तुम्हाला ती बालगीत आठवते का … “टिंकल, टिंकल लिटल स्टार…”?

तारकांच्या रात्री आपल्याला बालपणापासून आकर्षित करत आल्या आहेत. तुम्हीही या ताऱ्यांबद्दल विचार केला असेल आणि मनात अनेक प्रश्न असतील. जसे की, आकाशात किती तारे आहेत? ते कसे अस्तित्वात आले? एखाद्या व्यक्तीला आकाशाच्या शेवटापर्यंत पोहोचता येईल का? कदाचित असे आणखी अनेक प्रश्न तुमच्या मनात अजूनही असतील. या अध्यायात, तुम्ही हे “चमकणारे लहान तारे” कसे तयार झाले ते शिकाल. त्यासोबत तुम्ही शेवटी पृथ्वीच्या उत्पत्ती आणि विकासाची कहाणीही वाचाल.

प्रारंभिक सिद्धांत

पृथ्वीची उत्पत्ती

पृथ्वीच्या उत्पत्तीबद्दल विविध तत्त्ववेत्ते आणि शास्त्रज्ञांनी मोठ्या संख्येने गृहीतके मांडली. त्यापैकी एक प्रारंभिक आणि लोकप्रिय युक्तिवाद जर्मन तत्त्ववेत्ता इमॅन्युएल कांत यांचा होता. गणितज्ञ लाप्लेस यांनी १७९६ मध्ये त्यात सुधारणा केली. याला नेब्युलर हायपोथिसिस (Nebular Hypothesis) म्हणतात. या गृहीतकानुसार, ग्रह हे एका तरुण सूर्याशी संबंधित असलेल्या पदार्थांच्या ढगातून तयार झाले, जो हळूहळू फिरत होता. १९५० मध्ये, रशियातील ओटो श्मिट आणि जर्मनीतील कार्ल वाइझास्कर यांनी तपशीलात फरक असला तरी ‘नेब्युलर हायपोथिसिस’मध्ये काहीशी सुधारणा केली. त्यांच्या मते, सूर्य हा सौर निहारिकेने (solar nebula) वेढलेला होता ज्यामध्ये प्रामुख्याने हायड्रोजन आणि हेलियमसोबत धूळ म्हणता येईल असे पदार्थ होते. कणांच्या घर्षणामुळे आणि टक्करांमुळे डिस्कच्या आकाराचा ढग तयार झाला आणि संचयन (accretion) या प्रक्रियेद्वारे ग्रह तयार झाले.

तथापि, नंतरच्या काळातील शास्त्रज्ञांनी फक्त पृथ्वी किंवा ग्रहांच्या नव्हे तर विश्वाच्या उत्पत्तीच्या समस्यांवर लक्ष केंद्रित केले.

आधुनिक सिद्धांत

विश्वाची उत्पत्ती

विश्वाच्या उत्पत्तीबद्दलचा सर्वात लोकप्रिय युक्तिवाद म्हणजे बिग बॅंग थिअरी (Big Bang Theory). याला विस्तारणार्या विश्वाचे गृहीतक (expanding universe hypothesis) असेही म्हणतात. एडविन हबल यांनी १९२० मध्ये पुरावा दिला की विश्व विस्तारत आहे. काळ जाता जाता, आकाशगंगा एकमेकांपासून दूर दूर जात आहेत. तुम्ही प्रयोग करून पाहू शकता की विस्तारणारे विश्व म्हणजे काय. एक फुगा घ्या आणि त्यावर आकाशगंगांचे प्रतिनिधित्व करण्यासाठी काही बिंदू चिन्हांकित करा. आता, तुम्ही फुगा फुगवायला सुरुवात केली तर, फुगा फुगत असताना फुग्यावर चिन्हांकित केलेले बिंदू एकमेकांपासून दूर जात असल्याचे दिसतील. त्याचप्रमाणे, आकाशगंगांमधील अंतर देखील वाढत असल्याचे आढळते आणि त्यामुळे विश्व विस्तारत आहे असे मानले जाते. तथापि, तुम्हाला असे आढळेल की फुग्यावरील बिंदूंमधील अंतर वाढल्याशिवाय, ते बिंदू स्वतःही विस्तारत आहेत. हे तथ्याशी सुसंगत नाही. शास्त्रज्ञांचा असा विश्वास आहे की आकाशगंगांमधील अवकाश वाढत असले तरी, निरीक्षणे आकाशगंगांच्या विस्ताराला पाठिंबा देत नाहीत. म्हणून, फुग्याचे उदाहरण फक्त अंशतः बरोबर आहे.

बिग बॅंग थिअरीमध्ये विश्वाच्या विकासाच्या पुढील टप्प्यांचा विचार केला जातो.

(i) सुरुवातीला, विश्व तयार करणारा सर्व पदार्थ एकाच ठिकाणी “अतिशय लहान गोळा” (एकवचनी अणू) या स्वरूपात अस्तित्वात होता, ज्याचे

आकृती २.१ : बिग बॅंग

कल्पनातीत लहान आकारमान, अनंत तापमान आणि अनंत घनता होती.

(ii) बिग बॅंगमध्ये तो “लहान गोळा” जोरात फुटला. यामुळे प्रचंड विस्तार झाला. सध्या सर्वसाधारणपणे हे मान्य आहे की बिग बॅंगची घटना आजपासून १३.७ अब्ज वर्षांपूर्वी घडली. विस्तार आजतागायत चालू आहे. तो वाढत असताना, काही ऊर्जा द्रव्यात रूपांतरित झाली. बिग बॅंगनंतर सेकंदाच्या अपूर्णांकातच विशेष वेगाने विस्तार झाला. त्यानंतर, विस्ताराचा वेग मंदावला. बिग बॅंग घटनेनंतरच्या पहिल्या तीन मिनिटांत, पहिला अणू तयार होऊ लागला.

(iii) बिग बॅंगपासून ३,००,००० वर्षांत, तापमान $4,500 \mathrm{~K}$ (केल्विन) पर्यंत खाली आले आणि अणू द्रव्य निर्माण झाले. विश्व पारदर्शक बनले.

विश्वाचा विस्तार म्हणजे आकाशगंगांमधील अवकाशात वाढ. याचा पर्याय म्हणजे होइल यांची स्थिर स्थितीची संकल्पना. त्यानुसार, विश्व कोणत्याही क्षणी अंदाजे सारखेच असते. तथापि, विस्तारणाऱ्या विश्वाबद्दल अधिक पुरावे उपलब्ध झाल्यामुळे, सध्या वैज्ञानिक समुदाय विस्तारणाऱ्या विश्वाच्या युक्तिवादाला पाठिंबा देतो.

ताऱ्यांची निर्मिती

प्रारंभीच्या विश्वात द्रव्य आणि ऊर्जेचे वितरण समान नव्हते. या प्रारंभिक घनतेतील फरकांमुळे गुरुत्वाकर्षण शक्तींमध्ये फरक निर्माण झाले आणि त्यामुळे द्रव्य एकत्र येऊ लागले. यामुळे आकाशगंगांच्या विकासाचा पाया रचला गेला. एका आकाशगंगेत मोठ्या संख्येने तारे असतात. आकाशगंगा हजारो प्रकाशवर्षे मोजलेल्या प्रचंड अंतरावर पसरलेल्या असतात. वैयक्तिक आकाशगंगांचा व्यास ८०,००० ते १,५०,००० प्रकाशवर्षांच्या दरम्यान असतो. निहारिका (nebula) म्हणून ओळखल्या जाणाऱ्या अतिशय मोठ्या हायड्रोजन वायूच्या ढगाच्या स्वरूपात हायड्रोजन वायूच्या साठ्यामुळे आकाशगंगा तयार होऊ लागते. शेवटी, वाढणारी निहारिका वायूचे स्थानिक गठ्ठे तयार करते. हे गठ्ठे आणखी दाट वायूमय पिंडांमध्ये वाढतात, ज्यामुळे ताऱ्यांची निर्मिती होते. ताऱ्यांची निर्मिती साधारण ५-६ अब्ज वर्षांपूर्वी झाली असे मानले जाते.

प्रकाशवर्ष हे वेळेचे नव्हे तर अंतराचे माप आहे. प्रकाशाचा वेग $300,000 \mathrm{~km} /$ प्रति सेकंद आहे. हे लक्षात घेता, एका वर्षात प्रकाशाने प्रवास केलेले अंतर हे एक प्रकाशवर्ष मानले जाते. हे $9.46110^{12} \mathrm{~km}$ इतके आहे. सूर्य आणि पृथ्वी यांच्यातील सरासरी अंतर $149,598,000 \mathrm{~km}$ आहे. प्रकाशवर्षाच्या दृष्टीने, ते ८.३११ मिनिटे आहे.

ग्रहांची निर्मिती

ग्रहांच्या विकासातील पुढील टप्पे मानले जातात:

(i) तारे हे निहारिकेतील वायूचे स्थानिक गठ्ठे असतात. या गठ्ठ्यांमधील गुरुत्वाकर्षण शक्तीमुळे वायूच्या ढगाला एक गाभा (core) तयार होतो आणि वायूच्या गाभ्याभोवती वायू आणि धुळीचा एक प्रचंड फिरणारा डिस्क तयार होतो. (ii) पुढच्या टप्प्यात, वायूचा ढग घनरूप होऊ लागतो आणि गाभ्याभोवतीचा पदार्थ लहान गोलाकार वस्तूंमध्ये विकसित होतो. या लहान गोलाकार वस्तू संसंजन (cohesion) या प्रक्रियेद्वारे प्लॅनेटेसिमल (planetesimals) म्हणून ओळखल्या जाणाऱ्या वस्तूंमध्ये विकसित होतात. टक्करांद्वारे मोठे पिंड तयार होऊ लागतात आणि गुरुत्वाकर्षणामुळे पदार्थ एकत्र चिकटतात. प्लॅनेटेसिमल्स ही मोठ्या संख्येने लहान पिंडे असतात.

(iii) अंतिम टप्प्यात, या मोठ्या संख्येने लहान प्लॅनेटेसिमल्स एकत्र येऊन कमी संख्येचे मोठे पिंड ग्रहांच्या स्वरूपात तयार होतात.

पृथ्वीचा विकास

तुम्हाला माहिती आहे का की पृथ्वी हा ग्रह सुरुवातीला हायड्रोजन आणि हेलियमच्या पातळ वातावरणासह एक वनस्पतिरहित, खडकाळ आणि गरम वस्तू होता. हे पृथ्वीच्या सध्याच्या चित्रापासून पूर्णपणे वेगळे आहे. म्हणून, काही घटना/प्रक्रिया घडल्या असाव्यात, ज्यामुळे खडकाळ, वनस्पतिरहित आणि गरम पृथ्वीपासून पुरेशा प्रमाणात पाणी आणि जीवनाच्या अस्तित्वाला अनुकूल वातावरण असलेल्या सुंदर ग्रहात हा बदल झाला असावा. पुढील विभागात, तुम्हाला कळेल की ४,६०० दशलक्ष वर्षांपासून आजपर्यंतच्या कालावधीत ग्रहाच्या पृष्ठभागावर जीवनाचा विकास कसा झाला.

पृथ्वीची स्तरित रचना आहे. वातावरणाच्या सर्वात बाहेरील टोकापासून पृथ्वीच्या केंद्रापर्यंत, अस्तित्वात असलेला पदार्थ एकसमान नाही. वातावरणातील पदार्थाची घनता सर्वात कमी असते. पृष्ठभागापासून खोलवर, पृथ्वीच्या आतील भागात विविध क्षेत्रे आहेत आणि यातील प्रत्येकामध्ये वेगवेगळ्या वैशिष्ट्यांसह पदार्थ असतात.

पृथ्वीची स्तरित रचना कशी विकसित झाली?

स्थलमंडलाचा विकास

पृथ्वीच्या प्राथमिक अवस्थेत ती बहुतेक अस्थिर (volatile) अवस्थेत होती. घनता हळूहळू वाढल्यामुळे आतील तापमान वाढले. परिणामी आतील पदार्थ त्यांच्या घनतेनुसार वेगळे होऊ लागले. यामुळे जड पदार्थ (लोखंडासारखे) पृथ्वीच्या केंद्राकडे बुडू लागले आणि हलके पदार्थ पृष्ठभागाकडे सरकू लागले. काळ जाता जाता ती आणखी थंड झाली आणि घनरूप होऊन लहान आकारात संकुचित झाली. यामुळे नंतर कवचाच्या स्वरूपात बाह्य पृष्ठभागाचा विकास झाला. चंद्राच्या निर्मितीदरम्यान, प्रचंड आघातामुळे, पृथ्वी आणखी तापली. विभेदन (differentiation) या प्रक्रियेद्वारे पृथ्वी तयार करणारा पदार्थ वेगवेगळ्या स्तरांमध्ये विभक्त झाला. पृष्ठभागापासून मध्यभागी पर्यंत, आपल्याकडे कवच, आवरण, बाह्य गाभा आणि अंतर्गत गाभा असे स्तर आहेत. कवचापासून गाभ्यापर्यंत, पदार्थाची घनता वाढते. पुढील अध्यायात आपण यातील प्रत्येक स्तराचे गुणधर्म तपशीलवार चर्चा करू.

वातावरण आणि जलमंडलाचा विकास

पृथ्वीच्या वातावरणाची सध्याची रचना प्रामुख्याने नायट्रोजन आणि ऑक्सिजन यांच्यामुळे झाली आहे. अध्याय ८ मध्ये तुम्ही पृथ्वीच्या वातावरणाची रचना आणि संरचना यांच्याशी संबंधित असाल.

सध्याच्या वातावरणाच्या विकासात तीन टप्पे आहेत. पहिला टप्पा प्राथमिक वातावरणाच्या नष्ट होण्याने चिन्हांकित आहे. दुसऱ्या टप्प्यात, पृथ्वीच्या गरम आतील भागाने वातावरणाच्या विकासात योगदान दिले. शेवटी, सजीव सृष्टीने प्रकाशसंश्लेषणाच्या प्रक्रियेद्वारे वातावरणाची रचना सुधारली.

हायड्रोजन आणि हेलियम असलेले प्रारंभिक वातावरण सौर वाऱ्यांमुळे (solar winds) नष्ट झाले असे मानले जाते. हे केवळ पृथ्वीबाबतच नव्हे तर सर्व स्थलीय ग्रहांबाबत घडले, जे सौर वाऱ्यांच्या प्रभावामुळे त्यांचे प्राथमिक वातावरण गमावू शकले असावेत.

पृथ्वी थंड होत असताना, आतील घन पृथ्वीपासून वायू आणि पाण्याची वाफ सोडली गेली. यामुळे सध्याच्या वातावरणाचा विकास सुरू झाला. प्रारंभिक वातावरणात प्रामुख्याने पाण्याची वाफ, नायट्रोजन, कार्बन डायऑक्साइड, मिथेन, अमोनिया आणि फारच कमी प्रमाणात मुक्त ऑक्सिजन होता. आतील भागातून वायू बाहेर पडण्याच्या प्रक्रियेस विगॅसिंग (degassing) म्हणतात. सततच्या ज्वालामुखीच्या उद्रेकांमुळे वातावरणात पाण्याची वाफ आणि वायूंचे योगदान झाले. पृथ्वी थंड झाल्यावर, सोडलेली पाण्याची वाफ घनरूप होऊ लागली. वातावरणातील कार्बन डायऑक्साइड पावसाच्या पाण्यात विरघळली आणि तापमान आणखी कमी झाले ज्यामुळे अधिक संघनन आणि अधिक पाऊस पडला. पृष्ठभागावर पडणारे पावसाचे पाणी खड्ड्यांमध्ये गोळा होऊन महासागर तयार झाले. पृथ्वीच्या निर्मितीनंतर ५०० दशलक्ष वर्षांत पृथ्वीचे महासागर तयार झाले. यावरून आपल्याला कळते की महासागर ४,००० दशलक्ष वर्षांपूर्वीचे आहेत. साधारण ३,८०० दशलक्ष वर्षांपूर्वी, जीवन विकसित होऊ लागले. तथापि, आजपासून सुमारे २,५००-३,००० दशलक्ष वर्षांपूर्वी, प्रकाशसंश्लेषणाची प्रक्रिया विकसित झाली. जीवन दीर्घकाळापर्यंत महासागरांपुरते मर्यादित होते. प्रकाशसंश्लेषणाच्या प्रक्रियेद्वारे महासागरांना ऑक्सिजनचे योगदान मिळू लागले. शेवटी, महासागर ऑक्सिजनने संतृप्त झाले आणि २,००० दशलक्ष वर्षांपूर्वी, ऑक्सिजन वातावरणात भरू लागले.

जीवनाची उत्पत्ती

पृथ्वीच्या विकासाचा शेवटचा टप्पा म्हणजे जीवनाची उत्पत्ती आणि विकास. हे निःसंशयपणे स्पष्ट आहे की सुरुवातीला पृथ्वी किंवा अगदी पृथ्वीचे वातावरणही जीवनाच्या विकासासाठी अनुकूल नव्हते. आधुनिक शास्त्रज्ञ जीवनाची उत्पत्ती ही एक प्रकारची रासायनिक अभिक्रिया मानतात, ज्याने प्रथम जटिल सेंद्रिय रेणू तयार केले आणि त्यांची एकत्रित रचना केली. ही रचना अशी होती की ते स्वतःची नक्कल करू शकत होते आणि निर्जीव द्रव्याचे सजीव द्रव्यात रूपांतर करत होते. या ग्रहावर विविध कालखंडात अस्तित्वात असलेल्या जीवनाचा अभिलेख खडकांमध्ये जीवाश्मांच्या (fossils) रूपात आढळतो. सध्या निळ्या शेवाळाच्या (blue algae) स्वरूपाशी जवळून संबंधित असलेल्या सूक्ष्म रचना सुमारे ३,००० दशलक्ष वर्षांपूर्वीच्या भूवैज्ञानिक रचनांमध्ये आढळल्या आहेत. असे गृहीत धरता येते की जीवन साधारण ३,८०० दशलक्ष वर्षांपूर्वी विकसित होऊ लागले. एकपेशीय जीवाणूपासून आधुनिक मानवापर्यंतच्या जीवनाच्या विकासाचा सारांश पृष्ठ १८ वरील भूवैज्ञानिक कालमापन (Geological Time Scale) मध्ये दिलेला आहे.

अभ्यास

१. बहुपर्यायी प्रश्न.

(i) खालीलपैकी कोणती संख्या पृथ्वीचे वय दर्शवते?
(अ) ४.६ दशलक्ष वर्षे
(आ) १३.७ अब्ज वर्षे
(इ) ४.६ अब्ज वर्षे
(ई) १३.७ ट्रिलियन वर्षे

(ii) खालीलपैकी कोणते सध्याच्या वातावरणाच्या निर्मितीशी किंवा सुधारणेशी संबंधित नाही?
(अ) सौर वारे
(आ) विभेदन
(इ) विगॅसिंग
(ई) प्रकाशसंश्लेषण

(iii) पृथ्वीवर जीवन आजपासून किती वर्षांपूर्वी दिसू लागले?
(अ) १३.७ अब्ज
(आ) ३.८ दशलक्ष
(इ) ४.६ अब्ज
(ई) ३.८ अब्ज

२. खालील प्रश्नांची उत्तरे सुमारे ३० शब्दांत द्या.

(i) विभेदनाची प्रक्रिया म्हणजे काय?

(ii) सुरुवातीला पृथ्वीच्या पृष्ठभागाचे स्वरूप कसे होते?

(iii) सुरुवातीला पृथ्वीचे वातावरण कोणते वायूंनी तयार केले होते?

३. खालील प्रश्नांची उत्तरे सुमारे १५० शब्दांत द्या.

(i) ‘बिग बॅंग थिअरी’ वर एक स्पष्टीकरणात्मक टिपण लिहा.

(ii) पृथ्वीच्या विकासातील टप्प्यांची यादी करा आणि प्रत्येक टप्प्याचे थोडक्यात स्पष्टीकरण द्या.

प्रकल्प कार्य

“स्टारडस्ट” (वेबसाइट: www.sci.edu/public.html आणि www.nasm.edu) या प्रकल्पाबद्दल खालील मार्गांनी माहिती गोळा करा.

(i) हा प्रकल्प कोणत्या संस्थेने सुरू केला आहे?

(ii) शास्त्रज्ञ स्टारडस्ट गोळा करण्यात रस का घेतात?

(iii) स्टारडस्ट कोठून गोळा केला जात आहे?