कृष्णविवर

कृष्णविवर हे अवकाशातील असे प्रदेश आहेत जेथील गुरुत्वाकर्षण इतके प्रचंड असते की प्रकाशालाही तेथून बाहेर पडता येत नाही. कृष्णविवर स्वतः प्रकाश उत्सर्जित करत नाही, म्हणून ते प्रत्यक्ष दिसत नाही. त्यांची उपस्थिती आजूबाजूच्या पदार्थांवरील परिणामांवरून ओळखली जाते. अल्बर्ट आइनस्टाइन यांच्या सामान्य सापेक्षतावाद सिद्धांतातून कृष्णविवरांची कल्पना गणितीयदृष्ट्या पुढे आली. २०१९ मध्ये शास्त्रज्ञांनी प्रथमच कृष्णविवराची छायाचित्राद्वारे ओळख नोंदवली. आज कृष्णविवरांचा अभ्यास खगोलशास्त्रातील सर्वात महत्त्वाच्या विषयांपैकी एक आहे.

माहिती

कृष्णविवर हे पदार्थाच्या अत्यंत दाट संकुचित अवस्थेचे उदाहरण आहे. एखादा प्रचंड वस्तुमानाचा भाग अत्यंत लहान आकारात आकुंचित झाल्यास त्याचे गुरुत्वाकर्षण प्रचंड बनते. त्या भागाभोवती एक सीमा तयार होते ज्याच्या आतून काहीही बाहेर पडू शकत नाही.

या सीमेला घटनाक्षितिज असे म्हणतात. घटनाक्षितिज ही कठीण भिंत नसते; ती केवळ एका मर्यादेचे गणितीय वर्णन असते. त्या मर्यादेपलीकडे जाणाऱ्या कोणत्याही वस्तूला परत येता येत नाही.

कृष्णविवर दिसत नसले, तरी त्याच्याभोवती फिरणारा वायू प्रचंड वेगाने गरम होतो आणि क्ष-किरण उत्सर्जित करतो. या क्ष-किरणांच्या मदतीने खगोलशास्त्रज्ञ कृष्णविवरांचा शोध घेतात.

गुरुत्वाकर्षण आणि घटनाक्षितिज

कोणत्याही वस्तूच्या पृष्ठभागावरून बाहेर पडण्यासाठी आवश्यक असलेल्या किमान वेगाला मुक्तिवेग म्हणतात. पृथ्वीवर हा वेग सुमारे अकरा किलोमीटर प्रतिसेकंद आहे. पण जर वस्तूचे वस्तुमान खूप जास्त आणि आकार खूप लहान असेल, तर हा वेग प्रकाशाच्या वेगापेक्षाही मोठा होतो.

प्रकाशापेक्षा वेगाने काहीही जाऊ शकत नाही, त्यामुळे अशा वस्तूच्या आतून प्रकाशही बाहेर पडू शकत नाही. हीच कृष्णविवराची मूलभूत अट आहे. ज्या त्रिज्येवर हा मुक्तिवेग प्रकाशाच्या वेगाइतका होतो तिला श्वार्झशिल्ड त्रिज्या म्हणतात.

सूर्याच्या वस्तुमानाचे कृष्णविवर तयार झाल्यास त्याची त्रिज्या सुमारे तीन किलोमीटर इतकी असेल. पृथ्वीच्या वस्तुमानाचे कृष्णविवर झाल्यास ते केवळ एका लहान गोळीएवढे असेल. वस्तुमान वाढल्यास ही त्रिज्या वाढते.

निर्मिती

बहुतेक कृष्णविवरे प्रचंड वस्तुमानाच्या ताऱ्यांच्या अंतानंतर तयार होतात. असा तारा जेव्हा आपले इंधन संपवतो, तेव्हा त्याचा आतील भाग स्वतःच्या गुरुत्वाकर्षणाखाली कोसळतो. बाहेरील थर प्रचंड स्फोटात उडून जातात; या स्फोटाला सुपरनोव्हा म्हणतात.

जर उरलेले वस्तुमान पुरेसे मोठे असेल, तर ते न्यूट्रॉन ताऱ्यापुढेही टिकू शकत नाही आणि ते कृष्णविवरात रूपांतरित होते. ही प्रक्रिया काही सेकंदांत घडते. अशा कृष्णविवरांना तारकीय वस्तुमानाची कृष्णविवरे म्हणतात.

आकाशगंगांच्या केंद्रात आणखी एक प्रकार आढळतो. या कृष्णविवरांचे वस्तुमान सूर्याच्या लाखो ते अब्जावधी पट असते. त्यांना महाप्रचंड कृष्णविवरे म्हणतात. ते कसे तयार होतात, याबाबत अनेक मते आहेत.

आइनस्टाइन ते आधुनिक संशोधन

आइनस्टाइन यांनी १९१५ मध्ये सामान्य सापेक्षतावाद सिद्धांत मांडला. त्यानंतर १९१६ मध्ये कार्ल श्वार्झशिल्ड यांनी या समीकरणांचे एक विशिष्ट निराकरण शोधले. त्यातून घटनाक्षितिजाची कल्पना पुढे आली.

१९३० मध्ये सुब्रह्मण्यम चंद्रशेखर यांनी दाखवले की विशिष्ट वस्तुमानापेक्षा मोठा ताऱ्याचा कोर टिकू शकत नाही. पुढे १९३९ मध्ये रॉबर्ट ऑपनहायमर व त्यांच्या सहकाऱ्यांनी कोसळण्याच्या प्रक्रियेचे गणित मांडले.

कृष्णविवर हा शब्द १९६० च्या दशकात प्रचलित झाला. पुढील दशकांत स्टीफन हॉकिंग यांनी या विषयावर मूलभूत संशोधन केले. त्यांनी १९७४ मध्ये कृष्णविवरांमधूनही किरणोत्सर्ग होऊ शकतो असे सुचवले.

निरीक्षणे

कृष्णविवर प्रकाश देत नसल्याने ते थेट पाहता येत नाही. मात्र ते जवळच्या ताऱ्याकडून पदार्थ ओढून घेतात. हा पदार्थ चकतीच्या स्वरूपात गोळा होऊन प्रचंड वेगाने फिरतो आणि क्ष-किरण उत्सर्जित करतो.

१९७१ मध्ये सिग्नस एक्स-१ ही पहिली अशी वस्तू ओळखली गेली जी कृष्णविवर असावी असे मानले जाते. त्यानंतर अनेक क्ष-किरण स्रोतांचा शोध लागला. या निरीक्षणांनी कृष्णविवरांचे अस्तित्व अधिक विश्वासार्ह केले.

आपल्या आकाशगंगेच्या केंद्रातही एक महाप्रचंड कृष्णविवर आहे. त्याला धनु ए-स्टार असे म्हणतात आणि त्याचे वस्तुमान सूर्याच्या सुमारे चार दशलक्ष पट असल्याचा अंदाज आहे. तेथील ताऱ्यांच्या हालचालींवरून हे वस्तुमान ठरवले गेले.

कृष्णविवरांचे वस्तुमान व परिभ्रमण यांवरून त्यांचे दोन मूलभूत प्रकार ठरतात. फिरणारे कृष्णविवर आपल्या भोवतीच्या अवकाशालाही फिरवते, तर विद्युतभार असलेल्या कृष्णविवराचे गुणधर्म वेगळे असतात. प्रत्यक्षात आढळणारी कृष्णविवरे जवळपास निर्भार व फिरणारी असतात.

गुरुत्वीय लहरी

२०१५ मध्ये गुरुत्वीय लहरींचे प्रत्यक्ष निरीक्षण झाले. दोन कृष्णविवरे एकमेकांशी टकरून एकत्र होताना त्यांनी अवकाश-काळात लहरी निर्माण केल्या. या लहरी पृथ्वीवरील अत्यंत संवेदनशील उपकरणांनी नोंदवल्या.

या शोधामुळे कृष्णविवरांचा अभ्यास करण्याचा नवा मार्ग खुला झाला. आता टकरीताना तयार होणाऱ्या लहरींवरून कृष्णविवरांचे वस्तुमान व अंतर ठरवता येते. २०१७ मध्ये या शोधासाठी भौतिकशास्त्राचा नोबेल पुरस्कार देण्यात आला.

पहिले छायाचित्र

१० एप्रिल २०१९ रोजी शास्त्रज्ञांनी मेसिए ८७ या आकाशगंगेच्या केंद्रातील कृष्णविवराची प्रतिमा जाहीर केली. जगभरातील आठ दुर्बिणींच्या जाळ्याचा वापर करून ही प्रतिमा तयार झाली. या प्रकल्पाला इव्हेंट होरायझन टेलिस्कोप असे नाव देण्यात आले.

प्रतिमेत एका गडद वर्तुळाभोवती चमकदार कडे दिसते. तो गडद भाग म्हणजे घटनाक्षितिजाची सावली, तर चमकदार कड म्हणजे तेथून वळवले जाणारे प्रकाशाचे किरण. हे कृष्णविवर पृथ्वीपासून सुमारे साडेपन्नास दशलक्ष प्रकाशवर्षे दूर आहे.

२०२२ मध्ये याच पद्धतीने आपल्या आकाशगंगेच्या केंद्रातील कृष्णविवराची प्रतिमा जाहीर झाली. २०२० मध्ये कृष्णविवर संशोधनासाठी भौतिकशास्त्राचा नोबेल पुरस्कार देण्यात आला.

आव्हाने आणि खुली प्रश्न

कृष्णविवरांच्या अभ्यासात अनेक प्रश्न अनुत्तरीत आहेत. घटनाक्षितिजाजवळ भौतिकशास्त्राचे नियम कसे वागतात, हे अजून स्पष्ट झालेले नाही. गुरुत्वाकर्षण आणि क्वांटम यांत्रिकी यांचा एकत्रित सिद्धांत अजून तयार झालेला नाही.

कृष्णविवरात गेलेल्या माहितीचे काय होते, हा एक मोठा वादाचा विषय आहे. हॉकिंग यांच्या मते कृष्णविवर बाष्पीभवन होऊन नष्ट होऊ शकते. मात्र त्यात माहिती नष्ट होते का, याबाबत शास्त्रज्ञांत एकमत नाही.

भविष्यातील दुर्बिणी व अधिक संवेदनशील उपकरणांमुळे या प्रश्नांची उत्तरे मिळू शकतील. कृष्णविवरांचा अभ्यास केवळ खगोलशास्त्रापुरता नाही; तो अवकाश व काळाच्या मूलभूत रचनेविषयीच्या ज्ञानाशी जोडलेला आहे.

कृष्णविवरांचा अभ्यास खगोलशास्त्राबरोबरच मूलभूत भौतिकशास्त्रासाठीही महत्त्वाचा आहे. अतिशय प्रचंड गुरुत्वाकर्षणाच्या परिस्थितीत निसर्गाचे नियम तपासण्याची ही दुर्मीळ संधी आहे. त्यामुळे भविष्यातील संशोधन याच दिशेने होण्याची शक्यता आहे.

संदर्भ

1. नासा — कृष्णविवर
2. इव्हेंट होरायझन टेलिस्कोप — अधिकृत संकेतस्थळ
3. नोबेल पुरस्कार — २०२० भौतिकशास्त्र
4. ब्रिटानिका — कृष्णविवर
5. युरोपीय दक्षिण वेधशाळा
6. LIGO — गुरुत्वीय लहरी संशोधन

शेवटचे संपादन: ८ नोव्हेंबर २०२६