પલ્સાર- ખગોળશાસ્ત્રની સ્વિસ-આર્મી-નાઇફ

વર્ષ 2017ના લેખમાં આપણે જોયું હતું તે પ્રમાણે પલ્સારની ખાસિયત તેના ભ્રમણ સમયની સ્થિરતા છે. તેની આ ખાસિયતનો  સૌ પ્રથમ ઉપયોગ મારી જાણ પ્રમાણે ૧૯૭૦ના દશકમાં અંતરિક્ષમાં મોકલાયેલ વોયેજર-૧ અને વોયેજર-૨ યાનમાં થયો. આ બન્ને યાન અમેરિકાની અંતરિક્ષ સંસ્થા નાસા દ્વારા વર્ષ ૧૯૭૭માં ગુરુ, શનિ, યુરેનસ અને નેપ્ચ્યુન ગ્રહના અભ્યાસ માટે અંતરિક્ષમાં મોકલવામાં આવ્યાં. ગ્રહોને પાર કર્યા બાદ અંતરિક્ષમાં તેમનો પથ, તેમને સૂર્ય-મંડળની બહાર લઇ જતો હતો, એવી અપેક્ષા સાથે કે બન્ને યાન લાખો વર્ષ સુધી અંતરિક્ષમાં મુસાફરી કરતાં રહેશે.  શક્ય છે કે તેમની આ મુસાફરીમાં તેમને કોઇ બીજી, વૈજ્ઞાનિક રીતે વિકસિત સંસ્કૃતિનો ભેટો થાય. આવી સંસ્કૃતિના યાન ક્યાંથી આવ્યાં અને કોણે મોકલ્યાં તે વિષેના કુતુહલને સંતોષવા સારુ યાનમાં માનવ સંસ્કૃતિની  ઓળખ આપતી એક તકતી મૂકવામાં આવી.

વોયેજરના જમાનામાં હજુ જી.પી.એસનું ચલન ન હતું. પણ હવે જયારે આ ટેકનોલોજી ખૂબ વિકસી ચૂકી છે, ત્યારે વૈજ્ઞાનિક પલ્સારનો ઉપયોગ આકાશગંગાના જી.પી.એસ ઉપગ્રહ તરીકે કરવા માગે છે. જેવી રીતે પૃથ્વીની કક્ષામાં ફેલાયેલા ત્રણ જી.પી.એસ (અથવા આપણા ભારતની પોતાની નાવિક પ્રણાલી) ઉપગ્રહ પરથી આવતા સંકેત વડે આપણે પૃથ્વી પર આપણું સ્થાન  (અક્ષાંશ, રેખાંશ અને ઊંચાઈ) જાણી શકીએ, કાંઇક તેવી જ રીતે આકાશગંગામાં સારી રીતે ફેલોયેલા – જે એકબીજાથી એકદમ નજીક ન હોય- તેવા ત્રણ પલ્સારમાંથી આવતા ધબકારાનો સમય માપી આપણે આકાશગંગામાં આપણું સ્થાન ત્રણ પરિમાણમાં જાણી શકીએ. આ સિદ્ધાંતનો ઉપયોગ કરી વર્ષ 2017માં ઈન્ટરનેશનલ સ્પેસ સ્ટેશનનું (ISS) પ્લસારની મદદ વડે અંતરિક્ષમાં સ્થાન નક્કી કરવાનો એક પ્રયોગ કરવામાં આવ્યો. આઠ કલાકના અવલોકન અને ગણતરી બાદ પ્રયોગ ISSનું સ્થાન +/- 16 કિલોમીટરની ચોકસાઈથી માપવામાં સફળ રહ્યો. અંતરિક્ષના અફાટ કદની સરખામણીમાં આ ચોકસાઈ ઘણી સારી કહી શકાય. અંતરિક્ષમાં સ્થાન નક્કી કરવા માટે ક્ષ-કિરણ રેલાવતાં પલ્સાર વપરાય છે, કેમ કે રેડિયો તરંગની સરખામણીમાં ક્ષ-કિરણને ઝીલવા માટે ખૂબ નાના ઉપકરણની જરૂર પડે. વળી આવા પલ્સાર આકાશગંગા, તથા તેની આસપાસ સારી રીતે ફેલાયેલાં છે. ચીન પણ આ ક્ષેત્રમાં ખૂબ સક્રિય છે. તેણે 26 ક્ષ-કિરણ પલ્સારનો વિગતે અભ્યાસ કરવા એક ઉપગ્રહ વર્ષ 2016માં મોકલ્યો હતો.

વર્ષ 2009માં નાસાએ પોતાનું કેપ્લર (Kepler) યાન અંતરિક્ષમાં મોકલ્યું ત્યાર બાદ સૂર્ય સિવાયના તારાની આસપાસ ફરતા અનેક ગ્રહ (Exoplanet- એક્ષોપ્લેનેટ) શોધાઈ ચૂક્યા છે. પરંતુ વર્ષ ૧૯૯૨માં સૌ પ્રથમ એક્ષોપ્લેનેટ શોધવાનું શ્રેય પલ્સારને જાય છે. આપણે જ્યારે એમ કહીએ કે પૃથ્વી સૂર્યની આસપાસ ભ્રમણ કરે છે, ત્યારે તે સાવ સાચું વિધાન નથી. ખરેખર તો પૃથ્વી અને સૂર્ય બેઉ એક કેન્દ્ર-બિંદુની આસપાસ ફરે છે. સૂર્ય પૃથ્વી કરતાં એટલો ભારે છે, કે આ કેન્દ્ર-બિંદુ સૂર્યની અંદર જ, સૂર્યના કેન્દ્રથી માત્ર 450 કિલોમીટર દૂર આવેલું છે, તેથી 15 કરોડ કિલોમીટરની પૃથ્વીની કક્ષા સામે સૂર્યની કક્ષા માત્ર 450 કિલોમીટરની બને! પરંતુ જો કોઈ મોટો ગ્રહ એક તારાની  નજીકની કક્ષામાં ઘૂમતો હોય તો તેના ગુરૂત્વાકર્ષણના પ્રભાવ નીચે, તે તારો પણ ફરતો દેખાય. જો આ કક્ષાનું સમતલ પૃથ્વીમાથી પસાર થતું હોય, તો તારો તેની કક્ષામાં ફરે ત્યારે અર્ધી  કક્ષા માટે તે પૃથ્વી તરફ આવતો અને બાકીની અર્ધી કક્ષા  માટે પૃથ્વીથી દૂર હતો દેખાય. હવે આ તારો જો પલ્સાર હોય તો જ્યારે તે પૃથ્વી તરફ ગતિ કરતો હોય, ત્યારે તેના દરેક ધબકારાને આપણા સુધી પહોંચવા માટે તેના પહેલાનાં ધબકારા કરતા થોડું ઓછું અંતર કાપવું પડે, તેથી બે ધબકારા વચ્ચેનો સમય ગાળો ટૂંકો જણાય. જ્યારે પલ્સાર આપણાથી દૂર જતો હોય ત્યારે આનાથી બરોબર ઊલટું બને અને ધબકારા વચ્ચેનો સમય ગાળો વધી જાય. આમ પલ્સારના ધબકારાનો  સમય ચોકસાઈથી માપી તેની ગતિ માપી શકાય..પલ્સારની આસપાસ જો એકથી વધુ ગ્રહ ઘુમતા   હોય તો તેની ગતિ વધુ અટપટી, પણ ઉકેલી શકાય તેવી  હોય. આ રીત વાપરી વર્ષ 1992માં ખગોળ વૌજ્ઞાનિકોએ એક પલ્સારની આસપાસ ભમતાં બે એક્ષોપ્લેનેટ શોધી કાઢ્યાં અને આપણને તેમના અસ્તિત્વની ઠોસ સાબિતી પહેલી વાર મળી.

જેની આગાહી આઇન્સ્ટાઇને એક શતાબ્દી પહેલાં કરી હતી તે ગુરૂત્વાકર્ષણ તરંગ આપણને પહેલી વખત વર્ષ 2015માં જોવા મળ્યાં. પૃથ્વી પરની પ્રયોગશાળાના ઉપકરણ સ્વાભાવિક રૂપે નાના (બ્રહ્માંડમાં જોવા મળતા અંતરની સરખમણીમાં) હોય તેથી આવી પ્રયોગશાળા માત્ર બે ન્યુટ્રોન તારાની અથવા કોઈ તારાના કદના બ્લેકહોલની અથડામણના પરિણામે ઉત્પન્ન થતાં, નાની તરંગ લંબાઈ વાળા ગુરૂત્વાકર્ષણ તરંગ જ નોંધી શકે. પરંતુ બે તારા-વિશ્વ (Galaxy- ગેલેક્ષી)ની અથડામણ વખતે તેમના કેન્દ્રમાં રહેલા કરોડો સૂર્ય જેટલા વજનનાં ભીમકાય બ્લેકહોલ જ્યારે એકમેકમાં સમાઈ જાય તે વખતે, અથવા તો બ્રહ્માંડની ઉત્પત્તિ સમયે ઉત્પન્ન થયેલાં લાંબી તરંગ લંબાઈ વાળા ગુરૂત્વાકર્ષણ તરંગના અવલોકન માટે પૃથ્વી પરની પ્રયોગશાળા નાની પડે. આવા તરંગની શોધ માટે વૈજ્ઞાનિક હવે પલ્સારની મદદ લઈ રહ્યાં છે. મૂળભૂત રીતે, ગુરૂત્વાકર્ષણ તરંગ તે બ્રહ્માંડના અવકાશ-સમય (Spacetime – સ્પેસટાઈમ) ના તાણા-વાણા (febric- ફેબ્રિક)માં પેદા થતાં તરંગ છે. તેના કારણે અવકાશ પોતે નાનું-મોટું થાય છે. આવો કોઈ તરંગ જો પલ્સાર અને પૃથ્વી વચ્ચેથી પસાર થાય, અને તેને કારણે બેઉ વચ્ચેનું અવકાશ થોડાં સમય માટે મોટું થઈ જાય, તો પલ્સાર પરથી આવતા તરંગને એટલું વધુ અંતર કાપવું પડે, તેનો ધબકારો થોડો મોડો પહોંચે. અવકાશ જો નાનું થઈ જાય તો આનાથી ઊલટું બને. આમ પલ્સારના ધબકારાનો અભ્યાસ ગુરૂત્વાકર્ષણ તરંગને શોધી શકે. અલબત, ગુરૂત્વાકર્ષણ તરંગને કારણે પલ્સારના ધબકારામાં થતો ફેરફાર ખૂબ જ નાનો હોય- સેકન્ડના દસ-કરોડમા ભાગ જેટલો. આટલો નાનો ફેરફાર થવાના બીજા પણ ઘણા કારણ- જેવા કે, પૃથ્વીની તેની કક્ષામાં ગતિ, સૂર્યની આકાશગંગામાં ગતિ, વગેરે. પરંતુ વૈજ્ઞાનિકોને વિશ્વાસ છે કે એકસાથે ઘણા બધા પલ્સારના કાળજીપૂર્વક અભ્યાસથી તેઓ ગુરૂત્વાકર્ષણ તરંગની પલ્સારના ધબકારા પર થતી અસરને બીજી અસરોથી અલગ કરી શકશે. હાલમાં વૈજ્ઞાનિક વિશ્વભરના રેડિયો ટેલિસ્કોપ દ્વારા છેલ્લા બાર વર્ષના રેકોર્ડ કરેલા ડેટાનો અભ્યાસ કરી તેમાંથી લાંબી તરંગ લંબાઈ વાળા ગુરૂત્વાકર્ષણ તરંગના ચિન્હ શોધવા મથી રહ્યાં છે. વર્ષ 2017ના લેખમાં આપણે આ વિષે વિસ્તૃત ચર્ચા કરી હતી હવે, વર્ષ 2021ની શરૂઆતમાં તેઓને આ વિષયમાં સફળતા મળી તેવા સંકેત હતાં.

આઈનસ્ટાઇનના સામાન્ય સાપેકક્ષતાના સિદ્ધાંતની એક બીજી આગાહી પ્રમાણે જ્યારે કોઈ નાનો, પણ ભારે પદાર્થ પોતાની ધરી પર ઝપથી ફરતો હોય, ત્યારે તે પોતાની સાથે ચાર પરિમાણ વાળા અવકાશ-સમયના તાણા-વાણાને  પોતાની સાથે ઘસડી જાય છે. આ ઘટનાને ફ્રેમ-ડ્રેગિંગ (Frame Dragging) કહે છે. ફ્રેમ-ડ્રેગિંગની અસરને કારણે ફરતા પદાર્થની કક્ષા અથવા ધરીમાં ડોલન (precession- પ્રેસેશન) ઉત્પન્નથાય છે.  પૃથ્વીના પોતાની ધરી પર ફરવાના કારણે ઉત્પન્ન થતા ફર્મ-ડ્રેગિંગની  સાબીતિ વર્ષ 2004માં  એક ઉપગ્રહે આપી. પણ પૃથ્વીના નાના કદ અને વજને કારણે આ અસર ખુબ નાની હતી.  વર્ષ 2020માં ઓસ્ટ્રેલિયાની કર્ટીન યુનિવર્સિટીના ભારતીય મૂળના વૈજ્ઞાનિક ડૉ. રમેશ ભટ્ટે, જેને સફેદ-વામન (white-dwarf: વ્હાઇટ-ડ્વાર્ફ) કહે છે, તેવા કદમાં પૃથ્વી જેવડા, પણ તેના કરતા ત્રણ લાખ ગણાં ભારે તારાની આસપાસ ફરતા  માત્ર 20 કિલોમીટરના વ્યાસના પલ્સારના ધબકારાના છેલ્લા 20 વર્ષનાં રેકર્ડનો અભ્યાસ કરી ફ્રેમ-ડ્રેગિંગને કારણે તેની કક્ષામાં થયેલો ફેરફાર અલગ તારવીને પલ્સારનો એક નવો ઉપયોગ કરી બતાવ્યો.

આપણી આકાશગંગામાં અવકાશ, આપણે માનીએ છીએ તેટલું ખાલી નથી. તેમાં વાયુ, ધૂળના કણ અને સ્વતંત્ર, મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન છે. વૈજ્ઞાનિકોને આ મુક્ત ઇલેક્ટ્રોનની માત્રા જાણવામાં રસ ખરો, અને તેના માટે પણ તેઓ પલ્સારનો ઉપયોગ કરે છે. પલ્સારમાંથી નિકળતાં વિદ્યુત-ચુંબકીય વિકિરણ કોઈ એક તરંગ-લંબાઈના નહીં, પણ ઘણી બધી તરંગ લંબાઈ વાળા તરંગના મેળા સ્વરૂપે હોય છે.  આ બધા તરંગની  શૂન્યાવકાશમાં ગતિ એક સમાન હોય છે. પરંતુ અવકાશમાં જો કોઈ રજકણ, ખાસ કરીને વિદ્યુત ભાર વાળા રજકણ હોય તો તેવા માધ્યમમાં તરંગની ગતિ તેની તરંગ લંબાઈ પર આધાર રાખે છે (આ હકીકત, કોઈ પણ માધ્યમ માટે સાચી છે, તેને કારણે જ પ્રિઝમ (prism) વર્ણ-પટલ અથવા સ્પેક્ટ્રમ બનાવે છે અને પાણીના ટીપાં મેઘધનુષ). મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન વાળા અવકાશમાંથી પસાર થતાં પલ્સારનો એક  ધબકારો  અલગ-અલગ તરંગ-લંબાઈના, પૃથ્વી પર અલગ-અલગ સમયે પહોંચતાં અનેક ધબકારામાં વહેંચાઇ જાય છે. અલગ-અલગ તરંગ-લંબાઈના ધબકારાનાં પૃથ્વી પર પહોંચવાનાં સમયનો અભ્યાસ કરી વૈજ્ઞાનિક પલ્સાર અને પૃથ્વી વચ્ચેના અવકાશમાં મુક્ત ઇલેક્ટ્રોનની માત્રાનું અનુમાન લગાવી શકે છે.

આમ, જે પલ્સાર અર્ધી શતાબ્દી પહેલાં ખગોળશાસ્ત્રનું એક કુતુહલ માત્ર હતો, આજે તેનું એક સ્વિસ-આર્મી-નાઇફ સમાન બહુ-ઉપયોગી ઓજાર બની ચૂક્યો છે અને ભવિષ્યમાં આંતર-ગ્રહ અને આંતર-તારક યાત્રા માટે જી.પી.એસ જેવું અનિવાર્ય ઉપકરણ બની રહે તો નવાઈ નહીં.