બ્લેક-હોલનો પર્યાય?

ખગોળશાસ્ત્ર અજાયબીઓ થી ભરેલું છે- સો કરોડ  સૂર્ય જેટલા પ્રકાશિત સુપર-નોવા (Super Nova), એક સેકન્ડમાં સો વખત પોતાની ધરી પર ફરતા પલ્સાર (Pulsar), જેની એક ચમચી ભર “માટી” નું વજન ૧૦૦૦ કરોડ ટન હોય તેવા ન્યુટ્રોન (Neutron) તારક અને સૌથી અજાયબ, જેની પકડમાં થી પ્રકાશ પણ છૂટી ન શકે તેવા, વિજ્ઞાન-કથા ના લેખકોના માનિતા બ્લેક-હોલ (Black Hole). જાણે આ બધી અજાયબીઓ થી કંટાળી ગયા હોય તેમ વૈજ્ઞાનિકો હવે બીજી એક અજાયબીની કલ્પના કરવા લાગ્યા છે.

“ન્યુ સાયન્ટીસ્ટ” સામાયિકના તારીખ ૧૫ જુલાઇ ૨૦૧૭ના અંકમાં બ્લેક-હોલના પર્યાયની સંભાવના વિષે ચર્ચા કરતો એક વિસ્તૃત લેખ પ્રકાશિત થયો છે.  આપણને અજાયબ લાગતાં  બ્લેક-હોલ નો સિદ્ધાંત બહુ જટિલ નથી. આઈન્સ્ટાઈનની સન ૧૯૧૫માં પ્રસિદ્ધ થયેલા સામાન્ય સાપેક્ષતા (General Relativity- જનરલ રીલેટિવીટી) ના સિદ્ધાંત મુજબ કોઇ પણ વજનદાર ચીજ પોતાની આજુબાજુના અવકાશ-સમય (space-time: સ્પેસ-ટાઇમ) ના તાણાવાણાને વિકૃત કરે છે અને એના પરિણામ સ્વરૂપે એક બળ ઉત્પન્ન થાય છે, જે  ગુરૂત્વાકર્ષણ તરીકે ઓળખાય છે. જેમ  ખગોળના કોઇ  પિંડનું વજન વધુ, તેમ ગુરૂત્વાકર્ષણનું બળ વધુ. છેવટે એક તબક્કો એવો આવે કે પોતાના જ ગુરૂત્વાર્ષણની અસર નીચે પિંડ પોતાનામાં સમાઇ જાય, જેને અંગ્રેજીમાં કોલેપ્સ (Collapse) થવું કહે છે. આ સ્થિતીમાં પિંડનું ગુરૂત્વાકર્ષણ એટલું વધી જાય કે ખુદ પ્રકાશ માટે પણ તેનો સામનો કરવો અશક્ય થઈ જાય! અર્થાત્ પ્રકાશ  પિંડમાં થી બહાર આવી ન શકે અને પિંડ પોતે અદ્રશ્ય થઈ જાય, અવકાશમાં એક અશ્વેત, કાળુ છિદ્ર – બ્લેક હોલ માત્ર રહી જાય. આવું બ્લેક હોલ પોતાની આસપાસ આવતી દરેક ચીજ ને ગળી જાય. બ્લેક હોલમાં પ્રવેશ્યા બાદ કોઇ પદાર્થની શું સ્થિતી થાય તેની કોઇને ખબર નથી. તે પદાર્થનું અસ્તિત્વ જ માનો સમાપ્ત થઈ જાય છે!   આવી, અનંત ગુરૂત્વાકર્ષણની  સ્થિતીમાં ભૌતિકશાસ્ત્રના નિયમ નિરર્થક બની જાય તેથી વૈજ્ઞાનિક માટે બ્લેક-હોલ એક વણ-ઉકેલ્યો કોરડો છે.

 

આ ઉપરાંત જ્યારે પદાર્થનું કદ એકદમ સૂક્ષ્મ થઈ જાય, ત્યારે એક  બીજો મૂળભૂત સિદ્ધાંત, ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સ (Quantum Mechanics) પણ મેદાનમાં આવે છે. સાપેક્ષતાના સિદ્ધાંત પ્રમાણે બ્લેક-હોલની જે લાક્ષણિકતા (characteristics- કેરેક્ટરીસ્ટિક)  હોવી જોઈએ તેમાની અમૂક ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સના સિદ્ધાંતના મૂળભૂત નિયમોનું ઉલ્લંઘન કરે છે. આવા  વિરોધાભાસના કારણે બ્લેક-હોલના અસ્તિત્વ વિષે શંકા જાગે તે સ્વાભાવિક છે..  પરંતુ ગઇ સદીના આઠમા દશકમાં હંસ (Cygnus- સીગ્નસ) તારા-મંડળ (Constellation- કોન્સ્ટેલેશન) માં  દેખાતા Cyg X-1 નામના ક્ષ-કિરણ (X-Ray : એક્ષ-રે) ના સ્ત્રોતનો વિસ્તૃત અભ્યાસ થયો (સન ૧૯૭૫માં અંતરિક્ષમાં મૂકાયેલ ભારતના પ્રથમ ઉપગ્રહ “આર્યભટ્ટ” માં પણ એક ઉપકરણ આ અભ્યાસ માટે હતું!). સ્ત્રોતની  લાક્ષણિકતા કોઇ બ્લેક-હોલમાં પડતાં વાયુને કારણે પેદા થતા ક્ષ-કિરણ સાથે એટલી મળતી આવતી હતી કે વૈજ્ઞાનિકોની બ્લેક-હોલના અસ્તિત્વ વિષેની શંકા નાબૂદ થઈ ગઈ. ત્યાર બાદ તો આપણી આકાશગંગા જેવા દરેક મોટા તારા-સમૂહ (Galaxy- ગેલેક્ષી) ના કેન્દ્રમાં થી નીકળતા રેડીયો તરંગોના અભ્યાસે પણ બ્લેક-હોલના અસ્તિત્વનું સમર્થન કર્યું અને છેલ્લે બાકી હતું તો બે વર્ષ પહેલા અમેરિકાની LIGO પ્રયોગશાળા દ્વારા બે બ્લેક-હોલની અથડામણ ને કારણે ઉત્પન્ન થતાં  ગુરૂત્વાકર્ષણ તરંગ (Gravitational Waves- ગ્રેવીટેશનલ વેવ્ઝ) ના અવલોકને રહી-સહી શંકાનું પણ નિવારણ કરી દીધું. હવે જ્યારે એવું લાગતું હતું કે બ્લેક-હોલના અસ્તિત્વ વિષેની  શંકાનું નિવારણ થઈ ગયું છે ત્યારે, કેટલાક વૈજ્ઞાનિકોના મનમાં બીજી સંભાવનાની કલ્પના ઉત્પન્ન થઈ. આવા એક વૈજ્ઞાનિક છે  જર્મનીના ફ્રેન્કફર્ટ ઈન્સ્ટીટ્યુટ ઑફ એડવાન્સ્ડ સ્ટડીઝ (Frankfurt Institute of Advanced Studies) ના લ્યુસીઆનો રેઝોલ્લા (Luciano Rezzolla). આવા વૈજ્ઞાનિકોના માનવા મુજબ બ્લેક-હોલને લગતા જે પણ અવલોકન છે, તે બધા એક બીજી રીતે, બીજા સિદ્ધાંત વડે પણ સમજાવી શકાય તેમ છે.

 

આ બીજો સિદ્ધાંત સમજવા માટે ઇલેક્ટ્રોન જેવા મૂળભૂત કણ (Fundamental Particles)ના ગુણધર્મ, તેમને લાગુ પડતા નિયમ સમજવા જરૂરી છે. આધુનિક ભૌતિકશાસ્ત્રના માનવા મુજબ મૂળભૂત કણનો બે પ્રકાર છે, પહેલો પ્રકાર, જેમાં ઇલેક્ટ્રોન, ન્યુટ્રીનો, ક્વાર્ક( Quark – પ્રોટોન તથા ન્યુટ્રોન ના ભાગ)  સામેલ છે. આવા કણને  ફર્મીઓન (Fermion)  કહે છે . બ્રહ્માંડમાં જોવા મળતું  દ્રવ્ય(matter) ઘણું કરી ફર્મીઓનનું બનેલું છે. ફર્મીઓનનો એક અગત્યનો ગુણધર્મ છે કે એક જાતના કોઇ બે ફર્મીઓનનું “Quantumm State” (ક્વોન્ટમ સ્ટેટ) એક સરખું ન હોઇ શકે. અર્થાત્ એક જગ્યાએ રહેલા બે ફર્મીઓનની  ઊર્જા તથા તેના જેવા બીજા કેટલાક પરિમાણ એક સરખા ન હોઇ શકે. પરમાણુમાં ઇલેક્ટ્રોનની અલગ-અલગ સ્થિતી તથા તેના પરિણામ સ્વરૂપ જુદા-જુદા રાસાયણિક તત્વોનું અસ્તિત્વ આ ગુણધર્મ, જેને Pauli’s Exclusion Principle (પૌલીઝ એક્ષક્લુઝન પ્રીન્સીપલ) કહે છે, તેનું સીધું પરિણામ છે. માનો સમગ્ર રાસયણશાસ્ત્ર  તથા તારાથી માંડી બ્લેક-હોલ પણ તેને કારણે છે તેમ કહી શકાય.

 

“ફર્મીઓન” નામ ઈટાલીના ભૌતિકશ્રશાસ્ત્રી એનરીકો ફર્મી (Enrico Fermi) ના નામ પરથી રાખવામાં આવ્યું છે. તે સામે બીજી જાતના કણનું નામ અખંડ ભારતની ઢાકા યુનિવર્સિટીના ભૌતિકશ્રશાસ્ત્રી સત્યેન્દ્ર નાથ બોઝના નામ પરથી બોઝોન (Boson) રાખવામાં આવ્યું છે. આવા કણનું એક જાણીતું ઉદાહરણ પ્રકાશનો કણ ફોટોન (Photon) છે. બોઝોન કણને ફર્મીઓન જેવી કોઇ મર્યાદા લાગુ પડતી નથી. ઘણા બધા એક જેવા બોઝોન એક સાથે રહી શકે. કદાચ આવા બોઝોનના મોટા જથ્થાનું વર્તન બ્લેક-હોલ જેવું હોય? આ પ્રશ્ન વૈજ્ઞાનિક સમુદાયમાં ઘણા સમય થી ચર્ચામાં હતો. મુશ્કેલી એ હતી કે ફોટોન જેવા બોઝોનનું સ્થિર- વજન (Rest Mass- રેસ્ટ માસ) શૂન્ય હોય છે (તેથી તો તેઓનો વેગ  પ્રકાશની ગતિ જેટલો થઈ શકે છે!) . તેથી આવા બોઝોન ગુરૂત્વાકર્ષણ ઉત્પન્ન કરી શકે નહીં. વૈજ્ઞાનિકોની ગણતરી પ્રમાણે વજન વાળા બોઝોન પણ હોવા જોઈતા હતાં પરંતુ સન ૨૦૧૨ લગી આવા બોઝોન  ભૌતિકશાસ્ત્રની કલ્પના માત્ર હતી. તે વર્ષમાં યુરોપમાં આવેલ લાર્જ હેડ્રોન કોલાઇડર (Large Hadron Collider, અથવા LHC) માં સૌ પ્રથમ વાર  જેની આતુરતા પૂર્વક રાહ જોવાતી હતી તે હીગ્સ બોઝોન (Higgs Boson) જોવા મળ્યો. આ બોઝોન નું પોતાનું વજન તો છે જ, કહે છે કે બાકીના કણના વજન માટે પણ તે જ જવાબદાર છે! આમ હવે બ્રહ્માંડમાં  બોઝોનના બનેલા ભારે વજન વાળા પિંડ, ના અસ્તિત્વની શક્યતા વધી ગઇ તથા વૈજ્ઞાનિક બોઝોન તારક (Boson Star) ની કલ્પના કરવા લાગ્યા- સાચું કહીએ તો તેની ફેર-કલ્પના કરવા લાગ્યા, કારણ કે સન ૧૯૫૫માં જ્હોન વ્હીલર નામના વૈજ્ઞાનિક આવી કલ્પના કરી ચુક્યા હતાં. વૈજ્ઞાનિકોના મત પ્રમાણે આવા તારક હીગ્સ બોઝોન નહીં પરંતુ એક્ષીઓન (Axion) નામના હજુ સુધી વણ-દેખાયેલ બોઝોનના બનેલા હોવાની શક્યતા વધારે છે. આવા કદમાં નાના પરંતુ ભારે વજનના બોઝોન તારકના ગુણધર્મ  બ્લેક-હોલના ગુણધર્મને સાવ મળતા આવી શકે, આપણે જેને અત્યાર લગી બ્લેક-હોલ માનતા આવ્યા છીએ, બની શકે કે તે ખરેખર તો બોઝોન તારક હોય. જો આમ હોય તો  સાપેક્ષતા તથા ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સમાં કોઇ વિરોધાભાસનું કારણ ન રહે.

 

જો બ્લેક-હોલ તથા બોઝોન તારક વચ્ચે આટલું બધું સામ્ય હોય તો અવલોકન દ્વારા બન્ને ને અલગ શી રીતે પાડવા? જેમાં થી પ્રકાશ પણ બહાર ન આવી શકે તેમની છબી લેવી તો અશક્ય છે. પરંતુ બ્લેક-હોલ (અથવા બોઝોન તારક) પોતાની આસપાસના વાયુને  ખેંચે ત્યારે તે ગરમ વાયુમાં થી નીકળતા વિદ્યુત-ચુંબકીય કિરણ  માનો તેની આસપાસ એક “પ્રભામંડળ” (Halo –હેલો) બનાવે. હાલ માં આપણી આકાશગંગાના કેન્દ્રમાં રહેલા બ્લેક-હોલ (અથવા બોઝોન તારક) ના પ્રભામંડળનો નકશો બનાવવાના કાર્યમાં પૂરા વિશ્વના રેડીઓ ટેલીસ્કોપ જોડાયેલા છે. આ કાર્ય આમતો લંડનમં બેસીને ન્યૂયોર્કમાં રાખેલા રાઈના દાણાની છબી લેવા જેટલું મુશ્કેલ છે. પરંતુ જો તે સફળ થાય તો કદાચ આપણે બ્લેક-હોલ તથા બોઝોન તારકને અલગ તારવી શકીએ કેમ કે પોતાની ધરી પર ફરતા બોઝોન તારકનો આકાર અલગ તરી આવે. આ ઉપરાંત બ્લેક-હોલની અથડામણ  દ્વારા ઉત્પન્ન થતાં ગુરૂત્વાકર્ષણ તરંગ બોઝોન તારકની અથડામણ  દ્વારા ઉત્પન્ન થતાં ગુરૂત્વાકર્ષણ તરંગ કરતાં થોડા અલગ હોઇ શકે. જો આપણે ગુરૂત્વાકર્ષણ તરંગના અવલોકનની વધુ સારી રીત વિકસાવી શકી એ, તો પણ  શક્ય છે કોયડાનો ઉકેલ મળી આવે, અને ખગોળશાસ્રને એક વધુ અજાયબી મળે.