का ३ किलोमीटर लंबा 'वर्गो' (Virgo) डिटेक्टर और जापान का 'काग्रा' (KAGRA) डिटेक्टर भी जुड़े हुए हैं। O4 रन के दौरान बाइनरी न्यूट्रॉन स्टार मर्जर के लिए विभिन्न डिटेक्टर्स की संवेदनशीलता काफ़ी अलग रही थी।
गुरुत्वाकर्षण खगोलशास्त्र का वैश्विक और भारतीय महत्व
गुरुत्वाकर्षण तरंगें सामान्य प्रकाश से बिल्कुल अलग हैं क्योंकि वे मार्ग में आने वाले किसी भी पदार्थ, धूल के बादलों या गैसों द्वारा रोकी या शोषित नहीं जाती हैं। इस विशिष्ट गुणधर्म के कारण खगोलशास्त्री सुपरनोवा, श्वेत वामन तारों (white dwarfs), न्यूट्रॉन तारों और ब्लैक होल की ऐसी घटनाओं का अध्ययन कर सकते हैं जो ऑप्टिकल या रेडियो टेलीस्कोप के लिए अदृश्य हैं। इतना ही नहीं, बिग बैंग के बाद के शुरुआती समय में ब्रह्मांड प्रकाश के लिए अपारदर्शी था, लेकिन गुरुत्वाकर्षण तरंगों द्वारा ब्रह्मांड की उत्पत्ति के उन शुरुआती रहस्यों को भी सुलझाया जा सकेगा।
बहुत ही कम आवृत्ति वाली तरंगों को पकड़ने के लिए 'पल्सर टाइमिंग एरे' (pulsar timing arrays) पद्धति का उपयोग किया जाता है, जिसमें हमारी आकाशगंगा के लगभग १०० जितने पल्सरों के सिग्नलों के समय का वर्षों तक प्रेक्षण किया जाता है। स्टीफन हॉकिंग और वर्नर इज़रायल के अनुसार, १० की ऋण ७ घात हर्ट्ज़ से लेकर १० की ११ घात हर्ट्ज़ तक की विभिन्न फ़्रीक्वेंसी रखने वाले गुरुत्वाकर्षण तरंगों को खोजा जा सकता है।
भविष्य में यूरोपीय स्पेस एजेंसी द्वारा अंतरिक्ष आधारित 'लिसा' (LISA) वेधशाला और यूरोप में जमीन पर 'आइंस्टाइन टेलीस्कोप' विकसित किए जा रहे हैं। पूरी दुनिया में अधिक डिटेक्टर्स होने से आकाश में घटना का सटीक स्थान ढूँढने में आसानी रहती है। भारत में भी लिगो-इंडिया प्रोजेक्ट इस वैश्विक नेटवर्क का महत्वपूर्ण हिस्सा बनने जा रहा है, जो भारतीय विज्ञान और इंजीनियरिंग क्षमताओं को वैश्विक फलक पर नई ऊँचाई देगा। गुरुत्वाकर्षण तरंगों की खोज केवल पुराने सिद्धांतों की जाँच नहीं है, बल्कि ब्रह्मांड के अज्ञात कोनों को उजागर करने वाली एक पूरी तरह से नई आँख और कान है।
