कृष्णविवरांचे विज्ञान: अथांग गर्तेकडे एक प्रवास

कृष्णविवर हे विश्वातील सर्वात गूढ आणि आकर्षक वस्तूंपैकी एक आहेत. या वैश्विक महाकाय वस्तूंचे गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र इतके तीव्र असते की प्रकाशसुद्धा त्यांच्या तावडीतून सुटू शकत नाही. हा ब्लॉग कृष्णविवरांच्या मागील विज्ञानाचा शोध घेईल, त्यांची निर्मिती, गुणधर्म आणि विश्वाच्या आपल्या आकलनावर त्यांचा होणारा सखोल परिणाम यावर प्रकाश टाकेल.

कृष्णविवर म्हणजे काय?

मूलतः, कृष्णविवर म्हणजे अवकाश-काळातील (spacetime) एक असे क्षेत्र, जिथे गुरुत्वाकर्षण इतके प्रबळ असते की कण आणि प्रकाश यांसारख्या विद्युतचुंबकीय किरणांसहित काहीही त्यातून बाहेर पडू शकत नाही. "न परतण्याची मर्यादा" (point of no return) ही घटना क्षितिज (event horizon) म्हणून ओळखली जाते. ही कोणतीही भौतिक पृष्ठभाग नसून, अवकाश-काळातील एक सीमा आहे. घटना क्षितिजाच्या पलीकडे जाणारी कोणतीही वस्तू कृष्णविवराच्या केंद्रस्थानी असलेल्या सिंग्युलॅरिटीमध्ये (singularity) खेचली जाते.

कृष्णविवरांची संकल्पना अल्बर्ट आइनस्टाईन यांच्या १९१५ मध्ये प्रकाशित झालेल्या सामान्य सापेक्षता सिद्धांतामधून (theory of general relativity) उगम पावली. सामान्य सापेक्षता सिद्धांत असे भाकीत करतो की पुरेसे वस्तुमान एका लहान जागेत दाबल्यास ते अवकाश-काळाला वाकवून कृष्णविवर तयार करू शकते. "कृष्णविवर" हा शब्द भौतिकशास्त्रज्ञ जॉन व्हीलर यांनी १९६७ मध्ये तयार केला.

कृष्णविवरांची निर्मिती

कृष्णविवर सामान्यतः दोन मुख्य प्रक्रियांमधून तयार होतात:

१. ताऱ्याचा अस्त (Stellar Collapse)

सर्वात सामान्य प्रकारचे कृष्णविवर हे मोठ्या ताऱ्यांच्या आयुष्याच्या शेवटी होणाऱ्या पतनातून तयार होतात. जेव्हा आपल्या सूर्यापेक्षा खूप मोठा तारा त्याचे आण्विक इंधन संपवतो, तेव्हा तो स्वतःच्या गुरुत्वाकर्षणाविरुद्ध स्वतःला तोलून धरू शकत नाही. ताऱ्याचा गाभा आतल्या बाजूला कोसळतो, ज्यामुळे सुपरनोव्हा (supernova) स्फोट होतो. जर उरलेला गाभा पुरेसा मोठा असेल (साधारणपणे सूर्याच्या वस्तुमानाच्या तीन पटींपेक्षा जास्त), तर तो आणखी कोसळून कृष्णविवर तयार करतो.

उदाहरण: सायग्नस एक्स-१ (Cygnus X-1) हे कृष्णविवर एका मोठ्या ताऱ्याच्या पतनातून तयार झालेले आहे. ते सायग्नस तारकासमूहात आहे आणि आकाशातील सर्वात तेजस्वी क्ष-किरण (X-ray) स्रोतांपैकी एक आहे.

२. महाकाय कृष्णविवरांची निर्मिती

महाकाय कृष्णविवरे (Supermassive black holes - SMBHs), जी बहुतेक आकाशगंगांच्या केंद्रांमध्ये आढळतात, ती खूप मोठी असतात, त्यांचे वस्तुमान सूर्याच्या वस्तुमानाच्या लाखो ते अब्जावधी पटींनी जास्त असते. SMBHs ची निर्मिती अजूनही सक्रिय संशोधनाचा विषय आहे. अनेक सिद्धांत मांडले गेले आहेत, ज्यात खालील गोष्टींचा समावेश आहे:

• थेट पतन: एक मोठा वायूचा ढग तारा न बनता थेट कृष्णविवरात कोसळतो.
• लहान कृष्णविवरांचे विलीनीकरण: लहान कृष्णविवरे कालांतराने एकत्र येऊन एक मोठे SMBH तयार करतात.
• बीज कृष्णविवरांवर संचयन: एक लहान "बीज" कृष्णविवर आजूबाजूच्या पदार्थांना आकर्षित करून मोठे होते.

उदाहरण: सॅजिटॅरियस ए* (उच्चार "सॅजिटॅरियस ए-स्टार") हे आपल्या आकाशगंगेच्या (Milky Way) केंद्रातील महाकाय कृष्णविवर आहे. त्याचे वस्तुमान सूर्याच्या वस्तुमानाच्या सुमारे ४० लाख पट आहे.

कृष्णविवरांचे गुणधर्म

कृष्णविवरांची ओळख काही मुख्य गुणधर्मांवरून होते:

१. वस्तुमान

कृष्णविवराचे वस्तुमान हा एक मूलभूत गुणधर्म आहे जो त्याच्या गुरुत्वाकर्षण क्षेत्राची ताकद ठरवतो. कृष्णविवरांचे वस्तुमान सूर्याच्या वस्तुमानाच्या काही पटींपासून ते अब्जावधी पटींपर्यंत असू शकते.

२. विद्युत प्रभार

सैद्धांतिकदृष्ट्या, कृष्णविवरांमध्ये विद्युत प्रभार असू शकतो. तथापि, खगोलभौतिकीय कृष्णविवरे विद्युतदृष्ट्या तटस्थ असण्याची अपेक्षा आहे, कारण ते त्यांच्या सभोवतालच्या विरुद्ध प्रभारित कणांना आकर्षित करून त्वरीत तटस्थ होतील.

३. कोनीय संवेग (फिरकी)

बहुतेक कृष्णविवरे फिरत असण्याची शक्यता आहे, म्हणजेच त्यांच्यात कोनीय संवेग असतो. हे परिवलन कृष्णविवराच्या सभोवतालच्या अवकाश-काळाच्या आकारावर परिणाम करते आणि त्यात पडणाऱ्या पदार्थांच्या वर्तनावर प्रभाव टाकू शकते. फिरणाऱ्या कृष्णविवरांचे वर्णन केर मेट्रिक (Kerr metric) द्वारे केले जाते, तर न फिरणाऱ्या कृष्णविवरांचे वर्णन श्वार्झचाइल्ड मेट्रिक (Schwarzschild metric) द्वारे केले जाते.

कृष्णविवराची रचना

कृष्णविवराचे स्वरूप समजून घेण्यासाठी त्याची रचना समजून घेणे महत्त्वाचे आहे:

१. सिंग्युलॅरिटी

कृष्णविवराच्या केंद्रस्थानी सिंग्युलॅरिटी असते, जिथे कृष्णविवराचे सर्व वस्तुमान एका अमर्याद घनतेच्या बिंदूत केंद्रित झालेले असते. भौतिकशास्त्राची आपली सध्याची समज सिंग्युलॅरिटीवर अपयशी ठरते आणि सामान्य सापेक्षतेचे नियम तेथे लागू होत नाहीत. सिंग्युलॅरिटीचे योग्य वर्णन करण्यासाठी क्वांटम ग्रॅव्हिटीची (quantum gravity) आवश्यकता असेल असे भाकीत केले जाते.

२. घटना क्षितिज

आधी सांगितल्याप्रमाणे, घटना क्षितिज ही ती सीमा आहे ज्याच्या पलीकडे काहीही कृष्णविवराच्या गुरुत्वाकर्षणातून सुटू शकत नाही. घटना क्षितिजाच्या त्रिज्येला श्वार्झचाइल्ड त्रिज्या (Schwarzschild radius) म्हणतात, जी कृष्णविवराच्या वस्तुमानाच्या प्रमाणात असते.

३. संचयन तबकडी

अनेक कृष्णविवरांभोवती संचयन तबकडी (accretion disk) असते, जी वायू आणि धुळीची एक फिरणारी तबकडी असून ती हळूहळू कृष्णविवराकडे खेचली जात असते. संचयन तबकडीतील पदार्थ कृष्णविवराकडे पडत असताना, ते प्रचंड तापमानापर्यंत गरम होते आणि क्ष-किरणांसहित मोठ्या प्रमाणात प्रारण (radiation) उत्सर्जित करते. या प्रारणामुळेच आपण अनेकदा कृष्णविवरांना शोधू शकतो.

४. जेट्स

काही कृष्णविवरे, विशेषतः महाकाय कृष्णविवरे, त्यांच्या ध्रुवांमधून कणांचे शक्तिशाली जेट्स बाहेर फेकतात. हे जेट्स लाखो प्रकाशवर्षे दूरपर्यंत पसरू शकतात आणि ते कृष्णविवराच्या परिवलन आणि चुंबकीय क्षेत्रांद्वारे चालवले जातात असे मानले जाते.

कृष्णविवरांचे निरीक्षण

कृष्णविवर स्वतः अदृश्य असतात, कारण ते कोणताही प्रकाश उत्सर्जित करत नाहीत. तथापि, आपण त्यांच्या सभोवतालच्या गोष्टींवर होणाऱ्या परिणामांचे निरीक्षण करून त्यांचे अस्तित्व अप्रत्यक्षपणे शोधू शकतो.

१. गुरुत्वीय लेन्सिंग

कृष्णविवरे त्यांच्यामागील वस्तूंकडून येणाऱ्या प्रकाशाला वाकवू शकतात आणि विकृत करू शकतात, या घटनेला गुरुत्वीय लेन्सिंग म्हणतात. या परिणामाचा उपयोग कृष्णविवरांचा शोध घेण्यासाठी आणि त्यांचे वस्तुमान मोजण्यासाठी केला जाऊ शकतो.

उदाहरण: खगोलशास्त्रज्ञांनी दूरच्या आकाशगंगांचा अभ्यास करण्यासाठी गुरुत्वीय लेन्सिंगचा वापर केला आहे, ज्यांचा प्रकाश मध्ये येणाऱ्या कृष्णविवरांमुळे मोठा आणि विकृत झाला आहे.

२. क्ष-किरण उत्सर्जन

जेव्हा पदार्थ कृष्णविवरात पडतो, तेव्हा तो गरम होतो आणि क्ष-किरण उत्सर्जित करतो. हे क्ष-किरण क्ष-किरण दुर्बिणींद्वारे शोधले जाऊ शकतात, ज्यामुळे आपल्याला सक्रियपणे पदार्थ गोळा करणाऱ्या कृष्णविवरांना ओळखता येते.

उदाहरण: आधी सांगितल्याप्रमाणे, सायग्नस एक्स-१ हे त्याच्या शक्तिशाली क्ष-किरण उत्सर्जनामुळे शोधल्या गेलेल्या पहिल्या कृष्णविवरांपैकी एक होते.

३. गुरुत्वीय लहरी

जेव्हा कृष्णविवरे एकमेकांमध्ये विलीन होतात, तेव्हा ते गुरुत्वीय लहरी निर्माण करतात. या लहरी म्हणजे अवकाश-काळातील तरंग असून ते प्रकाशाच्या वेगाने बाहेर पसरतात. या गुरुत्वीय लहरी लायगो (LIGO - Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) आणि व्हर्गो (Virgo) सारख्या वेधशाळांद्वारे शोधल्या जाऊ शकतात.

उदाहरण: २०१५ मध्ये, लायगोने दोन कृष्णविवरांच्या विलीनीकरणातून निर्माण झालेल्या पहिल्या गुरुत्वीय लहरी शोधल्या, ज्यामुळे सामान्य सापेक्षतेच्या एका महत्त्वाच्या भाकिताची पुष्टी झाली आणि विश्वाकडे पाहण्याची एक नवीन खिडकी उघडली गेली.

४. इव्हेंट होरायझन टेलिस्कोप (EHT)

इव्हेंट होरायझन टेलिस्कोप हे दुर्बिणींचे एक जागतिक नेटवर्क आहे जे पृथ्वीच्या आकाराची एक आभासी दुर्बीण तयार करण्यासाठी एकत्र काम करते. २०१९ मध्ये, EHT ने कृष्णविवराच्या सावलीची पहिली प्रतिमा घेतली, विशेषतः M87 आकाशगंगेच्या केंद्रातील महाकाय कृष्णविवराची.

कृष्णविवर आणि सामान्य सापेक्षता

कृष्णविवर हे आइनस्टाईनच्या सामान्य सापेक्षता सिद्धांताचा थेट परिणाम आहेत. सिद्धांत भाकीत करतो की मोठ्या वस्तू अवकाश-काळाच्या पटलाला वाकवतात आणि पुरेसे वस्तुमान एका लहान जागेत दाबल्यास अवकाश-काळाचे असे क्षेत्र तयार होऊ शकते जिथून काहीही सुटू शकत नाही. कृष्णविवर सामान्य सापेक्षतेसाठी एक शक्तिशाली चाचणी मैदान म्हणून काम करतात, ज्यामुळे शास्त्रज्ञांना गुरुत्वाकर्षणाबद्दलच्या आपल्या समजेच्या मर्यादा तपासता येतात.

काळ प्रसरण (Time dilation): सामान्य सापेक्षता सिद्धांत सांगतो की मजबूत गुरुत्वाकर्षण क्षेत्रात वेळ हळू चालतो. कृष्णविवराजवळ, काळ प्रसरण अत्यंत तीव्र होते. दूरच्या निरीक्षकासाठी, घटना क्षितिजाकडे जाणाऱ्या वस्तूसाठी वेळ खूपच मंदावलेला दिसतो. घटना क्षितिजावर, दूरच्या निरीक्षकाच्या दृष्टिकोनातून वेळ प्रभावीपणे थांबतो.

अवकाश-काळ वक्रता: कृष्णविवरे अवकाश-काळाची अत्यंत वक्रता निर्माण करतात. ही वक्रता गुरुत्वीय लेन्सिंग आणि कृष्णविवरांभोवती प्रकाशाच्या वाकण्यासाठी जबाबदार असते.

माहितीचा विरोधाभास

कृष्णविवर भौतिकशास्त्रातील सर्वात गोंधळात टाकणाऱ्या समस्यांपैकी एक म्हणजे माहितीचा विरोधाभास. क्वांटम मेकॅनिक्सनुसार, माहिती नष्ट केली जाऊ शकत नाही. तथापि, जेव्हा एखादी वस्तू कृष्णविवरात पडते, तेव्हा तिची माहिती कायमची नष्ट झाल्यासारखे वाटते, जे क्वांटम मेकॅनिक्सच्या नियमांचे उल्लंघन करते. या विरोधाभासामुळे बरीच चर्चा आणि संशोधन झाले आहे, आणि त्यासाठी विविध उपाय सुचवले गेले आहेत, ज्यात खालील गोष्टींचा समावेश आहे:

• हॉकिंग रेडिएशन: कृष्णविवरे पूर्णपणे काळी नसतात; ते हॉकिंग रेडिएशन नावाचे एक अंधुक प्रारण उत्सर्जित करतात, जे घटना क्षितिजाजवळील क्वांटम परिणामांमुळे होते. काही सिद्धांतांनुसार, माहिती हॉकिंग रेडिएशनमध्ये सांकेतिक रूपात असू शकते.
• फायरवॉल: एक वादग्रस्त सिद्धांत असा प्रस्ताव देतो की घटना क्षितिजावर उच्च-ऊर्जा कणांची एक "फायरवॉल" अस्तित्वात आहे, जी कृष्णविवरात पडणाऱ्या कोणत्याही वस्तूचा नाश करेल, ज्यामुळे माहितीचा नाश टाळता येईल, परंतु यामुळे सामान्य सापेक्षतेच्या त्या तत्त्वाचेही उल्लंघन होईल की कृष्णविवरात पडणाऱ्या निरीक्षकाला घटना क्षितिजावर काहीही विशेष जाणवू नये.
• फझबॉल्स: हा सिद्धांत सुचवतो की कृष्णविवरे ही सिंग्युलॅरिटी नसून "फझबॉल्स" आहेत ज्यांचा आकार मर्यादित असतो आणि त्यांना घटना क्षितिज नसते, ज्यामुळे माहितीच्या नाशाची समस्या टाळता येते.

कृष्णविवर आणि भविष्यातील अवकाश संशोधन

कृष्णविवरापर्यंत प्रवास करणे सध्या आमच्या तांत्रिक क्षमतेच्या पलीकडे असले तरी, कृष्णविवरे विज्ञान कथा आणि वैज्ञानिक संशोधनाला प्रेरणा देत राहतात. गुरुत्वाकर्षण, अवकाश-काळ आणि विश्वाच्या उत्क्रांतीबद्दलचे आपले ज्ञान वाढवण्यासाठी कृष्णविवरांना समजून घेणे महत्त्वाचे आहे.

संभाव्य भविष्यातील अनुप्रयोग: सध्या सैद्धांतिक असले तरी, कृष्णविवरांच्या अत्यंत भौतिकशास्त्राची समज ऊर्जा निर्मिती, प्रगत प्रणोदन प्रणाली किंवा अवकाश-काळाला हाताळण्यातही क्रांती घडवू शकते.

धोक्याचे मूल्यांकन: कृष्णविवरांचा त्यांच्या सभोवतालच्या परिसरावर होणाऱ्या परिणामांचा अभ्यास केल्याने आम्हाला या शक्तिशाली वस्तूंद्वारे निर्माण होणाऱ्या धोक्यांना समजण्यास मदत होते, विशेषतः अशा प्रदेशांमध्ये जिथे कृष्णविवरे सामान्य आहेत, जसे की आकाशगंगांची केंद्रे.

निष्कर्ष

कृष्णविवर हे विश्वातील सर्वात आकर्षक आणि रहस्यमय वस्तूंपैकी एक आहेत. ताऱ्यांच्या पतनातून त्यांच्या निर्मितीपासून ते आकाशगंगांना आकार देण्यामधील त्यांच्या भूमिकेपर्यंत, कृष्णविवरे आपल्या भौतिकशास्त्र आणि खगोलशास्त्राच्या समजेला आव्हान देत आहेत. जसजसे तंत्रज्ञान प्रगत होईल, तसतसे आपण या गूढ वस्तू आणि विश्वावरील त्यांच्या सखोल प्रभावाविषयी आणखी बरेच काही शिकू अशी अपेक्षा आहे.

अधिक वाचन

• "ब्लॅक होल्स अँड टाइम वॉर्प्स: आइन्स्टाईन्स आउटरेजियस लेगसी" - किप एस. थॉर्न
• "अ ब्रीफ हिस्ट्री ऑफ टाइम" - स्टीफन हॉकिंग
• नासाची कृष्णविवर वेबसाइट: [https://www.nasa.gov/mission_pages/blackholes/index.html](https://www.nasa.gov/mission_pages/blackholes/index.html)