விண்வெளி அறிவியல் அதிசயம்: சூரியன் கருந்துளையாக மாறி பூமியை விழுங்கி விடுமா?

(மனிதகுல வளர்ச்சியின் பரிணாமங்களுக்கு முக்கியக் காரணமான அறிவியல் - தொழில்நுட்பம் சார்ந்த புதிய தகவல்கள் மற்றும் கோணங்களை உலகெங்கும் உள்ள தமிழ் வல்லுநர்களின் பார்வையில் கட்டுரைகளாக வெளியிட்டது பிபிசி தமிழ். அந்தத் தொடரின் எட்டாவது கட்டுரை இது. இந்தக் கட்டுரையில் உள்ள கருத்துகள் அனைத்தும் கட்டுரையாளரின் சொந்தக் கருத்துகளே. இவை பிபிசி தமிழின் கருத்துகள் அல்ல. - ஆசிரியர்)

அமெரிக்காவிற்கும், ரஷ்யாவிற்கும், இடையிலான பனிப்போரின் போது, ரஷ்யாவின் அணுசக்தி திட்டங்களை கண்காணிக்க 'வேலா' (Vela) என்று அழைக்கப்படும் உளவு செயற்கைக்கோள்களை பூமியை சுற்றி ஏவியது அமெரிக்கா. ஒருவேளை, ரஷ்யா ரகசிய அணுசக்தி சோதனையில் ஈடுபட்டால், அதிலிருந்து வரும் காமா-கதிர்களை (Gama-Rays) இந்த செயற்கைக்கோள்கள் கண்டறியும். சந்தேகித்தவாறே காமா-கதிர்களை அமெரிக்கா கண்டுபிடித்தது.

ஆனால், இந்த காமா-கதிர்கள் ரஷ்யாவில் இருந்து வந்தவை அல்ல. மாறாக, பூமியையும், சூரிய குடும்பத்தையும் தாண்டி, விண்வெளியில் இருந்து வந்த காமா-கதிர் வெடிப்புகள் (Gama-Ray Bursts) ஆகும். பல வருட ஆய்விற்கு பிறகு, காமா-கதிர் வெடிப்புகள் சூப்பர்நோவாக்கள் (Supernovae) மற்றும் கருந்துளைகள் (Black Holes) உருவாகும் போது வெளிவருகின்றன என்று கருத்தியல் கோட்பாடுகள் விளக்குகிறது.

பொதுவாக, அறிவியல் கண்டுபிடிப்புகள் இரண்டு வழியாக நிகழும். ஒன்று, இயற்கையின் தன்னிச்சையான நிகழ்வுகளை கவனித்து, அதன் காரணங்களை கோட்பாடுகளாக உருவாக்குவது; மற்றொன்று, முற்றிலும் கருத்தியல் கோட்பாடுகள் மூலமாக இயற்கையின் நிகழ்வுகளை கணித்து, பிறகு பரிசோதனைகளை மேற்கொண்டு, கோட்பாடுகள் கணித்த நிகழ்வுகளை உறுதிசெய்வது.

சுமார் 100 ஆண்டுகளுக்கு முன்னால் மனிதகுலத்தின் ஆகச்சிறந்த அறிவியல் மேதை ஆல்பர்ட் ஐன்ஸ்டீன் தன்னுடைய பொதுச்சார்பியல் (General Relativity) கொள்கையின் இறுதி சமன்பாட்டை வெளியிட்டார். ஐன்ஸ்டீனின் கோட்பாட்டுகள் வியக்கத்தக்க பிரபஞ்ச நிகழ்வுகளை கணித்தது.

உதாரணத்திற்கு, பிரபஞ்சம் எப்போதும் விரிவடைந்துகொண்டே இருக்கும் என்றும், அதில் கருந்துளைகள் என்ற ஒரு பொருள் உள்ளது என்றும், கருந்துளைகள் ஒன்றோடு ஒன்று மோதும் பொழுது ஈர்ப்பு அலைகள் (Gravitational Waves) உருவாகி அது பிரபஞ்சத்தின் எல்லா மூலைக்கும் பரவும் என்று கணித்த போதும், அவ்விடயங்களை அவரே நம்பவில்லை என்பதுதான் நகைப்புக்குரியது! இதுபோன்ற கணிப்புகளை ஒருபோதும் பரிசோதனையின் மூலம் நிரூபிக்க முடியாது என்பதில் உறுதியாக இருந்தார் ஆல்பர்ட் ஐன்ஸ்டீன். ஆனால், பின்னாளில் வந்த இயற்பியல் ஆராய்ச்சியாளர்கள் நவீன தொழில்நுட்பத்தின் உதவியோடு ஐன்ஸ்டீனின் நம்பிக்கை தவறு எனவும், அவரின் கணிப்புகள் முழுவதும் உண்மை எனவும் பரிசோதனையின் மூலம் நிரூபித்தனர்.

சரி, கருந்துளைகள் என்றால் என்ன?

ஒரு மரக்கட்டை எரியும் பொழுது வெப்பத்தையும், ஒளியையும் கொடுத்து, எரிந்து முடிந்த பிறகு கரித்துண்டுகளாக மாறுவது போல, நட்சத்திரங்கள் தன்னுள் எரிபொருள் இருக்கும்வரை அணுக்கரு இணைவு (Nuclear Fusion) செயல்முறையின் காரணமாக, வெப்பத்தையும், ஒளியையும், தொடர்ந்து கொடுத்து, எரிபொருள் முடிந்தபிறகு தன்னுடைய மொத்த தொகுதியும் சுருங்கி அடர்த்தி அதிகரித்து கருந்துளைகளாக மாறுகிறது. இந்நிலையில், கருந்துளைகள் அருகில் செல்லும் எந்த ஒன்றையும் அது இழுத்துக் கொள்ளும். ஒளியை கூட! ஒரு புதைகுழியில் காலை வைத்தால் என்னாகும்? அப்படியே நம்மை உள்ளே இழுத்துக்கொள்ளும்தானே. அதுபோலதான் கருந்துளைகளும். அதற்குக் காரணம், அபரிமிதமான ஈர்ப்பு விசை.

அப்பொழுது சூரியனும் ஒரு நட்சத்திரம் தானே, அதுவும் ஒருநாள் கருந்துளையாக மாறி பூமியையும், மற்றக்கோள்களையும் உள்ளே இழுத்துக்குக்கொள்ளுமா என்றால், அதுதான் இல்லை. சூரியனின் நிறையைக் காட்டிலும் 1.44 மடங்கு (Chandrasekhar Limit) பெரிதாக உள்ள நட்சத்திரங்களே கருந்துளையாக மாறும் என்று தமிழ்நாட்டில் பிறந்த வானியல் இயற்பியலாளர் சுப்பிரமணிய சந்திரசேகர் நிரூபித்து, 1983ம் ஆண்டிற்கான இயற்பியல் நோபல் பரிசையும் பெற்றுள்ளார்.

பிரபஞ்சத்தில் உள்ள கருந்துளைகளுக்கு நிறை (Mass) மற்றும் சுழல் (Spin) என்று இரண்டு பண்புகள் உள்ளன என தனது தேற்றத்தின் (theorem) மூலமாக நிருபித்தவர் நியூஸிலாந்தை சேர்ந்த கணித மேதை ராய் பாட்ரிக் கெர் (Roy Patrick Kerr). இத்தகைய ஆய்வு முடிவை, உலக பிரசித்தி பெற்ற 'ஃபிஸிக்ஸ் ரிவியூ லெட்டர்ஸ்' (Phys. Rev. Lett. 11 (1963) 237-238) இதழில் 1963ம் ஆண்டு வெளியிட்டார்.

இதன் பிறகு, சுழலும் கருந்துளைகள் எல்லாம் "கெர் கருந்துளைகள்" (Kerr Black holes) என்று அழைக்கப்படுகிறது. இதன் சாராம்சங்களை 2010ம் ஆண்டு செப்டம்பர் மாதம் பல்வேறு நாடுகளை சேர்ந்த 10 இளம் விஞ்ஞானிகளுக்கு பிரான்ஸ் நாட்டில் கற்பித்தார் கெர். அவரிடம் இருந்து பயிலும் வாய்ப்பு எனக்கும் கிடைத்தது.

கருந்துளைகள் இருப்பதற்கு ஆதாரம் என்ன?

கடந்த 2015ம் ஆண்டு செப். 14ம் தேதி, பல்வேறு நாட்டு விஞ்ஞானிகளைக் கொண்ட 'லைகோ' (LIGO) ஆய்வகக் குழுவினர் (அந்தக் குழுவில் இந்தியாவைச் சேர்ந்த 37 விஞ்ஞானிகளும் அடங்குவர்) ஒரு புதிய வகையான அலையை கண்டுபிடித்தனர். இதனை ஐன்ஸ்டீனின் பொதுச்சார்பியல் கொள்கையுடன் ஒப்பிடுகையில் இந்த அலை வினாடிக்கு 3 லட்சம் கிலோமீட்டர் பயணம் செய்து பூமிக்கு வந்த ஈர்ப்பு அலைகள் என தெரிய வந்தது.

மேலும் இது இரண்டு கருந்துளைகள் ஒன்றுடன் ஒன்று மோதிபிணையும்போது அவற்றில் இருந்து வெளியேறிய ஈர்ப்பு அலைகள் எனவும், அந்த இரண்டு கருந்துளைகள் 36 சூரிய நிறை மற்றும் 29 சூரிய நிறை கொண்டது எனவும் கணிக்கப்பட்டது. இந்த இரண்டு கருந்துளைகளும் பிணையும்போது 65 சூரிய நிறைக்கு பதிலாக 62 சூரிய நிறைதான் கொண்டிருந்தது. மீதம் உள்ள 3 சூரிய நிறைகள் ஈர்ப்பு அலைகளாக மாறி பூமியை நோக்கி பயணித்துள்ளதை கண்டறிந்தனர்.

அதாவது, இரண்டு கருந்துளைகள் அருகருகே வரும்போது குறிப்பிட்ட கோண உந்தத்தில் (Angular Momentum) ஒரு பொதுவான மையத்தை பொறுத்து பல ஆண்டுகள் சுற்றிவரும். அவற்றின் நிறை மற்றும் சுழலை பொறுத்து, அதன் சுற்றும் வேகம் கூடும் அல்லது குறையும். கருந்துளைகள் சுற்றும்போது, அவற்றின் நிறையானது ஆற்றலாக (E=mc² என்ற சமன்பாட்டின் வாயிலாக), அதாவது, ஈர்ப்பு அலைகளாக வெளியேறும்.

ஈர்ப்பு அலைகள் வெளியேற வெளியேற, கருந்துளைகளின் சுற்றுப்பாதை (Orbit) அளவும் குறைந்து கொண்டே வரும். ஒரு கட்டத்தில், இரண்டு கருந்துளைகளும் ஒன்றோடொன்று மோதலுற்று ஒரே கருந்துளையாக பிணைந்து கொள்ளும். அத்தருணத்தில் மிக அதிகளவில் ஈர்ப்பு அலைகள் வெளியேறும்.

ஐன்ஸ்டீனின் சமன்பாடுகள் கணித்த கருந்துளைகளும் ஈர்ப்பு அலைகளும் 100 ஆண்டுகளுக்கு பிறகு பரிசோதனையின் மூலம் நிரூபிக்கப்பட்டது. மேலும், இந்த கண்டுபிடிப்பில் முதன்மைப் பங்காற்றிய விஞ்ஞானிகள் ரெய்னர் வைஸ் (Rainer Weiss), பேரி சி.பேரிஸ் (Barry C. Barish), கிப் எஸ்.தோர்ன்ம் (Kip S. Thorne) ஆகியோருக்கு 2017ம் ஆண்டிற்கான இயற்பியல் நோபல் பரிசு வழங்கப்பட்டது.

கருந்துளைகளின் நிறையோ அல்லது சுழலோ அதிகரிக்கும்பொழுது கருந்துளையின் ஈர்ப்பு விசை அதிகரிக்கும். அதன் நிறையை பொறுத்து இரண்டு வகையாக பிரிக்கலாம்.

ஒன்று, சோலார் மாஸிவ் கருந்துளைகள் (Solar Massive Black Holes), இவை 2 முதல் 100 சூரிய நிறைகளை கொண்டிருக்கும்.

இரண்டாவது, சூப்பர் மாஸிவ் கருந்துளைகள் (Super Massive Black Holes), 1000 முதல் சில லட்சம் சூரிய நிறைகளை கொண்டிருக்கும்.

ஐன்ஸ்டீன், தனது பொதுச்சார்பியல் கொள்கையின் விளைவாக மற்றுமொரு முக்கிய நிகழ்வை கணித்தார். அதாவது, புதன் கிரகம், சூரியனைச் சுற்றி வரும்போது, அது ஆரம்பித்த புள்ளியில் இருந்து சற்று முன்னால் சென்று முடியும்; சுற்றுப்பாதையின் ஆரம் (Radius) மாறாமல், சுற்றினை மேற்கொள்ளும் என்கிறார்.

இதே கணக்கீட்டை, ஒரு சிறிய கருந்துளை (சோலார் மாஸிவ்) பெரிய கருந்துளையை (சூப்பர் மாஸிவ்) சுற்றி வரும்பொழுது பொருத்திப் பார்த்தால், அதன் விளைவுகள் மாறுகிறது. அதாவது, சுற்றி வரும் சிறிய கருந்துளையின் சுழலை பொறுத்து, சுற்றுப்பாதையின் ஆரம் மாறும் என்பதுதான். இந்த ஆய்வு முடிவை, நான் உட்பட எம் குழுவினர் (இத்தாலியைச் சேர்ந்த ஜி. டி'அம்புரோசி (D'Ambrosi), நெதர்லாந்து நாட்டைச் சேர்ந்த ஜே.டபிள்யூ. வான் ஹால்டன் (J.W.Van Holten), ஜே.வான் டி விஸ் (J.Van De Vis)) நான்கு பேர் சேர்ந்து கடந்த 2016ம் ஆண்டு பிப். 17ம் தேதி ஆராய்ச்சிக் கட்டுரையாக இயற்பியலாளர்கள் கொண்டாடும் உலக பிரசித்தி பெற்ற 'ஃபிஸிக்ஸ் ரிவியூ டி' (Phys. Rev. D 93, 044051 (2016)) இதழில் வெளியிட்டோம்.

மேலும், இதனை தொடர்ந்து, இந்த இரண்டு கருந்துளைகளுமே சுழலுமேயானால், சுற்றுப்பாதையின் ஆரம் இந்த இரு சுழற்சியை பொறுத்தே அமையும் என்பதையும் நான் கணக்கிட்டு, ஆராய்ச்சிக் கட்டுரையாக கடந்த 2021ம் ஆண்டு செப். 21ம் தேதி (arXiv:2109.10022) வெளியிட்டுள்ளேன். அதாவது, ஐன்ஸ்டீன் கண்டுபிடித்துச் சொன்ன கொள்கையை அடிப்படையாகக்கொண்டு, 100 ஆண்டுகளுக்குப் பிறகு ஒரு புதிய விளைவை, கருத்தியல் சமன்பாடாக கணித்துள்ளோம்.

இத்தகைய கருத்தியல் விளைவுகளை, பரிசோதனை அடிப்படையில் நிரூபிக்க குறைந்தபட்சம் இன்னும் 15 ஆண்டுகள் ஆகும். அதற்கேற்ப, அதிநவீன ஆய்வுக்கூடம் கட்டமைக்கும் பணியை ஐரோப்பிய விண்வெளி அமைப்பு (European Space Agency) உலக நாடுகளின் விஞ்ஞானிகளுடன் இணைந்து உருவாக்கி வருகிறது. இந்த கூட்டமைப்பில் இந்தியாவை சேர்ந்த நானும் ஒரு அதிகாரப்பூர்வ உறுப்பினராக இருக்கிறேன். இந்த ஆய்வுக்கூடம் பூமிக்கு மேலே விண்வெளியில் பொருத்தப்படும், இதன் பெயர் "லேசர் இன்டெர்பெர்ரோமீட்டர் ஸ்பேஸ் ஆன்டெனா" (Laser Interferometer Space Antenna - LISA) எனப்படும். LISA பூமியுடன் சேர்ந்து ஆண்டு முழுவதும் சூரியனை சுற்றி வரும். விண்மீன் மண்டலத்தின் (Galaxy) மையப்பகுதியில் உள்ள சூப்பர் மாஸிவ் கருந்துளையை, சோலார் மாஸிவ் கருந்துளை, சுற்றிவரும் பொழுது அதிலிருந்து வரும் ஈர்ப்பு அலைகளை LISA உள்வாங்கி, தகவல்களை பூமிக்கு அனுப்பும். இதன் மூலம் பிரபஞ்சத்தின் வடிவமைப்பை கண்டறியலாம்.

பல்வேறு உலக நாடுகளை சேர்ந்த சிறந்த விஞ்ஞானிகள் மேற்கொண்டுவரும் இத்தகைய சுவாரஸ்யமான ஆய்வுகள் எதுவும் தமிழ்நாட்டின் மாநில பல்கலைகழகங்களில் நடைபெறவில்லை என்பது மிகவும் வருந்தத்தக்கது. LIGO மற்றும் LISA கூட்டமைப்பில் தமிழ்நாட்டின் பல்கலைகழகங்களில் இருந்து ஒருவர் கூட உறுப்பினர் இல்லை என்பது கூடுதல் தகவல்.

தமிழ்நாட்டின் மாநில பல்கலைகழகங்களில் வான் இயற்பியல் (Astrophysics) மற்றும் ஈர்ப்பு இயற்பியல் (Gravitational Physics) பாடத்தினை இளங்கலை பட்டப்படிப்பில் சேர்ப்பதும், முதுகலை பட்டப்படிப்பில் தனியாக பாடப்பிரிவு துவங்குவதும், இது போன்ற ஆராய்ச்சி கல்விக்கு அடித்தளமாக அமையும். இதே துறையில் ஆராய்ச்சி படிப்புகளை (Ph.D) மாணவர்கள் மேற்கொள்வதற்கு தகுந்த துறை சார்ந்த வல்லுநர்களை தமிழ்நாட்டிலுள்ள பல்கலைகழகங்களில் நியமனம் செய்வது அவசியமாகும்.

(தமிழ்நாட்டின் சேலம் மாவட்டத்தை சேர்ந்த கட்டுரையாளர் சதீஷ்குமார் சரவணன், ஜெர்மனியின் பெர்லின் பல்கலைக்கழகத்தில் தனது ஆராய்ச்சி பயணத்தைத் தொடங்கி, நெதர்லாந்தின் Leiden பல்கலைக்கழகத்தில் 2016இல் முனைவர் பட்டம் பெற்றார். ஜெர்மன் நாட்டில் இளநிலை விஞ்ஞானியாக Max Planck Institute for Gravitational Physics-இல் சிலகாலம் பணியாற்றினார். மேலும், 2019இல் இருந்து 2021ம் ஆண்டு வரை பிரேசிலில் உள்ள International Institute of Physics இல் முதுமுனைவர் ஆராய்ச்சியை முடித்தார். கருந்துளைகளைப் பற்றி ஆய்வு செய்துவரும் முனைவர் சதீஷ்குமார், விண்வெளி வீரர் பயிற்சிக்காக தேர்வாகி ரஷ்ய நாட்டிற்கு செல்ல காத்திருக்கிறார்.)

தயாரிப்பு: சாய்ராம் ஜெயராமன், பிபிசி தமிழ்

சமூக ஊடகங்களில் பிபிசி தமிழ்: