मिश्रधातूंची उच्च तपमानाखाली चांगल्याप्रकारे टिकाव धरण्याची क्षमता त्यातील बोराइडमुळे वाढत असल्याविषयी संशोधकांनी नवी माहिती दिली.

फास्ट रेडियो बर्स्ट्सचे गूढ उकलण्याचा नव्या सैद्धांतिक प्रतिमानाद्वारे प्रयत्न

Read time: 1 min
Mumbai
3 Jan 2024
गुरुत्वीय तरंगांच्या उर्जेचे जलद रेडियो स्फोटांमध्ये परिवर्तन होण्याच्या क्रियेचे प्रातिनिधिक चित्रांकन
[Gravitational Waves - गुरुत्वीय तरंग; Neutron Star Magnetosphere - न्यूट्रॉन ताऱ्याचे चुंबकीय क्षेत्र; FRB rays - एफआरबी किरण]

एखाद्या ताऱ्याचे आयुष्य जेव्हा संपते तेव्हा त्याचा प्रचंड ऊर्जा व प्रकाश उत्सर्जन करणारा स्फोट होऊन सुपरनोव्हा तयार होतो. अशा ताऱ्याच्या, स्पंदने पावणाऱ्या गर्भाला पल्सर म्हणतात. २००७ साली, डंकन लॉरीमर हे अमेरिकन खगोलभौतिकशास्त्रज्ञ आपल्या विद्यार्थ्यांसह पल्सर्सच्या संग्रहित माहितीचा अभ्यास करत होते. या माहितीचा बारकाईने अभ्यास करताना त्यांना केवळ काही मिलिसेकंद कालावधीकरता उर्जेमध्ये अचानक मोठी वाढ झाल्याच्या घटनेची माहिती मिळाली. त्यांनी याला लॉरीमर स्फोट असे नाव दिले. नंतरच्या काळात हा स्फोट फास्ट रेडियो बर्स्ट (एफआरबी) किंवा जलद रेडियो स्फोट म्हणून ओळखला जाऊ लागला. जलद रेडियो स्फोट म्हणजे एक लघु स्पंदन असून त्याद्वारे प्रचंड मोठ्या प्रमाणात ऊर्जा उत्सर्जित होते. ही ऊर्जा, आपला सूर्य ३ दिवसांत जेवढी ऊर्जा उत्सर्जित करतो तेवढी असते. आजवर ७०० पेक्षा अधिक एफआरबी किंवा जलद रेडियो स्फोटांची नोंद झालेली असून त्यांचे स्रोत ब्रह्मांडातल्या अनेक वेगवेगळ्या ठिकाणी असल्याचे आढळले आहे. यांपैकी काही स्फोटांना पुनरावर्ती एफआरबी (रिपीटेड एफआरबी) असे म्हणले जात असून यांची अनेकवेळा पुनरावृत्ती होत असते. ही पुनरावृत्ती यादृच्छिक (रँडम) आणि ठराविक व स्पष्ट कालावधी नसलेली भासते. परंतु, या प्रचंड ऊर्जा फेकणाऱ्या, क्षणिक काळ टिकणाऱ्या खगोलीय घटनेचा उगम मात्र अद्यापही एक रहस्यच आहे.

एफआरबींविषयी अधिक माहिती मिळवण्यासाठी अनेक प्रयत्न झाले आहेत. त्यासाठी काही वेळा आदिम कृष्णविवरांचे एकमेकांतील विलीनीकरण तसेच ब्रह्मांडीय भेगा (अवकाश-कालाच्या पटलावरील सूक्ष्म भेगा) यांसारख्या बाह्यस्थ भौतिकशास्त्रीय घटनांचा आधार देखील घेतला गेला. परंतु, यापैकी कोणत्याही स्पष्टीकरणांमधून एफआरबींविषयी सर्वसमावेशक माहिती मिळाली नाही. एखाद्या सिद्धांताद्वारे एफआरबींविषयी स्पष्टीकरण देण्यासाठी त्यांची तीन प्रमुख अभिलक्षणे का घडतात याचे स्पष्टीकरण देणे आवश्यक आहे: अतिउच्च ऊर्जा, जिला पीक फ्ल्क्स म्हणले जाते; स्पंदनाचा अतिसूक्ष्म कालावधी, ज्याला पल्स विड्थ म्हणले जाते; आणि जेथे विद्युतचुंबकीय लहरी फेजमध्ये असतात तेथे असणारे स्पंदनाचे सुसंगत स्वरूप.

भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई (आयआयटी मुंबई) येथे प्रा. शंकरनारायणन आणि त्यांच्या गटातील सदस्य डॉ. आशु कुशवाहा आणि डॉ. सुनील मलिक (सध्या जर्मनीमधील पॉट्सडॅम येथे पोस्टडॉक्टरल संशोधक आहेत) एफआरबींच्या उगमाविषयी अभ्यास करत आहेत. मंथली नोटिसेस ऑफ द रॉयल ॲस्ट्रोनॉमिकल सोसायटी या नियतकालिकात प्रसिद्ध झालेल्या एका नवीन अभ्यासामध्ये त्यांनी एफआरबींच्या तीनही अभिलक्षणांचे स्पष्टीकरण देणारी एक नवी प्रक्रिया प्रस्तावित केली आहे. त्यांच्या अभ्यासानुसार, जेव्हा उच्च कंपने (हाय फ्रिक्वेन्सी) असलेले गुरुत्वीय तरंग शक्तीशाली चुंबकीय क्षेत्राच्या संपर्कात येतात तेव्हा एफआरबींचा उगम होतो.

याविषयी अधिक माहिती देताना प्रा. शंकरनारायणन म्हणतात, “स्फोटांच्या या अभिलक्षणांचा अभ्यास करताना आम्हाला असे जाणवले की एका रूपातून दुसऱ्या रूपात ऊर्जा परिवर्तन होण्याची जी नैसर्गिक प्रक्रिया आहे त्यातच या निरीक्षणांचे संभाव्य स्पष्टीकरण मिळेल. जेव्हा शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्रामध्ये गुरुत्वीय तरंग उर्जेचे विद्युतचुंबकीय लहरींमध्ये होणारे रूपांतरण आम्ही मोजले तेव्हा सर्व आवश्यक अभिलक्षणे नैसर्गिक परिणाम म्हणून समोर आली.”

गुरुत्वीय तरंग म्हणजे अवकाश-कालाच्या पटलावर उमटलेले वर्तुळाकार तरंग असतात. पाण्यात खडा टाकल्यावर पाण्याच्या पृष्ठभागावर वर्तुळाकार तरंग निर्माण होतात त्याचप्रमाणे सुपरनोव्हा तयार होणे किंवा खगोलीय वस्तू सर्पिलाकार गतीने एकमेकांवर आदळणे या घटनांमुळे अवकाश-कालाच्या पटलावर तसेच तरंग उमटतात व त्यातून गुरुत्वीय तरंग निर्माण होतो. विद्युतचुंबकीय लहरींप्रमाणेच, गुरुत्वीय तरंगांना देखील वर्णपंक्ती (स्पेक्ट्रम) असते व ती लघु-ऊर्जा उत्सर्जक घटनेमुळे (उदा. ताऱ्यांची धडक) निर्माण झालेल्या कमी वारंवारतेच्या (किलोहर्ट्झ ते मिलिहर्ट्झ) लहरींपासून ते दोन लहान आकाराची कृष्णविवरे एकमेकांवर आदळण्यासारख्या तीव्र घटनांमुळे निर्माण झालेल्या अतिउच्च वारंवारतेच्या (मेगाहर्ट्झ ते गीगाहर्ट्झ) लहरींपर्यंत असू शकते. आयआयटी मुंबईच्या अभ्यासानुसार, मेगाहर्ट्झ ते गीगाहर्ट्झ श्रेणीमधील वारंवारता असलेले गुरुत्वीय तरंग जेव्हा काटकोनात असलेल्या शक्तीशाली चुंबकीय क्षेत्राच्या संपर्कात येतात तेव्हा अल्पायुषी एफआरबी निर्माण होतात.

संशोधकांचे गृहीतक गेर्टसेन्श्टाइन-झेलडोविच प्रभाव नावाच्या प्रक्रियेवर आधारित आहे. यामध्ये रेडियो लहरींप्रमाणे, शक्तीशाली चुंबकीय क्षेत्राच्या उपस्थितीत गुरुत्वीय तरंगांच्या उर्जेतील एक अंश विद्युतचुंबकीय लहरींमध्ये रूपांतरित होतो. प्रा. शंकरनारायणन म्हणतात,

“गेर्टसेन्श्टाइन आणि झेलडोविच यांनी १९६० आणि १९७० मध्ये ऊर्जा रूपांतरण प्रक्रियेचा शोध लावला आणि तिचा अभ्यास केला. जशी पवनचक्कीमधील विद्युत ऊर्जा यांत्रिक उर्जेमध्ये रूपांतरित होते, त्याप्रमाणे ही ‘ऊर्जा रूपांतरण’ प्रक्रिया तशीच म्हणता येईल. त्याचप्रमाणे, गेर्टसेन्श्टाइन-झेलडोविच प्रक्रियेमध्ये, काटकोनात असलेल्या शक्तीशाली चुंबकीय क्षेत्राच्या उपस्थितीत, अंतर्गामी गुरुत्वीय तरंग ऊर्जा आपल्यातील काही उर्जेचे विद्युतचुंबकीय लहरींमध्ये रूपांतर करते.

आयआयटी मुंबईचा नवा अभ्यास सूचित करतो की, एफआरबी निर्माण होण्यासाठी आवश्यक असलेले शक्तीशाली चुंबकीय क्षेत्र न्यूट्रॉन तारे किंवा मॅग्नेटार पुरवू शकतात. न्यूट्रॉन तारे म्हणजे सूर्यापेक्षा १० ते २५ पट अधिक वस्तुमान असलेल्या ताऱ्यांचे आकुंचन पावलेले गर्भ असतात, ज्यांचा स्फोट होऊन सुपरनोव्हा तयार झालेला असतो. तर मॅग्नेटार हे अतिशय शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्र असलेले न्यूट्रॉन तारे असतात. कोणत्याही आकाशगंगेमध्ये १% न्यूट्रॉन तारे असतात असे मानले जाते. यामुळे प्रत्येक आकाशगंगेमध्ये एफआरबीचे अब्जावधी संभाव्य स्रोत मिळू शकतात. परंतु, एफआरबी निर्मितीच्या घटनांचा शोध लागण्याचे प्रमाण कमी आहे. कारण, या घटनांची सूचना मिळण्यासाठी दोन गोष्टींची निश्चिती असणे आवश्यक आहे: एक - गुरुत्वीय तरंग न्यूट्रॉन ताऱ्यातून किंवा मॅग्नेटारमधून जाताना त्याच्या चुंबकीय क्षेत्राच्या काटकोनात जायला हवा, दोन - त्यातून निर्माण होणारा विद्युतचुंबकीय स्फोट हा निरीक्षकाच्या दृष्टीरेषेच्या सरळ समोरून यायला हवा. म्हणजेच, त्याच्या रोख आपल्या दिशेने असायला हवा.

 

Schematic diagram illustrating Gertsenshtein-Zel'dovich mechanism leading to conversion of Gravitational Waves energy to Fast Radio Bursts signal
गुरुत्वीय तरंगांच्या उर्जेचे जलद रेडियो स्फोटांमध्ये परिवर्तन होण्याची गेर्टसेन्श्टाइन-झेलडोविच प्रक्रिया दर्शवणारे रेखाचित्र
श्रेय : प्रा. एस शंकरनारायणन
[GWs - गुरुत्वीय तरंग; EM Waves - विद्युतचुंबकीय लहरी; Neutron Star - न्यूट्रॉन तारा; Observer - निरीक्षक]

 

या गृहितकामुळे खगोलशास्त्रामधील एफआरबींच्या उगमाविषयी दीर्घकाळ अनुत्तरित असलेल्या प्रश्नाचे स्पष्टीकरण मिळू शकेल आणि तेही ब्रह्मांडीय भेगा किंवा आदिम कृष्णविवरे यांसारख्या सैद्धांतिक किंवा निरीक्षणात न आलेल्या कोणत्याही बाह्यगत भौतिकशास्त्रीय घटना किंवा वस्तूंचा आधार न घेता. शिवाय, सध्या प्राप्त असलेल्या शोध क्षमतेच्या पुढे जाऊन गुरुत्वीय तरंगांचे निरीक्षण करण्याचा नवा मार्ग या प्रक्रियेद्वारे समोर ठेवला गेला आहे.

लेझर इंटरफेरोमीटर ग्रॅव्हिटेशनल-वेव्ह ऑब्झर्व्हेटरी-व्हर्गो इंटरफेरोमीटर आणि नॅनोग्रॅव्ह यांसारख्या प्रयोगांच्या माध्यमातून मानवाने विश्वातील गुरुत्वीय तरंगांचा वेध घ्यायला आता कुठे सुरुवात केली आहे. परंतु, हे प्रयोग अद्याप केवळ किलोहर्ट्झ (kHz) ते नॅनोहर्ट्झ (nHz) इतक्या कमी वारंवारता असलेल्या लहरींचा वेध घेऊ शकत आहेत. MHz व GHz वारंवारता असलेल्या गुरुत्वीय तरंगांचा वेध घेणाऱ्या यंत्रणा (ऑस्ट्रेलियन उच्च-वारंवारीता गुरुत्वीय तरंग (HFGW) शोधक किंवा जपानी १०० MHz गुरुत्वीय तरंग शोधक) उभारल्या गेल्या असल्या तरीही त्यांना उच्च वारंवारता गुरुत्वीय तरंगांचा शोध लावायला अनेक वर्षे, कदाचित अनेक दशके देखील लागतील. या नव्या प्रक्रियेने एफआरबींना उच्च-वारंवारतेच्या गुरुत्वीय तरंगांचे द्योतक म्हणून दाखवले आहे. जेणेकरून उच्च-वारंवारतेचे गुरुत्वीय तरंग थेट निरीक्षणात आले नाही तरीही जेथे एफआरबी सापडेल तेथे तो असल्याची अप्रत्यक्ष सूचना मिळेल.

या अभ्यासाच्या संशोधक गटाने आता आणखी आव्हानात्मक कामे हाती घेतली आहेत जसे की, एफआरबींच्या पुनरावृत्तीची कारणे शोधणे.

या शोधनिबंधांचे लेखक शेवटी म्हणतात, “एफआरबींची पुनरावृत्ती कोणत्याही विशिष्ट कालावधीने होत नसल्यामुळे त्यांचे स्पष्टीकरण शोधणे फार जिकिरीचे काम आहे. भविष्यात पुनरावर्ती एफआरबींच्या अभिलक्षणांचा अभ्यास करण्याच्या दृष्टीने आमच्या प्रतिमानाचा कशा प्रकारे विकास करता येईल याचा आम्ही विचार करत आहोत.”