ब्रह्मांडातील कुजबुज ऐकून शोधता येतील गुरुत्वीय लहरींच्या घटना?

आपण आपल्या विश्वाला “पाहू” शकतो, कारण आपल्या डोळ्यांना प्रकाशाच्या रूपातील ऊर्जा-पुंज (फोटॉन) किंवा विद्युतचुंबकीय लहरी जाणवतात. आपल्या विश्वात विद्युतचुंबकीय लहरींव्यतिरिक्त इतर अनेक संदेशवाहक माहिती वाहत असतात, जसे की गुरुत्वीय लहरी (gravitational waves). प्रचंड वस्तुमान असलेल्या दोन वस्तू, उदाहरणार्थ तीव्रपणे चुंबकीय न्यूट्रॉन तारे आणि कृष्णविवरे, जेव्हा एकमेकांकडे वेगाने आकर्षित होऊन विलीन होतात, तेव्हा गुरुत्वीय लहरी निर्माण होतात. आज, अमेरिकेचे लायगो (LIGO), युरोपियन व्हर्गो गुरुत्वीय लहरी इंटरफेरोमीटर (Virgo) आणि जपानी कामिओका गुरुत्वीय लहरी डिटेक्टर (KAGRA) यांचा समावेश असलेले जागतिक गुरुत्वीय लहरी नेटवर्क, अत्यंत तीव्र गुरुत्वीय क्रियांचे गुरुत्वीय लहरी संकेत पकडण्यासाठी सज्ज आहे.

भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबईच्या भौतिकशास्त्र विभागाचे प्राध्यापक वरुण भालेराव आणि त्यांचे संशोधन पथक, दोन न्यूट्रॉन तारे, दोन कृष्णविवरे किंवा एक न्यूट्रॉन तारा आणि एक कृष्णविवर (black hole) यांच्या विलीन (merging) होणाऱ्या जोड्यांमधून निर्माण होणाऱ्या गुरुत्वीय लहरींच्या सोबत विद्युतचुंबकीय लहरी संकेत सापडतात का हे शोधत आहेत. त्यांचे संशोधन एका महत्त्वाच्या प्रश्नाचे उत्तर शोधण्याचा प्रयत्न करते: दोन कृष्णविवरांचे विलीनीकरण ‘प्रकाश’ संदेश (विद्युतचुंबकीय लहरी संदेश) निर्माण करू शकते का? की या विलीन होणाऱ्या जोडीमध्ये एक तरी न्यूट्रॉन तारा असणे आवश्यक आहे?

या प्रश्नाचे उत्तर मिळाल्यास, गुरुत्वीय लहरी घटनांवर सध्याच्या निरीक्षण सुविधांद्वारे लक्ष ठेवण्याची आपली क्षमता खूप वाढेल, कारण गुरुत्वीय लहरी शोधण्यापेक्षा विद्युतचुंबकीय लहरी शोधणे सोपे आहे. गुरुत्वीय लहरी स्रोतांच्या वैशिष्ट्यांचे प्रतिमान (मॉडेल) तयार करण्यासाठी आणि त्यायोगे विलीनीकरण घटनांमधून निर्माण होणाऱ्या उच्च-ऊर्जा प्रकाशाच्या उत्सर्जन प्रक्रिया समजून घेण्यास देखील हे उत्तर मदत करेल. आतापर्यंत झालेल्या ९० गुरुत्वीय लहरी घटनांपैकी, जागतिक गुरुत्वीय लहरी नेटवर्कला फक्त एकदाच २०१७ मध्ये गुरुत्वीय लहरींशी संबंधित विद्युतचुंबकीय लहरी संकेत सापडला. हा संकेत दोन न्यूट्रॉन ताऱ्यांच्या विलीनीकरणातून आला होता. या संकेतात गॅमा-रे बर्स्टपासून ते विलीनीकरणानंतर काही दिवसांनी दिसलेल्या दृष्य प्रकाशापर्यंत सर्व वारंवारितेच्या लहरी होत्या. आतापर्यंत आपल्याला दोन कृष्णविवरे किंवा न्यूट्रॉन तारा-कृष्णविवर यांच्या विलीनीकरणातून आलेला विद्युतचुंबकीय लहरींचा संकेत सापडलेला नाही.

या कामात सहभागी असलेले गौरव वरटकर स्पष्ट करतात, “दोन कृष्णविवरांचे विलीनीकरण क्ष-किरण उत्सर्जित करत असेल, तर अश्या अत्यंत तीव्र, उच्च-ऊर्जा विलिनीकरणांच्या घटनांनाच्या मागे असलेल्या भौतिकशास्त्राच्या मूलभूत नियमांच्या आपल्या सध्याच्या आकलनाला आव्हान मिळेल. ह्या घटनांचे गतिशास्त्र आणि त्यांच्या ऊर्जा उत्सर्जन प्रक्रियांवर नवीन प्रकाश टाकला जाईल. या अनोख्या घटनांमुळे क्ष-किरणांची छोट्या कालावधीत सरबत्ती होते (याला एक्स-रे बर्स्ट म्हणतात) असे मानले जाते आणि ते सापडल्यास या घटनांच्या भौतिक प्रक्रियांबद्दल महत्त्वपूर्ण अंतर्दृष्टी मिळेल.”

भारताच्या ॲस्ट्रोसॅट अवकाश वेधशाळेवर बसवलेला कॅडमियम झिंक टेल्युराईड इमेजर (सीझेडटीआय; CZTI) अशा उच्च-ऊर्जा क्रिया शोधण्यासाठी अगदी योग्य उपकरण आहे. ॲस्ट्रोसॅटवरील चार क्ष-किरण उपकरणांपैकी एक असलेले सीझेडटीआय २० ते २०० किलोइलेक्ट्रॉन व्होल्ट (keV) पर्यंतच्या विस्तृत ऊर्जा कक्षेत क्ष-किरण शोधू शकते. लायगो-व्हर्गो-कॅग्रा (LIGO-Virgo-KAGRA) द्वारे नोंदवलेल्या गुरुत्वीय लहरी घटनांच्या १०० सेकंदांच्या आत घडणाऱ्या उच्च-ऊर्जा क्ष-किरण उत्सर्जनाचा शोध घेण्यासाठी गौरव आणि त्यांच्या गटाने ॲस्ट्रोसॅट-सीझेडटीआयचा वापर केला.

गौरव म्हणतात, “हा शोध घेण्यासाठी ॲस्ट्रोसॅट-सीझेडटीआय अत्यंत महत्त्वाचे आहे. ॲस्ट्रोसॅट-सीझेडटीआय कार्यान्वित झाल्यापासून त्याचा उपयोग अनेक बर्स्ट शोधण्यासाठी झाल्याने ते अत्यंत सक्षम डिटेक्टर असल्याचे सिद्ध झालेले आहे.”

संशोधकांनी गुरुत्वीय लहरी डिटेक्टरच्या पहिल्या तीन निरीक्षण सत्रांमधील माहिती वापरून संपूर्ण आकाशाचा सर्वसमावेशक शोध घेतला. या शोधामध्ये दोन न्यूट्रॉन ताऱ्यांच्या विलीनीकरणासाठी ४५७ दशलक्ष प्रकाशवर्षे आणि दोन कृष्णविवरांच्या विलीनीकरणासाठी ३२ अब्ज प्रकाशवर्षे इतक्या प्रकाशमानतेचे अंतर (luminosity distance) समाविष्ट होते. ॲस्ट्रोसॅटने यापैकी सुमारे ७० गुरुत्वीय लहरी शोधांचे निरीक्षण केले होते. संशोधकांनी प्रत्येक न्यूट्रॉन तारा-कृष्णविवर जोडी आणि दोन कृष्णविवरांच्या जोड्यांची पद्धतशीरपणे तपासणी केली.

अवकाश निरीक्षणाच्या गुंतागुंतीमुळे, या शोधाला अनेक आव्हानांना सामोरे जावे लागले. काही वेळा आपली पृथ्वी संभाव्य लक्ष्य आणि ॲस्ट्रोसॅट यांच्यामध्ये अडथळा बनू शकते. याव्यतिरिक्त, काही घटना ॲस्ट्रोसॅट-सीझेडटीआयच्या संवेदनशीलतेच्या कक्षेच्या बाहेर असू शकतात किंवा इतक्या दूर असू शकतात की त्यांचे विद्युतचुंबकीय विकिरण पकडणे शक्य होत नाही.

ॲस्ट्रोसॅट-सीझेडटीआयच्या क्ष-किरण निरीक्षणांमध्ये गुरुत्वीय लहरी घटनांशी संलग्न एकही निरीक्षण आढळले नाही. ही माहिती अत्यंत उपयुक्त आहे, कारण त्यामुळे आपल्याला अशा घटनांच्या वैशिष्ट्यांची मर्यादा निश्चित करण्यास मदत होते. निरीक्षित नमुन्यांची संख्या मोठी असल्याने, या अभ्यासाने आपल्याला विश्वास दिला आहे की या घटनांची जास्तीत जास्त प्रकाशमानता ॲस्ट्रोसॅट शोधू शकणाऱ्या सर्वात कमी प्रकाशमानतेपेक्षा कमी आहे. ॲस्ट्रोसॅटकडून मिळालेल्या या मर्यादा जगातील इतर कोणत्याही क्ष-किरण दुर्बिणीने मिळालेल्या मर्यादांएवढ्याच आहेत. या मर्यादा दोन कृष्णविवरांच्या विलीनीकरणातून होणाऱ्या गुरुत्वीय लहरी उत्सर्जनाशी संलग्न विद्युतचुंबकीय विकिरणाची प्रतिमाने निश्चित करण्यासाठी आवश्यक आहेत.

या कामाच्या भविष्यातील व्याप्तीबद्दल स्पष्ट करताना प्रा. वरुण भालेराव म्हणतात, “हे विश्व भौतिकशास्त्राची कमालीची विशाल प्रयोगशाळा आहे. तिथे नेहमीच आपल्याला नवीन, अद्याप स्पष्टीकरण न सापडलेल्या, आश्चर्यचकित करणाऱ्या घटना दिसत आल्या आहेत. कृष्णविवरांच्या विलीनीकरणातून येणारे क्ष-किरण बर्स्ट शोधणे हे मानवाच्या भौतिकशास्त्राच्या आकलनाला मान्यता देण्यास आणि नवीन, सखोल सिद्धांत शोधण्यास मदत करते. जेव्हा लायगो इंडिया (LIGO India) कार्यान्वित होईल, तेव्हा आपल्याला अधिक दूरच्या कृष्णविवर विलीनीकरण घटना सापडतील. त्यांचा अभ्यास करण्यासाठी, प्रस्तावित भारतीय ‘दक्ष’ मोहीम क्रांतिकारी ठरू शकते.”

गुरुत्वीय लहरींच्या डिटेक्टरचे चौथे निरीक्षण सत्र ऑक्टोबर २०२५ मध्ये संपणे अपेक्षित आहे. या सत्रामुळे दोन न्यूट्रॉन ताऱ्यांच्या विलीनीकरणासाठी प्रकाशमानतेची शोध मर्यादा किमान ५५४ दशलक्ष प्रकाशवर्षे इतकी वाढेल आणि आपल्या सभोवतालच्या विश्वातील गुरुत्वीय लहरींच्या स्रोतांचा मोठा नमुना उपलब्ध होईल. भारताची भविष्यातील अवकाश मोहीम ‘दक्ष’ ही विशेषतः अशा गुरुत्वीय लहरी स्रोतांकडून येणारे विद्युतचुंबकीय विकिरण शोधण्यासाठी आणि समजून घेण्यासाठी तयार केली जात आहे. यामध्ये नियोजित अत्यंत संवेदनशील कॅडमियम झिंक टेल्युराईड (सीझेडटी) डिटेक्टर आणि संपूर्ण आकाशाचे निरीक्षण करण्याची क्षमता यांचा समावेश आहे.