জেমস ওয়েব: দূরতম গ্যালাক্সির খোঁজে

Credit: NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez

জেমস ওয়েব দুরবিনে তোলা কয়েকটি খগোল বস্তুর চমকপ্রদ ছবি এই বছরের ১২ জুলাই NASA প্রকাশ করেছে। এই ছবিগুলোর মাধ্যমে বলা যায় জ্যোতির্বিজ্ঞান এক নতুন অধ্যায়ে প্রবেশ করল। এর মধ্যে অন্যতম হল হাবল দুরবিন দিয়ে বহু দূরের গ্যালাক্সিদের লাল সরণের যে সীমা নির্ধারিত হয়েছিল সেই সীমাকে পার হয়ে যাওয়া।

কোনো খগোল বস্তু (তারা, গ্যালাক্সি, ইত্যাদি) যখন আমাদের থেকে দ্রুত সরে যেতে থাকে তখন সেটির থেকে বিকিরিত আলোর তরঙ্গদৈর্ঘ্য বেড়ে যায় – নীল আলো লালের দিকে সরে যায় – এর জন্য এটিকে লাল সরণ বলা হয়। আবার বস্তুটি যদি আমাদের দিকে আসে সেটির থেকে বিকিরিত আলোর তরঙ্গদৈর্ঘ্য কমে যায় – লাল আলো নীলের দিকে সরে। একে ডপলার ক্রিয়া বলা হয়। মহাবিশ্বের প্রসারণের ফলে বেশির ভাগ গ্যালাক্সিই আমাদের থেকে দূরে সরে যাচ্ছে, এর ফলে তাদের আলোর লাল সরণ হচ্ছে। বহু দূরের গ্যালাক্সির লাল সরণের মাত্রা এতই বেশি যে, তাদের অতিবেগুনি (আলট্রাভায়োলেট) আলোয় বিকিরিত তরঙ্গদৈর্ঘ্য (৪০০ ন্যানোমিটার থেকে ছোট) বড় হতে হতে দৃশ্যমান বর্ণালী ছাড়িয়ে অবলোহিত (ইনফ্রারেড) তরঙ্গে (৭০০ ন্যানোমিটার থেকে বড়) যেয়ে পৌঁছায়। মহাবিশ্ব সৃষ্টির অল্প দিনের মধ্যে যে সমস্ত গ্যালাক্সি সৃষ্টি হয়েছিল বলা যায় সেগুলো আমাদের দৃশ্যমান মহাবিশ্বের শেষ প্রান্তে অবস্থিত এবং তারা অতি দ্রুত আমাদের কাছ থেকে সরে যাচ্ছে, কাজেই স্বাভাবিক ভাবেই তাদের লাল সরণও অনেক বেশি হবে। (মনে করা হয় আমাদের গ্যালাক্সিও মহাবিশ্ব সৃষ্টির কয়েক শ মিলিয়ন বছরের মধ্যেই সৃষ্টি হয়েছে, আমাদের গ্যালাক্সিতে কিছু তারা আবিষ্কার হয়েছে যাদের বয়স অন্তত ১৩০০ কোটি বছর।)

জেমস ওয়েব দুরবিনের একটি ছবিতে বহু দূরের একটি গ্যালাক্সিকে আলাদা করে দেখানো হচ্ছে।

লাল সরণ বা z’র মানটি খুব সহজেই বার করা যায়। যেমন আমাদের গবেষণাগারে হাইড্রোজেন পরমাণুর পঞ্চম কক্ষপথ থেকে দ্বিতীয় কক্ষপথে যদি কোনো ইলেকট্রন ঝাঁপ দেয় তবে সেটি যে ফোটন (বা আলো) বিকিরণ করবে তার তরঙ্গদৈর্ঘ্য হবে ৪৩৪.০৫ ন্যানোমিটার। উচ্চতর যে কোনো কক্ষপথ থেকে দ্বিতীয় কক্ষপথে ইলেকট্রনের স্থানান্তরে যে ফোটন আমরা পাই তাকে বামার সারণীর ফোটন বলা হয়। পঞ্চম থেকে দ্বিতীয় কক্ষপথের এই ফোটনকে বলা হয় $H_\gamma$ (এইচ-গামা), আমাদের চোখে এটি বেগুনী রঙে দৃশ্যমান। কিন্তু বহু দূরের গ্যালাক্সি থেকে বিকিরিত $H_\gamma$ এর তরঙ্গদৈর্ঘ্য বেড়ে যায়। উদাহরণস্বরূপ এমন একটি গ্যালাক্সিকে ধরা যাক যেটির বর্ণালীকে জেমস ওয়েবের NIRSpec যন্ত্র বিশ্লেষণ করেছে (চিত্র ১)। এখানে $H_\gamma$ এর তরঙ্গদৈর্ঘ্যকে ৩৭৬১.১৫ ন্যানোমিটারে দেখা যাচ্ছে। তাহলে এই গ্যালাক্সির z বা লাল সরণের পরিমাণ হবে (৩৭৬১.১৫ – ৪৩৪.০৫)/৪৩৪.০৫ = ৭.৬৬। ৩৭৬১.১৫ ন্যানোমিটার (বা ৩.৭৬১ মাইক্রোমিটার) তরঙ্গদৈর্ঘ্য চোখে দেখা যায় না, এটি নিকটবর্তী অবলোহিত বর্ণালীর মধ্যে পড়ে। ‘নিকটবর্তী’ বলতে এই অবলোহিত তরঙ্গ দৃশ্যমান আলোকতরঙ্গের কাছাকাছি বোঝানো হচ্ছে।         

চিত্র ১ : জেমস ওয়েব দুরবিনের NIRSpec ডিডেকটরে ধারণকৃত একটি গ্যালাক্সির বর্ণালীতে স্থির ফ্রেমে বিকিরিত H_gamma ৪৩৪ ন্যানোমিটার আলোর তরঙ্গ ডপলার ক্রিয়ার ফলে ৩৭৬১ ন্যানোমিটারে দেখা যাচ্ছে। (সুত্র – The chemical enrichment in the in the early Universe as probed by JWST via direct metallicity measurements আত z ~ 8, M. Curti et al. 2022, MNRAS, arxiv:2207.12375)

৭.৬৬ লাল সরণের গ্যালাক্সি আমাদের থেকে কত দূরে হবে? এর উত্তরটা সহজ নয়। এই উত্তরটা নির্ভর করছে মহাবিশ্বে তমোশক্তি (ডার্ক এনার্জি), তমোবস্তু (ডার্ক ম্যাটার), দৃশ্যবস্তু, হাবল ধ্রুবক, ইত্যাদির মানের ওপর। যদি আমি তমোশক্তির পরিমাণ মহাবিশ্বের মোট শক্তি (বা বস্তুর) ৭৩%, মোট বস্তু ২৭% ও হাবল ধ্রুবক ৭১ ধরি, তবে এই গ্যালাক্সি থেকে আলো আসতে সময় লাগছে প্রায় ১৩০০ কোটি (১৩ বিলিয়ন) বছর। আর এই মুহূর্তে ওই গ্যালাক্সির দূরত্ব হল প্রায় ৩০০০ কোটি (৩০ বিলিয়ন) আলোকবর্ষ। আর যে সময় ওই আলো বিকিরিত হয়েছিল সেই সময়ে এই গ্যালাক্সিটি আমাদের খুব কাছে ছিল। কত কাছে ছিল? এর জন্য ৩০ বিলিয়ন আলোকবর্ষকে (z + ১) দিয়ে ভাগ দিতে হবে। তাহলে দেখা যাচ্ছে এখন ওই গ্যালাক্সিটি থেকে যে আলোটা আমরা পাচ্ছি সেটা বিকিরণের সময় গ্যালাক্সিটি আমাদের থেকে মাত্র ৩৫০ কোটি (৩.৫ বিলিয়ন) আলোকবর্ষ দূরে ছিল।

এটা গেল সরাসরি মৌল পদার্থর বিকিরিত বা শোষিত আলোর বর্ণালী রেখা চিহ্নিত করে লাল সরণ বের করার পদ্ধতি। কিন্তু যদি বর্ণালী রেখা সরাসরি চিহ্নিত করা না যায়, তবে বহু দূরের গ্যালাক্সির দূরত্ব বের করার আর একটি পদ্ধতি আছে যাকে বলা হয় লাইমান ব্রেক।

দূরের ওইসব গ্যালাক্সিতে যদি নতুন তারারা জন্ম নিতে থাকে হাইড্রোজেন গ্যাসের নিহারীকার মধ্যে, তাহলে নতুন জন্মানো তারার অতিবেগুনী আলো সেই নিহারীকার গ্যাসে শোষিত হয়ে যাবে। এর আগে আমরা বামার সারণীর কথা বলেছিলাম, যেখানে ইলেকট্রন হাইড্রোজেনের উচ্চতর কক্ষপথ থেকে দ্বিতীয় কক্ষপথে ঝাঁপ দেয়। আর একটি সারণী হল লাইম্যান, যেখানে ইলেকট্রন উচ্চতর কক্ষপথ থেকে প্রথম কক্ষপথে স্থানান্তরিত হয়। লাইম্যান সারণীর প্রথম রেখাটি হল ১২১.৫৭ ন্যানোমিটারে যেখানে ইলেকট্রন দ্বিতীয় কক্ষপথ থেকে প্রথম কক্ষপথে নেমে আসে ($L_\alpha$ – লাইম্যান আলফা রেখা), আর শেষের রেখাটি হল ৯১.১৭ ন্যানোমিটারে যেখানে মুক্ত ইলেকট্রন প্রথম কক্ষপথে বাঁধা পড়ে। অন্যদিকে এই সব তরঙ্গদৈর্ঘ্যে ফোটন যেমন বিকিরিত হতে পারে, আবার শোষিতও (বা অদৃশ্য) হয়ে যেতে পারে। নিহারীকার হাইড্রোজেন পরমাণুর প্রথম কক্ষপথে থাকা ইলেকট্রন নতুন জন্মানো তারা থেকে বিকিরিত ৯১.১৭ ন্যানোমিটারের আলো শোষণ করে নিয়ে পরমাণু থেকে মুক্ত হয়ে যেতে পারে। আবার ১২১.৫৭ ন্যানোমিটারের আলো শোষণ করে দ্বিতীয় কক্ষপথে উঠতে পারে। এর ফলে ওই তরঙ্গদৈর্ঘ্যের আলো আর দেখা যাবে না। মোটকথা এই ধরণের নিহারীকা, যেখানে নতুন তারারা জন্ম নিচ্ছে, লাইম্যান সারণীর অতিবেগুনী সব তরঙ্গই শোষণ করে নেবে যার ফলে ১২১ ন্যানোমিটারের নিচে এই সব গ্যালাক্সি থেকে কোনো আলো দেখা যাবে না, কাজেই এদের বর্ণালীতে ১২১ ন্যানোমিটারের নিচে একটা বড় খাদ দেখা দেবে যাকে লাইম্যান ব্রেক বলা হয়। এই খাদটির আবার ডপলার ক্রিয়ার জন্য লাল সরণ হবে এবং বহু দূরের গ্যালাক্সির জন্য অবলোহিত তরঙ্গে দেখা দেবে।     

চিত্র ২ – একটি গ্যালাক্সির লাইম্যান ব্রেক লাল সরণের কারণে ১২১ ন্যানোমিটারের বদলে ১৬০০ ন্যানোমিটারের কাছাকাছি পাওয়া যাচ্ছে, এর ফলে এই গ্যালাক্সিটির লাল সরণ ১২.৭ নির্ধারিত হয়েছে। নিচের বাঁদিকের চিত্রে কমলা রেখাটি দিয়ে লাইম্যান ব্রেক দেখানো হয়েছে। তথ্য জেমস ওয়েবের NIRCam ডিটেকটরে গৃহীত হয়েছে। (সূত্র – Two Remarkably Luminous Galaxy Candidates at z ≈ 11 − 13 Revealed by JWST Rohan P. Naidu et al. 2022, arxiv:2207.09434)

এরকম একটি লাইম্যান ব্রেক গ্যালাক্সি দেখানো হচ্ছে চিত্র ২-য়ে। এখানে মনে করা হচ্ছে মূল গ্যলাক্সির নিহারীকারা লাইম্যান আলফা রেখার নিচের তরঙ্গদৈর্ঘ্যের সব ফোটন শোষণ করে নিয়েছে, আর এই খাদ বা ব্রেকটা ডপলার লাল সরণের ফলে এখন প্রায় ১৬০০ ন্যানোমিটারে দেখা যাচ্ছে। তাহলে লাল সরণের যে পদ্ধতিটা আমরা আগে দেখিয়েছিলাম সেটা ব্যবহার করে এই গ্যালাক্সিটার z মান পাওয়া যাচ্ছে ১২.৬। এই গ্যালাক্সি থেকে আমাদের কাছে আলো আসতে সময়ে লাগছে ১৩.৩ বিলিয়ন বছর, অর্থাৎ বিগ ব্যাং-এর ৪০০ মিলিয়ন বছরের মধ্যেই এই গ্যালাক্সিটির জন্ম হয়েছে।

এবার খেয়াল করি চিত্র ২-এর ওপরের প্যানেলটি। জেমস ওয়েব দুরবিনের NIRCam ডিটেকটরের সাতটি তরঙ্গ ফিলটারে তোলা সাতটি ছবি সেখানে দেখছি – প্রথমটি ৯০০ ন্যানোমিটারে, শেষরটি ৪৪৪০ ন্যানোমিটারে। ২০০০ ন্যানোমিটারের ছবিটার কেন্দ্রে একটি ছোট কালো চক্র মত দেখা যাচ্ছে যেটা ২৭৭০, ৩৫৬০, এবং ৪৪৪০ ন্যানোমিটারে আছে, কিন্তু নিচের দিকের তরঙ্গদৈর্ঘ্য ১৫০০, ১১৫০, এবং ৯০০ ন্যানোমিটারে নেই। ওই কালো অংশটি হল একটি গ্যালাক্সি যাকে কিনা লাইম্যান ব্রেকের ওপর দিকের তরঙ্গদৈর্ঘ্যে দেখা যাচ্ছে, কিন্তু ব্রেকের নিচের তরঙ্গদৈর্ঘ্যে দেখা যাচ্ছে না। বর্ণালীতে সঠিকভাবে লাইম্যান ব্রেকটিকে চিহ্নিত করে এই গ্যালাক্সির লাল সরণ পাওয়া যাচ্ছে ১২.৬।

হাবল দুরবিন ১৬০০ ন্যানোমিটার পর্যন্ত সংবেদী, সেজন্য সেটি z = ১১-র উর্ধে লাল সরণ মাপতে পারে না, অন্যদিকে জেমস ওয়েবের সবচেয়ে সংবেদনশীল ডিটেকটর NIRCam ৫০০০ ন্যানোমিটার পর্যন্ত দেখতে পায়, তাই কার্যত z = ৪০ পর্যন্ত মাপতে সক্ষম। এই ধরণের লাল সরণ (z = ৪০) বিগ ব্যাং হবার ১০০ থেকে ২০০ মিলিয়ন বছরের মধ্যের বস্তুকে ধরতে সক্ষম, কিন্তু বিজ্ঞানীরা ধারণা করছিলেন অত অল্প সময়ের মধ্যে তারা বা গ্যালাক্সি সৃষ্টি সম্ভব নয়, আর সম্ভব হলেও সেটিকে পর্যবেক্ষন করা কঠিন কারণ পরিপার্শ্বের নিউট্রাল হাইড্রোজেন ওই সমস্ত তারাদের আলো শোষণ করে নেবে। যতক্ষণ পর্যন্ত না নতুন তারাদের আলো এই হাইড্রোজেনকে আয়নিত না করছে (অর্থাৎ হাইড্রোজেন পরমাণুর ইলেকট্রনকে পরমাণু থেকে উচ্ছেদ না করছে) ততক্ষণ আমরা ওইসব তারা বা গ্যালাক্সিদের দেখতে পাব না। তাই আয়নিত হবার আগের সময়টাকে অন্ধকার যুগ বলা হয়। দশ বছর আগেও আমরা মনে করতাম এই আয়ন প্রক্রিয়া শুরুই হয় বিগ ব্যাং-এর ৪০০ মিলিয়ন বছর পরে, তাই z = ১২’র বেশি গ্যালাক্সিদের আমরা দেখতে পাব না, কিন্তু জেমস ওয়েবের আবিষ্কারগুলো দেখে মনে হচ্ছে আয়ন প্রক্রিয়া অনেক আগেই শুরু হয়েছে।

এই লেখাটি পর্যন্ত জেমস ওয়েবে ধারণকৃত ছবিতে সর্বোচ্চ লাল সরণ পাওয়া গেছে ১৬.৭। এই আবিষ্কারটি যদি নিশ্চিত করা যায় তবে বলা যায় প্রথম গ্যালাক্সি বিগ ব্যাং-এর ৩০০ মিলিয়ন বছরের মধ্যেই সৃষ্ট হয়েছে এবং হাইড্রোজেন গ্যাসকে আয়নিত করার প্রক্রিয়া ততদিনে জোরেসোরে চলছে। এই গ্য্যলাক্সিগুলো অতিবেগুনি আলোয় খুব উজ্জ্বল ও সেখানে নতুন তারা জন্মানোর প্রক্রিয়া খুব শক্তিশালী। জ্যোতির্বিদরা এত উঁচু সরণে (z > ১০) এরকম উজ্জ্বল গ্যালাক্সি যতগুলো দেখবে ভাবছিলেন তার থেকে প্রায় ১০ গুণ বেশি দেখছেন, বিগ ব্যাং-এর খুব অল্প সময়ের মধ্যে এই গ্যালাক্সিগুলোর সৃষ্টি তাত্ত্বিক গবেষণার নতুন দিগন্ত উন্মোচন করবে।

তবে এই গবেষণাগুলো নিয়ে সাবধান হবারও প্রয়োজন আছে। কিছু বিজ্ঞানীদের মতে অনেক z > ১২ লাল সরণের গ্যালাক্সির বর্ণালীতে যে ব্রেকটা আমরা দেখছি তা লাইম্যান ব্রেক নয়, বরং ব্রেকটা হচ্ছে দৃশ্যমান তরঙ্গের বামার শোষণ রেখায় ৪০০ ন্যানোমিটারের কাছাকাছি (সূত্র – arxiv:2208.01816)। তাঁরা বলছেন, সক্রিয়ভাবে নতুন তারা সৃষ্টি করছে এমন ধুলিময় গ্যালাক্সিকে যদি শুধু জেমস ওয়েবের তথ্য দিয়ে বিশ্লেষণ করা হয় তবে খুব উঁচু লাল সরণ (z > ১২) পাওয়া যাবে, অন্যদিকে সেগুলোকে যদি মিলিমিটার বেতার তরঙ্গতেও পর্যবেক্ষণ করা যায় তার ভিত্তিতে এই সব গ্যালাক্সির সরণকে ৪ থেকে ৬-এর মধ্যে পাওয়া যাবে। এই সরণের গ্যালাক্সি তুলনামূলকভাবে কাছের, তবুও সেখান থেকে আলো আসতে ১২.৭ বিলিয়ন বছর লাগছে। তবে এই গবেষকরা কিছু গ্যালাক্সির সরণ যে ১২-র ওপর হতে পারে তা অস্বীকার করছেন না।  

এখানে জেমস ওয়েব দুরবিনের অনেক বৈজ্ঞানিক লক্ষ্যের মধ্যে শুধু একটি দিক নিয়েই আলোচনা করলাম। বহিঃগ্রহ আবিষ্কার থেকে সেটির বায়ুমণ্ডলের বিশ্লেষণ, নতুন নক্ষত্র জন্মানোর প্রক্রিয়া, গ্যালাক্সিদের মধ্যে মিথষ্ক্রিয়া, মহাবিশ্বে তমোবস্তুর অবস্থান – এরকম আরো কৌতূহল-উদ্দীপক পর্যেবেক্ষণ ও গবেষণা জেমস ওয়েবের অতি উন্নত দুরবিন ও ডিটেকটরগুলো যে জ্যোতির্বিজ্ঞানকে পরবর্তী ধাপে নিয়ে যাবে তা অনস্বীকার্য। তবে বিজ্ঞানের অগ্রগতি পূর্ববর্তী ও আনুষাঙ্গিক অর্জনের ওপর ভিত্তি করেই সংঘটিত হয়, এখানে জেমস ওয়েবের পূর্বসূরি হাবলসহ অন্যান্য দুরবিনের যেমন অবদান আছে, তেমনই অন্যান্য তরঙ্গদৈর্ঘ্যের পরিমাপক যন্ত্র ও গবেষণার অবদান রয়েছে। অন্যদিকে জেমস ওয়েবের প্রাথমিক ছবিগুলো বিশ্বজুড়ে যে সাড়া জাগিয়েছে তা মানুষকে মহাবিশ্ব সম্পর্কে যেমন জানতে আগ্রহী করবে, তাদের আরো বিজ্ঞানমনস্ক করবে বলে আশা করি।

[ লেখাটি বিজ্ঞান ম্যাগাজিন বিজ্ঞানচিন্তা (আগস্ট, ২০২২)-এ প্রকাশিত ]

দীপেন ভট্টাচার্য
বিজ্ঞানী ও বিজ্ঞানকল্পকাহিনীকার।