হীরা গলানোর পরীক্ষা ইউরেনাস ও নেপচুন সম্পর্কে নতুন আলোকপাত করেছে

চরম পদার্থের একটি পরীক্ষাগার পরীক্ষা আইস জায়ান্টদের দিকে নতুন এক জানালা খুলে দেয়

পদার্থবিদরা হীরাকে এমন চরম অবস্থায় নিয়ে গেছেন যে পদার্থটি অল্প সময়ের জন্য সূর্যের পৃষ্ঠের সমতুল্য তাপমাত্রা এবং পৃথিবীর কেন্দ্রের চেয়ে তিন গুণেরও বেশি চাপে পৌঁছে যায়। তাঁদের মতে, এই প্রক্রিয়ায় প্রায় দুই দশক ধরে চলা একটি বৈজ্ঞানিক মতবিরোধের অবসান ঘটেছে এবং ইউরেনাস ও নেপচুনের গভীরে কী ঘটতে পারে তার চিত্রের একটি গুরুত্বপূর্ণ অংশ আরও স্পষ্ট হয়েছে।

Nature Physics-এ প্রকাশিত এবং Lawrence Livermore National Laboratory-নেতৃত্বাধীন পরীক্ষার ভিত্তিতে রিপোর্ট করা এই কাজটি গ্রহবিজ্ঞানে দীর্ঘদিনের একটি ধারণার ওপর কেন্দ্রীভূত: তথাকথিত আইস জায়ান্টগুলির ভেতরে কার্বন-সমৃদ্ধ পদার্থ সংকুচিত হয়ে হীরে পরিণত হতে পারে, আর তাতে তৈরি হতে পারে “diamond rain” নামে পরিচিত অদ্ভুত ঘটনা। এই ধারণাটি বহু বছর ধরে আলোচিত হলেও, এর অন্তর্নিহিত একটি মৌলিক পদার্থবৈজ্ঞানিক প্রশ্ন অনির্ধারিত ছিল। চরম অবস্থায় হীরার গলন আচরণ নিয়ে পরিমাপগুলি কোয়ান্টাম-মেকানিক্যাল মডেলের সঙ্গে পরিষ্কারভাবে মিলছিল না।

নতুন এই পরীক্ষাটি গুরুত্বপূর্ণ কারণ এটি নিয়ন্ত্রিত অবস্থায় সরাসরি পর্যবেক্ষণ ব্যবহার করে সেই ফারাক কমিয়েছে। গ্রহবিজ্ঞানীদের জন্য, এটি দূরবর্তী জগতগুলোর গভীর অভ্যন্তরভাগ মডেল করতে ব্যবহৃত ভৌত অনুমানগুলোকে আরও শক্তিশালী করে। উচ্চ-শক্তি-ঘনত্ব পদার্থবিদ্যার গবেষকদের জন্যও এটি একই বৃহত্তর চরম অবস্থার শ্রেণিতে পদার্থের আচরণ বোঝাকে আরও নির্ভুল করে, যা ফিউশন পরীক্ষার সঙ্গে সম্পর্কিত।

গবেষকেরা আসলে কী করেছেন

দলটি University of Rochester-এর Omega Laser Facility-তে কাজটি সম্পন্ন করে। সরবরাহকৃত উৎসপাঠ অনুযায়ী, গবেষকেরা লেজার ব্যবহার করে একটি হীরা নমুনার বাইরের স্তর বাষ্পীভূত করেন। এতে একটি শক-তরঙ্গ তৈরি হয়, যা পদার্থের বাকি অংশের মধ্য দিয়ে প্রবাহিত হয়ে প্রায় এক বিলিয়ন ভাগের এক ভাগ সেকেন্ডের জন্য সেটিকে বিপুল চাপে সংকুচিত করে।

সেই ক্ষণিকের সময়ে, আল্ট্রাফাস্ট এক্স-রে ডিফ্র্যাকশনসহ একাধিক ডায়াগনস্টিক সরঞ্জাম দিয়ে বিজ্ঞানীরা কী ঘটছিল তা অনুসরণ করেন। এই তথ্যটি গুরুত্বপূর্ণ, কারণ হীরা গলন বোঝার আগের প্রচেষ্টাগুলোতে তত্ত্বের সঙ্গে 20% পর্যন্ত পার্থক্যপূর্ণ পরিমাপ পাওয়া গিয়েছিল, আর এই প্রেক্ষিতে তা 1,000 kelvins-এরও বেশি বিচ্যুতিতে পরিণত হয়েছিল। এত বড় অমিল থাকলে গ্রহের অভ্যন্তরভাগ অনুকরণে ব্যবহৃত মডেলগুলি সত্যিই পূর্বাভাসমূলক কি না, নাকি কেবল আনুমানিক, তা বোঝা কঠিন হয়ে পড়ে।

নতুন এক্স-রে ডিফ্র্যাকশন ডেটার ভিত্তিতে লেখকেরা সিদ্ধান্তে পৌঁছান যে হীরার জন্য তাঁদের পরিমাপকৃত গলনাঙ্ক আধুনিক কোয়ান্টাম-ভিত্তিক গণনার সঙ্গে সামঞ্জস্যপূর্ণ। এই সামঞ্জস্য কেবল একটি প্রযুক্তিগত বিতর্ক মেটায় না। এটি ইঙ্গিত দেয় যে চরম চাপ ও তাপমাত্রায় কার্বনকে বর্ণনা করতে ব্যবহৃত তাত্ত্বিক কাঠামো আগের চেয়ে আরও দৃঢ় ভিত্তির ওপর দাঁড়িয়ে আছে।

বৃহৎ গ্রহগুলির জন্য হীরা কেন গুরুত্বপূর্ণ

ইউরেনাস ও নেপচুন পৃথিবীর মতো নয়, আবার বৃহত্তর গ্যাস জায়ান্ট জুপিটার ও শনিরও মতো নয়। ধারণা করা হয়, তাদের অভ্যন্তরে প্রচণ্ড চাপের মধ্যে উদ্বায়ী পদার্থের মিশ্রণ রয়েছে, এবং বিজ্ঞানীরা দীর্ঘদিন ধরেই সন্দেহ করে আসছেন যে এমন পরিবেশ কার্বন-ধারী যৌগগুলোকে নাটকীয়ভাবে রূপান্তরিত করতে পারে। একটি গ্রহের ভেতর দিয়ে হীরা ঝরার জনপ্রিয় চিত্রটি একটি সরলীকরণ, কিন্তু এটি একটি বাস্তব বৈজ্ঞানিক প্রশ্নকে ধরে: বিশাল-গ্রহের পরিস্থিতিতে পদার্থ কীভাবে আলাদা হয়, গলে, এবং সরে যায়।

এই কারণেই হীরার phase আচরণ কেবল একটি বিমূর্ত উপাদান-সমস্যা নয়। গবেষকেরা যদি আরও ভালোভাবে নির্ধারণ করতে পারেন যে হীরা কখন কঠিন থাকে, কখন গলে, এবং আশপাশের পদার্থের সঙ্গে কীভাবে মিথস্ক্রিয়া করে, তাহলে তাঁরা আইস জায়ান্টগুলির ভেতরে তাপ পরিবহন, স্তরবিন্যাস এবং অভ্যন্তরীণ গতিবিদ্যার মডেল উন্নত করতে পারবেন। এই বৈশিষ্ট্যগুলো এমন গ্রহগুলো সময়ের সঙ্গে কীভাবে বিবর্তিত হয় তা নির্ধারণে সাহায্য করে, এবং তাদের অভ্যন্তরীণ কাঠামোর মাধ্যমে পরোক্ষভাবে তাদের চৌম্বক ও বায়ুমণ্ডলীয় আচরণেও প্রভাব ফেলতে পারে।

সরবরাহকৃত উৎসপাঠে ফলটিকে এমনভাবে উপস্থাপন করা হয়েছে যে বিজ্ঞানীরা প্রথমবারের মতো এই ঘটনাটি সৃষ্টিকারী প্রক্রিয়াটির অনুকরণ করেছেন। সেই প্রতিবেদনের ভিত্তিতে, পরীক্ষাটি উল্লেখযোগ্য কারণ এটি একটি পুরো গ্রহকে ক্ষুদ্র আকারে পুনর্নির্মাণ করে না, বরং সংশ্লিষ্ট উচ্চ-চাপ রূপান্তরগুলির একটিকে আলাদা করে এবং আগের চেষ্টার চেয়ে উন্নত ডায়াগনস্টিকস দিয়ে তা ধরতে সক্ষম হয়েছে।

এ ধরনের ধাপে ধাপে অগ্রগতিই সাধারণত গ্রহবিজ্ঞানে সামনে এগোতে সাহায্য করে। গবেষকেরা নেপচুনের ভেতরে গর্ত করতে পারেন না বা তার গভীর ম্যান্টল-সদৃশ অঞ্চলে probe পাঠাতে পারেন না, তাই তাঁরা টেলিস্কোপ পর্যবেক্ষণ, তাত্ত্বিক মডেল এবং পরীক্ষাগার পরীক্ষার সমন্বয়ের ওপর নির্ভর করেন, যা প্রয়োজনীয় অবস্থার সংকীর্ণ অংশগুলো পুনর্নির্মাণ করে। সেই অংশগুলোর একটি আরও নির্ভুল হলে পুরো গ্রহচিত্র আরও স্পষ্ট হয়।

ফিউশন গবেষকেরাও কেন আগ্রহী

এর প্রভাব কেবল গ্রহেই সীমাবদ্ধ নয়। উৎসপাঠ বলছে, একই পদার্থবিজ্ঞান গবেষকদের ফিউশন শক্তি উৎপাদন তিনগুণ করতে সাহায্য করতে পারে। এই দাবিটি সংকীর্ণভাবে পড়তে হবে: সরবরাহকৃত উপাদানটি পূর্ণাঙ্গ প্রযুক্তিগত পথ বা রিঅ্যাক্টর-স্তরের কর্মক্ষমতা তিনগুণ হওয়ার কোনও পরীক্ষামূলক প্রদর্শন দেয় না। তবে যা সমর্থন করে, তা হল এই ধারণা যে তীব্র শক সংকোচনের অধীনে পদার্থ কীভাবে আচরণ করে তা বোঝা inertial confinement fusion গবেষণাকে তথ্য দিতে পারে, যেখানে লেজার-চালিত সংকোচন এবং আল্ট্রাফাস্ট ডায়াগনস্টিকস কেন্দ্রীয় সরঞ্জাম।

অন্য কথায়, এই ওভারল্যাপটি যেমন বৈজ্ঞানিক, তেমনি পদ্ধতিগতও। চরম অবস্থায় পদার্থ উৎপাদন, পরীক্ষা এবং মডেল করার একই ক্ষমতা অ্যাস্ট্রোফিজিক্সের প্রশ্ন এবং ফিউশন-শক্তি গবেষণা উভয়কেই এগিয়ে নিতে পারে। Omega-এর মতো সুবিধাগুলি ঠিক এই সংযোগস্থলেই রয়েছে, যেখানে গ্রহের অভ্যন্তরভাগ, condensed matter এবং ফিউশন পদার্থবিজ্ঞানের পরীক্ষা একে অপরকে শক্তিশালী করতে পারে।

এই আন্তঃবিষয়ক মূল্যই ফলাফলটিকে আলাদা করে তোলে। এটি শুধু একটি অস্বাভাবিক পদার্থ সম্পর্কে কৌতূহল নয়। এটি চরম অবস্থায় accurate equations of state এবং phase boundaries-এর ওপর নির্ভরশীল একাধিক গবেষণা ক্ষেত্রে ব্যবহৃত simulations-এর প্রতি আস্থা বাড়ায়।

এই ফলের পর কী বদলায়

তাৎক্ষণিক পরিবর্তন এই নয় যে বিজ্ঞানীরা হঠাৎ নেপচুনের ভেতরে diamond rain সম্পর্কে সব জেনে গেছেন। আরও অর্থবহ পরিবর্তন হল, পরীক্ষা ও তত্ত্বের মধ্যে একগুঁয়ে এক অমিল উল্লেখযোগ্যভাবে কমেছে বলে মনে হচ্ছে। এতে মডেল তৈরি-কারীদের ভবিষ্যৎ কাজের জন্য আরও পরিষ্কার ভিত্তি মিলেছে।

এটি পুরোনো প্রশ্ন পুনরায় দেখার ক্ষেত্রে উন্নত ডায়াগনস্টিকস-এর ভূমিকাও তুলে ধরে। আগের পরিমাপগুলোতে যথেষ্ট অনিশ্চয়তা ছিল, তাই তাত্ত্বিক ও পরীক্ষামূলক বিজ্ঞানীরা তাঁদের ফল পুরোপুরি মেলাতে পারেননি। নির্ভুলভাবে সময়মাপা shock-compression পরীক্ষার সময় নেওয়া উন্নত এক্স-রে ডিফ্র্যাকশন পরিমাপ এখন সেই মতবিরোধ মিটিয়ে দিয়েছে বলে মনে হচ্ছে।

বিজ্ঞানের সংবাদ কভারেজের দৃষ্টিকোণ থেকে, এটিই এমন অগ্রগতি যা লক্ষ্য করা উচিত: কল্পনাময় কোনও গ্রহচিত্র নিয়ে হাইপ নয়, বরং চরম অবস্থায় পদার্থ মাপা ও মডেল করার পদ্ধতিতে একটি বাস্তব উন্নতি। ঝরতে থাকা হীরার ছবি জনতার দৃষ্টি আকর্ষণ করে। আসল গল্প হল, দূরবর্তী গ্রহগুলির সঙ্গে যুক্ত একটি উপাদান-পদার্থবিজ্ঞান সমস্যা এখন অনেক বেশি সমাধানযোগ্য হয়ে উঠেছে, এবং সেই উন্নতি উচ্চ-শক্তির অন্যান্য গবেষণা ক্ষেত্রেও ঢেউ তুলতে পারে।

• Omega Laser Facility-তে হীরার ওপর লেজার-চালিত shock compression ব্যবহার করা হয়েছে।
• গবেষকেরা পৃথিবীর কেন্দ্রের চেয়ে তিন গুণেরও বেশি চাপ এবং সূর্যের পৃষ্ঠের সমতুল্য তাপমাত্রার অবস্থা পর্যবেক্ষণ করেছেন।
• নতুন এক্স-রে ডিফ্র্যাকশন পরিমাপ পর্যবেক্ষিত হীরা গলন আচরণকে আধুনিক কোয়ান্টাম-ভিত্তিক মডেলের সঙ্গে মিলিয়েছে।
• এই ফলাফলগুলো আইস জায়ান্টদের অভ্যন্তরীণ মডেল শক্তিশালী করে এবং ফিউশন-সংক্রান্ত চরম পদার্থ গবেষণাতেও সহায়তা করতে পারে।

এই নিবন্ধটি Phys.org-এর প্রতিবেদনের ভিত্তিতে। মূল নিবন্ধ পড়ুন.