ডার্ক ম্যাটারের কালো ইতিহাস

বিজ্ঞান ও প্রযুক্তি ডেস্ক : গত শতাব্দীর ২০-এর দশক। আইনস্টাইনের সাধারণ আপেক্ষিকতা তখন প্রতিষ্ঠিত। বিজ্ঞানীরা ভাবলেন ভর মাপবেন গোটা মহাবিশ্বের। সেজন্য সবগুলো গ্যালাক্সির ভর মাপতে হবে।

তারপর সেগুলো যোগ করলেই বেরিয়ে আসবে মহাবিশ্বের মোট ভর। গ্যালাক্সির ভর নির্ণয় করা যায় দুভাবে। গ্যালাক্সিতে যত বস্তুকণা আছে সেগুলো যোগ করে। মহাজাগতিক বস্তু থেকে আসা বিকিরণ বিশ্লেষণ তার ভেতরের বস্তুর কণা পরিমাণ অর্থাৎ ভর মাপা সম্ভব।

একে বলে আসল ভর। আরেকটা উপায় আছে, বস্তুগুলোর মহাকর্ষ বলের প্রভাব। অর্থাৎ মহাকর্ষ বল স্থানকালের ওপর কীরকম প্রভাব বিস্তুর করেছে সেটা থেকে বোঝা যায় বস্তুটির ভর কেমন হবে। মহাকর্ষীয় প্রভাব বেশি হলে বস্তুর ভরও বেশি হয়।

এই প্রভাব বের করার জন্য ভালো উপায় হচ্ছে গ্রাভিটেশনাল লেন্সিং বা মহাকর্ষীয় লেন্সিং। এভাবে যে ভর নির্ণয় করা হয়, তার নাম মহাকর্ষীয় ভর।
কিন্তু একটা সমস্যা বাঁধে ১৯৩০ এর দশকে। ডাচ বিজ্ঞানী ইয়ান ওর্ট সূর্যের আশপাশের নক্ষত্রদের মহাকর্ষীয় ভর বের করেন। এজন্য তিনি সূর্যের আশপাশের নক্ষত্রদের সংখ্যা, অবস্থান ও গতিবেগ মাপেন।

মহাকর্ষীয় ভর বের করার পর তিনি অবাক হয়ে লক্ষ করেন নক্ষত্রদের আসল ভর এদের মহাকর্ষীয় ভরের সমান নয়। তিনি যে হিসাব বের করেন তাতে মহাকর্ষীয় ভর আসল ভরের দ্বিগুণেরও বেশি। কেন বেশি? সে উত্তর ইয়ান ওর্টের জানা ছিল না।
১৯৩২ সাল। সুইস বিজ্ঞানী ফ্রিৎজ জুইকি কমা ক্লাস্টার নিয়ে কাজ করছিলেন। ক্ল্যাস্টার কী? ক্ল্যাস্টার মানে ঝাঁক। কমা ক্ল্যাস্টার হলো গ্যালাক্সিদেরে ঝাঁক। অনেকগুলো গ্রহ-উপগ্রহ নিয়ে আমাদের সৌরজগৎ গড়ে উঠেছে। তেমনি লক্ষকোটি নক্ষত্র-জগৎ নিয়ে তৈরি হয় একটা গ্যালাক্সি বা ছায়াপথ। আমাদের সৌরজগৎ হলো মিল্কিওয়ে বা আকাশগঙ্গা ছায়াপথের একটি অংশ। শত শত গ্যালাক্সি নিয়ে তৈরি হয় একটা গ্যালাক্সির ঝাঁক বা গ্যালাক্সি ক্ল্যাস্টার। জুইকি কমা ক্ল্যাস্টারের গ্যালাক্সিগুলোর বেগ মাপার চেষ্টা করলেন। সেটা করতে গিয়েই বাঁধল বিপত্তি। গ্যালাক্সি বা ছায়াপথগুলির বেগ যা অনুমান করা হয়েছিল তারচেয়ে অনেক অনেক গুণ বেশি। এত বেশি বেগ হলে তো সমস্যা। এত বেগে ঘুরতে থাকলে ছায়পথগুলি ক্ল্যাস্টার থেকে মুক্ত হয়ে দূরে ছিটকে যাবার কথা! এর ব্যাখ্যা কী?

জুইকি তখন ছায়াপথগুলির ভর মাপার চেষ্টা করেছিলেন। এজন্য তিনি ভিরিয়াল উপপাদ্য ব্যবহার করেন। ১৮৭০ সালে এই উপপাদ্যের গোড়াপত্তন করেন জার্মান পদার্থবিজ্ঞানী রুডলফ ক্লসিয়াস। জটিল কোনো ব্যবস্থা, যাদের মোট গতিশক্তি পরিমাপ করা যায় না, এই উপপাদ্যের সাহায্যে সেই ব্যবস্থার সাধারণ বা গড় গতিশক্তি বের করা যায়। এ কাজের জন্য পরিংসখ্যান ব্যবহার করা হয় এই উপপাদ্যে।
গ্যালাক্সির ভর মাপতে গিয়ে জুইকি পড়লেন বড় সমস্যায়। দেখলেন দুইভাবে মাপা গ্যালাক্সিগুলোর ভর এক নয়। ব্যবধান আকাশ পাতাল। মহাকর্ষীয় প্রভাব থেকে বেরুনো ভর বস্তুকণা যোগ করে বেরা করা ভরের তুলনায় ১০ থেকে ১০০ গুণ বেশি। কিন্তু সেই ভর আমরা টেলিস্কোপে মাপা ভর থেকে পেলাম না কেন?

জুইকি বললেন, দুটো কারণে এমনটা হতে পারে। হয় কমা ক্ল্যাস্টারে বাড়তি কিছু ভর আছে অথবা নিউটন-আইনস্টানের মহাকর্ষীয় তত্ত্ব সবক্ষেত্রে সঠিক নয়। জুইকি বললেন, নিউটনের তত্ত্ব যদি ঠিক হয়, তাহলে কমা ক্ল্যাস্টারে বাড়তি ভর লুকিয়ে আছে। সেই ভর দিয়ে যেসব বস্তু তৈরি তারা আলোতে উজ্জ্বল নয়। জুইকি সেই পদার্থের নাম দিলেন ডার্ক ম্যাটার বা গুপ্ত পদার্থ।

কিন্তু জুইকির কথা আমলে নিলেন না কুলিন বৈজ্ঞানিক সম্প্রদায়। বৈজ্ঞানিক সমাজ তখন জুইকিকে অনেকটা একঘরে করে রেখেছিল। পাগল-টাগলই ঠাওরাতেন অনেকে। তাঁরা মনে করতেন, লোকটার মাথায় গণ্ডগোল আছে। জুইকিও কম যান না। কেউ ইটটি মারলে তিনি সমান বিক্রমে পাটকেলটি ছুঁড়তেন। তিনি ক্যালটেকের গবেষক ছিলেন, কিন্তু অন্য বিজ্ঞানীদের মতো সমান মর্যাদা তিনি পেতেন না। অন্য জ্যোতির্বিদরা ২০০ ইঞ্চি ব্যাসের টেলিস্কোপে কাজ করার সুযোগ পেতেন। জুইকির জন্য কখনো ১০০ ইঞ্চি ব্যাসের বেশি টেলিস্কোপ জোটেনি। জুইকি ভাবতেন, তাঁর অনেক বৈজ্ঞানিক ধারণাই অন্য বিজ্ঞানীরা চুরি করে নিজেদের কাজে লাগাচ্ছে। এজন্য তাঁদের ওপরে জুইকি তেলে-বেগুনে জ্বলা ছিলেন। তিনি ভাবতেন, নাক উঁচু বিজ্ঞানীরাই যুক্তরাষ্ট্রে বুক ফুলিয়ে ঘুরে বেড়ায়, কাজ-কর্ম কিছু করে না, কিন্তু সত্যিকারের আবিষ্কারগুলো করে অখ্যাত বিজ্ঞানী, যাদেরকে অবজ্ঞা করা হয়—তাঁরাই।

সে সব ‘অভিজাত’ বিজ্ঞানীরা বেশকিছু কারণে জুইকির প্রস্তাব মানতে পারেননি। কারণ এই ক্ষ্যাপাটে বিজ্ঞানীর কাজ-কর্ম সবসময় তাঁদের কাছে অদ্ভুত মনে হত। যুক্তরাষ্ট্রের অভিজাত বিজ্ঞানীরা কখনোই তাঁকে আপন করে নিতে পারেননি, তাঁকে বহিরাগত বলে মনে করতেন। তাঁর দারুণ সব আবিষ্কারের মূল্যায়নও তাই কখনো ঠিকমতো হয়নি। অথচ এই জুইকিই সুপারনোভা নিয়ে অনেক বড় কাজ করেছেন। ‘সুপারনোভা বিস্ফোরণ’ নামটিও তাঁর দেওয়া। তিনিই প্রথম নিউট্রন তারা আবিষ্কার করেন। কিন্তু তার সেই আবিষ্কারকে পাত্তা দেননি তথাকথিত কুলিন বিজ্ঞানীরা। উল্টো তাঁকে ব্যঙ্গ করে বিখ্যাত পত্রিকায় কার্টুনও ছাপা হয়েছিল।

তিনি যে নিউটনের মহাকর্ষ তত্ত্বের সীমাবদ্ধতার কথা বলছেন, সেটাও মানা যায় না বলে মনে করতেন এলিট বিজ্ঞানীরা। এর অবশ্য কারণ আছে। আরেকবার এমন ব্যাপার ঘটেছিল। উনবিংশ শতাব্দীর শুরুর দিকে আরেকবার শোরগোল উঠেছিল নিউটনের মহাকর্ষ তত্ত্ব নিয়ে। ঝামালাটা বেঁধেছিল ইউরেনাসের কক্ষপথ নিয়ে। ইউরেনাসের গতি-প্রকৃতি আর কক্ষপথের আকার নিউটনের মহাকর্ষ সূত্রানুাযায়ী যেমনটা হওয়ার কথা তেমনটা মিলছিল না পর্যবেক্ষণের সঙ্গে। তখন অনেকেই ভেবেছিল নিউটনের সূত্র বুঝি খাটছে না ইউরেনাসের ক্ষেত্রে। কিন্তু আরেকদল বিজ্ঞানী সেটা মানতে নারাজ। তাঁরা ইউরেনাসের গতি-প্রকৃতি নিয়ে চুলচেরা বিশ্লেষণ করলেন। একসময় বেরিয়ে এলো আরেকটা লুকিয়ে থাকা গ্রহের ধারণা। তাঁরা বললেন, আরেকটা গ্রহ ইউরেনাসের আশপাশে লুকিয়ে আছে বলেই ইউরোনাসের স্বাভাবিক চলনে বিঘ্ন ঘটছে। একসময় লুকিয়ে থাকা গ্রহটির সন্ধান পাওয়া গেল। সেই গ্রহটার নাম দেওয়া হলো নেপচুন।

১৯৫৯ সাল, মার্কিন জ্যোর্তির্বিদ লুইস ভোল্ডারস এক গবেষণাপত্র প্রকাশ করলেন। তাতে দেখালেন, সর্পিলাকার গ্যালাক্সি এম৩৩-এর ঘুর্ণন বেগ কেপলার-নিউটনীয় গতিবিদ্যা দিয়ে ব্যাখ্যা করা যাচ্ছে না। কেন—সেটার ব্যাখ্যা তখন বেরুলো না। ১৯৭৪ জেমস পিবলস, জেরোমাহ অস্ট্রাইকার ও এ ইয়াহিল অনেকগুলো ছায়াপথের ভর নির্ণয় করেন। এই ভর নির্ণয় করেন তাঁরা ছায়াপথের ব্যাসার্ধের ওপর ভিত্তি করে। মাপেন অনেকগুলো ছায়াপথের ব্যাসার্ধও। তারপর ব্যাসার্ধ থেকে ভর মাপেন। ভর মাপেন ছায়াপথের কেন্দ্র থেকে ব্যাসার্ধেরও। তাঁরা লক্ষ করেন কেন্দ্র থেকে ১০০ কিলোপারসেক দূর পর্যন্ত ভর রৈখিকভাবে বৃদ্ধি পায়। অথচ এভাবে ভর বাড়ার কথা ছিল না।

১৯৬২ সালে মার্কিন জ্যোতির্বিদ ভেরা রুবিন বিষয়টি নিয়ে আরো পরীক্ষা-নীরিক্ষা করেন। তিনি অনেকগুলো গ্যালাক্সির গতিপথ হিসাবে আনেন। দেখেন, তাদের ঘূর্ণন গতিবেগ যেমন হওয়ার কথা তেমনটি হচ্ছে না। সেটা আবার কেমন? আমরা গ্যালাক্সির চরিত্র জানি। সেখান থেকে আসা আলো টেলিস্কোপে দেখে গ্যালাক্সির চরিত্র বের করা যায়। বের করা যায় গ্যালাক্সির ভরও। ভেরা রুবিন তখন একটা হিসাব-নিকাশে বসলেন। হিসাব অনুযায়ী একটা নক্ষত্র গ্যালাক্সির যত কেন্দ্র থেকে বাইরের দিকে থাকবে তার গতিবেগ তত কম হবে। মহাকর্ষীয় কারণেই গ্যালাক্সির বাইরের দিকের নক্ষত্রগুলির বেগ কম হওয়ার কথা। কিন্তু রুবিন অবাক হয়ে দেখলেন গ্যালাক্সির কেন্দ্রের দিকে নক্ষত্রগুলির বেগ যেমন তেমনি এর বাইরের দিকের বেগও প্রায় সমান। এই বাড়তি বেগ নক্ষত্র কোথায় পেল?

বাইরের দিকের নক্ষত্রগুলোর বেগ এত বেশি হলে সেগুলো গ্যালাক্সি থেকে ছুটে বেরিয়ে যাবার কথা। রুবিন হিসাব করে দেখলেন বাড়তি বেগের জন্য বাড়তি ভর দরকার। আর ভরের পরিমাণও অনেক বেশি। আমাদের গ্যালাক্সির মোট ভরের তুলনায় সেই অদৃশ্য ভরের পরিমাণ প্রয়ায় দশগুণ। তাহলে সেই বাড়তি ভরের বস্তুগুলো কোথায়? রুবিন শত চেষ্টা করেও সেই হিসাব মেলাতে পারলেন না। তিনি তখন সেই জুইকির ডার্ক ম্যাটারে ফিরে গেলেন। বললেন, সেগুলো বিশেষ এক গুপ্ত পদার্থ বা ডার্ক ম্যাটার। যেগুলো সাধারণ কোনো বস্তুকণা— ইলেকট্রন, কোয়ার্ক দিয়ে তৈয়ি নয়। সেগুলো তৈরি হয়েছে অচেনা-অদৃশ্য বস্তুকণা দিয়ে। সেগুলো কোনো আলোকরশ্মি বিকরণ করতে পারে না।

ভেরা রুবিন তাঁর গবেষণায় স্পেকট্রোগ্রাফ ব্যবহার করেন। তাঁর স্পেকট্রোগ্রাফ হলো এক ধরনের বর্ণালীবিক্ষণ যন্ত্র থেকে পাওয়া লেখচিত্র। বোঝাই যাচ্ছে রুবিন গ্যালাক্সির নক্ষত্রদের বর্ণালী নিয়ে কাজ করেছিলেন। আসলে মহাবিশ্বের বস্তুগলোর গতি-প্রকৃতি এমনকী ভর নিয়েও কাজ করতে গেলে বর্ণালী বিশ্লেষণ ছাড়া গত্যান্তর নেই। বহদূরের যেসব নক্ষত্র আমরা দেখতে পাই সেগুলো টেলিস্কোপে একটা আস্ত ছবি তৈরি করে না। তার আলোর উজ্ঝলতাই একমাত্র ভরসা। সেই আলোই বলে দেয় নক্ষত্রটার ভর কত, সেটা কী বেগে গতিশীল, তার উজ্জ্বলতা বা তাপমাত্রা কত। এমনকী নক্ষত্রের ভেতরের উপাদানগুলো সম্পর্কেও আমরা জানতে পারি ওই বর্ণালীবিক্ষণ থেখে।

ভেরা রুবিনও বর্ণালীবিক্ষণের সাহায্য নিয়েছিলেন। তা থেকেই পেয়েছিলেন লেকচিত্রের দেখা। রুবিন স্পেক্ট্রেগ্রাফের সাহায্যে বেশ কিছু সর্পিলাকারের ছায়াপথের ঘূর্ণণ চক্র তৈরি করেন। এর ফলে একটা বক্র রেখা পেয়েছিলেন। সেই বক্ররেখাটিই ডার্ক ম্যাটারের জন্য ইতিহাস। শুধু সাধারণ বস্তু থাকেলে যেমনটা হত এই বক্ররেখাটি চেহারা, সেটা তেমন হয়নি। বক্ররেখাটি নির্দেশ করে ওইসব গ্যালাক্সিতে অর্দৃশ্য বস্তু পরিমাণ অনেক বেশি। সেই সব বস্তুই বাড়তি ভরের জোগান দিচ্ছে। কিন্তু নিজেরা থেকে যাচ্ছে ধরা-ছোঁয়ার বাইরে।

১৯৭৫ সালে অ্যামেরিকানা অ্যাস্ট্রোনমিক্যাল সোসাইটির সভায় ভেরা রুবিন তাঁর গবেষণার ফলাফল উপস্থাপন করেন। তিনি ঘোষণা দেন, সর্পিলাকার ছায়াপথের কেন্দ্র বাইরের দিকের নক্ষত্রগুলোর ঘূর্ণণ বেগ ধ্রুব থাকে। ১৯৮০ সালে একটি গবেষণাপত্র প্রকাশ করেন রুবিন। তাতে জানান, তাঁর গবেষণার ফল বিশেষ কিছু ইঙ্গিত করছে। সেটা হলো সর্পিলাকার গ্যালাক্সির ঘূর্ণন বেগের ক্ষেত্রে হয়তো নিউটন-আইনস্টাইনের মহাকর্ষ সূত্র অচল। নয়তো অরেকটা সম্ভবনা আছে। রুবিন সেই সম্ভবনার প্রতিই বেশি জোর দিলেন। বললেন মহাবিশ্বের বিরাট একটা অংশ অদৃশ্যই রয়ে গেছে। ভেরা রুবিনের এই গবেষণায় আধুনিক ডার্ক ম্যাটার তত্ত্বের জন্ম দেয়। এজন্যই রুবিনকে বলা হয় ডার্ক ম্যাটার তত্ত্বের জননী।

দিন যত এগিয়েছে সেই ম্যাটারের ভিত তত মজবুত হয়েছে। আজ আমরা জানি, গোটা মহাবিশ্বের মাত্র ৪ শতাংশ দৃশ্যমান বস্তু দিয়ে গড়ে উঠেছে। ৯৬ শতাংশই রয়ে গেছে অদৃশ্য। এর মধ্যে ২১ শতাংশ গুপ্ত পদার্থ বাকি ৭৫ শতাংশ গুপ্ত পদার্থ। তো এই বিশাল পরিমাণ ডার্ক ম্যাটার আর ডার্ক এনার্জিকে আমলে নিয়েই বিগ ব্যাং, মহাবিশ্বের প্রসারণ ইত্যাদি বিষয়গুলো ব্যাখ্যা করা যায়। ব্যাখ্যা করা যায় আইনস্টাইনের মহাকর্ষও। কিন্তু এই তত্ত্বের জন্য ফ্রিৎজ জুইকিকে যেমন কটাক্ষের শিকার হতে হয়েছিল, ভেরা রুবিনও পাননি যোগ্য মর্যাদা। তাই এই ইতিহাসকে ‘ডার্ক হিস্ট্রি অব ডার্ক ম্যাটার’ আখ্যা দেওয়া হয়েছে।

সূত্র: সায়েন্টিফিক অ্যামেরিকান