Kütleçekim Dalgaları Büyük Patlamayı Nasıl Kanıtlar?

Kütleçekim dalgaları büyük patlama hakkında ne söyler? Yerçekimi ile kuantum fiziğini birleştirmeye çalışan süpersicim teorisi ve halka kuantum kütleçekim gibi kuramlarının hangisinin doğru olduğunu gösterebilir mi? Ne de olsa büyük patlamayla aramızda bir ışık ve ısı bariyeri var: Evren 380 bin yaşındayken uzaya yayılan kozmik mikrodalga artalan ışıması (CMB)… CMB büyük patlamadan kalan ses dalgalarının izini de gösteriyor ama ilk ışık yayınlanmadan önce evren mattı. Tüm uzay parlak plazmayla kaplıydı ve bu yüzden CMB büyük patlama anını gözlerden gizliyor. Onu göremeyecek kadar gözlerimizi kamaştırıyor. Adeta evren nasıl oluştuğunu bizden saklamaya çalışıyor.

Kütleçekim dalgaları ve büyük patlama

Her durumda ışıktan önce yerçekimi vardı ve biz de evrende beliren ilk fiziksel etkileşimin yerçekimi olduğunu düşünüyoruz. Nitekim evrendeki parçacıkları oluşturan sıcak büyük patlamanın neden oluştuğunu açıklayan kozmik enflasyon teorisine göre, yerçekimi evren oluştuğu anda diğer üç kuvvetten ayrılmıştır. (Elektromanyetik kuvvet, zayıf ve güçlü nükleer kuvvetin birleşik olduğu elektroçekirdek kuvvetinden ayrıldı) Bunun sebebi de zamanın yerçekiminin oluşmasıyla akmaya başlamasıdır.

Evrendeki saatlerin tıklamaya başladığı Planck anı 10^-43. saniyedir. Bu sırada sıcaklık 10³² dereceydi. İşte bunun kütleçekim dalgalarıyla ilgisi var. Dalgalar mutlaka bir ortamın dalgalanmasıyla oluşur. Nasıl ki denizdeki dalgaları suyun dalgalanması oluşturur, kütleçekim dalgaları da bizzat uzayzamanın dalgalanmasıyla oluşur. Yerçekiminin elektroçekirdek kuvvetinden kopması, uzayı dalgalandıran şiddetli bir enerjinin yayılmasına yol açmıştır.

Dolayısıyla büyük patlamada ne olduğunu ancak bu sırada oluşan kütleçekim dalgaları gösterir. Keza nasıl ki tüm evreni saran kozmik mikrodalga artalan ışıması var, tüm evreni saran kütleçekim dalgası artalanı da var. CMB evren 380 bin yaşındayken uzaya yayıldı. Her ne kadar büyük patlamadan kalan ışık olsa da evrende o yaşa dek gerçekleşen olayların izlerini taşıyor. Oysa kütleçekim dalgaları sadece büyük patlama anını gösteriyor. Peki elimizde kütleçekim dalgalarını saptayan bir gözlemevi var mı? Var tabii ve adı LIGO. Bu gözlemevi nasıl çalışıyor derseniz:

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Kütleçekim dalgaları nasıl saptanır?

Amerika’da inşa edilen LIGO’nun birbirine dirsek yapan 4 km uzunluğundaki iki tüneli var. Resimdeki gibi lazer ışınları ikiye bölünerek bu tünellere gönderiliyor. Ardından tünelin ucundaki aynadan sekerek geri dönüyor. Bu kez ışın ayırıcıda birleşerek ışık detektörüne geri dönüyor. Oysa kütleçekim dalgaları uzayı dalgalandırıyor ve lazer ışınlarının da dalgalanmasına neden oluyor. Böylece prizmada kusursuz olarak üst üste binip birleşmeleri imkansız hale geliyor. Lazer ışınlarının hizasının kayması faz farkına yol açıyor. Işınların hizası ne kadar kayarsa kütleçekim dalgalarının şiddeti de o kadar büyük oluyor.

Bilim insanları LIGO’yu yenileyerek duyarlılığını artırdılar. Daha zayıf kütleçekim dalgalarını görmesini de sağladılar. Ayrıca İtalya’da Virgo adlı bir kütleçekim dalgası gözlemevi açıldı. Japonya da KARGA’yı kuruyor. Üçü birleşince yeryüzünün en duyarlı kütleçekim dalgaları avcısı olacaklar. Buna karşın yerden yapacaklarımızın bir sınırı var. Sonuçta uzayda hareket eden her şey kütleçekim dalgalarına sebep olur. Masadan kalkarken siz de dalga yayıyorsunuz. Oysa bunlar ölçemeyeceğimiz kadar zayıftır ki biz de LIGO’yu arka plan gürültüsünü silerek çalıştırırız.

Böylece nötron yıldızı ve kara delik birleşmelerinin yaydığı en şiddetli dalgaları görürüz. Bunlar milyarlarca ışık yılı uzaktan gelse bile arka plan gürültüsünden güçlüdür. Onları kolayca ayırt ederiz. Diğer avantajımız ise denizdeki dalgalara benzer. Nasıl ki deniz dalgalanmaya başladığında rüzgar hızınızı artırdı veya tsunami vurunca uzakta deprem oldu dersiniz, kütleçekim dalgaları da büyük patlamanın izlerini öyle taşır. Gerçi sorun da buradadır! Kütleçekim dalgaları, tsunamiler gibi kıyıdan birkaç bin km açıkta belirmez. Bunlar büyük patlamada ortaya çıkmıştır.

Dolayısıyla

13,77 milyar yıldır uzayda yol alıyorlar ki aradan geçen zamanda evren genişleyerek yarıçapı 46 milyar ışık yılına ulaştı. Bu yüzden kütleçekim dalgaları aşırı zayıfladı. Kütleçekim dalgası arka planı Dünya’nın gürültüsünden neredeyse ayırt edemeyecek kadar zayıfladı. Bu sebeple büyük patlama anını görmek için uzaya kütleçekim dalgası teleskopu göndermemiz gerekiyor. Lazer Girişimölçer Seti (LISA) bu teleskopun adıdır. 3 uydudan oluşan LISA seti Dünya’dan 1,5 milyon km uzakta dönecek. Her kenarı 2,5 milyon km uzunluğunda eşkenar üçgen oluşturacak LISA uyduları, Güneş–Dünya Lagrange noktası 1’e yerleştirilecek. Bir değişiklik olmazsa NASA, LISA’yı 2034’te fırlatacak.

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

LISA ve kütleçekim dalgaları

LISA 12 milyar yıl önce gerçekleşen süper kütleli kara delik birleşmelerini görecek kadar hassas olacak. Öyle ki bu dalgalar bize gelene dek genişleyen uzayda 28,3 milyar ışık yılından uzun bir yol kat etmiştir. Oysa yerçekiminin elektroçekirdek kuvvetinden ayrıldığı bir an var. Higgs alanı değerinin pozitif olduğu ve parçacıkların kütle edindiği anı görmek için 13,77 milyar yıl önceye gitmemiz gerekiyor. Dahası kütleçekim dalgalarına kasete kayıt yapar gibi veri kaydedebileceğimizi de biliyoruz. Buna karşın LISA bile büyük patlamadan kalan kütleçekim dalgası arka planını görecek kadar duyarlı değildir.

Peki bunun bir çözümü var mı?

Var ama önce tüm evreni tek denklemle açıklamaya çalışan teorilere, yani her şeyin teorisi adaylarına kısaca göz atalım. Bunlardan biri süpersicim teorileridir. Diğeri sadece yerçekimini kuantumlaştıran ve bu yüzden salt kuantum kütleçekim kuramı adayı olan halka kuantum kütleçekim teorisidir. Ayrıca süper yerçekimi ve 2020 Nobel fizik ödüllü Penrose’un geliştirdiği uyumlu döngüsel kozmoloji vardır. CMB ile kanıtlanan kozmik enflasyon bile tek teori değildir ve kaotik enflasyon gibi bir çok türü vardır.

Fizikçilerin en büyük üç hayalini ise şöyle sıralarız… 1) Kuantum mekaniği ile görelilik teorisini birleştirmek (kuantum kütleçekim kuramı), 2) Elektrozayıf ve güçlü kuvveti birleştirerek elektroçekirdek kuvvetini tanımlamak ve 3) Olası tüm evrenlerin oluşumunu açıklayan her şeyin teorisini bulmak. Elektrozayıf kuvvet bizi evrenin sıcaklığının 10¹⁵ derece ve yaşının 10^-32 saniye olduğu ana geri götürür ki bunu başardık. Birkaç hafta önce aramızdan ayrılan Steven Weinberg ve arkadaşları sayesinde elektrozayıf kuvveti 60’larda keşfettik.

Elektroçekirdek kuvveti de yazmayı başarırsak evrenin sadece 10^-36 saniye yaşında olduğu ana geri döneceğiz. Kuantum kütleçekim kuramı ise bizi 10^-43 saniye ile Planck anına götürecek. Götürecek ama farklı teori adaylarının hangisinin doğru olduğunu bilmiyoruz. Planck anı ışığın uzaya yayılmasından önce geldiği için bunu ancak kütleçekim dalgalarıyla görebiliriz. En azından bütün kuantum kütleçekim ve büyük birleşme teorileri kütleçekim dalgalarıyla ilgili öngörülerde bulunuyor. Büyük patlamada ne tür dalgaların yayılacağını söylüyor. Bunlara bakarak teorileri doğrulamak prensipte mümkündür:

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

 

İlkin kütleçekim dalgaları

Büyük patlamadan kalan ilkin kütleçekim dalgalarını LISA bile göremiyorsa bunları görmenin başka bir yolu var mı? Kesinlikle var: Atarcalar… Atarcalar kendi çevresinde çok hızlı dönen ve kutuplarından uzaya radyo dalgaları saçan nötron yıldızlarıdır. Bunlar kutuplardan yayıldığı için sadece Dünya’ya baktığı zaman görülür. Öte yandan atarcaların radyo yayınları çok dakiktir. Dolayısıyla Samanyolu galaksisindeki atarcaları birer saat gibi kullanabiliriz. Böylece 200 bin ışık yılı çapındaki galaksimizi dev bir kütleçekim dalgası detektörü gibi kullanırız.

Bu da ilkin kütleçekim dalgalarını saptamamızı sağlar. Ayrıca X ışını atarcalarıyla birlikte, geleceğin yıldız gemilerinin galakside yolunu yitirmeden dolaşmasına izin verir. Tabii ilkin kütleçekim dalgalarını görüp süpersicim teorisi gibi kuramları test etmek için galaksinin detaylı haritasını çıkarmak gerekiyor. Atarcaların yerini kesin bilirsek galaktik kütleçekim dalgası gözlemevimiz de çalışmaya başlayacaktır. Peki bu tüm evreni açıklayan her şeyin teorisini geliştirmemizi sağlar mı? Fizikçiler bundan emin değil ve neden derseniz:

İlkin dalgalar bize evrenin sıcak büyük patlama anındaki halini gösterir. Bundan sonra yerçekiminin elektroçekirdek kuvvetinden ayrıldığı bir faz geçişi olmuştur. Dünkü vakum bozunumu yazısında belirttiğim gibi faz geçişleri bize evrenin önceki haliyle ilgili bilgi vermez. Öyle ki büyük patlamanın tam olarak nasıl gerçekleştiğini asla öğrenemeyebiliriz. Tüm fizik yasalarını tek kuvvet altında toplamak bize bu kuvvetin nasıl oluştuğunu söylemeyebilir. Yine de açgözlü olmamak lazım. Kuantum kütleçekim ve büyük birleşme teorilerini kanıtlamak da güzeldir!

Kütleçekim dalgaları için sonsöz

Siz de NASA’nın X ışınlı nötron yıldızı navigasyon sistemi ile kozmik kütleçekim arka planını şimdi okuyabilirsiniz. 4 temel fizik kuvvetinin 10³² derecede nasıl birleşebileceği ve her şeyin teorisini geliştirmenin imkanına bakabilirsiniz. Evrenin hiçlikten nasıl oluştuğuna ve kuantum parçacıklarına da hemen göz atabilirsiniz. Tatilin son haftasının tadını çıkarırken bilimle ve sağlıcakla kalın. 😊

Kütleçekim dalgaları nedir?

¹The NANOGrav 12.5-year Data Set: Search For An Isotropic Stochastic Gravitational-Wave Background
²The NANOGrav 12.5 yr Data Set: Observations and Narrowband Timing of 47 Millisecond Pulsars
³Searching For Gravitational Waves From Cosmological Phase Transitions With The NANOGrav 12.5-year dataset
⁴Has NANOGrav found first evidence for cosmic strings?