গবেষণা: মহাকাশে অন্ধকারের সৌন্দর্য কেমন?

মহাকর্ষীয় তরঙ্গ ১৩০ কোটি আলোকবর্ষ পথ পেরিয়ে ২০১৫ সালের ১৪ সেপ্টেম্বর পৃথিবী অতিক্রম করে। মার্কিন যুক্তরাষ্ট্রে অবস্থিত লাইগো ডিটেক্টরে (যন্ত্র) এই তরঙ্গ ধরা পড়ে এবং সেটি এক সেকেন্ডের অর্ধেকেরও কম সময় স্থায়ী হয়। লাইগো মানে হচ্ছে লেজার ইন্টারফেরোমিটার গ্র্যাভিটেশনাল-ওয়েভ অবজারভেটরি (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory-LIGO)। এটাই হলো মহাকর্ষীয় তরঙ্গের প্রথম প্রত্যক্ষ শনাক্তকরণ।

কয়েক দশক ধরে অনুসন্ধানের প্রথম সাফল্য। আর এটাও ছিল দুটি ব্ল্যাকহোল সমবেত হওয়ার প্রথম পর্যবেক্ষণ, যা আনুষ্ঠানিকভাবে প্রকাশিত হয় ২০১৬ সালের ১১ ফেব্রুয়ারি। আর সেদিন থেকে ব্ল্যাকহোল নিয়ে সবার কৌতূহল অনেক গুণ বেড়ে যায়।

মহাকর্ষীয় তরঙ্গ হচ্ছে স্থান-কালের নিজস্ব তরঙ্গ, অর্থাৎ স্থান-কালের সংকোচন এবং প্রসারণের কারণ। ১৯১৬ সালে আইনস্টাইন তার আপেক্ষিকতার সাধারণ তত্ত্বে এই তরঙ্গের অস্তিত্বের কথা বলেছিলেন। মহাকর্ষীয় তরঙ্গ ত্বরিত ভর থেকে তৈরি হয় এবং আলোর গতিতে চলে।

এমনকি এই তরঙ্গ আপনার এবং আমার মধ্য দিয়ে প্রবাহিত হয়। তারা আমাদের প্রসারিত এবং সংকুচিত করে, কিন্তু খুবই অতি ক্ষুদ্র পরিমাণে। যখন নক্ষত্রের (Star) পারমাণবিক জ্বালানি ফুরিয়ে গিয়ে কোরের (Core) বিস্ফোরণ হয় অথবা ব্ল্যাকহোলের সংঘর্ষের মতো ভয়ানক ঘটনা ঘটে, তখন অনেক শক্তিশালী মহাকর্ষীয় তরঙ্গের সৃষ্টি হয়। যেমন কক্ষপথে ঘুরতে থাকা এক জোড়া ব্ল্যাকহোল মহাকর্ষীয় তরঙ্গ হিসেবে ধীরে ধীরে শক্তি হারিয়ে একে অপরের কাছে আসতে থাকে। যখন তারা সংঘর্ষে মিলিত হয়, তখন সবচেয়ে শক্তিশালী তরঙ্গ নির্গত হয়।

উত্স থেকে যতই দূরত্বে যেতে থাকে, তরঙ্গের আকার (Amplitude) ততই কমতে থাকে এবং মহাকর্ষীয় তরঙ্গ ভ্রমণপথে বস্তুর সঙ্গে মিথস্ক্রিয়ায় অংশগ্রহণ করে না। সুতরাং মহাকর্ষীয় তরঙ্গগুলো তাদের উত্স সম্পর্কে আমাদের সঠিক তথ্য প্রদান করে। তড়িৎ চুম্বকীয় তরঙ্গের ক্ষেত্রে সেটা সাধারণত সম্ভব হয় না, কারণ এরা বস্তুর সঙ্গে মিথস্ক্রিয়ায় অংশগ্রহণ করে। তাই মহাকর্ষীয় তরঙ্গ শনাক্ত করা মহাকাশবিজ্ঞানের জন্য বিশেষ গুরুত্বপূর্ণ।

এই অসাধারণ আবিষ্কারে অবদান রেখেছেন পৃথিবীর হাজারখানেক বিজ্ঞানী। কেন এত বিজ্ঞানী, কেনই বা এত সময়? মূল কথা হলো, একটি অসাধারণ আবিষ্কারের জন্য প্রয়োজন অসাধারণ সব প্রমাণ। প্রথমত, ১৯৫৭ সাল অবধি মহাকর্ষীয় তরঙ্গের বাস্তবতা নিয়ে বিতর্ক ছিল। প্রয়োজন ছিল অনেক বিশ্লেষণাত্মক এবং সংখ্যাসূচক গবেষণার। বিভিন্ন উত্স থেকে আসা মহাকর্ষীয় তরঙ্গের বৈশিষ্ট্য কী তা জানার।

দ্বিতীয়ত, কোটি কোটি আলোকবর্ষ দূরে সৃষ্ট মহাকর্ষীয় তরঙ্গ যখন পৃথিবীতে পৌঁছায়, তখন তাদের আকার অত্যন্ত ছোট হয়ে যায়। এত দুর্বল এই তরঙ্গ শনাক্ত করা অনেক কঠিন কাজ। উদাহরণস্বরূপ, ২০১৫ সালে ১৪ সেপ্টেম্বর যে তরঙ্গটি পৃথিবীতে এসেছে, তার আকার একটি প্রোটনের ব্যাসের চেয়ে প্রায় ১০০০ গুণ ছোট ছিল। এই তরঙ্গ মাপার জন্য দরকর অতি অসাধারণ সংবেদনশীল যন্ত্র এবং তথ্য বিশ্লেষণের জন্য দরকার উন্নত প্রযুক্তি।

মহাকর্ষীয় তরঙ্গ শনাক্ত করার জন্য নির্মিত হয়েছে লাইগো। লাইগো ডিটেক্টর হচ্ছে L-আকৃতির একটি মাইকেলসন ইন্টারফেরোমিটার। এটি একটি সাধারণ ইন্টারফেরোমিটারের চেয়ে অনেক উন্নত, এতে আছে লেজার রশ্মির ক্ষমতা পুনর্ব্যবহারযোগ্য পদ্ধতি ও অপটিক্যাল অনুনাদক (Power-Recycled Michelson Interferometer with Fabry-Perot Cavities)। ইন্টারফেরোমিটারের প্রতিটি বাহুর দৈর্ঘ্য ৪ কিলোমিটার।

পুরো ভিটেক্টরটি নিখুঁত শূন্যস্থানে (Vacuum) রাখা হয়েছে। প্রতিটি বাহুর দুই প্রান্তে আছে ‘আপাতদৃষ্টিতে শূন্যে ঝুলন্ত’ দুটি আয়না (Super-Polished High Grade Fused Silica Clinders)। প্রতিটি আয়নার ভর ৪০ কেজি। আইনস্টাইনের সাধারণ আপেক্ষিকতা তত্ত্ব অনুযায়ী যখন মহাকর্ষীয় তরঙ্গ প্রবাহিত হবে, তখন আয়নার মধ্যবর্তী দূরত্ব ওপরের বর্ণনা অনুযায়ী অতি ক্ষুদ্র পরিমাণ পরিবর্তিত হবে।

এই পরিবর্তন মাপার জন্য ব্যবহার করা হয় উচ্চক্ষমতার স্থিতিশীল লেজার রশ্মি। মহাকর্ষীয় তরঙ্গের দ্বারা সৃষ্ট এই অপরিমেয় ক্ষুদ্র পরিবর্তন যাতে পরিবেশের (অর্থাৎ মহাকর্ষীয় তরঙ্গ ছাড়া যেকোনো কিছুর) প্রভাব থেকে পুরোপুরি মুক্ত থাকে, এর জন্য লাইগোতে ব্যবহৃত হয়েছে অত্যাধুনিক সব প্রযুক্তি। বসানো হয়েছে ৩ হাজার কিলোমিটার দূরত্বে দুটি লাইগো ডিটেক্টর। তাদের সজ্জিত করা হয়েছে পৃথিবী থেকে আসা সব ধরনের সংকেত মাপার যন্ত্র দিয়ে।

লাইগো তার উদ্দেশ্য নিয়ে এগিয়ে চলছে—মহাকর্ষীয় তরঙ্গ ব্যবহার করে মহাকাশ গবেষণা, অর্থাৎ মহাকর্ষীয় তরঙ্গ জ্যোতির্বিদ্যা বা গ্র্যাভিটেশনাল-ওয়েভ অ্যাস্ট্রোনমি। শনাক্ত করতে হবে নতুন নতুন উত্স। জানতে হবে তাদের বৈশিষ্ট্য। সমাধান খুঁজতে হবে অজানা সব রহস্যের। ইতিমধ্যে শনাক্ত করা হয়েছে আরও দুটি তরঙ্গ। একটি ২০১৫ সালের ২৬ ডিসেম্বর ১৪.২ ও ৭.৫ সৌরভর ব্ল্যাকহোলের সংঘর্ষ, যা ঘটেছিল প্রায় ১৪৩ কোটি বছর আগে।

এবং অন্যটি ২০১৭ সালের ৪ জানুয়ারি-৩১.২ ও ১৯.৪ সৌরভর ব্ল্যাকহোলের সংঘর্ষ, যা ঘটেছিল প্রায় ২৮৭ কোটি বছর আগে। এদের সংঘর্ষে যথাক্রমে ১ এবং ২ সৌরভরের সমপরিমাণ শক্তি মহাকর্ষীয় তরঙ্গে পরিণত হয়েছিল। উল্লেখ্য, এই দুই শনাক্তকরণের মাঝে প্রায় ৯ মাস লাইগোর উন্নয়নকাজের জন্য পর্যবেক্ষণ বন্ধ ছিল। জ্যোতিঃপদার্থবিজ্ঞানীরা এত দিন মনে করতেন, নাক্ষত্রিক-ভরের (Stellar-Mass) ব্ল্যাকহোলগুরোর ভর কখনো সূর্যের ভরের ২০ গুণের বেশি হবে না। কিন্তু লাইগোর প্রথম এবং তৃতীয়বারের শনাক্তকরণ বলছে, সেই অনুমান সঠিক নয়।

ব্ল্যাকহোল থেকে আসা মহাকর্ষীয় তরঙ্গের আকৃতি অর্থাৎ সময়ের সঙ্গে কম্পাঙ্কের (ফ্রিকোয়েন্সির) পরিবর্তন মূলত নির্ভর করে ব্ল্যাকহোলগুলোর ভর এবং তাদের স্পিনের (অর্থাৎ লাটিমের মতো নিজের অক্ষ ঘূর্ণন) ওপর। তাই এই তরঙ্গের আকৃতি বিশ্লেষণ করে আমরা তাদের ভর এবং স্পিন কত, তা বলতে পারি। বিশেষ করে ২০১৭ সালের ৪ জানুয়ারির তরঙ্গ থেকে স্পিন সম্পর্কে আমরা যা যা জেনেছি, সে অনুযায়ী সম্ভবত ওই ব্ল্যাকহোল দুটির জন্ম একসঙ্গে হয়নি। পরে কোনো একটা সময়ে ওরা জোড়া গঠন করে।

জ্যোতিঃপদার্থবিজ্ঞানীরা প্রতীক্ষা করছেন কখন নিউট্রন নক্ষত্র (Neutron Star) সংঘর্ষ থেকে মহাকর্ষীয় তরঙ্গ ভেসে আসবে! এ ক্ষেত্রে নিউট্রন নক্ষত্ররা নিজেদের সঙ্গে মিলিত হতে পারে অথবা ব্ল্যাকহোলের সঙ্গে মিলিত হতে পারে। অনুমান করা হচ্ছে যে এই সংঘর্ষ মহাবিশ্বের ভারী উপাদানের অনেক, যেমন ইউরেনিয়াম, থোরিয়াম ও স্বর্ণ তৈরি করে। নিউট্রন নক্ষত্রের উপস্থিতির কারণে এ ধরনের সংঘর্ষে তড়িৎ চুম্বকীয় তরঙ্গও তৈরি হবে।

তাই এদের ক্ষেত্রে যৌথ গবেষণা করা যাবে। অর্থাৎ টেলিস্কোপ ও স্যাটেলাইট দিয়ে তড়িৎ চুম্বকীয় তরঙ্গ এবং লাইগো দিয়ে মহাকর্ষীয় তরঙ্গ একই সঙ্গে শনাক্ত করা যাবে। আর এতে জানা যাবে অনেক অজানা তথ্য, মিলবে অনেক রহস্যের সমাধান। উদাহরণস্বরূপ, এ ধরনের সংঘর্ষগুলো হয়তো গামা-রে বিস্ফোরণ ব্যাখ্যা করতে পারবে।

কেন আমাদের ব্ল্যাকহোল সম্পর্কে এত জানতে হবে? ব্ল্যাকহোল আমাদের মহাবিশ্বের গুরুত্বপূর্ণ একটি উপাদান। আমরা জানছি যে আমাদের নিজস্ব ছায়াপথ অর্থাৎ মিল্কিওয়ে গ্যালাক্সির কেন্দ্রে আছে একটি বিশাল ব্ল্যাকহোল। এটা আমাদের সৌরজগৎ থেকে প্রায় ২৬ হাজার আলোকবর্ষ দূরে অবস্থিত এবং এর আনুমানিক ভর আমাদের সূর্যের ভরের ৪০ লাখ গুণ। সত্যি কথা বলতে, ব্ল্যাকহোল সম্পর্কে আমরা এখনো তেমন কিছুই জানি না।

ব্ল্যাকহোল সম্পর্কে জানার জন্য মহাকর্ষীয় তরঙ্গ কেন এত গুরুত্বপূর্ণ? কারণ, ব্ল্যাকহোলগুলো তাদের নিজস্ব কোনো আলো (বিদ্যুত্চুম্বকীয় তরঙ্গ) বিকিরণ করে না, অথবা অন্যান্য উত্স থেকে আসা আলো প্রতিফলিত করে না। অর্থাৎ তারা টেলিস্কোপ মূলত অদৃশ্য। তাই এ রকম অন্ধকারে কী হচ্ছে জানতে চাইলে দরকার মহাকর্ষীয় তরঙ্গ। কারণ, মহাকর্ষীয় তরঙ্গ ব্ল্যাকহোল থেকে সরাসরি আসে।

এই তরঙ্গ বিশ্লেষণ করে আমরা বলতে পারি ব্ল্যাকহোলগুলোর প্রতিটির ভর কত। সংঘর্ষের আগে তারা নিজেদের অক্ষে এবং একে অপরের চারপাশে কীভাবে ঘুরছিল। মিলিত হওয়ার পর তৈরি হওয়া নতুন ব্ল্যাকহোলের ভর ও তার ঘূর্ণন কত। তাদের সংঘর্ষ কতটা শক্তিশালী ছিল এবং তা কত দূরে ঘটেছে—এমন আরও অনেক কিছু।

ব্ল্যাকহোল কি জোড়ায় জোড়ায় জন্মগ্রহণ করে? এদের কি জোড়ায় জোড়ায় মৃত্যু হয়? এ ধরনের সংঘর্ষ কত ঘন ঘন হয়? মহাকর্ষীয় তরঙ্গ বিশ্লেষণ করে আমরা তা জানতে পারছি। কিন্তু পুরোপুরি জানতে আরও তরঙ্গ শনাক্ত করতে হবে এবং গবেষণা করতে হবে।

পদার্থবিজ্ঞানে একটা বড় রহস্য হচ্ছে ডার্ক এনার্জি (Dark Energy) বা অন্ধকার শক্তি। স্ট্যান্ডার্ড কসমোলজি অনুযায়ী, মহাবিশ্বের মোট শক্তির ৬৮ শতাংশ হচ্ছে ডার্ক এনার্জি। এটা ধারণা করা হচ্ছে যে ব্ল্যাকহোলের মহাকর্ষীয় তরঙ্গ ডার্ক এনার্জির প্রকৃতি বুঝতে সাহায্য করবে। এ ছাড়া মহাকর্ষীয় তরঙ্গ ব্যবহার করে আইনস্টাইনের সাধারণ তত্ত্বকে আরও পরীক্ষা-নিরীক্ষা করা হচ্ছে।