विश्वरूपदर्शन - ३

भाग १, भाग २

वैश्विक प्रारणांचा नकाशा कसा वाचायचा आणि ही प्रारणं कशी तयार झाली हे पहिल्या दोन भागांमधे पाहिलं. कोबे, डब्ल्यूमॅप आणि प्लँकच्या नकाशांमधे आपसांत फार फरक नाही हे ही चित्रातून दिसतं आहे. मग मुळात कोबेनंतर आणखी कष्ट आणि पैसा खर्च करण्याचं कारण काय?

विश्वनिर्मितीचा महास्फोटाचा सिद्धांत विश्वाचे दोन गुणधर्म आहेत या गृहितकावर आधारित आहे; एकजिनसीपणा (homogeniety) आणि समदैशिकता (isotropic - सर्व दिशांना समान). आपल्याला डोळ्यांनी किंवा साध्या दुर्बिणींनी विश्वाचा जो चिमुकला भाग दिसतो त्यात हे दोन्ही गुणधर्म दिसत नाहीत. आपल्या जवळच्या अवकाशात ग्रह आणि त्यांचे उपग्रह आहेत, आणि सूर्य आहे. त्याबाहेर गेलो तर तारे, वायू, तार्‍यांचे गुच्छ अशा गोष्टी आहेत. प्रकाशाचा वेग विश्वात सगळ्यात जास्त असतो हे सापेक्षतावादातलं मुख्य गृहीतक. तर या वेगाने कोणत्याही दिशेने काही हजार वर्ष प्रवास केला तरीही आपल्याला हेच तारे, वायू वगैरे दिसतात. पण आपल्या दीर्घिकेची मर्यादा पार करून गेल्यानंतर विश्वात सगळीकडे दीर्घिका पसरलेल्या आहेत असं दिसतं. एक प्रकारे हे अणूच्या रचनेसारखंच आहे. अणूची रचना पाहिली तर अणूकेंद्रकात प्रचंड प्रमाणात वस्तूमान, कण ठासून भरलेले असतात. पण त्याबाहेर मोठ्या जागेत फार कमी आकार आणि वस्तूमानाचे इलेक्ट्रॉन्स भरलेले आहेत. विश्वात अणूकेंद्रासारखं केंद्र असं नाही. पण बाहेर 'छोटे' इलेक्ट्रॉन जशी प्रचंड जागा व्यापतात तसाच काहीसा प्रकार आहे. एकजिनसीपणा आणि समदैशिकता असल्यामुळे आपण ज्या दिशेला दुर्बीण फिरवू त्या दिशेना दीर्घिका समप्रमाणात पसरलेल्या आहेत हे दिसतं. अपवादात्मकरित्या काही ठिकाणी रिकामे भागही दिसतात.

विश्वनिर्मितीचा हा सिद्धांत प्रत्यक्षात असण्यासाठी विश्वाचे गुणधर्म आदर्श कृष्णपदार्थासारखे (blackbody, इथे कृष्णविवराशी black hole गल्लत होऊ देऊ नका.) असणं आवश्यक आहे. आपला सूर्य, प्रत्येक ताराही एक आदर्श कृष्णपदार्थ आहे. कृष्णपदार्थ / black body ठरवताना दोन गोष्टी पाहिल्या जातात. एकतर सर्व तरंगलांबीची प्रारणं त्या वस्तूने शोषून घेतली पाहिजेत; असं असल्यास हे नाव ठीक आहे. पण पदार्थाच्या गुणधर्मांचा अभ्यास करताना असं लक्षात आलं की शोषून घेणं आणि उत्सर्जन या अगदी परस्परविरोधी क्रिया आहेत. त्यामुळे फक्त धनचं ऋण केलं की काम भागतं. चिन्हाचा फक्त फरक. या पदार्थांचे गुणधर्म समान असतात असं लक्षात आल्यामुळे या पदार्थांचं नाव एकच आहे. सूर्य, तार्‍यांच्या बाबतीत हे नाव वरवर पहाता misnomer, चूक ठरतं. पण एकदा नाव पडलं की ते सहसा बदलत नाही. 'महास्फोट' हे नावही तसं पहाता चूकच आहे. पण ते असंच वापरलं जातं. मायक्रोवेव्हमधे वस्तू मध्यभागी ठेवण्याऐवजी मध्यापासून थोडी लांब ठेवा असं सुचवलं जातं, ते याच गोष्टीचा विचार करूनच. जी काही मायक्रोवेव्ह प्रारणं आतमधे उत्सर्जित केली जातात ती आतल्या पदार्थाने पूर्णतया शोषून घेतल्यास वीजेचा अपव्यय टळतो, आणि आतली पोकळी कृष्णपदार्थ आहे असं म्हणता येतं.

'कोबे'कडून मिळालेली माहिती विश्वाचा एकजिनसीपणा, समदैशिकता आणि कृष्णपदार्थाचे गुणधर्म आहेत असं सांगणारी होती. वैश्विक प्रारण नकाशात दिसतं आहे त्याप्रमाणे सर्वत्र एकसमान नाही. सुमारे ३ केल्व्हीन किंवा उणे २७० सेल्सियस तापमान सर्वत्र आहे, पण त्यातली अनियमितता एक लाखात एक एवढी आहे. ही अनियमितता आहे म्हणून आपण अस्तित्त्वात येऊ शकलो. हेच ते बॅरीऑनजेनेसिस जे दुसर्‍या भागात पाहिलं. 'कोबे'ने याचं प्रत्यक्षात मोजमाप केलं. त्याशिवाय 'कोबे'ने तार्‍यांच्या नवनिर्मितीचा दर शोधला आणि काही नवीन दीर्घिका सर्वप्रथम पाहिल्या. गेल्या शतकाच्या शेवटच्या दशकात आकाशात गेलेल्या 'कोबे'चं तंत्रज्ञान, तो प्रत्यक्षात अवकाशात जाईपर्यंतच जुनं झालेलं होतं.

पण विश्वरचनाशास्त्रातली गुंतागुंत यापेक्षा बरीच जास्त आहे. त्यातले इतर दोन अतिशय महत्त्वाचे घटक म्हणजे dark matter^१ (DM) आणि dark energy (DE). यातल्या DM चा पत्ता इतर शोधांमधून लागलेला होता. मुळात एखाद्या गोष्टीबद्दल बोलायचं, नवीन संकल्पना सांगायची तर त्याची व्याख्या करावी असा एक सामान्य दंडक आहे. पण DM आणि DE च्या बाबतीत तो पाळता येत नाही. कारण हे नक्की काय आहे हे आपल्याला माहित नाही. त्यामुळे त्याची गोष्टच पाहू या.

डार्क मॅटर आणि डार्क एनर्जी:

ग्रहांचा सूर्याभोवती फिरण्याचा एक ठराविक वेग आहे. पृथ्वी ३६५ दिवस किंवा एका वर्षात सूर्याभोवती एक फेरी पूर्ण करते. मंगळाला साधारण १.८ वर्ष (पृथ्वीवरचे ३६५ दिवस = १ वर्ष) लागतं. जसंजसं सूर्याच्या जवळ जावं तसा हा 'वर्षा'चा कालावधी कमी होतो; किंवा सूर्याभोवती फिरायला लागणारा वेळ कमी होतो. आणि सूर्यापासून लांब जावं तसा वर्षाचा कालावधी वाढत जातो. इथे वर्ष हा शब्द थोडा गडबडवणारा आहे. सूर्याभोवती एक प्रदक्षिणा मारायला ग्रहाला लागणारा वेळ म्हणजे एक वर्ष. आणि हे वर्ष आपण पृथ्वीवरच्या, आपल्या एका वर्षाच्या किती पट मोठं किंवा लहान आहे ते मोजतो. मग असा विचार करू की आपल्या वाढदिवसाला वर्षाची सुरूवात होते. तर पृथ्वीवर आपले साधारण दोन वाढदिवस होतील (खरंतर दुसर्‍या वाढदिवसाला तीनेक महिने उरलेले असतील) तेव्हा मंगळावर एक वर्ष पूर्ण होईल. शनीवर गेलो तर पृथ्वीवरचे दहा वाढदिवस होतील तेव्हा तिथे एक वर्ष वाढेल. समजा आपल्याला सूर्याचं वस्तूमान, ग्रहाचं वस्तूमान, ग्रहाचं सूर्यापासूनचं अंतर आणि ग्रहावरचं वर्ष किती दिवसांचं असतं या चारपैकी तीनच गोष्टी माहित असतील तर चौथी गणित करून काढता येते. खालच्या डाव्या बाजूच्या चित्रात सौरमालेतल्या ग्रहांचं सूर्यापासून असणारं अंतर आणि त्यांचा सूर्याभोवती फिरण्याचा वेग यांचा परस्परसंबंध दर्शवला आहे.

galaxy rotation curve चे हे दोन्ही आलेख इथून घेतले आहेत.

सूर्य आणि बाकीचे सगळेच तारे आपल्या दीर्घिकेच्या केंद्राभोवती फिरतात. सूर्याला आपल्या दीर्घिकेच्या केंद्राभोवती फिरायला वीस कोटी वर्ष लागतात. सूर्याच्या आसपासच्या तार्‍यांनाही तेवढाच वेळ लागतो. मगाशी ग्रह-सूर्य या संदर्भात जो विचार केला, तोच करता येतो. तार्‍याचं वस्तूमान, त्याचं दीर्घिकेच्या केंद्रापासून असणारं अंतर, तार्‍याचं 'वर्ष' किती मोठं आहे किंवा तार्‍याचा दीर्घिकेभोवती फिरण्याचा वेग काय आहे हे माहित असेल तर दीर्घिकेच्या केंद्राशी किती वस्तूमान असेल याचं गणित करता येतं. वरच्या उजव्या बाजूच्या आकृतीमधे अशा प्रकारचं गणित लिहीलेलं आहे. या आलेखात क्ष-अक्षावर तार्‍यांचं दीर्घिकेच्या केंद्रापासून असणारं अंतर मांडलं आहे. याचं एकक पार्सेक असं आहे. एक पार्सेक=३.२६ प्रकाशवर्ष य-अक्षावर याच तार्‍यांची दीर्घिकेच्या केंद्राभोवती गती किती ते लिहीलेलं आहे. (दीर्घिकेचा आकार किती हे मोजता येतं; तार्‍यांची गती मोजली की वर्ष किती मोठं हे काढता येतं.) या आलेखात आपल्या जवळच असणारी दीर्घिका NGC 3198 हिचा आलेख आहे. याला galaxy rotation curve असं म्हणतात. यात तीन रेघा आहेत. सगळ्यात 'वर' जी आहे तिच्यावर काही बिंदू आहेत. ही प्रत्यक्षात केलेली मोजमापं आहेत. या बिंदूंवर काढलेल्या उभ्या रेघा म्हणजे या मोजमापांमधली त्रुटी आहे. ही रेषा जेवढी लहान तेवढी आपली मोजमापातली त्रुटी कमी. त्याशिवाय इतर दोन रेघा (curve) या आलेखात आहेत. यातल्या एका रेघेला नाव दिलेलं आहे disk. त्या रेघेचा अर्थ असा की जर दीर्घिकेचं वस्तूमान फक्त दीर्घिकेच्या तबकडीतल्या तारे, वायू इत्यादी प्रकाशमान वस्तूंएवढंच असेल तर हा आलेख आपल्याला त्या रेषेसारखा दिसला पाहिजे. वरचा आलेख आणि disk हा आलेख समान नाहीत आणि मोजमापंही या आलेखासारखी नाहीत हे उघडच आहे. तिसरी रेघ आहे तिचं नाव दिलेलं आहे halo. मोजमापं आणि अपेक्षा यांच्यातला फरक दिसण्याचं कारण "डार्क मॅटर हेलो" असेल असं समजलं जातं. हेलोचं वस्तूमान दीर्घिकेच्या केंद्रापासून बाहेरच्या दिशेला वाढत जातं. केंद्रापासून साधारण १० किलोपार्सेक (३३००० प्रव) अंतरापासून बाहेर तार्‍यांची संख्या खूप कमी होते. हेलोचं वस्तूमान साधारण त्याच्या दुप्पट अंतरावर हेलोचं वस्तूमान वाढण्याचा वेग बराच कमी झालेला दिसतो आहे. त्यापुढे ही रेघ आडवी, क्ष-अक्षाला समांतर होत जाते. याला प्रत्यक्ष निरीक्षणाचा असा पुरावा नाही; तारे जसे दिसतात तसा हा हेलो दिसत नाही. त्यामुळे त्याचं प्रत्यक्ष निरीक्षण शक्यच नाही. पण गणित करून त्याची अटकळ बांधता येते. हे हेलो दीर्घिकेच्या चित्रांसमोर कसे दिसतील हे खालच्या चित्रांमधे दाखवलेलं आहे.

सर्पिलाकार दीर्घिकेचा हेलो - कल्पनाचित्र	आपल्या दीर्घिकेच्या हेलोच्या कल्पनाचित्रात सूर्याचं स्थान
दोन्ही कल्पनाचित्रं इथून घेतली आहेत.

प्रत्यक्ष निरिक्षण करता येत नाही त्यामुळे या हेलोत नक्की काय असतं किंवा डार्क मॅटर म्हणजे काय हे आपल्याला माहित नाही. या वस्तूला वस्तूमान आहे असं निश्चित सांगता येतं, कारण त्याच्या गुरूत्वाकर्षणाचं बल आपल्याला galaxy rotation curve मधून दिसतं. पण त्याशिवाय या पदार्थाचा विद्युतभार किती, घनता किती, अशा काहीही गोष्टी आपल्याला माहित नाहीत. डार्क मॅटर शोधण्याचे इतरही मार्ग आहेत. त्यांच्यातला galaxy rotation curve हा सगळ्यात प्रसिद्ध आहे. त्याशिवाय गुरूत्वीय भिंग या परिणामाचा वापर करूनही डार्क मॅटर शोधतात. डार्क मॅटरच्या गुरूत्वाकर्षणाचा वापर करणे हीच पद्धत त्या बाबतीत वापरता येते. डार्क मॅटरचा शोध मुख्यतः या अन्य पद्धतींनी लागला. त्याचं मुख्य कारण हे प्रयोग करण्यासाठी लागणार्‍या दुर्बिणी आधी बनल्या.

आपल्या विश्वात किती डार्क मॅटर आहे याचा अंदाज अन्य प्रयोगांसोबत वैश्विक प्रारणांच्या निरीक्षणातूनही करता येतो. 'कोबे'च्या निरीक्षणांमधली त्रुटी खूप जास्त होती. डब्ल्यूमॅपने ही त्रुटी खूप कमी केली आणि विश्वात ४% साधं वस्तूमान, तारे, वायूमेघ रूपात आहे आणि २४% वस्तूमान डार्क मॅटरचं आहे हे सांगितलं. चार आणि चोवीस मिळून फक्त २८% होतात. उरलेल्या ७२% चं काय? ही आहे डार्क एनर्जी.

इथेही डार्क या शब्दावरून लक्षात येईल की या ऊर्जेबद्दलही आपल्याला काहीच माहित नाही. डार्क मॅटरला निदान वस्तूमान आहे, त्यामुळे त्याचं गुरूत्वाकर्षण आपल्याला मोजता येतं. वस्तूमान-ऊर्जा यांचं परस्परांत रूपांतर करता येतं, त्यामुळे विश्वाचा ७२% भाग या डार्क एनर्जीने भरलेला आहे असं म्हणता येतं. हा ७२% आकडाही डब्ल्यूमॅपने त्रुटी कमी करून मोजला. विश्वासंदर्भातल्या अन्य निरीक्षणांमधून^२ मिळालेले आकडे आणि हे आकडे परस्परांशी मिळतेजुळते आहेत. पण मग ही डार्क एनर्जी आहे याचा शोध कसा लागला?

गेल्या काही दशकांमधे दुर्बिणींच्या तंत्रज्ञानात बरीच सुधारणा झाली. सेमिकंडक्टर इलेक्ट्रॉनिक्समुळे यात एडविन हबलला जो मूळ शोध लागला त्याची मोजमापं फारच अचूकरित्या करता येऊ लागली. एडविन हबलला १९३१ च्या सुमारास असा शोध लागला की ज्या दीर्घिका आपल्यापासून लांब आहे त्या आणखी लांब जात आहेत. आणि जेवढं अंतर जास्त तेवढा त्यांचा दूर जाण्याचा वेग जास्त. थोडी गणिती भाषा वापरायची तर, दीर्घिकांच्या दूर जाण्याची गती त्यांच्या अंतराच्या प्रमाणात वाढते. पाढा म्हणावा तसं. फक्त हा पाढा नक्की कितीचा म्हणायचा तो आकडा म्हणजे हबल स्थिरांक, H₀. हा हबल स्थिरांक, H₀ शोधण्याच्याही वेगवेगळ्या पद्धती आहेत^२. या सगळ्या निरिक्षण-गणितातून असं दिसलं की विश्वात जेवढं वस्तूमान आहे, दृष्य आणि अदृष्य वस्तूमान वापरून विश्वाच्या प्रसरणाचा वेग काढला तर तो निरीक्षणातून दिसणार्‍या वेगाएवढा नाही. विश्वाचं वस्तूमान आहे त्यापेक्षा जास्त असलं पाहिजे; पण हे वस्तूमान गुरूत्वाकर्षण या 'यंत्रा'ला दिसत नाही. म्हणून हे वस्तूमान ऊर्जास्वरूपात असलं पाहिजे. (पुन्हा आठवा, आईनस्टाईनचं प्रसिद्ध समीकरण E=mc².) हीच ती डार्क एनर्जी. विश्वाचं वय हबल स्थिरांक, डार्क मॅटर, डार्क एनर्जी यांच्यावर अवलंबून असणारी संख्या आहे.

'कोबे'मधे असलेल्या उपकरणांतून हबल स्थिरांक, डार्क मॅटर आणि डार्क एनर्जीची अचूक मोजमापं करणं शक्य नव्हतं. डब्ल्यूमॅप आणि आता प्लँकने ही मोजमापं दिलेली आहेत. ती अशी:

डब्ल्यूमॅपनंतर प्लँकच्या निरिक्षणांमधून आपल्या विश्वाबद्दल असणार्‍या माहितीत, समजुतीमधे खूप जास्त भर पडलेली नाही. अर्थात प्रत्यक्षात प्रयोग करून बघितल्याशिवाय हे समजणं अशक्य होतं. मुळात डब्ल्यूमॅपच्या घवघवीत यशानंतर प्लँकची आवश्यकता काय होती? प्लँकची मुख्य उद्दीष्ट काय होती?

• वैश्विक तेजीच्या सिद्धांतासाठी पुरावे शोधणे - प्लँकच्या मोजमापांमधून तेजी कशामुळे सुरू झाली आणि त्यामुळे विश्वावर काय परिणाम झाले हे समजेल अशी अपेक्षा आहे.
• तरूण विश्वातल्या गुरूत्वीय लहरींचा शोध घेणे - गेल्या काही वर्षात गुरूत्वीय लहरी असतील असं सिद्धांतांमधून सांगितलं गेलेलं असलं तरी प्रत्यक्षात या लहरी आपण अजूनपर्यंत 'बघू' शकलेलो नाही. प्लँकच्या विदेतून या प्रकारची माहिती मिळवता येईल.
• लांब आणि काळात मागे डोकावून विश्वाची संरचना आणि गुणधर्म पहाणे.
• विश्व एकजिनसी आहे का नाही हे तपासणे.
• आपली आकाशगंगा आणि इतर दीर्घिकांचा तपशीलवार अभ्यास करून त्यांच्या चुंबकीय क्षेत्राचा नकाशा बनवणे.

यापैकी पहिलं उद्दिष्ट, वैश्विक तेजीचे पुरावे, ते प्लँकला मिळालेले नाहीत. प्लँक अजूनही आकाशात कार्यरत आहेच. आणि २०१४ मधे, पुढच्या वर्षी अजून माहिती आणि तिचं पृथ्थकरण समोर येईल तेव्हा इतर उद्दिष्टांमधे प्लँक किती सफल झाली हे समजेलच.

प्लँकला इतर काही नवीन गोष्टी सापडल्या आहेत.

१. कार्बन मोनॉक्साईडचे रेणू शोधून नवीन तारे कुठे तयार होत असतील याचा अंदाज घेतला जातो. विश्वात बहुतांश हायड्रोजन आणि हेलियम आहे आणि नगण्य प्रमाणात रेणू आहेत. त्या रेणूंपैकी कार्बन मोनॉक्साईडचे रेणू थंड वायूमेघांमधे सापडतात. या वायूमेघांमधे नवीन तार्‍यांची निर्मिती होते. प्लँकने सर्वप्रथम विश्वातल्या कार्बन मोनॉक्साईडचा नकाशा बनवला आहे. प्लँकच्या वाढीव संवेदनशीलता आणि भेदनक्षमतेमुळे आधी माहित नसणारे कार्बन मोनॉक्साईडचे मेघ आपल्याला सापडले आहेत.
२. पहिल्या लेखाच्या आपण पाहिलं की आपली दीर्घिका वरून (किंवा खालून) पाहिली तर पेटवलेल्या भुईचक्रासारखी दिसेल. दीर्घिकेच्या मध्यभागी मोठं केंद्र आहे आणि तिथे प्रचंड प्रमाणात तारे निर्मिती, मृत्यु होत आहे. दीर्घिकेच्या केंद्राच्या वर आणि खाली प्लँकला अपेक्षेपेक्षा अधिक प्रकाश सापडला आहे. याचं नक्की कारण अजून आपल्याला समजलेलं नाही.

हा प्लँकने बनवलेला आपल्या दीर्घिकेचा नकाशा. यात नकाशाच्या मध्यात दीर्घिकेतले तारे काढून टाकल्यामुळे मधला पट्टा रिकामा दिसतो आहे. केंद्राच्या वर आणि खाली अन्य पार्श्वभूमीपेक्षा जो अधिक प्रकाश दिसत आहे त्याचं कारण अजून आपल्याला नीटसं माहित नाही.

कृत्रिम उपग्रहाचं आयुष्य संपलं ते सगळे अवकाशामधेच असणार्‍या उपग्रहांच्या दफनभूमीत पाठवले जातात आणि तिथेच रहातात. प्लँकचंही अजून वर्षानंतर तेच होईल.

----

१. उपक्रमावरच्या आयडीचा इथे काहीही संबंध नाही. बहुदा नाही.
२. विस्तारभयास्तव ते इथे लिहीत नाही.

अवांतरः डार्क मॅटरसाठी "मराठी" शब्द वापरावा का? असल्यास तो अदृष्य वस्तूमान असा चालेल का? आणि डार्क एनर्जीसाठी अदृष्य ऊर्जा?