ഭ്രമണം ചെയ്യുന്ന പ്രാപഞ്ചികവസ്തുക്കള്‍, അവയ്ക്കരികിലെ സ്ഥല-സമയ തിരശ്ശീലയെ വക്രീകരിച്ച് വലിച്ചടുപ്പിക്കുമെന്ന് സാമാന്യ ആപേക്ഷികതാസിദ്ധാന്തം പ്രവചിച്ചു, ഇത് പരിശോധിച്ചറിയുന്നതില്‍ വിജയിച്ചിരിക്കുകയാണ് ഇന്ത്യന്‍ വംശജനായ ഗവേഷകന്‍

ല്‍ബര്‍ട്ട് ഐന്‍സ്റ്റൈന്‍ ബെര്‍ലിനിലെ പ്രൂഷ്യന്‍ അക്കാദമിയില്‍ 1915 നവംബര്‍ 25 ന് വെറും മൂന്നുപേജുള്ള ആ പ്രബന്ധം അവതരിപ്പിക്കുമ്പോള്‍, പ്രപഞ്ചസങ്കല്‍പ്പമാകെ അടിമുടി നവീകരിക്കാന്‍ പോന്ന വജ്രായുധമാണ് താന്‍ പുറത്തുവിടുന്നതെന്ന് ഐന്‍സ്റ്റൈന്‍ പോലും കരുതിയോ എന്നു സംശയമാണ്! 'ദ ഫീല്‍ഡ് ഇക്വേഷന്‍സ് ഓഫ് ഗ്രാവിറ്റേഷന്‍' എന്നു പേരുള്ള ആ പേപ്പര്‍ പുറത്തുവന്ന ശേഷം, സംഭവിച്ചത് പക്ഷേ അതാണ്! 

'സാമാന്യ ആപേക്ഷികതാസിദ്ധാന്തം' (ജനറല്‍ തിയറി ഓഫ് റിലേറ്റിവിറ്റി) ആയിരുന്നു ആ പേപ്പറിലുണ്ടായിരുന്നത്. അവതരിപ്പിച്ചിട്ട് 105 വര്‍ഷമായി. ഇന്ന് തിരിഞ്ഞുനോക്കുമ്പോള്‍, ആ സിദ്ധാന്തത്തിന്റെ മുന്നോട്ടുള്ള ഗതിയാണ് ആധുനിക പ്രപഞ്ചശാസ്ത്ര (കോസ്‌മോളജി) ത്തിന്റെ സമീപകാല ചരിത്രം എന്ന് വ്യക്തമാകും. 

ജനറല്‍ റിലേറ്റിവിറ്റിയിലെ ഫീല്‍ഡ് സമവാക്യങ്ങളെ നെഞ്ചിടിപ്പോടെയാണ് ഗവേഷകര്‍ സമീപിച്ചത്. അതിന്റെ വ്യത്യസ്തഫലങ്ങള്‍ കണ്ട് ശാസ്ത്രലോകം (ചില അവസരങ്ങളില്‍ ഐന്‍സ്‌റ്റൈന്‍ പോലും) അമ്പരന്നു! പ്രപഞ്ചവികാസവും തമോഗര്‍ത്തങ്ങളും ന്യൂട്രോണ്‍ താരങ്ങളും വേംഹോളുകളും ഗ്രാവിറ്റേഷണല്‍ ലെന്‍സിങും ശ്യാമോര്‍ജവും (ഡാര്‍ക്ക് എനര്‍ജി) ഒക്കെ പല കാലത്തായി ആ സമവാക്യങ്ങളില്‍ നിന്ന് പുറത്തുവന്നു! 

Frame Dragging, Albert Einstein
ആല്‍ബര്‍ട്ട് ഐന്‍സ്‌റ്റൈന്‍.
Pic Credit: Orren Jack Turner/ Wikimedia Commons

ഐന്‍സ്റ്റൈന്റെ മാജിക് ഇനിയും അവസാനിക്കുന്നില്ല എന്നാണ്, നക്ഷത്രഭൗതിക ഗവേഷകന്‍ വിവേക് വെങ്കട്ടരാമന്‍ കൃഷ്ണനും സംഘവും 'സയന്‍സ് ജേര്‍ണലി'ല്‍ പ്രസിദ്ധീകരിച്ച പുതിയ പഠനം (Science, Jan 31, 2020) വ്യക്തമാക്കുന്നത്. സാമാന്യ ആപേക്ഷികത പ്രവചിച്ച 'ഫ്രെയിം ഡ്രാഗ്ഗിങ്' (frame-dragging) എന്ന ഇഫക്ട്, മരിച്ച നക്ഷത്രമായ ഒരു വെള്ളക്കുള്ളന്റെയും അതിനെ ചുറ്റുന്ന പള്‍സറിന്റെയും സഹായത്തോടെ നിര്‍ണയിച്ചിരിക്കുകയാണ് വിവേകും സംഘവും.

ജര്‍മനിയിലെ ബോണില്‍ 'മാക്‌സ് പ്ലാങ്ക് ഇന്‍സ്റ്റിട്ട്യൂട്ട് ഫോര്‍ റേഡിയോ അസ്‌ട്രോണമി'യിലെ ഗവേഷകനാണ്, തമിഴ്‌നാട്ടിലെ സേലം സ്വദേശിയായ വിവേക്. ഓസ്‌ട്രേലിയയില്‍ മെല്‍ബണിലെ 'സ്വിന്‍ബേണ്‍ യൂണിവേഴ്‌സിറ്റി ഓഫ് ടെക്‌നോളജി'യിലെ ഗവേഷണത്തിന് ശേഷം ജര്‍മനിയിലെത്തിയ വിവേകിന്റെ പഠനം, രണ്ട് ഓസ്‌ട്രേലിയന്‍ റേഡിയോ ടെലസ്‌കോപ്പുകളുടെ (Parkes and UTMOST radio telescopes) സഹായത്തോടെ ആയിരുന്നു. 

സാമാന്യ ആപേക്ഷികത അനുസരിച്ച്, ഗുരുത്വബലത്തിന് കാരണം പ്രപഞ്ചവസ്തുക്കളുടെ പരസ്പരാകര്‍ഷണമല്ല, പകരം സ്ഥല-സമയ (space-time) തിരശ്ശീലയിലെ വക്രതയാണ്. അതെപ്പറ്റി ഭൗതികശാസ്ത്രജ്ഞനായ ജെയിംസ് ഹാര്‍ട്ടില്‍ ഒരിക്കല്‍ ഇങ്ങനെ അഭിപ്രായപ്പെട്ടു: 'ഗുരുത്വബലം എന്നത് ജ്യാമിതിയാണ്'. പ്രപഞ്ചത്തിലെ ഓരോ വസ്തുവും അതിന്റെ ദ്രവ്യമാനം (പിണ്ഡം) അനുസരിച്ച് സ്ഥല-സമയ തിരശ്ശീലയില്‍ വക്രീകരണം സൃഷ്ടിക്കുന്നുണ്ട്.

Frame Dragging
സമീപത്തെ നക്ഷത്രത്തില്‍ നിന്ന് ദ്രവ്യം വലിച്ചെടുത്ത് കരുത്തു വര്‍ധിപ്പിക്കുന്ന വെള്ളക്കുള്ളന്‍. Pic Credit: ARC Centre of Excellence

അങ്ങനെയെങ്കില്‍, ഭ്രമണം ചെയ്യുന്ന വസ്തുക്കള്‍ എന്ത് ഫലമാകും സ്ഥല-സമയ തിരശ്ശീലയില്‍ സൃഷ്ടിക്കുക. വളരെ വേഗം ഭ്രമണം ചെയ്യുന്ന പ്രാപഞ്ചികവസ്തുക്കള്‍, അവയ്ക്കരികിലെ സ്ഥല-സമയ തിരശ്ശീലയെ വക്രീകരിച്ച് വലിച്ചടുപ്പിക്കും. ഭൂമിയെന്ന ഗോളത്തെ തേനില്‍ മുക്കിവെച്ചതായി സങ്കല്‍പ്പിക്കുക. ഭൂമി കറങ്ങുമ്പോള്‍, ചുറ്റുമുള്ള തേന്‍ ഒരു ചുഴിപോലെ രൂപപ്പെടില്ലേ. സ്‌പേസ് ടൈമില്‍ ഉണ്ടാകുന്ന അത്തരമൊരു സംഗതിയാണ് ഫ്രെയിം ഡ്രാഗ്ഗിങ്! ഈ ഇഫക്ടിന്റെ ആദ്യഫലം അനുമാനിച്ചെടുത്തത് 1918 ല്‍ ജോസെഫ് ലെന്‍സ്, ഹാന്‍സ് തിറിങ് എന്നീ ഗവേഷകര്‍ ചേര്‍ന്നാണ്. അതിനാല്‍, ഈ ഫലം 'ലെന്‍സ്-തിറിങ് ഇഫക്ട്' (Lense–Thirring effect) എന്നും അറിയപ്പെടുന്നു. 

സാധാരണ സാഹചര്യങ്ങളില്‍ ഫ്രെയിം ഡ്രാഗ്ഗിങ് വളരെ നിസ്സാരമാണ്, അവഗണിക്കാവുന്നത്. അതിനാല്‍, സ്വയംകറങ്ങുന്ന ഭീമാകാരമായ വസ്തുക്കളുടെയും അങ്ങേയറ്റം സൂക്ഷ്മതയോടെ പ്രവര്‍ത്തിക്കുന്ന ഉപകരണങ്ങളുടെയും സഹായത്തോടെ മാത്രമേ ഈ ഫലം നിര്‍ണയിക്കാന്‍ സാധിക്കൂ. 70 കോടി ഡോളര്‍ (ഏതാണ്ട് 5000 കോടി രൂപ) മുടക്കി 2004 ല്‍ നാസ വിക്ഷേപിച്ച ഗ്രാവിറ്റി പ്രോബ് ബി' (Gravity Probe B, GP-B) ദൗത്യം പോലും ഇക്കാര്യത്തില്‍ അത്ര മികച്ച ഫലം നല്‍കിയില്ല. 

ഇത്തരം പരീക്ഷണങ്ങള്‍ സാധ്യമാകുന്ന ചില 'ഗ്രാവിറ്റേഷണല്‍ ലാബുകള്‍' പ്രപഞ്ചത്തിലുള്ള കാര്യം, 'ദി കണ്‍വര്‍സേഷനി'ലെ ലേഖനത്തില്‍ വിവേകും മാത്യു വെയ്ല്‍സും ചൂണ്ടിക്കാട്ടുന്നു. ഭൂമിയില്‍ നിന്ന് പതിനായിരം പ്രകാശവര്‍ഷത്തിനപ്പുറം 'മസ്‌ക' (Musca) നക്ഷത്രഗണത്തില്‍, വെള്ളക്കുള്ളനും അതിനെ ചുറ്റുന്ന പള്‍സറും അടങ്ങിയ ഒരു ഇരട്ടസംവിധാനമുണ്ട്, പേര്: PSR J1141-6545. 'പാര്‍ക്കേഴ്‌സ് റേഡിയോ ടെലസ്‌കോപ്പ്' കണ്ടെത്തിയ ആ ദിന്ദ്വസംവിധാനം പ്രയോജനപ്പെടുത്തി, അതിശയകരമാം വിധം വിശദാംശങ്ങളോടെ ഫ്രെയിം ഡ്രാഗ്ഗിങ് പരിശോധിക്കാന്‍ കഴിയുമെന്ന് ഗവേഷകര്‍ കണ്ടു. 

Vivek Venkatraman Krishnan, Astrophysics
വിവേക് വെങ്കട്ടരാമന്‍ കൃഷ്ണന്‍.
Pic Credit: facebook.com/vivekvkv

ഭ്രമണം ചെയ്യുന്ന ന്യൂട്രോണ്‍ താരങ്ങളാണ് പള്‍സറുകള്‍ (pulsars). ഭ്രമണവേളയില്‍ അതിന്റെ കാന്തികധ്രുവങ്ങളിലൂടെ കൃത്യമായ ഇടവേളകളില്‍ റേഡിയോ കിരണങ്ങള്‍ പുറത്തുവരും. നിരീക്ഷിക്കുന്നവര്‍ക്കിത് ലൈറ്റ്ഹൗസില്‍ നിന്നെത്തുന്ന ഇടവിട്ടിടവിട്ടുള്ള പ്രകാശധാര പോലെ തോന്നും. ഓര്‍ക്കുക, സൂപ്പര്‍നോവ സ്‌ഫോടനത്തിന് വിധേയമാകുന്ന ഭീമന്‍ നക്ഷത്രങ്ങളുടെ അവശേഷിപ്പുകളാണ് ന്യൂട്രോണ്‍ താരങ്ങള്‍. അതിഭീമമായ ഗുരുത്വബലം മൂലം അതില്‍ ഇലക്ട്രോണുകളും പ്രോട്ടോണുകളും അമര്‍ന്നുചേര്‍ന്ന് ന്യൂട്രോണുകള്‍ ആയാവും സ്ഥിതിചെയ്യുക! അതിനാല്‍, പള്‍സറുകള്‍ ഉള്‍പ്പടെ ഏത് ന്യൂട്രോണ്‍ താരത്തിലെയും പദാര്‍ഥത്തിന്റെ സാന്ദ്രത അതിഭീമമായിരിക്കും. 

സൂര്യനെ പോലുള്ള നക്ഷത്രങ്ങള്‍ ഇന്ധനം തീര്‍ന്ന് അവസാനം വെള്ളക്കുള്ളന്‍ (white dwarf) ആകും. ഇത്തരമൊരു വെള്ളക്കുള്ളനെ പരിക്രമണം ചെയ്യുകയാണ് മുകളില്‍ സൂചിപ്പിച്ച പള്‍സര്‍. സൂര്യന്റെയത്ര ദ്രവ്യമാനം (mass) ഉണ്ടെങ്കിലും, ഭ്രമണം ചെയ്യുന്ന ആ വെള്ളക്കുള്ളന് ഭൂമിയുടെ വലുപ്പമേയുള്ളൂ! അതിനാല്‍, ഭീമമായ ഗുരുത്വബലമാണ് അതിനുള്ളത്. ഭൂമി സൃഷ്ടിക്കുന്ന ഫ്രെയിം ഡ്രാഗ്ഗിങ് ആണ് നാസയുടെ ഗ്രാവിറ്റി പ്രോബ് ബി ദൗത്യം നിര്‍ണയിച്ചത്. എന്നാല്‍, ഒരു വെള്ളക്കുള്ളന്‍ നക്ഷത്രം ഭൂമിയെ അപേക്ഷിച്ച് പത്തുകോടി മടങ്ങ് ശക്തിയില്‍ ഫ്രെയിം ഡ്രാഗ്ഗിങ് സൃഷ്ടിക്കും. 

മരിച്ച നക്ഷത്രമായ വെള്ളക്കുള്ളനെ ചുറ്റുകയാണ് 'നക്ഷത്രജഡ'മെന്ന് വിശേഷിപ്പിക്കാവുന്ന പള്‍സര്‍. ഏതാണ്ട് അഞ്ചു മണിക്കൂര്‍ കൊണ്ട് ഒരു തവണ ചുറ്റും. അതിനൊപ്പം, പള്‍സര്‍ മിനുറ്റില്‍ 150 തവണ എന്ന കണക്കില്‍ സ്വയംഭ്രമണവും നടത്തുന്നു! എന്നുവെച്ചാല്‍, ലൈറ്റ് ഹൗസില്‍ നിന്നു വരുന്നതുപോലെ, മിനുറ്റില്‍ 150 പ്രാവശ്യം പള്‍സറില്‍ നിന്നുള്ള റേഡിയോ സ്പന്ദനങ്ങള്‍ നമുക്ക് നിരീക്ഷിക്കാം. 'ആ ഇരട്ടസംവിധാനം ഒരു ഗ്രാവിറ്റേഷണല്‍ ലാബ്' ആകുന്നത് ഈ സവിശേഷതകള്‍ കൊണ്ടാണെന്ന് ഗവേഷകര്‍ പറയുന്നു.

പള്‍സര്‍ പുറപ്പെടുവിക്കുന്ന റേഡിയോ സ്പന്ദനങ്ങള്‍ റേഡിയോ ടെലസ്‌കോപ്പുകളുടെ സഹായത്തോടെ രേഖപ്പെടുത്തി, അതുപയോഗിച്ച് ആ ഇരട്ടസംവിധാനത്തിന്റെ ഭ്രമണപഥം 2001 മുതല്‍ സൂക്ഷ്മമായി നിരീക്ഷിച്ചു. പള്‍സറും വെള്ളക്കുള്ളനും പരസ്പരം ചുറ്റുമ്പോള്‍, ദീര്‍ഘകാലാടിസ്ഥാനത്തില്‍ ഒരു പ്രത്യേക വ്യതിയാനം അവയുടെ സഞ്ചാരപഥങ്ങളില്‍ സംഭവിക്കുന്നതായി കണ്ടു. ആ വ്യതിയാനത്തിന്റെ കാരണം തേടി വ്യത്യസ്ത സാധ്യതകള്‍ പരിശോധിച്ചു. ഒടുവില്‍, ഫ്രെയിം ഡ്രാഗ്ഗിങ് ആണ് ഉത്തരമെന്ന് ഗവേഷകര്‍ കണ്ടെത്തി. 

White Dwarf and pulsur
വെള്ളക്കുള്ളനും പള്‍സറും ഉള്‍പ്പെട്ട ദിന്ദ്വസംവിധാനം പാര്‍ക്‌സ് റേഡിയോ ടെലസ്‌കോപ്പ് ഉപയോഗിച്ചാണ് കണ്ടെത്തിയത്. Pic Credit: Mark Myers, OzGrav ARC Centre of Excellence

വേഗത്തില്‍ സ്വയംഭ്രമണം നടത്തുന്ന വെള്ളക്കുള്ളന്‍, അതിനു ചുറ്റുമുള്ള സ്ഥലസമയ തിരശ്ശീലയെ വക്രീകരിച്ച് വലിച്ചടുപ്പിക്കുന്നതാണ്, പള്‍സറിന്റെ പരിക്രമണദിശയില്‍ വ്യതിയാനം സംഭവിക്കാന്‍ കാരണമെന്ന് ഗവേഷകര്‍ പറയുന്നു. ഫ്രെയിം ഡ്രാഗ്ഗിങിന്റെ തോതു പ്രകാരം, ആ വെള്ളക്കുള്ളന്‍ നക്ഷത്രം അതിന്റെ സാങ്കല്‍പ്പിക അച്ചുതണ്ടില്‍ മണിക്കൂറില്‍ 30 തവണ വീതം ഭ്രമണം ചെയ്യുന്നു. ആ ഇരട്ടസംവിധാനം രൂപപ്പെടും മുമ്പ്, പള്‍സറിന്റെ മാതൃനക്ഷത്രത്തില്‍ നിന്ന് ആ വെള്ളക്കുള്ളന്‍ വന്‍തോതില്‍ ദ്രവ്യം വലിച്ചെടുത്തിട്ടുണ്ടെന്നും ഗവേഷകര്‍ കരുതുന്നു. അതാണ് വെള്ളക്കുള്ളന്റെ ഭ്രമണവേഗം വര്‍ധിപ്പിച്ചത്.  

വെള്ളക്കുള്ളനെ സംബന്ധിച്ച് ഇത്തരം വിവരങ്ങള്‍ കണ്ടെത്താനായത് പ്രധാനമാണ്. കാരണം, ഫ്രെയിം ഡ്രാഗ്ഗിങ് ഉപയോഗിച്ച് അതിന് കാരണമായ നക്ഷത്രത്തെക്കുറിച്ച് മനസിലാക്കാന്‍ കഴിയുമെന്നാണ് ഇതിനര്‍ഥം, വിവേകും സംഘവും പറയുന്നു. പ്രപഞ്ചപഠനത്തിന് പുതിയൊരു ഉപാധിയാകാന്‍ ഫ്രെയിം ഡ്രാഗ്ഗിങ് സാധ്യത തുറക്കുന്നു. ഭാവിയില്‍, ന്യൂട്രോണ്‍ താരങ്ങളുടെ ഇരട്ടസംവിധാനങ്ങള്‍ വിശകലനം ചെയ്യാന്‍ ഫ്രെയിം ഡ്രാഗ്ഗിങ് ഉപയോഗിക്കാമെന്നും, ന്യൂട്രോണ്‍ താരങ്ങളുടെ ആന്തരഘടന മനസിലാക്കാന്‍ അതുവഴി കഴിഞ്ഞേക്കുമെന്നും ഗവേഷകര്‍ പ്രതീക്ഷിക്കുന്നു. 

ന്യൂട്രോണ്‍ താരങ്ങളെ കണ്ടെത്തിയിട്ട് 50 വര്‍ഷം കഴിഞ്ഞെങ്കിലും, ഇപ്പോഴും അവയെ സംബന്ധിച്ച് കാതലായ പല സംഗതികളും ശാസ്ത്രത്തിനറിയില്ല എന്നകാര്യം വിവേക് ഓര്‍മിപ്പിക്കുന്നു. 'ലാബില്‍ സൃഷ്ടിക്കാന്‍ കഴിയുന്നതിലും കൂടുതലാണ് ന്യൂട്രോണ്‍ താരങ്ങളുടെ സാന്ദ്രത', അദ്ദേഹം പറയുന്നു. ഇരട്ട ന്യൂട്രോണ്‍ താരസംവിധാനങ്ങളെ, ഫ്രെയിം ഡ്രാഗ്ഗിങിന്റെ സഹായത്തോടെ പഠിച്ചാല്‍ കാര്യങ്ങള്‍ കൂടുതല്‍ വ്യക്തമായേക്കും.   

അവലംബം -

* Lense–Thirring frame dragging induced by a fast-rotating white dwarf in a binary pulsar system. By V. Venkatraman Krishnan, et al. Science Vol. 367, Issue 6477, pp. 577-580, Jan 31, 2020. 
* Warp factor: we've observed a spinning star that drags the very fabric of space and time. By Mathew Bailes & Vivek Venkatraman Krishnan. The Conversation, Jan 31, 2020.
* ഐന്‍സ്റ്റൈന്റെ മഹാസിദ്ധാന്തത്തിന് 100. mathrubhumi.com, Nov 24, 2015.
* Article on Frame-dragging. Wikipedia.
* Video-Dragging the Space-time Continuum. OzGrav ARC Centre of Excellence, Jan 31, 2020.  

* മാതൃഭൂമി നഗരം പേജില്‍ പ്രസിദ്ധീകരിച്ചത് 

Content Highlights: Space Time, General Relativity, Frame Dragging, Albert Einstein, Vivek Venkatraman Krishnan, Astrophysics