डार्क मॅटर च्या कणांचा कृष्णविवराच्या सावली वरील परिणामावर संशोधन

आईनस्टाईनने गुरुत्वाकर्षणाच्या सिद्धांताच्या आधारे केलेली भाकिते तपासून पाहण्यासाठी कृष्णविवर उत्तम नैसर्गिक प्रयोगशाळा आहे. म्हणून भौतिकशास्त्रज्ञांना गेल्या कित्येक वर्षांपासून कृष्णविवरांमध्ये रुची आहे. कृष्णविवराचे प्रकाशचित्र आपण काढू शकत नाही, कारण त्याच्या अत्युच्च गुरुत्वाकर्षणामुळे त्यातून प्रकाश अजिबात निसटू शकत नाही. पण कृष्णविवराच्या प्रबल गुरुत्वाकर्षणाचा प्रकाशावर झालेल्या परिणामामुळे कृष्णविवराची ‘सावली’ तयार होते, म्हणजे मध्यात संपूर्ण अंधार व बाजूने प्रकाशाचे वलय तयार होते, आणि त्यामुळे कृष्णविवराच्या सभोवतालची प्रतिमा मिळू शकते. मागच्या वर्षी इव्हेंट होरायझन टेलिस्कोप ह्या अत्यंत बलशाली दुर्बिणींच्या जाळ्याच्या मदतीने शास्त्रज्ञांनी कृष्णविवराची पहिली प्रतिमा मिळवली. आईनस्टईनच्या सिद्धांतात केलेल्या कृष्णविवरे अस्तित्वात असल्याचा भाकिताला यामुळे थेट पुष्टी मिळाली.       

पण ह्या सावल्यांमधून आणखी काय माहिती मिळू शकते? फिजिक्स लेटर्स बी या कालिकात प्रसिद्ध झालेल्या संशोधनात्मक लेखात भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई येथील रित्तिक रॉय व प्राध्यापक उर्जित याज्ञिक यांनी ह्या प्रश्नाचे उत्तर शोधायचा प्रयत्न केला आहे, जे दडले आहे भौतिकशास्त्रातील आणखी एक गूढ—डार्क मॅटर—आणि कृष्णविवर यांच्या आंतरक्रियेत.

बरेच सैद्धांतिक शास्त्रज्ञ मानतात की डार्क मॅटर ऍक्झिऑन नावांच्या कणांनी बनलेले आहे. ह्या कणाचे वस्तुमान निसर्गात आढळणाऱ्या इतर मूलभूत कणांपेक्षा खूप कमी असते. सदर अभ्यासात संशोधकांनी कृष्णविवराच्या आजूबाजूस असणाऱ्या, पण सहज न सापडणाऱ्या ऍक्झिऑन कणांचे काळजीपूर्वक अन्वेषण केले. त्यांनी असा निष्कर्ष काढला की कृष्णविवराची सावली सरत्या काळानुसार वाढत जाण्याची शक्यता आहे. त्यांचा अभ्यास अशी शक्यता वर्तवतो की कृष्णविवराच्या वाढत्या सावलीचे थेट निरिक्षण करता येईल. 

सावलीच्या वाढीचे निरीक्षण क्वांटम यांत्रिकी मधील एका लक्षवेधी क्रियेवर अवलंबून आहे. कृष्णविवराच्या प्रबल गुरुत्वाकर्षणामुळे उत्स्फूर्तपणे निर्माण झालेले कण गुरुत्वाकर्षणाच्या प्रभावातून निसटतात. स्टीफन हॉकिंग यांनी प्रथम भाकीत केलेल्या ह्या प्रक्रियेला हॉकिंग रेडियेशन किंवा हॉकिंग विकिरण म्हणतात.

सदर अभ्यासात संशोधक याचसारख्या एका प्रक्रियेकडे लक्ष वेधतात, ज्याला ते क्वासी-हॉकिंग इफेक्ट किंवा हॉकिंग विकिरण सदृश परिणाम असे म्हणतात. यामधे उत्स्फूर्तपणे निर्माण झालेले कण कृष्णविवरातून निसटण्याऐवजी, त्यांचा एक ढग कृष्णविवराच्या जवळ तयार होतो. कृष्णविवराचा आभ्रास (परिवलन, स्पिन) म्हणजे विवर किती वेगाने फिरते आहे त्याचे माप. कणांच्या संचयामुळे कृष्णविवराचा आभ्रास कमी होतो व त्यामुळे कृष्णविवराची सावली मोठी होते.

संशोधकांनी कृष्णविवराचे गुणधर्म व ऍक्झिऑन यांच्यातील गणितीय परस्परसंबंध अनुसिद्ध केले व कृष्णविवराच्या सावली वाढण्याचा अवधी किती असू शकेल याचा अंदाज बांधला. काळाचा अंदाज घेणे आवश्यक आहे कारण याचा उपयोग भविष्यात कृष्णविवराच्या सावलीचे निरीक्षण करताना होणार आहे. कृष्णविवराच्या व ऍक्झिऑन च्या गुणधर्मांवर हा अवधी अवलंबून असल्याचे संशोधकांच्या लक्षात आले. वास्तवात वाढीचे निरीक्षण करण्यासाठी योग्य असे कृष्णविवर आपल्याच आकाशगंगेच्या मध्यभागी असलेले सॅजिटॅरियस ए-स्टार (Sgr A*) असेही त्यांनी नोंदवले.

नंतर हे कृष्णविवर संशोधकांनी त्यांच्या पुढील अभ्यासासाठी नमुना म्हणून वापरले. संख्यात्मक संगणन व पूर्वी प्रस्थापित केलेली गणितीय समीकरणे वापरून त्यांनी असा निष्कर्ष काढला की सावली मोठी होण्याचा अवधी डार्क मॅटरचे गुणधर्म व सावलीचे निरीक्षण करण्यासाठी वापरल्या जाणाऱ्या दुर्बिणीच्या वियोजनावर अवलंबून आहे. त्यांची ही पूर्वानुमाने, ह्या वाढीचा अभ्यास करण्यासाठी केलेल्या निरीक्षणांसाठी टेम्प्लेट म्हणून वापरता येतील.

परंतु संशोधक याही बाबतीत सावध करतात की सावलीच्या आकारात वाढ होण्याला इतरही काही प्रक्रिया कारणीभूत असू शकतील.

“हॉकिंग विकिरण सदृश परिणाम ही क्वांटम प्रक्रिया आहे, जी संथ व स्थिर आहे. त्यामुळे सावलीत संथपणे होणारी वाढ ह्या क्वांटम प्रक्रियेची निर्णायक सिद्धता आहे,” असे या प्रक्रियेबद्दल सांगताना प्रा. याज्ञिक म्हणाले.  

ऍक्झिऑन च्या अस्तित्वाचा थेट पुरावा अजून मिळाला नाही आहे; कृष्णविवराच्या वाढणाऱ्या सावलीचे निरिक्षण, ऍक्झिऑन चे अस्तित्व सिद्ध करेल.

“हे कण म्हणजे कण-भौतिकशास्त्रातील सैद्धांतिक कोडी सोडवण्यासाठीचे महत्त्वाचे हरवलेले दुवे आहेत,” प्रा. याज्ञिक सांगतात. ऍक्झिऑन चे अस्तित्व सिद्ध झाल्यास त्यांच्याबद्दलची सैद्धांतिक समज वृद्धिंगत होण्याचा मोठा मार्ग खुला होईल. रित्तिक म्हणतात, “शिवाय हॉकिंग विकिरण सदृश परिणामाचे निरिक्षण हीच हॉकिंग परिणामाचे निरीक्षण करण्याची सर्वात मोठी संधी आहे.”

हे असे पहिले संशोधन आहे जे ठामपणे अशी शक्यता दर्शवते की कृष्णविवराचा आभ्रास ऍक्झिऑनच्या प्रभावामुळे कमी होऊ शकतो व निरीक्षण तंत्र सुधारतील त्याप्रमाणे ह्या परिणामाचे निरीक्षण करणे वास्तवात शक्य होईल. ह्या घडीला इतके संथ बदल टिपण्याची इव्हेंट होरायझन टेलिस्कोपची क्षमता नाही, पण बहुविध पद्धतींनी टेलिस्कोपची क्षमता वाढवण्याचे प्रस्ताव आहेत.  

प्रा. याज्ञिक यांना वाटते की सैद्धांतिक भौतिकशास्त्रज्ञांनी नवीन परिणामाचे भाकित केले आहे, आता निरिक्षक खगोलशास्त्रज्ञांनी त्यांच्या तंत्र वापरून याचा मेळ लावणारी निरिक्षणे करणे योग्य होईल.

“भौतिकशास्त्राच्या इतिहासातील अलिकडे दिसणारा कल बघता, एकदा आव्हान समोर आले की प्रायोगिक शास्त्रज्ञ आवश्यक तेवढे अचूक मोजमाप करण्याची व्यवस्था करतातच,” असे प्रा. याज्ञिक म्हणतात.

अगदी अलिकडेच संशोधकांनी निरीक्षण तंत्रामध्येही एक महत्त्वाची सुधारणा प्रस्तावित केली आहे. लवकरच कृष्णविवराची छाया डार्क मॅटर वर प्रकाश टाकेल असे दिसते.