Kozmik Bilmece >> LIGO gözlemevi uzayda kütleçekim dalgalarını keşfetti mi?

Ünlü fizikçi Lawrence Krauss tweet atarak müjdeyi verdi: LIGO gözlemevi, lazer ışınlarıyla yaptığı deneylerde kara delik çarpışmalarına ait kütleçekim dalgalarını keşfetti. Kütleçekim dalgaları Evren’in nasıl oluştuğunu anlamak için büyük önem taşıyor. Peki haber doğru mu? LIGO deneyi ile anlatalım. [Güncelleme: LIGO Perşembe günü büyük olasılıkla kütleçekim dalgalarını gözlemlediğini duyuracak. Ben de hemen blogda yazacağım].

Kozmolojide en büyük keşif

Evren’in gittikçe hızlanarak genişlediğini keşfeden ve sanal parçacık uzayının kozmolojiye (evrenbilim) etkilerini inceleyen Profesör Lawrence Krauss, geçenlerde attığı tweetle ortalığı karıştırdı ve kütleçekim dalgalarının tespit edildiğini öne sürdü:

“LIGO’yla ilgili aktardığım son söylenti doğrulandı. Takipte kalın! Kütleçekim dalgaları keşfedilmiş olabilir! Heyecan verici.” Ancak bu tweet sosyal medyayı “dalgalandırmakla” birlikte bilim dünyasında şüpheyle karşılandı. Çünkü kütleçekim dalgalarının keşfedildiğine dair son haberler yanlış çıkmıştı.

 

Kozmik doğum sancıları

Kütleçekim dalgaları bizzat Evren’in dokusu olan uzay-zamanın deniz gibi dalgalanmasına sebep oluyor. Buna Dünyamız ve insan vücudu da dahil.

Oysa Evren’in oluşturan büyük patlamadan kalan en eski kütleçekim dalgaları bugün çapı 94 milyar ışık yılına ulaşan uzayda 13 milyar 780 milyar yıldır yolculuk ediyor. Dolayısıyla bu dalgalar çok zayıflamış durumda ve fark etmeden içimizden geçmiş olsalar dahi bize zarar vermeleri imkansız.

 

LıSA deneyi LıGO’ya karşı

Aynı nedenle LIGO’nun büyük patlamaya ait dalgaları keşfetmesi de imkansız. Çünkü o kadar hassas değil ve bunun için 20 yıl sonra uzaya fırlatılacak olan LISA deneyini beklemek zorundayız. Yine de kara delik çarpışmalarından kaynaklanan dalgaları keşfetmek önemli.

Sonuçta bunları öngören teoriler büyük patlama dalgalarını da öngörüyor ve LIGO yeni dalgaları görürse büyük patlamaya ait dalgaların var olduğunu dolaylı olarak kanıtlayacak.

İlgili yazı: 10 adımda ara deliğe düşen astronota ne olur?

 

Keşfetmek zor

Kütleçekim dalgalarını lazer ışınları ve aynalarla deneyler yaparak, özellikle de lazer ışınlarının yansıtıldığı hedeften ne kadar saptığına bakarak tespit edebiliriz. Işınlar hedeften sapıyorsa bu durum kütleçekim dalgalarının varlığını gösteriyor olabilir.

LIGO gözlemevi de bu tür deneyler yapıyor; ama teoride öngörülen ve bize yakın kara deliklerden gelen dalgalar da çok zayıf olduğu için bunları ortam parazitinden, yani lazer ışınlarını saptırabilecek başka sebeplerden ayırmak son derece zor.

Kütleçekim dalgalarının keşfedildiğine dair haberlerin bugüne dek yanlış çıkmasının sebebi de bu: Dalga işareti sanılan sinyallerin ortam paraziti olduğu anlaşılıyor.

İlgili yazı: Füzyon reaktörleri için dünyanın en güçlü lazeri

 

Kozmik bilmece

Albert Einstein’ın 100 yıl önce geliştirdiği görelilik teorisi, Evren’i oluşturan büyük patlamanın kozmik doğum sancıları olarak da nitelenebilecek kütleçekim dalgalarını ürettiğini öngörüyor.

Üstelik Evren’in nasıl oluştuğunu açıklamaya çalışan, ama henüz kanıtlanmamış olan birçok teorinin kendi kütleçekim dalgası modeli var. Biz de kuantum fiziği ile görelilik teorisini birleştiren kuantum kütleçekim kuramlarını kanıtlamak için kütleçekim dalgalarını keşfetmek zorundayız.

Çünkü Evrenimiz doğum anında atom çekirdeğinden küçüktü ve büyük patlamanın sırrını çözmek için normalde galaksiler gibi uzak mesafeleri bağlayan kütleçekim kuvvetini, kuantum fiziğinin geçerli olduğu atom ölçeğinde de tanımlamak gerekiyor.

İlgili yazı: Einstein ve dünyayı değiştiren denklem > Görelilik 100 yaşında

 

Teoriler arasında sıkı rekabet var

Teorik fizikçiler Evren’in doğumunu açıklamak için zar kozmolojisi, kara delik kozmolojisi ve şişme modeli gibi farklı kuramlar geliştirdi. Bunlar genellikle Evren’in bugünkü durumunu gayet güzel açıklıyor. Aralarındaki fark sadece büyük patlama anında ortaya çıkıyor.

Büyük patlama koca bir evren yaratacak kadar güçlü bir olay olduğu ve patlama anında bildiğimiz fizik yasaları işlemediği için (kısacası laboratuarda evren yaratmayı henüz başaramadığımız için) en eski kütleçekim dalgalarını doğrudan gözlemleyemiyoruz.

İlgili yazı: Einstein’ın büyük yanılgısı ve kuantum fiziği

 

Kütleçekim dalgaları nasıl oluşuyor?

Ancak diğer tür kütleçekim dalgalarını keşfederek dolaylı kanıtlar elde edebiliriz. Nitekim görelilik teorisinde çarpışan kara delikler, patlayan yıldızlar (Tip II süpernovalar) ve çarpışan nötron yıldızları da kütleçekim dalgaları üretiyor.

Sonuç olarak kara delikler gibi büyük kütleli cisimler uzayda hızla hareket ederse veya iki kara delik aniden çarpışırsa güçlü kütleçekim dalgaları oluşturuyor ve gökcisimleri ne kadar kütleli olursa dalgaların şiddeti o kadar artıyor. Bunu anlamak için kütleçekim kuvvetinin uzayı nasıl dalgalandırdığına bakabiliriz.

İlgili yazı: Dünya’nın altını nereden geldi?

 

Uzay denizi

Genel görelilik teorisine göre, kütleçekim kuvveti Newton’un ağaçtan düşen elma örneğinde gösterdiği gibi uzaktan etkiyle işlemiyor; yani kütleçekim kuvveti radyo sinyalleri gibi hedefe ulaşan ve onu etkileyen bir enerji akımı oluşturmuyor.

Tersine, gezegenlerle yıldızlar gibi büyük kütleli gökcisimleri uzay-zamanı büküp çukurlar oluşturuyor ve Ay’ı Dünya’ya çeken kütleçekim etkisi uzayın bükülmesiyle ortaya çıkıyor. Bu açıdan uzayı mutedil dalgalı deniz yüzeyi gibi düşünebiliriz ve bu denizi kabartan dalgalar da kütleçekim dalgaları.

 

Henüz kanıtlanmadı

Büyük patlama Evren’deki en büyük patlama olduğu ve patlama anında Evren’in toplam kütlesinin tamamı enerjiye dönüştüğü için, o anda en şiddetli kütleçekim dalgalarının yaratılmış olması gerekiyor.

Ancak, Evren’i baştan sona dalgalandıran dalgalar zamanla çok zayıfladı ve dünyanın en hassas deneyi olan LIGO bile Evren’in doğumundan kalan bu dalgaları tespit edemez; fakat başka bir şey yapabilir ve kara delik çarpışmalarının yarattığı dalgaları görebilir.

İlgili yazı: Lazer topları ve gerçek yıldız savaşları

 

Nasıl keşfederiz?

Kütleçekim dalgalarını gözlemlemenin başlıca iki yolu var: 1) Evren’in bebekliğinden kalma kozmik mikrodalga artalan ışımasının doğum anında oluşan dalgalanmasına bakmak (ışığın polarizasyonu) veya 2) uzak mesafeden aynalara yansıtılan lazer ışınlarının dalgalanmasına bakmak. LIGO lazer ışını kullanıyor.

Gelişmiş LIGO deneyi

Amerika’daki Lazer Girişimölçerli Kütleçekim Dalgası Gözlemevi (LIGO) Evren’in doğum sancılarını gösteren kütleçekim dalgalarını gözlemlemek için inşa edildi ve geçenlerde deney aygıtlarının hassasiyetini 10 kat artıran LIGO ekibi, 2016’da kütleçekim dalgalarını bulmaya yemin etti.

Kararlı olmakta haklılar, çünkü kütleçekim dalgalarını öngören görelilik teorisi şimdiye dek yapılan bütün deneylerde kanıtlandı ve bu konuda da kanıtlanması bekleniyor. Aksi halde modern fiziğin temelini oluşturan görelilik teorisi yanlış demektir.

İlgili yazı: BICEP2 teleskopu Evren’in doğumundan kalan kütleçekim dalgaları bulundu mu?

 

Fizikçiler de temkinli

Caltech LIGO grup lideri Alan Weinstein, bu kadar kritik ve zor bir deneyde dikkatli olmak gerektiğini söylüyor: “Kritik verileri analiz ediyoruz ve hazır olduğumuz zaman haberini yapacağız. En iyisi sabırlı olmak. Acele edip geçen seferki gibi yanlış haber yapmak istemeyiz.”

LıGO’nun kısa tarihi

1992 yılında solucandeliği fizikçisi Kip Thorne, Caltech’ten Ronald Drever ve MIT’den Rainer Weiss kendi üniversiteleri ile diğer öğretim kurumlarını ikna ederek LIGO’yu kurdular. LIGO’nun kütleçekim dalgalarını tespit etmek için tasalanan orijinal detektörlerinin kurulumu 1999’da tamamlandı.

İlk araştırmalar 2002’de başladı ve 2010’da tamamlandı, ama bu sırada kütleçekim dalgaları bulunamadı. Yine de bu deneyler yeni ve daha gelişmiş detektörlerin üretilmesine esin kaynağı oldu.

Yeni detektörlerin 2014 yılında tamamlanmasıyla birlikte LIGO’nun lazer ışınlarıyla çalışan girişimölçerlerinin menzili 10 kat arttı. Artık LIGO uzayda 10 kat uzağı ve 1000 kat büyük bir hacmi dinleyebiliyor.

İlgili yazı: Interstellar filmindeki solucandeliği ne kadar gerçekçi?

 

Hangi soruları cevaplayacak?

Kütleçekim dalgaları keşfedildiği zaman evrenin doğumunu gösteren hangi kozmoloji modelinin doğru olduğunu öğrenmekle kalmayacağız. Aynı zamanda aşağıdaki soruların cevabını bulacağız:

• Kütleçekim dalgalarının özellikleri nedir?
• Genel görelilik teorisi kütleçekimi tanımlayan doğru teori mi?
• Genel görelilik “güçlü kütleçekim kuramında” geçerliliğini koruyor mu? (Alternatif bir kütleçekim kuramı)
• Doğadaki kara delikler genel görelilikte öngörülen kara delikler mi? (Kara deliklerin merkezinde kütleçekimin sonsuza ulaştığı bir tekillik var mı, yoksa kuantum kütleçekim kuramlarının dediği gibi tekilliğe yakın başka bir şey mi var?)
• Madde yüksek sıcaklık ve basınç altında nasıl davranıyor?
• Büyük bir yıldız patlarsa ve çekirdeği çökerse ne olur? (Kara deliklerin kökeni)
• Birbirine çok yakın dönen ikili yıldız sistemleri nasıl oluşuyor, nasıl evrim geçiriyor ve buna göre Evren’deki yıldız oluşum hızı nedir?

 

Nasıl çalışıyor?

LIGO deneyini oluşturan 4 tesis arasında Hanford Gözlemevi ile Livingston Gözlemevi’nde kütleçekim dalgalarını arayan birer vakumlu lazer tüpü bulunuyor. Tesislerdeki L şekilli tüpten geçen lazer ışınları, resimdeki gibi dolambaçlı bir yol izliyor.

Kütleçekim dalgaları Dünya’nın içinden geçerken, tesislerin bulunduğu uzayın gözle görülemeyecek kadar zayıf bir şekilde dalgalanması gerekiyor. Ancak lazer ışınları çok hassas olduğu için, lazer topundan çıkan ışınların 4 km’lik tüplerin sonundaki aynalardan sekerken biraz kayması ve hedefi biraz şaşırması bekleniyor.

Kısacası 4 km uzunluğundaki vakumlu tüplerde saniyede 75 kez gidip gelen lazer ışınları hedefi ıskalarsa buna kütleçekim dalgalarının yol açtığını söyleyeceğiz

İlgili yazı: Kara delik yıldızı nasıl yuttu?

 

Iskalamak derken?

Lazer ışınları L şekilli tüpteki bir ışın ayırıcı (C) tarafından ikiye bölünüyor ve ateşlendikten sonra, L harfini oluşturan 4 km uzunluğundaki iki tüpe birer bölünmüş ışın kolu giriyor. Bunlar tüplerin sonundaki büyük aynalardan (A) her bir kolun ortasındaki (yolun yarısındaki) tek yönlü aynaya geri yansıyor. Ardından iki ayna arasında gidip gelmeye başlıyor.

Aslında A ile gösterilen bu ayna, çizimde kırmızı ok yönünde gelen ışığı tüpün sonuna ulaşacak şekilde arka yüzünden geçiren, ama tüpün sonundaki (B) aynasından yeşil ok yönünde gelen ışını ön yüzünde tüpün ucuna geri yansıtan özel bir ayna. Öyle ki kırmızı ok yönünde gelen ışığı mercek gibi içinden geçirip tüpün ucundaki aynaya odaklıyor.

Git gel aynalar

Ancak A aynasının sadece ön yüzü ve tam ortasındaki küçük bir daire “aynalı”. Bu detayı aklınızda tutun, çünkü ne anlama geldiğini hemen aşağıda anlatıyoruz:

Kütleçekim dalgaları yerel uzayı dalgalandırırsa tüplerdeki iki ayna arasında gidip gelen ışınlar biraz yana kayıyor. Böylece (B)’den seken lazer ışını tek yönlü aynanın (A) ortasından B’ye geri yansımak yerine, A aynasının mercek gibi saydam olan kenarlarından engellenmeden geçip lazer ışınını başlangıçta iki kola ayıran ışın ayırıcıya (C) geri dönüyor.

Lazer parkuru

Oysa ışın ayırıcı da ayna değil. Böylece lazer ışını ayırıcının içinden geçip lazer parkurunun dışına çıkıyor ve asıl dans şimdi başlıyor! Çünkü fizikçiler lazer parkurunun dışına özel bir detektör (D) yerleştirdiler. Bu detektör kütleçekim dalgası yüzünden kayan ve ışın ayırıcının içinden ışınları algılıyor.

Böylece bilim adamları kütleçekim dalgaları yüzünden bükülüp sistem dışına çıkan ışınları ve dolayısıyla kütleçekim dalgalarını doğrudan tespit ediyor.

LIGO bu süper hassas deneyi gerçekleştirmek için üstün teknolojilerden yararlanıyor:

• 4 km uzunluğundaki iki adet L şekilli vakum tüp.
• Aralarında 3000 km mesafe olan iki tesis: Kütleçekim dalgaları 3000 km’yi ışık hızında kat ederken, her iki tesisteki ışınlar tam olarak teoride öngörülen gecikmeyle ve art arda hedefi ıskalayacaklar (saniyenin çok ufak bir kesrindeki zaman farkıyla).
• Sistem ışınların hedefi ıskalayıp ıskalamadığını görmek için protondan 10 bin kat küçük bir kaymayı arayacak (dünyanın en hassas detektörleri).

 

Rekor kıran tesis

LIGO’nun Guiness rekorlar kitabına giren üstün teknik özellikleri var:

Dünyanın en duyarlı deney aygıtı: Lazer ışınlarının belli belirsiz şekilde, yani proton çapının sadece 10 binde biri mesafede kaymasını bile algılayabiliyor.

Dünyanın en büyük vakum tüpleri: Lazer ışınlarının hava molekülleri yüzünden titreyerek yanlış alarm vermesini önlemek için üretilen 4 km uzunluğundaki vakum tüplerin her birinde 10 bin metreküplük uzay boşluğu var. Bu da iki katlı 11 adet Boeing 747-400 yolcu uçağına eşit. Öyle ki bu tüpler havayla dolu olsa 1,8 milyon futbol topu şişirirdi!

En saf vakum: Dünyanın en iyi vakum odasında bile yıldızlar arası uzay boşluğuna denk vakum yaratamayız, ama LIGO’nun vakum tüplerinin basıncı 1 atmosferin (deniz seviyesi) trilyonda biri. Öyle ki bu tüplerin havasını boşaltmak 40 gün sürdü. Tüpler yer üstünde olduğu için her birine 155 bin ton hava basıncı biniyor, ama sadece çeperi 3 mm kalınlığında olmasına karşın tüpler zarar görmüyor.

 

LıGO lazeri

LIGO’nun 200 wattlık lazer topu aslında 4 wattlık lazer diyotuyla 808 nanometrelik dalga boyunda yakın kızılötesi ışıkla çalışıyor (yani neredeyse gözle görülemeyen kızılötesi dalga boyunda).

4 wattlık lazer diyotu mağazalarda satılan sıradan el lazerinden 800 kat güçlü olsa da özel kristaller ve prizmalardan geçerek 200 watt güce ulaşıyor. Ancak bu sadece hedefe ulaşmak için gerekli olan güç. LIGO lazeri ikiye ayrıldıktan sonra tekrar birleştiğinde 2 watt güce geriliyor, ama bunu başarmak için başlangıçta 200 watt gücünde olması gerek. Yoksa ışınlar birleşemeyecek kadar zayıf olur.

 

İkiz atarcalar

Her ne kadar kütleçekim dalgaları 100 yıl önce öngörülmüş olsa da bunları kanıtlamak için kullanabileceğimiz gökcisimlerini 1974 yılında keşfettik.

O yıl Porto Riko’daki Arecibo radyo teleskopunda çalışan gökbilimciler birbirinin etrafında hızla dönen süper yoğun nötron yıldızları buldular. Bunlar kendi etrafında saniyede yüzlerce kez dönen ve teleskopun algılayacağı güçlü radyo dalgaları yayan iki atarcaydı (pulsar).

Nötron yıldızları 20 km çapındaki bir küreye 1,5-3 güneş kütlesi sıkıştırdıkları ve kendi eksenlerinde çok hızlı döndükleri için güçlü kütleçekim dalgaları yayıyor. Birbirinin çevresinde dönen nötron yıldızları ise uzaya sarmallar çizerek yayılan kütleçekim dalgalarını daha da güçleniyor.

İlgili yazı: Hubble’ın sürgün yıldızları

 

LıGO’nun hedefi

LIGO çarpışan kara deliklerden ziyade bu tür ikili nötron yıldızı sistemlerini incelemekte kullanılacak. Çünkü kara delik çarpışmaları tek seferlik kütleçekim dalgaları yaratıyor. Nötron yıldızları ise milyonlarca yıl süren periyodik dalgalar oluşturuyor ve bunları incelemek daha kolay.

Hatta kütleçekim dalgaları keşfedilirse nötron yıldızlarının yörünge hızının kütleçekim dalgalarıyla nasıl değiştiğini incelemek de mümkün olacak. Böylece kütleçekim dalgalarının gökcisimlerinin yörüngesini genel görelilikte öngörüldüğü değiştirip değiştirmediğini görmüş olacağız.

Kesin kanıt 1 yıl içinde?

Bugüne dek teleskopların algıladığı radyo sinyallerindeki kaymalara bakarak kütleçekim dalgalarının varlığını dolaylı yollardan kanıtladık. Oysa kesin kanıtlar ancak lazer ışınları kullanan LIGO deneyiyle gelebilir.

Böylece Lawrence Krauss’un tweetinde ima ettiği gibi görelilik teorisini en hassas şekilde ispat etmiş olacak ve Evren’in nasıl oluştuğunu görmek için önemli bir adım atacağız. 😀

 

LıGO deneyi ve tesisleri

¹https://twitter.com/LKrauss1/status/686574829542092800