विश्वाचे वय - लेखांक १ / ४

विश्वाचे वय नक्की किती ?  याबाबत आपल्याकडे असलेली परंपरागत धारणा आणि आधुनिक विज्ञानाच्या संकल्पना यांची सांगड घालण्याचा एक प्रयत्न.

सध्याच्या समजुतीनुसार विश्वाचे वय अंदाजे १३.८२ अब्ज वर्षे इतके आहे असे वैज्ञानिक मानतात. पण हे ठरवण्यासाठी झालेला प्रवास खूप मोठा आहे आणि तो प्रवास या आकड्यावर थांबेल असे वाटत नाही. असे का ? हे समजून घेण्यासाठी विश्वाचे वय कसे ठरवले आहे ते समजून घ्यायला हवे.

Big Bang च्या लगेच नंतर अतितप्त असलेला आणि अतिप्रचंड घनतेने एकत्र राहिलेला हायड्रोजन हा प्लाजमाच्या, अर्थात आयनीभूत, जगड्व्याळ मेघाच्या स्वरूपात होता आणि त्याला स्वत:चे असे तेज होते. या काळातही विश्व प्रसरण पावण्याची व पर्यायाने हा प्लाजमा थंड होण्याची प्रक्रिया सुरूच होती.  या दरम्यान एक वेळ अशी आली की यातील प्लाजमाचे रूपांतर हायड्रोजनच्या उदासीन अणूमध्ये झाले. ही प्रक्रिया Big Bang च्या नंतर साधारण ३ लाख ७८ हजार वर्षांनी घडली असे वैज्ञानिक मानतात, पहिला तारा तयार होण्याच्या कितीतरी आधी. ही प्रक्रिया होत असताना जो प्रकाश निर्माण झाला त्याचे अस्तित्व आपल्याला सर्वप्रथम १९६४ मध्ये जाणवले,  विद्युत-चुंबकीय प्रारणांच्या स्वरूपात. अवकाशाचे असे प्रदेश जिथे कोणतीही आकाशगंगा, तारा वा प्रकाश उत्सर्जित करू शकेल अशी कोणतीही अवकाशीय वस्तू नाही,  (सध्याच्या) कोणत्याही व कितीही मोठ्या आकाराच्या दूरदर्शकातूनही अवकाशाचा जो भाग, पूर्णपणे काळोखा दिसतो, अशा भागात, या प्रारणांचे अत्यंत क्षीण अस्तित्व, केवळ रेडियो दूरदर्शकाच्या माध्यमातून जाणवते. याला वैज्ञानिक भाषेत Cosmic microwave background (CMB)असे म्हटले जाते.

ESA (Europian Space Agency) ने  Planck या नावाची वेधशाळा, मे २००९ मध्ये अवकाशात धाडली. १५ महिन्यांचे अपेक्षित अवतारकार्य असलेल्या या अवकाशस्थ वेधशाळेने, चक्क ४ वर्षापेक्षाही अधिक काळ उत्तम काम केले. या वेधशाळेच्या अनेक उद्दिष्टांपैकी सर्वात महत्त्वाचे होते ते, Big Bang नंतर निर्माण झालेल्या प्रकाशामुळे अवकाशात जाणवणार्‍या, या विद्युत-चुंबकीय प्रारणांचा मागोवा घेणे.  या

आधी Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) नामक नासाच्या एका प्रोबने हे काम मर्यादित प्रमाणात केले होते, पण Planck सोबत असलेली उपकरणे ही सर्वार्थाने अधिक क्षमतेची होती. अवकाशात सर्वत्र पण तरीही अब्जावधी प्रकाशवर्षे दूर असणार्‍या आणि अनेक 'अंधार्‍या' भागातून येणारी हा क्षीण प्रारणे, वास्तविक अर्थाने निर्माण झाली तेंव्हा प्रारणांच्या स्वरूपात नसून प्रकाशाच्या रूपात होती. पण आपल्यापर्यंत पोहोचायला या प्रकाशाला अब्जावधी वर्षे लागली आहेत. या काळात प्रसरणशील विश्वातून प्रवास करताना, त्या प्रसरणाला झेलताना, एका अर्थाने या प्रकाशलहरी ताणल्या गेल्या.  प्रकाशाची तरंगलांबी इतकी वाढली की आपल्यापर्यंत पोहोचेपर्यंत त्या प्रकाशाचे मायक्रोवेव्ह लहरींमध्ये रूपांतर झाले. ४ वर्षांच्या अवतारकाळात Planck ने पूर्ण अवकाशाचे दोनदा सूक्ष्म निरीक्षण केले. याचे फलित म्हणून Planck ने जी भरीव कामगिरी केली त्यातील एक होती, CMB चा पूर्ण अवकाशाचा नकाशा, हबल स्थिरांकाचे सुधारीत मूल्य आणि पर्यायाने विश्वाचे वय. 

हबल स्थिरांक म्हणजे काय ?   १९२० मध्ये एडविन हबल नावाच्या वैज्ञानिकाने (अवकाशात आत्तापर्यंत सर्वोत्कृष्ट कामगिरी करणार्‍या हबल वेधशाळेचे नाव याच्या सन्मानार्थ दिले आहे.) असा एक सिद्धांत मांडला की आकाशगंगांचा परस्परांपासून दूर जाण्याचा वेग हा त्यांच्यातील अंतराशी समप्रमाणात वाढतो.  यासाठी वापरलेले सूत्र होते  (वास्तविक हे काहीसे सुलभीकरण आहे)

१)  V = H. * r  

इथे r हे दोन आकाशगंगांमधले अंतर असून H. हा हबल स्थिरांक आहे. हबल स्थिरांक म्हणजे विश्व प्रसरणाच्या वेगाचे मूल्य आणि त्याचे एकक आहे कि.मी / सेकंद / मेगापार्सेक .  (१ मेगापार्सेक म्हणजे साधारण  ३.०८५७ × १०^१९ कि.मी. ).   Planck ने पाठविलेल्या माहितीचे विश्लेषण करून अंतिमत: हबल स्थिरांकाचे मूल्य ६७.७४±०.४६ इतके नक्की करण्यात आले.  हबलच स्थिरांक व अधिकतम संभाव्य वेग

(अर्थात प्रकाशवेग)  यांचे मूल्य भरल्यास हे सूत्र होईल

२) r = प्रकाशवेग / हबल स्थिरांक 

३)  अर्थात  r = प्रकाशवेग / ६७.७४    इथे r हे प्रकाशाच्या अशा स्त्रोताचे अंतर आहे जो आपल्यापासून प्रकाशवेगाने दूर जात आहे आणि प्रकाशवेगाने जाणार्‍या सर्व प्रकाशस्त्रोतांमध्ये आपल्याला 'सर्वात जवळ' आहे.  (यापेक्षा अधिक दूर असणार्‍या प्रकाश  स्त्रोतापासून आपल्याकडे प्रकाश कधीही पोहोचू शकणार नाही)

हबलच्या नियमाप्रमाणे आकाशगंगा जर परस्परांपासून सतत वाढत्या वेगाने दूर जात असतील (अंतराच्या समप्रमाणात), तर एक वेळ अशी येईल जेंव्हा आकाशगंगांचा परस्परांपासून दूर जाण्याचा वेग हा प्रकाशवेगाइतका होईल आणि सध्याच्या आपल्या गृहितकांमधील एक प्रमुख गृहीतक हे आहे की प्रकाशवेगापेक्षा अधिक वेगाने काहीही जाऊ शकत नाही. याचाच दुसरा अर्थ असा की, विश्वातील सर्वात दूरचा प्रकाश जो आपल्याला दिसू शकतो (किंवा शकला), त्याचा जो काही स्त्रोत असेल त्याचा आपल्यापासून दूर जाण्याचा वेग हा प्रकाशवेगाइतका (c) आहे.  अर्थात अंतर = वेग * काळ  या सूत्रात जर काळ म्हणजे विश्वाचे वय असे मानले तर सर्वात दूरच्या दिसलेल्या वा दिसणार्‍या प्रकाशासाठी :

४) विश्वाचे वय =  अधिकतम कापलेले अंतर / अधिकतम संभाव्य वेग   

५)  अर्थात  विश्वाचे वय =  सर्वात दूरच्या दिसलेल्या प्रकाशाचे आपल्यापासूनचे अंतर  /   प्रकाशवेग  या सूत्राने निश्चित करता येईल.
आता सूत्र क्रमांक ५ मध्ये, सूत्र ३ चा वापर केल्यास आपल्याला मिळेल :

६)  विश्वाचे वय =  (प्रकाशवेग  / ६७.७४) / प्रकाशवेग     =  १ / ६७.७४   =  १ / हबल स्थिरांक. 

थोडक्यात हबल स्थिरांकाचा inverse घेतला असता आपल्याला विश्वाचे संभाव्य वय कळू शकते.  (इथे प्रकाशाचा वेग हा सर्वत्र आणि सर्वदा कायम राहतो आणि त्यापेक्षा अधिक वेगाने कोणतीही वस्तू जाऊ शकत नाही हे गृहीतक आहे !)

इथे एक लक्षात घेतले पाहिजे की विश्वाचे वय हे सतत वाढत राहणार असल्यामुळे आणि विश्व प्रसरणशील असल्यामुळे हबल स्थिरांक हा देखील काळानुरूप, अतिअतिसूक्ष्म मानाने  घटत राहणार आहे.  शिवाय विविध माध्यमातून, वेगवेगळ्या पद्धतीने मोजलेल्या हबल स्थिरांकाचे मूल्य देखील वेगवेगळे येते. उदा. WMAP चा सात वर्षांची माहिती एकत्र केली असता ७१.०±२.५, , WMAP ची माहिती व इतर काही मापनांची माहिती एकत्र केली असता ७०.४±१.३,  WMAP ची ९ वर्षांची माहिती एकत्र केली असता ६९.३२±०.८०. Planck चे देखील असेच आहे. वर दिलेला ६७.७४±०.४६ हे मूल्य मोहिमेच्या शेवटच्या माहितीच्या आधारे आहे. हबल वेधशाळेने २०१६ च्या शेवटी मोजलेला हबल स्थिरांक ७१.९ (+२.४, -३.०) इतका आहे.  पण या सर्व निरीक्षणातून निश्चित होणार्‍या हबल स्थिरांकाची सर्व मूल्ये ही ६७ ते ७३ या मर्यादेत आहेत.

वर उल्लेखलेले हबल स्थिरांकाचे मूल्य  ६७.७४ कि.मी / सेकंद / मेगापार्सेक इतके आहे.  

याचा inverse (१ / हबल स्थिरांक)  अर्थात विश्वाचे अनुमानित वय हे   (१ मेगापार्सेक / ६७.७४ किमी) सेकंद इतके येते. 
एका वर्षात ३,१५,५७,६०० सेकंद असतात. म्हणजेच  विश्वाचे अनुमानित वय हे   (१ मेगापार्सेक / (६७.७४  कि.मी *  ३,१५,५७,६००) वर्षे इतके  येते.
  
एका वर्षात ३,१५,५७,६०० सेकंद असतात. म्हणजेच  विश्वाचे अनुमानित वय हे   (१ मेगापार्सेक / (६७.७४  कि.मी *  ३,१५,५७,६००) वर्षे इतके  येते.  

∴ विश्वाचे अनुमानित वय  = ((१ मेगापार्सेक / ३,१५,५७,६००) / ६७.७४  कि.मी) वर्षे

--
प्रकाशाचा वेग २,९९,७९२.४५८  किमी प्रति सेकंद,
∴ एका वर्षात प्रकाश २,९९,७९२.४५८  किमी  x ३,१५,५७,६०० सेकंद  = ९४,६०,७३,०४,७२,५८०.८ किमी  = १ प्रकाशवर्ष
१ पार्सेक म्हणजे  ३.२६१६ प्रकाशवर्षे
∴ १ मेगापार्सेक = ३२,६१,६०० प्रकाशवर्षे
∴ १ मेगापार्सेक = ३२,६१,६०० x ९४,६०,७३,०४,७२,५८०.८ किमी
∴ १ मेगापार्सेक =  ३,०८,५७,११,८५,०९,३६,९५,३७,२८० किमी
--

∴ विश्वाचे अनुमानित वय =  (३,०८,५७,११,८५,०९,३६,९५,३७,२८० / ३,१५,५७,६००) / ६७.७४ ) वर्षे इतके येते.
∴ विश्वाचे अनुमानित वय =  (९,७७,८०,३०,८१,०१२.८ / ६७.७४ )  वर्षे     (इथे ६७.७४ हा हबल स्थिरांक आहे)
∴ विश्वाचे अनुमानित वय ≈ १४,४३,४६,४८,३७६ वर्षे
∴ विश्वाचे अनुमानित वय ≈ १४.४३५ अब्ज वर्षे

सुरुवातीस उल्लेख केलेल्या १३.८२ अब्ज वर्षे या वयापेक्षा, हे वय काहीसे अधिक आहे. पण इथे हे लक्षात घेतले पाहिजे की, हबल स्थिरांकाचे मूल्य आपण ६७.७४ इतके घेतले आहे.  मात्र हबल स्थिरांक हा खर्‍या अर्थाने स्थिरांक नाही, विश्वाच्या वयानुसार, प्रसरणानुसार त्याचे मूल्यही बदलत जाते. अर्थात वेगाचे derivation होऊन त्वरण (acceleration) विचारात घ्यावे लागते.  यानुसार गणितही बदलत जाते. हबल स्थिरांकाचे बदलणारे मूल्य लक्षात घेता,  सध्याच्या अंतिम अनुमानानुसार विश्वाचे वय १३.७९९±०.०२१ अब्ज वर्षे  इतके आहे.

====