মহাকর্ষীয় তরঙ্গ কী এবং এর আবিষ্কার
মহাকর্ষীয় তরঙ্গ আধুনিক পদার্থবিজ্ঞানের অন্যতম বিস্ময়কর আবিষ্কার, কারণ এটি মানুষকে মহাবিশ্বকে পর্যবেক্ষণ করার একটি 'নতুন উপায়' দিয়েছে। যেখানে জ্যোতির্বিজ্ঞান পূর্বে দৃশ্যমান আলো, রেডিও, ইনফ্রারেড থেকে শুরু করে এক্স-রে পর্যন্ত আলোর উপর নির্ভর করত, সেখানে মহাকর্ষীয় তরঙ্গ আমাদের স্থান ও কালের 'কম্পন' শুনতে সক্ষম করে। এই ঘটনাটি শুধু একটি তত্ত্ব নয়; মহাকর্ষীয় তরঙ্গ সরাসরি শনাক্ত করা হয়েছে, যা মহাজাগতিক গবেষণায়, বিশেষ করে কৃষ্ণগহ্বর এবং নিউট্রন তারার মতো চরম বস্তুগুলোর ক্ষেত্রে, একটি নতুন অধ্যায়ের সূচনা করেছে।
মহাকর্ষীয় তরঙ্গ কী?
সহজ কথায়, মহাকর্ষীয় তরঙ্গ হলো এক ধরনের মৃদু কম্পন বা "তরঙ্গ" যা কোনো বিশাল ভরের ত্বরণের কারণে স্থান-কালের মধ্য দিয়ে সঞ্চারিত হয়। স্থান-কালের ধারণাটির উৎপত্তি আলবার্ট আইনস্টাইনের সাধারণ আপেক্ষিকতা তত্ত্ব (১৯১৫) থেকে, যা মহাকর্ষকে নিউটনীয় পদার্থবিজ্ঞানের মতো আকর্ষণ শক্তি হিসেবে না দেখে, বরং ভর ও শক্তির উপস্থিতির কারণে সৃষ্ট স্থান ও কালের বক্রতা হিসেবে বিবেচনা করে। যখন বিশাল ভর নির্দিষ্ট উপায়ে গতিশীল হয়—উদাহরণস্বরূপ, দুটি কৃষ্ণগহ্বর একে অপরের চারপাশে আবর্তন করলে—স্থান-কালের বক্রতা গতিশীলভাবে পরিবর্তিত হয় এবং এমন আলোড়ন সৃষ্টি করে যা সব দিকে ছড়িয়ে পড়ে। এই আলোড়নগুলোকেই মহাকর্ষীয় তরঙ্গ বলা হয়।
মহাকর্ষীয় তরঙ্গ আলোর গতিতে ভ্রমণ করে। তবে, এটি যে বস্তুর মধ্য দিয়ে যায় তার উপর এর প্রভাব অত্যন্ত নগণ্য। এক কিলোমিটার দূরে অবস্থিত দুটি বিন্দুর কথা ভাবুন: একটি চলমান মহাকর্ষীয় তরঙ্গ সেই দূরত্বকে একটি প্রোটনের ব্যাসের চেয়েও কম পরিমাণে পরিবর্তন করতে পারে। তাই, যদিও এই ধারণাটি বিংশ শতাব্দীর শুরু থেকেই প্রচলিত ছিল, এটি প্রমাণ করার জন্য অবিশ্বাস্যরকম অত্যাধুনিক প্রযুক্তির প্রয়োজন হয়েছিল।
মহাবিশ্বে মহাকর্ষীয় তরঙ্গের উৎসসমূহ
সব ভরের গতি পরিমাপযোগ্য মহাকর্ষীয় তরঙ্গ উৎপন্ন করে না। একটি চলন্ত গাড়ি বা দৌড়ানো মানুষের মতো দৈনন্দিন ঘটনাগুলোও প্রযুক্তিগতভাবে মহাকর্ষীয় তরঙ্গ নির্গত করে, কিন্তু সেগুলোর বিস্তার এতটাই কম যে তা শনাক্ত করা যায় না। পর্যবেক্ষণযোগ্য মহাকর্ষীয় তরঙ্গের উৎপত্তি সাধারণত বিশাল ভর, চরম ত্বরণ এবং অপ্রতিসম গতি জড়িত মহাজাগতিক ঘটনা থেকে হয়ে থাকে।
মহাকর্ষীয় তরঙ্গের কয়েকটি প্রধান উৎস হলো:
১. কৃষ্ণগহ্বরের একীভূতকরণ
দুটি কক্ষপথগামী কৃষ্ণগহ্বর মহাকর্ষীয় তরঙ্গের মাধ্যমে শক্তি হারাবে, তাদের কক্ষপথ সংকুচিত হবে এবং অবশেষে তারা সংঘর্ষে লিপ্ত হয়ে একীভূত হবে। এই ঘটনাটি একটি শক্তিশালী মহাকর্ষীয় তরঙ্গ সংকেত তৈরি করবে।
২. নিউট্রন নক্ষত্রের একীভূতকরণ
নিউট্রন নক্ষত্র হলো একটি বিশাল নক্ষত্রের ঘন, অবশিষ্ট কেন্দ্র। যখন দুটি নিউট্রন নক্ষত্র একত্রিত হয়, তখন মহাকর্ষীয় তরঙ্গ উৎপন্ন করার পাশাপাশি এই ঘটনাটি বিভিন্ন তরঙ্গদৈর্ঘ্যের আলো নির্গত করতে পারে এবং সোনার মতো ভারী মৌল তৈরি করতে পারে।
৩. সুপারনোভা এবং বিশাল নক্ষত্রের বিস্ফোরণ
নক্ষত্রের কেন্দ্রের পতন কখনও কখনও অপ্রতিসম হয় এবং এর ফলে মহাকর্ষীয় তরঙ্গ নির্গত হতে পারে, যদিও সেগুলো শনাক্ত করা অত্যন্ত কঠিন।
৪. নিউট্রন নক্ষত্রের অসম্পূর্ণ ঘূর্ণন
যদি কোনো নিউট্রন নক্ষত্র সামান্য ‘ঝাঁকুনি’ বা অনিয়ম সহকারে ঘোরে, তবে তা অবিরাম মহাকর্ষীয় তরঙ্গ নির্গত করতে পারে।
৫. আদিম মহাকর্ষীয় তরঙ্গ
এমনটা অনুমান করা হয় যে, মহাবিশ্বের শুরুতে সৃষ্ট মহাকর্ষীয় তরঙ্গ মহাজাগতিক পটভূমিতে "জমে" গিয়েছিল। এটি শনাক্ত করা গেলে, তা বিগ ব্যাং-এর পরের প্রথম কয়েক সেকেন্ড সম্পর্কে সূত্র দিতে পারে।
আইনস্টাইনের তত্ত্ব থেকে প্রথম প্রমাণ পর্যন্ত
আইনস্টাইন ১৯১৬ সালে সাধারণ আপেক্ষিকতার সমীকরণের উপর ভিত্তি করে মহাকর্ষীয় তরঙ্গের ভবিষ্যদ্বাণী করেছিলেন (এবং ১৯১৮ সালে সেটিকে আরও পরিমার্জন করেন)। কিন্তু কয়েক দশক ধরে বিজ্ঞানীরা বিতর্ক করে আসছেন যে মহাকর্ষীয় তরঙ্গ বাস্তব, নাকি নিছক গাণিতিক কারসাজি। এই সমস্যার মূল কারণ হলো স্থান-কাল গতিশীল; কোনটি ‘সত্যিই’ পরিমাপযোগ্য, তা বোঝা সবসময় সহজ নয়।
বিংশ শতাব্দীর মাঝামাঝি সময়ে একটি অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ সন্ধিক্ষণ আসে, যখন আপেক্ষিকতার তত্ত্বের বিকাশ ঘটে এবং পদার্থবিজ্ঞানীরা বুঝতে শুরু করেন যে মহাকর্ষীয় তরঙ্গ প্রকৃত শক্তি বহন করে। যদি কোনো ব্যবস্থা মহাকর্ষীয় তরঙ্গ নির্গমনের মাধ্যমে শক্তি হারায়, তবে তার কক্ষপথ বা গতি পরিমাপযোগ্যভাবে পরিবর্তিত হওয়া উচিত।
পরোক্ষ প্রমাণ: হুলস-টেলর বাইনারি পালসার
১৯৭৪ সালে, রাসেল হুলস এবং জোসেফ টেলর নামক দুজন জ্যোতির্বিজ্ঞানী পিএসআর বি১৯১৩+১৬ নামক একটি বাইনারি পালসার সিস্টেম আবিষ্কার করেন। পালসার হলো এক প্রকার নিউট্রন তারা যা ‘বাতিঘরের’ মতো পর্যায়ক্রমিক বেতার সংকেত নির্গত করে। একটি বাইনারি সিস্টেমে, একটি পালসার অন্য একটি নিউট্রন তারাকে প্রদক্ষিণ করে। আশ্চর্যজনকভাবে, এই সিস্টেমটির কক্ষপথের পর্যায়কাল ধীরে ধীরে হ্রাস পাচ্ছে: বস্তু দুটি একে অপরের কাছাকাছি চলে আসছে।
এই হ্রাস মহাকর্ষীয় তরঙ্গের মাধ্যমে শক্তি ক্ষয় সম্পর্কে সাধারণ আপেক্ষিকতার ভবিষ্যদ্বাণীর সাথে অত্যন্ত নির্ভুলভাবে মিলে যায়। এটি মহাকর্ষীয় তরঙ্গের অস্তিত্বের একটি অত্যন্ত জোরালো পরোক্ষ প্রমাণ দেয়। এই আবিষ্কারের জন্য হুলস ও টেলর ১৯৯৩ সালে পদার্থবিজ্ঞানে নোবেল পুরস্কার লাভ করেন।
সরাসরি আবিষ্কার: লাইগো এবং “শ্রবণশক্তি সম্পন্ন” কৃষ্ণগহ্বরের সংঘর্ষ
জোরালো পরোক্ষ প্রমাণ থাকা সত্ত্বেও, বিজ্ঞানীরা এখনও সরাসরি শনাক্তকরণের চেষ্টা চালিয়ে যাচ্ছেন: অর্থাৎ, পৃথিবীর মধ্য দিয়ে যাওয়ার সময় মহাকর্ষীয় তরঙ্গকে ধারণ করা। এই প্রচেষ্টাটি উল্লেখযোগ্য প্রতিবন্ধকতার সম্মুখীন, কারণ এই তরঙ্গগুলোর বিস্তার অত্যন্ত ক্ষুদ্র। এর সমাধান হলো লেজার ইন্টারফেরোমিটার ব্যবহার করা, যা দূরত্বের অতি ক্ষুদ্র পরিবর্তন পরিমাপ করতে পারে।
লাইগো কীভাবে কাজ করে?
লাইগো (লেজার ইন্টারফেরোমিটার গ্র্যাভিটেশনাল-ওয়েভ অবজারভেটরি) মার্কিন যুক্তরাষ্ট্রের একটি বৃহৎ প্রকল্প, যার দুটি প্রধান কেন্দ্র রয়েছে: একটি ওয়াশিংটনের হ্যানফোর্ডে এবং অন্যটি লুইজিয়ানার লিভিংস্টনে। প্রতিটিতে একটি ৪-কিলোমিটার দীর্ঘ ইন্টারফেরোমিটার বাহু রয়েছে। লেজার রশ্মি দুটি রশ্মিতে বিভক্ত হয়ে বাহু দুটি বরাবর সামনে-পিছনে যাতায়াত করে এবং তারপর পুনরায় মিলিত হয়। যখন একটি মহাকর্ষীয় তরঙ্গ এর মধ্য দিয়ে যায়, তখন এটি বাহু দুটির কার্যকর দৈর্ঘ্যকে অতি সামান্য পরিবর্তন করে, যার ফলে একটি পরিমাপযোগ্য, পরিবর্তিত ইন্টারফেরেন্স প্যাটার্ন তৈরি হয়।
পর্যবেক্ষিত সংকেতটি স্থানীয় হস্তক্ষেপের (যেমন একটি ছোট ভূমিকম্প, যানবাহনের কম্পন বা অন্যান্য পরিবেশগত কারণ) কারণে নয়, তা নিশ্চিত করার জন্য ভিন্ন ভিন্ন স্থানে দুটি ডিটেক্টর থাকা অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। যদি উভয় ডিটেক্টরই একটি যুক্তিসঙ্গত সময়ের ব্যবধানে একটি সামঞ্জস্যপূর্ণ প্যাটার্ন দেখতে পায়, তাহলে সংকেতটি মহাকাশ থেকে আসা মহাকর্ষীয় তরঙ্গ হওয়ার সম্ভাবনা অনেক বেশি।
প্রথম সনাক্তকরণ: GW150914
২০১৫ সালের ১৪ই সেপ্টেম্বর, লাইগো (LIGO) একটি সংকেত শনাক্ত করে, যার নাম পরবর্তীতে দেওয়া হয় GW150914। এই সংকেতটির উৎপত্তি হয়েছিল পৃথিবী থেকে এক বিলিয়ন আলোকবর্ষেরও বেশি দূরে সংঘটিত দুটি কৃষ্ণগহ্বরের একীভূত হওয়ার ফলে, যাদের ভর ছিল সূর্যের ভরের প্রায় দশ গুণ। এই ঘটনাটি একটি ‘চিরপ’ (chirp) তৈরি করে: দুটি কৃষ্ণগহ্বর একীভূত হওয়ার সময় এর কম্পাঙ্ক ও বিস্তার দ্রুত বৃদ্ধি পেয়ে শীর্ষে পৌঁছায় এবং তারপর কমে আসে।
২০১৬ সালের ফেব্রুয়ারিতে আনুষ্ঠানিক ঘোষণাটি করা হয়েছিল এবং এটিকে তাৎক্ষণিকভাবে একটি মাইলফলক হিসেবে স্বাগত জানানো হয়। এই আবিষ্কারটি শুধু মহাকর্ষীয় তরঙ্গকেই সরাসরি প্রমাণ করেনি, বরং এটি একটি যুগ্ম কৃষ্ণগহ্বর ব্যবস্থার প্রথম প্রত্যক্ষ শনাক্তকরণও ছিল।
লাইগোতে তাঁদের প্রধান অবদানের জন্য ২০১৭ সালের পদার্থবিজ্ঞানে নোবেল পুরস্কার প্রদান করা হয় রাইনার ভাইস, ব্যারি সি. বারিশ এবং কিপ এস. থর্নকে।
মহাকর্ষীয় তরঙ্গের আবিষ্কার কেন গুরুত্বপূর্ণ?
মহাকর্ষীয় তরঙ্গের শনাক্তকরণকে প্রায়শই মহাকর্ষীয় তরঙ্গ জ্যোতির্বিজ্ঞানের যুগের সূচনা বলা হয়। এটি বৈপ্লবিক হওয়ার বেশ কয়েকটি কারণ রয়েছে:
১. মহাবিশ্বকে পর্যবেক্ষণ করার জন্য নতুন “ইন্দ্রিয়” উন্মোচন করা
অনেক মহাজাগতিক বস্তু, যেমন কৃষ্ণগহ্বর, সহজে শনাক্তযোগ্য কোনো আলো নির্গত করে না। মহাকর্ষীয় তরঙ্গের মাধ্যমে আমরা স্থান-কালের উপর এদের প্রভাবের দ্বারা এই বস্তুগুলোকে সরাসরি অধ্যয়ন করতে পারি।
২. চরম পরিস্থিতিতে সাধারণ আপেক্ষিকতা পরীক্ষা করা
ব্ল্যাক হোলের একীভূত হওয়ার প্রক্রিয়ায় অবিশ্বাস্যরকম শক্তিশালী মহাকর্ষ এবং প্রচণ্ড উচ্চ গতি জড়িত থাকে। এগুলো আইনস্টাইনের তত্ত্বগুলো পরীক্ষা করার জন্য একটি প্রাকৃতিক পরীক্ষাগার, যেখানে এমন চরম পরিস্থিতি তৈরি করা কঠিন যা পৃথিবীতে অনুকরণ করা সম্ভব নয়।
৩. ভারী মৌলগুলোর উৎপত্তি সম্পর্কে জানুন
দেখা গেছে যে নিউট্রন নক্ষত্রের একীভূত হওয়ার ফলে আর-প্রক্রিয়া (দ্রুত নিউট্রন ক্যাপচার)-এর মাধ্যমে ভারী মৌল গঠিত হয়। এটি এই প্রশ্নের উত্তর দিতে সাহায্য করে: মহাবিশ্বে সোনা এবং প্ল্যাটিনাম কোথা থেকে এসেছে?
৪. কৃষ্ণগহ্বর ও নিউট্রন তারার সংখ্যা মানচিত্রায়ন
একাধিকবার শনাক্তকরণের মাধ্যমে বিজ্ঞানীরা এই সংহত বস্তুগুলোর ভর বন্টন, একীভূত হওয়ার হার এবং গঠন ইতিহাস পরিমাপ করতে পারেন।
বন্ধ
মহাকর্ষীয় তরঙ্গ হলো স্থান-কালের এমন এক ঢেউ, যা এক শতাব্দীরও বেশি আগে আইনস্টাইন ভবিষ্যদ্বাণী করেছিলেন এবং যা অবশেষে বাইনারি পালসারে পরোক্ষ প্রমাণ ও ২০১৫ সালে লাইগো (LIGO) দ্বারা প্রত্যক্ষ শনাক্তকরণের মাধ্যমে নিশ্চিত হয়েছে। এই আবিষ্কারটি কেবল একটি প্রযুক্তিগত সাফল্যই নয়, বরং মহাবিশ্বকে দেখার মানুষের দৃষ্টিভঙ্গিতেও একটি পরিবর্তন এনেছে: আমরা এখন মহাবিশ্বকে কেবল দেখতেই পারি না, বরং এর কথা ‘শুনতেও’ পারি। নতুন ডিটেক্টর এবং বৈশ্বিক সহযোগিতামূলক উদ্যোগ (যেমন ইউরোপের ভার্গো, জাপানের কাগরা এবং মহাকাশে পরিকল্পিত লিসা) বিকশিত হওয়ার সাথে সাথে, মহাকর্ষীয় তরঙ্গ জ্যোতির্বিজ্ঞানের ভবিষ্যৎ আরও সমৃদ্ধ হবে বলে আশা করা যায়, যা আমাদেরকে মহাবিশ্বের সবচেয়ে বড় রহস্যগুলোর উত্তরের আরও কাছে নিয়ে আসবে।
