Yerçekimi Işıktan Hızlı mı? >> Fizikçiler görelilik teorisini nötron yıldızıyla test ediyor

Yerçekimi-kütleçekim-ışık_hızı-einstein-görelilikEinstein hiçbir şey ışıktan hızlı gidemez dedi. Ancak, yerçekimini ışık hızında giden parçacıkların oluşturduğu bir güç alanı olarak değil de “uzay-zamanın kütleli cisimlerin etkisiyle bükülmesiyle oluşan çukurluklar” olarak tanımladı. Öyleyse yerçekiminin ışık hızıyla etki ettiğini nereden biliyoruz?

Nötron yıldızları sayesinde; ama sırayla gidelim ve bunun için fiziğin en büyük iki oyuncusu olan Newton ve Einstein’ı ringde karşılaştıralım.

Güneş şimdi sönse

Işık hızı saniyede 300 bin km olduğu için bunu ancak 8 dakika 20 saniye sonra fark ederdik; çünkü Dünya’nın Güneş’e ortalama uzaklığı 150 milyon km ve biz de Güneş’i yaklaşık 8 dakika önceki haliyle görüyoruz.

Peki Güneş bir anda yok olsaydı (Güneş’in yerçekimi ortadan kalksaydı) Dünya anında uzaya savrulur muydu? Yoksa yok oluşun etkisi bize ulaşana kadar uzayda hiçbir şey olmamış gibi dönmeye devam mı ederdik?

Einstein’ın görelilik teorisi diyor ki yerçekimi uzayda ışık hızıyla yol alır. Güneş şimdi yok olsaydı Dünyamız bir süre hiçbir şey olmamış gibi davranırdı. Güneş’in yok olmasıyla ortaya çıkan kütleçekim dalgaları bize ulaşana kadar, yani 8 dakika boyunca yörüngede dönmeye devam ederdi.

İlgili yazı: Einstein ve Dünyayı Değiştiren Denklem >> Genel görelilik teorisi 100 yaşında

Yerçekimi-kütleçekim-ışık_hızı-einstein-görelilik

Dünya, Güneş7in kütlesiyle oluşturduğu uzay-zaman çukurunda dönüyor.

 

Yerçekimi ve kütleçekim aynı şey mi?

Einstein için ikisi de aynı şey. Şimdi fizik bilen arkadaşlar diyecekler ki kütleçekim bir fizik kuvvetidir. Yerçekimi ise bir gezegene doğru hızlanma (Dünya’ya düşme) gibi bir güç alanıdır. Vektörel hızlanmaya karşılık gelen güç alanı ile bu gücü yaratan kuvvet fizikte iki ayrı şeydir.

Haklılar. Örneğin elektromanyetik kuvvet ile manyetik alan iki farklı şey (potansiyel kuvvetle harekete geçen aktüel kuvvet arasındaki fark bu); ancak Einstein da haklı:

Görelilik teorisinde diyor ki Dünya’ya doğru sadece Dünya’nın yerçekimi etkisiyle hızlanarak düşen (uzay gemisinin motorlarını ateşleyerek hızlanmayan) bir astronot ile Dünya’nın çevresindeki uzay istasyonunda sabit hızla dönen astronot arasında hiçbir fark yoktur.

İlgili yazı: LIGO Kütleçekim Dalgalarını Buldu >> Uzayda 2 kara delik çarpıştı, dalgalar evrene yayıldı

Yerçekimi-kütleçekim-ışık_hızı-einstein-görelilik

Gezegenlerin yörüngesini Güneş ve gezegenlerin kütlesi, Güneş’e uzaklık ve yörünge hızı belirliyor.

 

Buna eşdeğerlilik ilkesi diyoruz

Einstein’a göre serbest düşüş ile uzayda hızlanmadan gitmek arasında bir fark bulunmuyor. Her iki durumda da yerçekimini hissetmeyeceğiz. Ancak, Dünya’ya sağ salim indiğimiz zaman ayaklarımızın altında toprak olacak ve toprağın içine hayalet gibi girip düşmeye devam edemeyeceğimiz için yerçekimini nihayet hissedeceğiz.

Keza uzay gemisi uzayda hızlanırsa biz de hızlanan otobüste koltuğumuza yapışır gibi olacağımız için yerçekimini hissedeceğiz. Aslında uzay gemisi hızlanırken vücudumuz hareket etmek istemeyecek ve biz de hızlanma dediğimiz şeyi, yani geminin bizi iterken sırtımıza bastırmasını yerçekimi olarak algılayacağız (fizikte buna eylemsizlik diyoruz).

İşte bu yüzden Einstein için yerçekimi ve kütleçekim aynı şey. Kütleçekim kuvveti yerçekimi alanını oluşturuyor.

İlgili yazı: Evren’deki En Şaşırtıcı Gerçek Nedir? >> Hayatın fiziksel anlamına dair 3 bilimsel cevap

Yerçekimi-kütleçekim-ışık_hızı-einstein-görelilik

Einstein için sabit hız ve serbest düşüş bir.

 

Oysa Newton yerçekimi anında etki eder diyor

Evet, Einstein’dan önce Newton vardı ve Newton, “Güneş şimdi yok olsa Dünya anında uzaya savrulur” diyordu. Öyleyse hemen soralım:

Madem son 100 yılda yaptığımız deneylerde kütleçekim kuvvetini ileten ve ışık hızında giden bir parçacık keşfetmedik, yerçekiminin ışık hızında gittiğini nereden biliyoruz? 1

Yerçekimi-kütleçekim-ışık_hızı-einstein-görelilik

Newton, Einstein ve Hawking hologramları Uzay Yolu’ndan Data ile poker oynuyor.

 

Kim haklı: Eınsteın mı, Newton mı?

Yukarıda yerçekimi ve kütleçekim arasındaki farka değinerek neden fizikçilerin yerçekimi dalgaları yerine kütleçekim dalgaları terimini kullandığını anlattım. Ancak bunun bir sebebi daha var (pratik bir sebebi) ve buna da kısaca değinmek istiyorum.

İngilizce Gravity Waves terimi yerine, Gravitational Waves terimini kullanıyoruz. Bu yüzden de Türkçede yerçekimi dalgaları değil, kütleçekim dalgaları diyoruz. Şöyle düşünün: Yerçekimi Yeryüzünün çekimi demek: ama bu mantığa göre Jüpiter çekimi, Ay çekimi, Ceres çekimi, XBYZ asteroti çekimi olması da gerekirdi.

Kütleçekim ise genel bir terim ve kütleli olan bütün gökcisimlerinin yerçekimini karşılıyor. Şimdi yerçekiminin gerçek hızına ve Newton-Einstein maçına dönebiliriz.

İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler >> Evrende kozmik kopyalarımız var mı?

Yerçekimi-kütleçekim-ışık_hızı-einstein-görelilik

Newton vs Einstein.

 

Sıra Eınsteın’da

Evet sayın seyirciler! Newton-Einstein boks maçında Einstein hızlı açıklamaları ve sol kroşesiyle öne geçiyor:

“Görelilik teorisine göre Güneş yok olursa Dünya’nın anında uzaya savrulması tek bir şekilde mümkün olabilir. Yerçekimi uzayda sonsuz hızda gidiyor olmalı. Anında etki ancak sonsuz hızda mümkündür.”

Üstelik yerçekimi sonsuz enerjiye sahip olmak zorunda, çünkü sonsuz hızda gitmek için sonsuz enerji gerekiryor. Ancak sonsuz enerji olmadığını biliyoruz; çünkü sonsuz enerji Evren’i hemen yok ederdi ve biz de burada durup “Haydi bakalım, yerçekiminin enerjisini ölçelim” diyemezdik.

İlgili yazı: Her Şeyin Teorisi >> Sicim teorisi & halka kuantum kütleçekim kuramı birleşiyor mu?

Yerçekimi-kütleçekim-ışık_hızı-einstein-görelilik

 

Newton atak yapıyor

Astrofizikçi Neil DeGrasse Tyson tarafından dünyanın en zeki insanı olarak gösterilen Newton, yüz yıllar sonra onun omuzlarına basarak yükselen Einstein karşısında kolayca pes etmiyor ve sağlam bir aparkatla rakibini sersemleterek “Madem haklısın, Güneş Sistemi’nde dönen gezegenlerin hareketiyle bunu kanıtla” diyor.

Mola! Mola!

Einstein’ın antrenörü hemen mola veriyor ve Einstein ağzına su alıp tükürerek kendine gelirken hızla düşünmeye başlıyor: Newton’a bunu nasıl ispat edebilirim?

Ardından, “Tamam! Şimdi buldum!” diyor ve joker kartını kullanıyor: E=mc2; yani kütle enerjiye ve enerji de kütleye dönüşebilir. Güneş’in kütlesi sonsuz değil. Bunu Dünya’nın uzaydaki hareketine bakarak ölçebiliyoruz.

Güneş’in kütlesi sonsuz olsaydı yıldızımız kara deliğe dönüşürdü ve Dünya’nın istikrarlı bir yörüngede dönmek için sonsuz hızda gitmesi gerekirdi. Oysa Dünya saniyede 30 km hızla dönerek Güneş çevresinde bir tam turunu 365 günde tamamlıyor.

İlgili yazı: Einstein’ın Yanılgısı >> Kuantum fiziğinde uzaktan etkinin varlığı kanıtlandı

Yerçekimi-kütleçekim-ışık_hızı-einstein-görelilik

Elma uzay-zamana, yerçekimi kütleçekime, Newton Einstein’a karşı.

 

Raunt iki, dövüş!

Peki diyor Newton, “Güneş aniden yok olursa senin teorin ne der buna? Uzayda ne olur o zaman? Dünya’ya ne olur?”

Einstein, Bruce Lee gibi başparmağını dudağına sürüp kurnazca sırıttıktan sonra cevabı yapıştırıyor: “Güneş yok olursa, kütlesi de yok olur. Kütle enerjiye dönüşebildiği için bunun uzay-zamanı etkilemesi gerekir. Güneş yok olunca Evren’de meydana gelen enerji açığını, boşlukta doğan ve uzay-zamanı tsunami gibi dalgalandıran şiddetli kütleçekim dalgaları dolduracaktır.”

“Kütleçekim dalgaları uzayda ışık hızında yol alarak Dünya’ya ulaşacak ve belki de gezegenimizi parçalayacaktır. Sonuçta boşluktan enerji yaratamaz ve enerjiyi yok edemeyiz. Sadece enerjiyi bir yerden bir yere taşımak ve dönüştürmek mümkündür. Güneş yok olursa bütün kütlesinin kütleçekim dalgalarına, yani enerjiye dönüşerek uzaya dağılması gerekir.”

İlgili yazı: Dünyanın Altını Nereden Geliyor? >> Altının kaynağı çarpışan nötron yıldızları

Yerçekimi-kütleçekim-ışık_hızı-einstein-görelilik

Newton bel altı vuruyor

“İyi de kütleçekim dalgalarının ışık hızıyla gittiğini nereden biliyorsun? Belki de kütleçekim dalgaları Güneş’in kütlesine denk olan bir hızda ama ışıktan yavaş hızda gidiyor.”

“Sana katılmıyorum. Yerçekimi uzayda ışıktan yavaş etki etseydi Güneş Sistemi’ndeki gezegenlerin şu anda farklı yörüngelerde dönmesi gerekirdi. Yörüngelerin şekli ve gezegenlerin yörüngede dönme hızı değişirdi.”

“Öyleyse sevgili Einstein, görelilik teorisine göre gezegenlerin yörüngelerini modellemeli ve bu modeli gerçek yörüngelerle test ederek ispat etmelisin.”

Yerçekimi-kütleçekim-ışık_hızı-einstein-görelilik

Sıfır çekim. Bakalım resimdeki hatayı bulabilecek misiniz?

 

Nakavt?

Einstein bu hayali karşılaşmada yenildiğini asla kabul etmedi ve “Bunu yapacağım Newton!” dedi ama sözünü tutmaya ömrü yetmedi.

Oysa fizikçiler son 40 yılda yaptıkları araştırmalarda hem kütleçekim dalgalarının ışık hızında gittiğini ispatladılar hem de gezegenlerin Güneş çevresinde tam da Einstein’ın dediği gibi döndüğünü gösterdiler.

Bunu ispat etmek için de Evren’in en tehlikeli gökcisimlerinden olan nötron yıldızlarını kullandılar. Hem de birbirinin çevresinde dönerek uzayı dalgalandıran ve şiddetli kütleçekim dalgaları yayan ikiz nötron yıldızlarını! Şimdi bunu nasıl başardıklarını görelim.

İlgili yazı: Almanya’dan Nükleer Füzyon Atağı >> Merkel düğmeye bastı, yeryüzünde güneş yaktı

Yerçekimi-kütleçekim-ışık_hızı-einstein-görelilik

 

Başa dönüyoruz

Genel göreliliğe göre yerçekimi alanını (uzay-zamandaki çukurların ne kadar derin olduğunu) kütle değil, uzaydaki toplam madde ve enerji belirliyor.

Örneğin, Güneş çukur oluşturduğu uzay-zamanın ayrılmaz bir parçasıdır. Bunu aklımızda tutalım ve yazımıza dünyadan bir örnekle devam edelim.

Yerçekimi-kütleçekim-ışık_hızı-einstein-görelilik

Bütün kütleli cisimler kütlesi ve enerjisi (hızı) ile yine madde ve enerjiden oluşan uzay zamanı büken yerçekimi alanları oluşturuyor. Bu alanların gücü uzaya kütleçekim dalgalarıyla yayılıyor.

 

 

Tatil, kumsal ve dalga sörfü

19 Mayıs tatili geliyor! Siz de şimdi Antalya’da dalga sörfü yaptığınızı düşünün ve o heyecana rağmen çevrenize dikkatle bakın: Hem dalganın üzerinde sörf yaptığınızı göreceksiniz hem de sörf tahtasının kendi küçük dalgalarını oluşturduğunu fark edeceksiniz.

Aynı şey Dünya-Güneş sistemi için de geçerli: Güneş’in uzayda yarattığı çukurla Dünya’nın uzayda kendi kütlesiyle yarattığı küçük çukur birbiriyle etkileşim halinde bulunuyor.

Öyle ki Dünya’nın yerçekimi çukuru Güneş’in yerçekimi çukurunun içinde yüzüyor. Dünya, Güneş’in yarattığı kütleçekim dalgalarının üzerinde sörf yapıyor!

İlgili yazı: Kara Deliklere Giriş-2 >> Süper Kütleli Kara Delik Yıldızı Nasıl Yuttu?

Yerçekimi-kütleçekim-ışık_hızı-einstein-görelilik

 

Yerçekimi = Uzay sörfü

Bugüne kadar öğretmenler yerçekimini uzay-zamanda oluşan çukurlar olarak tanımladılar. Bu çukurları da yatağa oturunca şiltenin ağırlığınız altında çökmesi gibi iki boyutlu uzaydaki çöküntüler olarak resmettiler (belediyenin asfaltta açık unuttuğu çukurlar gibi).

Oysa Güneş’in uzayda yarattığı çukur sabit değil. Güneş kendi çevresinde ve galaksimizin merkezindeki süper kütleli kara deliklerin çevresinde dönüyor. Kısacası Güneş sürekli hareket halinde ve büyük kütlesiyle oluşturduğu çukur da tıpkı havuza atılan bir taşın yarattığı eş merkezli dalgalar gibi devamlı dalgalanıyor.

Ancak, Güneş ve gezegenlerin meydana getirdiği istikrarlı yerçekimi alanları uzay-zamandaki nispeten sakin bölgeler. Bu bağlamda Güneş’in çukurunu oluşturan kütleçekim dalgalarına da mutedil dalgalı enerji alanları diyebiliriz.

Çarpışan kara delikler ise fırtınalı ve çalkantılı denizlerde olduğu gibi şiddetli kütleçekim dalgaları oluşturuyor. Bu sebeple Güneş’in yerçekimini uzay-zamandaki bir çukur olarak algılarken, çarpışan kara deliklerin kütleçekim dalgalarını da deprem dalgaları gibi algılıyoruz.

İlgili yazı: Kara Deliklere Giriş – 1 >> 10 Adımda kara deliğe düşen astronota ne olur?

Yerçekimi-kütleçekim-ışık_hızı-einstein-görelilik

Dünya kendi yerçekimi alanıyla birlikte Güneş’in yerçekimi çukurunun içinde sörf yapıyor.

 

Yerçekimi hızıyla ne ilgisi var?

Yerçekimi alanı (uzay-zamandaki çukurlar) mutedil kütleçekim dalgalarından meydana geldiğine göre ve Dünyamız da Güneş’in çukurunda (yörüngesinde) döndüğüne göre, Dünya’nın yörüngesine bakarak kütleçekim dalgalarının ışık hızında gidip gitmediğini ölçebiliriz.

Özetle Dünya’nın yörüngesinin şekli, yörüngedeki hızı ve yörüngedeki anlık hız değişiklikleri bize kütleçekim dalgalarının hızını verecektir.

Yerçekimi-kütleçekim-ışık_hızı-einstein-görelilik

Uzay-zaman kütleçekim dalgalarıyla dolu. Dünya da kara delikler kadar güçlü olmasa da kütleçekim dalgaları yayarak kendi yerçekimini oluşturuyor.

 

Öyleyse neden nötron yıldızlarına bakıyoruz?

Güneşimiz nötron yıldızı değil ve başka bir nötron yıldızının etrafında dönmüyor. Bu sebeple ilkel bilimsel aygıtlarımızla gözlemleyebileceğimiz kadar şiddetli kütleçekim dalgalarına yol açmıyor. Öte yandan, nötron yıldızları yüzlerce ışık yılı uzaktan tespit edebileceğimiz güçlü dalgalar yaratıyor.

Astrofizikçi Ethan Siegel bunu biraz daha teknik bir dille açıklıyor: “Genel göreliliğe soracak olursanız yerçekimini kütle belirlemez, uzay-zamanın bükülmesi belirler. Bu da uzaydaki tüm madde ve enerjinin toplamıyla belirlenir.”

İlgili yazı: Kara Delikler ve Zaman Paradoksu >> Geçmişi değiştirmek mümkün mü?

Yerçekimi-kütleçekim-ışık_hızı-einstein-görelilik

Çarpışan kara delikler su damlacıkları gibi birleşiyor. Bu sırada çevrede yutulacak madde varsa ölümcül gama ışınları yayabilirler.

 

Newton’a cevaben

Güneş’i ortadan kaldırsaydınız uzayda tıpkı suyun ortasındaki girdap gibi büyük bir boşluk oluşacaktı. Bu da Güneş’in kütlesinin enerjiye dönüşmesine ve Japonya’da sel felaketine yol açan tsunamiler gibi şiddetli kütleçekim dalgaları halinde uzaya yayılmasına yol açacaktı.

Bu dalgalar hızla Güneş Sistemi’ne yayılacaktı; çünkü uzay-zaman ve içindeki madde (gökcisimleri) ile enerji (gökcisimlerinin kütlelerinin oluşturduğu yerçekimi) bir bütündür.

Yerçekimi-kütleçekim-ışık_hızı-einstein-görelilik

Su dalgaları ve kütleçekim dalgaları prensipte aynı şekilde hareket ediyor.

 

Kütleçekim dalgalarının hızı

Kütleçekim dalgalarının hızı bu dalgaların kütlesine ve enerjisine bağlı. Öte yandan, kütleçekim dalgalarının kütlesiz olduğunu ve sonlu enerjiye sahip olduklarını biliyoruz. Bu yüzden de ışık hızında gitmek zorundalar.

Dolayısıyla Dünyamız da Güneş’in aslında 8 dakika önce oluşturduğu çukurun içinde dönüyor. Sekiz dakika sonra döneceği çukuru oluşturan kütleçekim dalgaları (yerçekimi alanı) ise henüz bize ulaşmadı.

İlgili yazı: Uzay Kazası >> Şanslı yıldız kara delikle çarpışmaktan son anda kurtuldu

Yerçekimi-kütleçekim-ışık_hızı-einstein-görelilik

Yerçekiminin kurucu babaları: Soldan sağa Kepler, Newton ve Galileo.

 

Kütlesiz olduklarını nereden biliyoruz?

Bunu yazının başında anlattık: Görelilik teorisine göre uzayda sabit hızla gitmek ile Dünya’ya sabit ivmeyle hızlanarak düşmek arasında bir fark yok. Bu mantığı kütleçekim dalgalarının sürekli hareket halinde olmasına uygularsanız dalgaların durağan kütlesi olmadığını görürsünüz.

Formüller bunu gösteriyor: Kütleçekim dalgalarını henüz tespit edilememiş olan teorik graviton parçacıklarının oluşturduğu düşünülüyor. Bunlar da tıpkı ışığı oluşturan fotonlar gibi uzayda hiç durmadan ışık hızında giden ve sürekli hareket ettiği için de durağan kütlesi olmayan parçacıklar.

Fizikte Dünya, insan ve otomobil gibi ışıktan yavaş giden bütün cisimlerin durağan kütlesi bulunuyor; yani bu cisimler hızlanma ve yavaşlamaya kütlesi oranında direnç gösteriyor (hızlanan metrobüs koltuğuna yapışmak eylemsizliktir derken kast ettiğimiz bu).

İlgili yazı: SpaceX 2018’de Mars’a Uzay Gemisi Gönderecek >> SpaceX için 2018 neden en kritik yıl?

Yerçekimi-kütleçekim-ışık_hızı-einstein-görelilik

Donmuş dalga: Dalga akmayı tümüyle kestiği anda dalga özelliğini yitirir.

 

Siz hiç donmuş dalga gördünüz mü?

Dünya denizlerini buna örnek gösterebiliriz. Denizdeki dalgalar sürekli hareket halinde, asla durmuyor. Norveç fiyortlarına uzanan buzullar bile seneler içinde yavaş yavaş akıyor. Nitekim durağan suda (hiç hareket etmeyen suda) dalgaların varlığından söz edemeyiz.

Ancak, deniz suyu ışıktan yavaş gittiği için durağan kütlesi var. Kütleçekim dalgaları ise ışık hızında gittiği için durağan kütleleri yok. Bu dalgalar foton gibi kütlesiz; ama sürekli hareket halinde olduğu için momentumu var.

Kütleçekim dalgaları sahip olduğu momentumu uzaya ve çevredeki gökcisimlerine aktarıyor. Bu sebeple uzay-zamanı (Evren’i oluşturan madde ve enerji alanını) dalgalandırıyor.

Yine de dikkat ederseniz bunun kısır döngüye dayalı bir açıklama olduğunu göreceksiniz. Yazıda anlattıklarımın geçerli olması için kütleçekim dalgalarının gerçekten ışık hızında gittiğini kanıtlamamız gerekiyor ve evet, ünlü nötron yıldızları tam da burada devreye giriyor.

İlgili yazı: Bir Gezegenin Doğuşu

Yerçekimi-kütleçekim-ışık_hızı-einstein-görelilik

Uzayda iki nötron yıldızı çarpışmak üzere birbirine sarmallar çizerek hızla yaklaşıyor ve uzaya kütleçekim dalgaları yayarak enerji kaybediyor. Aslında kütlesinin bir kısmını kütleçekim dalgaları halinde kaybediyor. Asrofizikçiler bu dalgalar ile nötron yıldızı dönüş hızını karşılaştırarak kütleçekim dalgalarının hızını ölçüyor.

 

Newton’ın dediği gibi etki–tepki meselesi

Einstein, Güneş ve Dünya’nın yerçekimi alanlarının karşılıklı etkileşimini formüle etmek için Newton’ın etki-tepki kanunu kullandı: “Dünya’nın yörüngesi sadece Güneş tarafından değil, aynı zamanda Güneş’le etkileşime giren kendi kütlesi tarafından belirlenir” dedi.

Einstein en azından bunu sağlığında ispat etmeyi başardı; yani en azından kütleçekim dalgalarının ışıktan hızlı gitmediğini gösterdi. Sonuçta insanlar Güneş Sistemi’ndeki 6 gezegenin yörüngesini 1500’lerden bu yana kesin olarak hesaplamış bulunuyor.

Einstein Dünya’nın yörüngesini sadece Güneş’in kütlesine göre hesaplarsak yerçekimini oluşturan kütleçekim dalgalarının uzayda ışıktan 20 milyar kez hızlı gitmesi gerektiğini gösterdi. Üstelik Jüpiter gibi daha uzak gezegenleri etkilemek için çok daha hızlı gitmeleri gerekecekti.

İlgili yazı: Şemsiye Teleskop Starshade

Dünya aslında uzayda giden Güneş’i böcek gibi kovalar

Bu yüzden uzay sörfü dedim

Dünya’nın bugün gördüğümüz yörüngede dönmesi için hem Güneş’in kütlesini hem de Dünya’nın hızını hesaba katmamız gerek; çünkü gökcisimlerinin hızı, yerçekiminden nasıl etkileneceklerini belirliyor.

Kepler kanunu

Newton’dan önce gelen büyük astronom Kepler’in ünlü bir kanunu vardır. Der ki cisimler eşit uzaklıklarda eşit alanları tararlar (bugün baz istasyonlarında telefon konumu bulmak için kullanılan üçgenleme yöntemi budur).

Cisimlerin eşit zamanda eşit alanları taramasının tek yolu, Güneş’e yakın bir gezegenin yörüngede kalmak için daha hızlı dönmesi ve Güneş’e uzak bir gezegenin de daha yavaş dönmesidir. Nitekim Dünya’da bir yıl 365 gün. Ancak, Güneş’e bizden 1,5 kat uzak olan Mars’ta 1 yıl 687 Dünya günü!

Öyleyse Einstein ne yapmış? Kepler yasasını almış, Newton’ın etki-tepki (karşılıklı etkileşim) yasasına eklemiş ve ardından bunu kendi uzay-zaman tasarımının içine yerleştirilmiş. Etkileşim de kütleçekim dalgalarıyla (enerji dalgalarıyla) olur demiş.

İlgili yazı: Asteroit Madenciliği Başlıyor

Yerçekimi-kütleçekim-ışık_hızı-einstein-görelilik

Atarca deniz feneri gibi yanıyor ve kendi çevresinde süper hızlı topaç gibi dönüyor. Atarca çiftlerinin yaydığı kütleçekim dalgalarının ışığı (aslında bize ulaştığı haliyle radyo dalgalarını) nasıl büktüğüne bakarak kütleçekim dalgalarının hızını ölçüyoruz.

 

Yerçekimi hızı = ışık hızı

Göreliliğin temel önermesi bu: Einstein, Dünya’nın sonlu yerçekimi alanının (gezegenimiz saniyede 30 km hızla Güneş’in etrafında dönerken) Güneş’in sonlu yerçekimi alanını etkilediğini ve Güneş’in de aynı şeyi Dünya’nın yerçekimi alanına yaptığını söylüyor.

Yörünge budur

Öyleyse Güneş’in yerçekimi Dünya’nın uzaya kaçmasını önlüyor. Dünya’nın Güneş çevresindeki dönme hızı da (ortalama 150 milyon km uzaktan) gezegenimizin Güneş’e düşmesini önlüyor. 150 milyon km uzaklık ve saniyede 30 km hızla Dünya’nın kütlesi ve Güneş’in yerçekimi birbirini sıfırlıyor.

Böylece Dünya 4,6 milyar yıldır Güneş’e hep aynı mesafede dönüyor. Ne yaklaşıyor ne de uzaklaşıyor. Newton’ın etki-tepki kuvveti ve Kepler’in cisimler eşit zamanda eşit aralıkları tarar ilkesi birbirini sıfırlıyor.

İlgili yaız: Uzaya Merdiven Dayadık >> 2035’te dünya yörüngesine uzay asansörü ile çıkacağız

Yerçekimi-kütleçekim-ışık_hızı-einstein-görelilik

Atarca ve deniz feneri. Pratikte benzer şekilde ışık (radyasyon) saçıyor: Kendi çevresinde dönen bir ışıldak gibi.

 

Yerçekimi ışıktan hızlı gitmiyor

Bunu anladık, ama Einstein’ın gözlemlere dayalı bu sonucu bize yerçekiminin tam ışık hızında gittiğini kanıtlamaya yeterli değil. Bunun için nötron yıldızlarına ihtiyacımız var; çünkü yukarıda dediğimiz gibi Dünyamız mutedil dalgalı bir uzay-zamanda yüzüyor.

Sabit kütleye sahip Dünyamız, sabit bir yerçekimi alanında sabit hızda dönüyor ve bu da karşı güçleri sıfırladığından yerçekimi hızını kesin olarak ölçmemize mani oluyor. Sadece hızın üst limitini belirleyebiliyoruz.

Öte yandan, birbirinin çevresinde dönen nötron yıldızları büyük kütleçekim dalgaları yaratarak gözümüze sokuyor ve bunların hızını ölçmemize izin veriyor.

İlgili yazı: Stephen Hawkıng Yıldızlara Lazer Yelkenli Uzay Gemisi Gönderecek

Yerçekimi-kütleçekim-ışık_hızı-einstein-görelilik

Resimde uzay istasyonundaki yerçekimsiz ortamda bir iğnenin çevresinde yörüngede dönen su damlasını görüyorsunuz; çünkü Evren’de en küçük ve hafif şeylerin bile kütlesi var. İğne su damlasından daha kütleli, bu yüzden damla iğnenin çevresinde dönüyor. Sarmallar çizmesinin sebebi ise iğne ve su damlasının kütle farkı nedeniyle uzay istasyonunda birbirine göre tam olarak aynı hızda gitmemesi. Bu da yukarıdaki videoda gördüğümüz gibi burgu şekilli bir yörüngeye yol açıyor.

Küçük ama süper kütleli yıldızlar

Nötron yıldızlarının kısa tanımı bu. Bunların çapı 10 – 20 km; ama bu kadar küçük bir hacme 1,7 Güneş kütlesi sığdırmış durumdalar. Uzayda giderken uzay-zamanı neredeyse kara delik gibi deliyorlar.

Astrofizikçilerin deyişiyle bize kütleli bir cismin sürekli değişen yerçekimi alanında sürekli hız değiştirerek döndüğü dengesiz bir sistem lazım. Sarmallar çizerek birbirine yaklaşan, bu yüzden de sürekli hız değiştiren süper kütleli nötron yıldızı çiftleri bu senaryo için ideal örnek.

Yerçekimi-kütleçekim-ışık_hızı-einstein-görelilik

Kütlesiyle uzay-zamanı büken Güneş’de Dünya’dan Cassini uzay sondasına gelen radyo sinyallerini bükerek aynı etkiyi yaratıyor; ama bu zayıf bükülme kütleçekim hızını ölçmemize izin vermiyor.

Uzay fenerleri

Üstelik bunlar kendi çevresinde saniyede yüzlerce kez dönen özel nötron yıldızları (atarcalar) olmalı ki kutuplarından saçtıkları radyasyonu sürekli dönerek çevreyi tarayan deniz feneri ışığı gibi görelim.

Elbette nötron yıldızlarının kutuplarının (ışığının) bize baktığı zamanlar var ve görüş açımızın dışında kaldığı anlar var. Nötron yıldızı ışığının yanıp sönme hızına bakarak bu yıldızların kendi çevresinde ne kadar hızlı döndüğünü ölçebiliriz.

İlgili yazı: SpaceX Şirketinden Tarihi Başarı >> 6 resimde Falcon roketi denizdeki piste nasıl indi

Yerçekimi-kütleçekim-ışık_hızı-einstein-görelilik

İki nötron yıldızının çarpışarak su damlaları gibi birleşmesini ve bu sırada uzaya kütleçekim dalgaları yaymasını gösteren bilgisayar simülasyonu.

 

Sadece bu da değil!

Nötron yıldızlarının oluşturduğu kütleçekim dalgaları uzay-zamanı dalgalandırıyor ve bu da nötron yıldızlarının bize ulaşan ışığını dalgalandırıyor. İşte bu son detaya bakarak kütleçekim dalgalarını nötron yıldızlarının dönme hızıyla karşılaştırabilir ve böylece dalgaların hızını ölçebiliriz.

Yazımızın sonuna gelirken nötron yıldızları sayesinde kütleçekim dalgalarının hızını çok kesin ölçtüğümüzü söyleyelim. Örneğin, 1980’lerde keşfedilen Hulse-Taylor ikili nötron yıldızı sistemi sayesinde kütleçekim dalgalarının hızını yüzde 0,2 hassasiyetle ölçtük!

2002 yılında daha şanslıydık. QSO J0842+1835 nötron yıldızı çifti ile Dünya ve Jüpiter aynı çizgide hizalandı. Böylece nötron yıldızından gelen radyo dalgalarının aramızdan geçen Jüpiter sayesinde nasıl büküldüğünü görme şansını da yakaladık. Bu sayede yerçekimi hızının saniyede 255 bin ila 381 bin metre arasında olduğunu gördük. Bu da saniyede 300 bin km ile ışık hızına çok yakın bir değerdi.

İlgili yazı: Uzay Turizmi Başladı >> NASA uzay istasyonunda şişme uzay modülü test edecek

Yerçekimi-kütleçekim-ışık_hızı-einstein-görelilik

Einstein kazanır.

 

LIGO ne güne duruyor?

Öyle ya, LIGO geçen aylarda kütleçekim dalgalarını keşfetti; ama LIGO gözlemevi o kadar hassas değil. Sadece çarpışan nötron yıldızları ve kara deliklerin yarattığı süper şiddetli kütleçekim dalgalarını görebiliyor. Bunlar da anlık olaylar. Periyodik olarak tekrarlanmadığı için kütleçekim dalgalarının hızını ölçmeye yaramıyor.

Sözün özü, sorumuzun cevabı için hızla dönerek birbirine yaklaşan nötron yıldızlarını gözlemlemeye mecburuz ve son ölçümlerde kütleçekim dalgalarının hızının saniyede 299 bin 300 km ila 300 bin km arasında olduğunu gördük. Kısacası yerçekiminin ışık hızında gittiğini kanıtladık. Kazanan Einstein! 🙂

Beyaz cüce ve atarca çifti kütleçekim dalgaları yayıyor

Newton’dan Eınsteın’a yerçekimi

1On constraining the speed of gravitational waves following GW150914. Diego Blas, Mikhail M. Ivanov, Ignacy Sawicki, Sergey Sibiryakov arXiv:1602.04188v2 [gr-qc]

4 Comments

Add a Comment

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir


*