கரும் துளை என்றால் என்ன? விண்வெளியின் விசித்திர அறிவியல் வழிகாட்டி

பிரபஞ்சத்தின் மிகப் பெரிய புதிராகவும், நவீன இயற்பியலின் கற்பனைக்கு எட்டாத விசித்திர அமைப்பாகவும் திகழ்வது கருந்துளை (Black Hole) ^[1]. விண்வெளியில் உள்ள ஏதோ ஒரு வெறுமையான பாழ்வெளியோ அல்லது அனைத்தையும் உள்வாங்கும் குழாயோ இதுவல்ல. மாறாக, அளவிட முடியாத மாபெரும் நிறை மிகக் குறுகிய இடத்திற்குள் சுருங்கி, மிகத் தீவிரமான அடர்த்தியையும் அபாரமான ஈர்ப்பு விசையையும் கொண்டுள்ள ஒரு அண்டவெளி அமைப்பே கருந்துளையாகும் ^[2]. வினாடிக்கு 3 லட்சம் கிலோமீட்டர் வேகத்தில் பாயும் பிரபஞ்சத்தின் அதிவேகப் பொருளான ஒளியேகூட இதன் ஈர்ப்பு எல்லையிலிருந்து தப்பித்து வெளியேற முடியாது.

1. பிரபஞ்சத்தின் விசித்திரப் புதிர்: கருந்துளை என்றால் என்ன?

1783-ஆம் ஆண்டிலேயே ஆங்கிலேய அறிஞர் ஜான் மிச்செல் என்பவர், ‘மிகப் பெரிய நிறை கொண்ட ஒரு விண்மீனின் ஈர்ப்பு விசை மிக அதிகமாக இருந்தால், அதிலிருந்து ஒளிகூட வெளியேற முடியாமல் போகலாம்’ என்ற ‘இருண்ட விண்மீன்’ (Dark Star) கருதுகோளை முதன்முதலில் முன்வைத்தார். பின்னர் 1915-இல் ஆல்பர்ட் ஐன்ஸ்டீன் தனது பொதுச் சார்பியல் கோட்பாட்டை (General Theory of Relativity) வெளியிட்டார். அதன்படி, ஒரு பொருளின் நிறை அதன் சுற்றியுள்ள வெளி-காலத்தை (Space-Time) வளைக்கிறது.

ஐன்ஸ்டீனின் சமன்பாடுகள் வெளியாகி சில மாதங்களிலேயே, முதல் உலகப் போரின் களத்தில் பீரங்கிப் படையில் பணியாற்றிய ஜெர்மன் வானியலாளர் கார்ல் சுவார்ஸ்சைல்டு (Karl Schwarzschild), இந்த சமன்பாடுகளுக்கு ஒரு கணிதத் தீர்வைக் கண்டுபிடித்தார். ஒரு விண்மீனின் முழு நிறையும் ஒரு குறிப்பிட்ட எல்லைக்குள் சுருங்கினால், அதன் ஈர்ப்பு எல்லையற்றதாக மாறும் என்பதை அவர் நிரூபித்தார். 1967-இல் அமெரிக்க இயற்பியலாளர் ஜான் வீலர் (John Wheeler) இதற்கு ‘பிளாக் ஹோல்’ (Black Hole) என்ற கவர்ச்சிகரமான பெயரைச் சூட்டி உலகெங்கும் பிரபலப்படுத்தினார்.

2. கருந்துளையின் பிறப்பு: விண்மீன்களின் மரணமும் சூப்பர்நோவாவும்

பிரபஞ்சத்தில் உள்ள அனைத்து விண்மீன்களுமே கருந்துளையாக மாறுவதில்லை. நமது சூரியனை விடக் குறைந்தபட்சம் 10 முதல் 20 மடங்கு அதிக நிறை கொண்ட ராட்சத விண்மீன்கள் மட்டுமே தங்கள் வாழ்வின் இறுதிக் கட்டத்தில் கருந்துளைகளாகப் பிறப்பெடுக்கின்றன. ஒரு விண்மீன் உயிர்வாழ்வது என்பது ஒரு தொடர்ச்சியான இழுபறிப் போர்க்களமாகும்:

• அணுக்கரு இணைவு (Nuclear Fusion): விண்மீனின் மையக்கருவில் உள்ள ஹைட்ரஜன் அணுக்கள் பல மில்லியன் டிகிரி வெப்பத்தில் ஒன்றிணைந்து ஹீலியமாக மாறுகின்றன. இந்த அணுக்கரு இணைவு வெளிநோக்கிய மகத்தான கதிர்வீச்சு அழுத்தத்தை உருவாக்குகிறது.
• ஈர்ப்பு விசை (Gravity): அதே நேரத்தில் விண்மீனின் பிரம்மாண்டமான நிறை, அதை உள்நோக்கிச் சுருக்க முயல்கிறது. இந்த இரண்டு விசைகளும் சமநிலையில் இருக்கும் வரை விண்மீன் பிரகாசமாக ஒளிர்கிறது.

பில்லியன் கணக்கான ஆண்டுகளுக்குப் பிறகு, மையக்கருவில் உள்ள அணு எரிபொருள் தீர்ந்துபோகும்போது வெளிநோக்கிய அழுத்தம் நின்றுவிடுகிறது. உடனே விண்மீன் தனது சொந்த பிரம்மாண்ட ஈர்ப்பு விசையினால் உள்நோக்கிச் சுருங்கத் தொடங்குகிறது. விண்மீனின் வெளிப்புறப் பகுதிகள் விண்வெளியில் கற்பனை செய்ய முடியாத ஆற்றலுடன் வெடித்துச் சிதறுகின்றன. இதற்கு சூப்பர்நோவா (Supernova) என்று பெயர். இந்த வெடிப்புக்குப் பின் எஞ்சிய மையக்கரு தடையின்றி உள்நோக்கிச் சுருங்கி ஒரு கருந்துளையாக மாறுகிறது.

3. கருந்துளையின் உடற்கூறியல்: மூன்று முக்கியப் பகுதிகள்

ஒரு கருந்துளையை அறிவியல் பூர்வமாக நாம் மூன்று பிரதான கூறுகளாகப் பிரித்துப் புரிந்து கொள்ளலாம் ^[1]:

அம்சம்	ஒருமைப் புள்ளி (Singularity)	சிறந்த தேர்வுநிகழ்வு எல்லை (Event Horizon)	சேர்க்கை வட்டு (Accretion Disk)
இருப்பிடம்	கருந்துளையின் மிக மையப் பகுதி	மையத்தைச் சுற்றியுள்ள வெளிப்புறக் கண்ணுக்குத் தெரியாத எல்லை	நிகழ்வு எல்லைக்கு வெளியே சுழலும் விண்வெளிப் பகுதி
இயற்பியல் நிலை	மனிதன் அறிந்த அனைத்து இயற்பியல் விதிகளும் முறிந்துபோகும் இடம்	திரும்ப வர முடியாத எல்லைக்கோடு (Point of No Return)	ஒளியின் வேகத்திற்கு இணையாகச் சுழலும் வாயுக்கள் மற்றும் தூசிகள்
அடர்த்தி மற்றும் நிறை	எல்லையற்ற அடர்த்தி மற்றும் பூஜ்ஜிய கனஅளவு	குறிப்பிட்ட ஆரம் கொண்ட விண்வெளி எல்லை (சுவார்ஸ்சைல்டு ஆரம்)	பல மில்லியன் டிகிரி வெப்பத்தில் ஒளிரும் உயர் வெப்பப் பிளாஸ்மா
ஒளி தப்புமா?	ஒளியால் ஒருபோதும் தப்ப முடியாது	ஒளியும் சிறைபிடிக்கப்படும்	எக்ஸ்-கதிர்கள் மற்றும் பிரகாசமான ஒளியை வெளிவிடுகிறது

நிகழ்வு எல்லை (Event Horizon): கருந்துளையைச் சுற்றி அமைந்துள்ள கண்ணுக்குத் தெரியாத எல்லையே நிகழ்வு எல்லை ஆகும். இந்த எல்லைக்குள் நுழையும் எந்தவொரு பொருளும், தகவலும் அல்லது ஒளியும் கூட மீண்டும் வெளியே வர முடியாது. இதனால்தான் இந்த எல்லைக்கு அப்பால் என்ன நடக்கிறது என்பதை வெளிப்புறப் பிரபஞ்சத்தில் இருக்கும் நம்மால் ஒருபோதும் நேரடியாகப் பார்க்க முடியாது.

ஒருமைப் புள்ளி (Singularity): நிகழ்வு எல்லையின் மிக மையத்தில் அமைந்துள்ள புள்ளி. இங்கு ஒரு மாபெரும் விண்மீனின் முழு நிறையும் பூஜ்ஜிய கனஅளவுக்குள் (Zero Volume) நசுக்கப்பட்டு, எல்லையற்ற அடர்த்தியையும் முடிவிலா வளைவையும் அடைகிறது. பொதுச் சார்பியல் கோட்பாடும் குவாண்டம் மெக்கானிக்ஸும் முரண்படும் இடமாக இது திகழ்கிறது.

சேர்க்கை வட்டு (Accretion Disk): கருந்துளையின் தீவிர ஈர்ப்பினால் அருகிலுள்ள விண்மீன்களில் இருந்து இழுக்கப்படும் வாயுக்களும் தூசிகளும் அதன் மீது நேரடியாக விழுந்துவிடாமல், ஒரு சுழல் வட்டு போல அதைச் சுற்றி ஒளியின் வேகத்தில் சுழல்கின்றன. மூலக்கூறுகளுக்கு இடையிலான கடுமையான உராய்வு காரணமாக இந்த வட்டு பல மில்லியன் டிகிரி வெப்பமடைந்து தீவிர எக்ஸ்-கதிர்களை உமிழ்கிறது. இதையே தொலைநோக்கிகள் படம் பிடிக்கின்றன.

4. காலத்தையும் வெளியையும் வளைக்கும் அபார ஈர்ப்பு விசை

ஐன்ஸ்டீனின் சார்பியல் விதிகளின்படி, ஈர்ப்பு விசை அதிகமாக உள்ள இடங்களில் காலம் மெதுவாக நகரும். இதற்கு ஈர்ப்பு கால நீட்சி (Gravitational Time Dilation) என்று பெயர். நவீன காலத்தில் பூமியில் உள்ள துல்லியமான கடிகாரங்கள் மூலமாகவே நாம் காலத்தின் நுட்பங்களை உறுதி செய்துள்ளோம் ^[3].

ஒரு விண்கலத்தில் பயணம் செய்து ஒரு கருந்துளையின் நிகழ்வு எல்லைக்கு மிக அருகில் சென்று சில மணிநேரங்கள் தங்கிவிட்டு ஒருவர் பூமிக்குத் திரும்பினால், அவரது கைக்கடிகாரத்தில் சில மணிநேரங்களே கழிந்திருக்கும். ஆனால் பூமியில் உள்ள மனிதர்களுக்கு பல நூறு ஆண்டுகள் ஓடி மறைந்திருக்கும். கருந்துளையின் எல்லைக்கருகில் காலம் நடைமுறையில் உறைந்துபோய்விடுகிறது.

5. கருந்துளையினுள் விழுந்தால் என்ன நடக்கும்? ஸ்பகெட்டிஃபிகேஷன்

ஒரு விண்வெளி வீரர் கருந்துளையினுள் விழுந்தால் என்னவாகும் என்ற கேள்வி பலருக்கும் உண்டு. இதற்கு இயற்பியலாளர்கள் வைத்துள்ள பெயர் ஸ்பகெட்டிஃபிகேஷன் (Spaghettification) அல்லது ‘நூடுல்ஸ் விளைவு’ ஆகும்.

ஒரு மனிதன் கால்களை முன்னோக்கி வைத்து கருந்துளையை நோக்கி விழுகிறார் என்று வைத்துக்கொள்வோம். அவரது தலைக்கும் கால்களுக்கும் இடையே உள்ள சில அடி தூரத்திலேயே ஈர்ப்பு விசையில் பல கோடி மடங்கு வேறுபாடு இருக்கும். கால்களில் செயல்படும் அதீத ஈர்ப்பு விசை உடலை நீளவாக்கில் வேகமாக இழுக்கும்; அதே சமயம் பக்கவாட்டில் உடல் நசுக்கப்படும். இதனால் அந்த மனிதரின் உடல் ஒரு நூடுல்ஸ் கயிறு போல நீண்டு, அணு அணுவாகப் பிரிந்து சிதைந்துவிடும்.

6. கருந்துளைகளின் நான்கு வகைகள்

வானியலாளர்கள் பிரபஞ்சத்தில் உள்ள கருந்துளைகளை அவற்றின் நிறையின் அடிப்படையில் நான்கு வகைகளாகப் பிரிக்கின்றனர்:

• விண்மீன் கருந்துளைகள் (Stellar-mass Black Holes): நமது சூரியனைப் போல 10 முதல் 100 மடங்கு நிறை கொண்டவை. நமது பால்வெளி மண்டலத்தில் மட்டுமே பல கோடிக்கணக்கான விண்மீன் கருந்துளைகள் சுற்றித் திரிகின்றன.
• இடைப்பட்ட கருந்துளைகள் (Intermediate-mass Black Holes): 100 முதல் 1 லட்சம் சூரிய நிறைகளைக் கொண்டவை. அடர்ந்த விண்மீன் கொத்துக்களின் மோதலால் உருவாவதாகக் கருதப்படுகிறது.
• மகா ராட்சதக் கருந்துளைகள் (Supermassive Black Holes): பல மில்லியன் முதல் பல நூறு கோடி சூரிய நிறைகளைக் கொண்ட பிரம்மாண்ட அரக்கர்கள். நமது பால்வெளி மண்டலத்தின் மையத்தில் உள்ள ‘சாகிட்டேரியஸ் A*’ (Sagittarius A*) மற்றும் M87 விண்மீன் மண்டல மையத்தில் உள்ள கருந்துளை ஆகியவை இதற்கு உதாரணங்கள்.
• தொடக்க காலக் கருந்துளைகள் (Primordial Black Holes): பிரபஞ்சம் தோன்றிய பெருவெடிப்பின் முதல் சில நொடிகளிலேயே உருவானதாகக் கருதப்படும் கருதுகோள் வகை மிகச் சிறிய கருந்துளைகள்.

7. ஸ்டீபன் ஹாக்கிங் மற்றும் ஹாக்கிங் கதிர்வீச்சு: கருந்துளைகள் அழியுமா?

நீண்ட காலமாக கருந்துளைகள் அனைத்தையும் விழுங்க மட்டுமே செய்யும், எதையும் வெளியிடாது என்றே நம்பப்பட்டது. ஆனால் 1974-ஆம் ஆண்டு பிரிட்டிஷ் கோட்பாட்டு இயற்பியலாளர் ஸ்டீபன் ஹாக்கிங் (Stephen Hawking) ஒரு புரட்சிகரமான உண்மையைக் கண்டறிந்தார் ^[2].

குவாண்டம் இயற்பியலின்படி, விண்வெளியின் வெற்றிடத்தில் தொடர்ந்து துகள்களும் எதிர்த்துகள்களும் (Particle-Antiparticle pairs) ஜோடியாகத் தோன்றி உடனே மோதி அழிந்து கொண்டிருக்கின்றன. கருந்துளையின் நிகழ்வு எல்லையின் விளிம்பில் இத்தகைய ஜோடி தோன்றும் போது, ஒரு துகள் கருந்துளைக்குள் விழுந்துவிட, மற்றொன்று விண்வெளிக்குள் தப்பித்து ஓடுகிறது. வெளிப்புறப் பார்வையாளருக்கு இது கருந்துளையே ஒரு வெப்பக் கதிர்வீச்சை வெளியிடுவது போலத் தெரியும். இதற்கு ஹாக்கிங் கதிர்வீச்சு (Hawking Radiation) என்று பெயர்.

8. கண்ணுக்குத் தெரியாத கருந்துளையை அறிவியலாளர்கள் எப்படிப் பார்க்கிறார்கள்?

கருந்துளையிலிருந்து வெளிச்சம் வராது என்றால், விண்வெளியில் அது இருப்பதை ஆய்வாளர்கள் எப்படிக் கண்டுபிடிக்கிறார்கள்? விண்வெளியில் உள்ள விசித்திரங்களை வியக்கத்தக்க உயிரினங்கள் எவ்வாறு தனித்துவ பண்புகளைக் கொண்டுள்ளதோ, கருந்துளைகளும் மறைமுக அடையாளங்களை வெளிப்படுத்துகின்றன ^[4]:

• அருகிலுள்ள விண்மீன்களின் வேகம்: ஒரு வெற்று இடத்தைச் சுற்றி விண்மீன்கள் கண்ணுக்குத் தெரியாத ஏதோ ஒன்றின் ஈர்ப்பினால் தலைதெறிக்கும் வேகத்தில் வட்டமடிப்பதை வைத்து அதன் நிறையை அளவிட முடியும்.
• ஈர்ப்பு வில்லை விளைவு (Gravitational Lensing): கருந்துளைக்குப் பின்னால் இருக்கும் தொலைதூர விண்மீன்களின் ஒளி, கருந்துளையின் ஈர்ப்பினால் வளைக்கப்பட்டு ஒரு வளையம் போலத் தோன்றும்.
• ஈர்ப்பு அலைகள் (Gravitational Waves): இரண்டு கருந்துளைகள் ஒன்றையொன்று சுற்றி மோதி இணையும் போது, வெளி-காலத்தில் உண்டாகும் சிற்றலைகளை பூமியில் உள்ள லிகோ (LIGO) உணரிகள் துல்லியமாகப் பதிவு செய்கின்றன.
• ஈவென்ட் ஹொரைசன் டெலஸ்கோப் (EHT): உலகெங்கிலும் உள்ள 8 வானொலித் தொலைநோக்கிகளை ஒன்றிணைத்து, பூமி அளவிலான ஒரு ராட்சத மெய்நிகர் தொலைநோக்கியை உருவாக்கி, M87 கருந்துளையின் சேர்க்கை வட்டு வீசிய ஒளியின் நிழலை 2019-இல் முதன்முறையாக மனிதகுலம் படம்பிடித்தது.

9. விண்வெளி அறிவியலின் எதிர்காலமும் கருந்துளை ஆய்வுகளும்

கருந்துளைகள் வெறும் அழிவு மையங்கள் மட்டுமல்ல; விண்மீன் மண்டலங்களின் தோற்றம் மற்றும் பரிணாம வளர்ச்சியில் அவை மிக முக்கியப் பங்காற்றுகின்றன. கருந்துளையின் மையத்தில் உள்ள ஒருமைப் புள்ளியைப் புரிந்து கொள்வதில்தான் இயற்பியலின் மாபெரும் கனவான ‘அனைத்துக்குமான கோட்பாடு’ (Theory of Everything) அடங்கியுள்ளது.

ஜேம்ஸ் வெப் விண்வெளித் தொலைநோக்கி (JWST) மற்றும் எதிர்கால விண்வெளி ஈர்ப்பு அலை உணரிகள் (LISA) ஆகியவை பிரபஞ்சத்தின் ஆதி காலத்தில் உருவான மகா கருந்துளைகள் குறித்த மேலும் பல மர்மங்களை அவிழ்க்கக் காத்திருக்கின்றன. கருந்துளை என்பது அறிவியலின் எல்லைக்கோடு; அதை நோக்கிய நமது பயணம் பிரபஞ்சத்தின் ரகசியங்களைத் திறந்து வைக்கிறது.

காலவரிசை

1. 1783

   இருண்ட விண்மீன் கருதுகோள்

   ஜான் மிச்செல் ஒளியை ஈர்க்கும் ராட்சத விண்மீன்கள் குறித்து முதன்முதலில் எழுதினார்.n1915

சொல் விளக்கம்

இந்தக் கட்டுரையில் வரும் அறிவியல் சொற்கள்

4

Event Horizonநிகழ்வு எல்லை

ஒளியும் தப்ப முடியாத கரும் துளையைச் சுற்றியுள்ள திரும்ப முடியாத எல்லைக்கோடு.

Singularityஒருமைப் புள்ளி

முடிவிலா அடர்த்தியையும் ஈர்ப்பு விசையையும் கொண்ட கரும் துளையின் மையப்புள்ளி.

Accretion Diskசேர்க்கை வட்டு

கரும் துளையைச் சுற்றி அதிவேகமாகச் சுழன்று ஒளிரும் வாயுக்கள் மற்றும் விண்வெளித் தூசுகளின் வளையம்.

Spaghettificationஸ்பகெட்டிஃபிகேஷன்

கடும் ஈர்ப்பு விசை வேறுபாட்டால் ஒரு பொருள் நீளவாக்கில் இழுக்கப்பட்டு மெலிதாகும் நிலை.

மேற்கோள்கள்

1. ↩ Event Horizon Telescope Collaboration – First M87 Event Horizon Results (ApJL 2019)
2. ↩ Hawking, S. W. A Brief History of Time (Bantam Books 1988)
3. ↩ Thorne, K. S. Black Holes and Time Warps (W. W. Norton 1994)
4. ↩ NASA Astrophysics – Black Holes Overview