Kütleçekim Dalgalarını Yeni Yeraltı Teleskopları Görecek

Fizikçiler evrenin doğumundan kalan kütleçekim dalgalarını saptamak için yeraltında KAGRA detektörü ve Einstein Teleskopu’nu inşa edecek. Einstein Teleskopu kara delik birleşmeleri, süpernovalar ve nötron yıldızı çarpışmalarına ek olarak ilkin kütleçekim dalgalarını görecek. Böylece sicim teorisi ve sonsuz şişme gibi evrenin nasıl oluştuğunu açıklayan teorileri test edeceğiz.

Kütleçekim dalgalarını gözlemek

Fizikçiler kara delik ve nötron yıldızı çarpışmalarından kaynaklanan kütleçekim dalgalarını görmek için yeraltında yeni teleskoplar inşa ediyor. Ben de kütleçekim dalgalarını önceki yazılarda anlattım; ama kısaca bizzat uzay boşluğunu deniz gibi dalgalandıran enerji alanları olduğunu söyleyebilirim.

Ancak, kütleçekim dalgalarını saptayacak olan yeni gözlemevlerini yeraltında inşa ettiğimize dikkat çekmeliyiz. Şimdi diyebilirsiniz ki “Ama hocam teleskoplar ışığı ve radyasyonu görür. Bunun için yeryüzü veya uzayda, kısacası açık havada olmaları gerekmiyor mu? Yeraltındaki teleskoplar kör olmaz mı?”

Eskiden öyleydi ama artık yeryüzünde teleskop kurmak şart değil; çünkü kütleçekim dalgaları görünmezdir ve bunlar bizzat Dünya’nın içinde olduğu uzay boşluğunu dalgalandırıyor. Bu nedenle de deprem dalgalarından çok daha derine, Dünya’nın çekirdeğine kadar nüfuz ediyor. Aslında bir yandan Dünya’nın içine girip diğer yandan çıkıp gidiyor.

Dolayısıyla kütleçekim dalgası teleskopları gerçekten kördür; ama kütleçekim dalgalarını tespit etmek için dünyayı görmeleri de gerekmiyor. Öyleyse yeraltı teleskopları nasıl çalışıyor ve neden bunları yeraltında inşa ediyoruz? Kör oldukları için mi?

İlgili yazı: NASA Neden Uzaya Atom Saati Gönderiyor?

 

LIGO gözlemevi

Tabii ki hayır: Kütleçekim dalgaları yakında olsa Dünya’yı gelgit etkisiyle parçalayacak kadar şiddetlidir. Yine de uzak kara delik çarpışmalarından kaynaklanan kütleçekim dalgaları son derece zayıf oluyor.

Bunları net tespit etmek için de yeraltında Dünya’nın gürültüsünden uzak olan hassas teleskoplar inşa etmemiz gerekiyor. Aksi takdirde, bu teleskopların yanında top oynayan bir çocuğun koşarken yol açtığı sarsıntı bile duyarlı detektörleri bozabilir.

Kütleçekim dalgalarını gözlemlemek için inşa edilen teleskopların ilki ve en ünlüsü Amerika’daki LIGO gözlemevidir. MIT ve Caltech tarfından işletilen Lazer Girişimölçer Kütleçekim Dalgaları Gözlemevi (LIGO), Hanford ile Livingston yerleşimlerindeki iki ayrı detektörden oluşuyor.

Aralarında 3002 km uzaklık bulunan ve her biri 4 km uzunluğunda olan bu iki detektör, uzak kara deliklerle nötron yıldızı çarpışmalarından gelen zayıf kütleçekim dalgalarını algılayabiliyor. LIGO en ünlü kütleçekim dalgaları gözlemevidir; çünkü kütleçekim dalgalarını 2015’te ilk o tespit etti.

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

LIGO’ya kardeş Virgo da var

Şimdilik LIGO’ya, İtalya’nın Pisa şehrine yakın Cascina kasabasında yer alan ve Fransa Ulusal Bilimsel Araştırma Merkezi ile İtalya Ulusal Nükleer Fizik Enstitüsü tarafından yönetilen 3 km uzunluğundaki Virgo detektörü eşlik ediyor.

Aralarında 9785 km uzaklık olan Virgo ve LIGO, bu sayede hem üçgenleme tekniği ile kütleçekim dalgaları yayarak çarpışan kara deliklerin uzaydaki konumunu buluyor, hem de uzaktan geldiği için zayıflayan çelimsiz kütleçekim dalgalarını tespit edebiliyor.

Ancak, her ne kadar Virgo ile LIGO, 2010-11 yıllarında daha uzak kara delik çarpışmalarını saptayacak yeni detektörlerle güçlendirilmiş olsa da en zayıf kütleçekim dalgalarını görmek için yeni ve daha güçlü detektörler kurmaya devam ediyoruz. Bunlardan biri de Japonya’daki KAGRA gözlemevi. Sonuçta LIGO ve Virgo yer üstünde bulunuyor ama KAGRA yeraltında inşa ediliyor.

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Neden kütleçekim dalgalarını araştırıyoruz?

Japonları olaya dahil eden KAGRA gözlemevine geçmeden bunu da görelim: Öncelikle kütleçekim dalgaları, gaz ve toz bulutlarının ardında gizlenen kara deliklerle nötron yıldızlarını saptamamızı sağlıyor. Bu dalgalar uzay-zamanı dalgalandırdığı için bütün bulutsular ve gökcisimlerinin içinden geçiyor. Dolayısıyla evrendeki en uzak köşeleri araştırmak üzere bize bir yol sağlıyor.

İkincisi büyük patlamadan hemen sonra; ama atomlar ve hatta ışık oluşmadan önce kütleçekim dalgaları vardı. Öyle ki en gelişmiş fizik teorilerimiz, büyük patlamaya yakın anlarda görülen aşırı yüksek basınç ve sıcaklıkta, bütün fizik kuvvetlerinin kütleçekim kuvveti altında birleştiğini gösteriyor.

Öyleyse evrenin ilk saniyesini anlamak için elektromanyetik kuvvet, güçlü nükleer kuvvet ve zayıf nükleer kuvvetten önce kütleçekim kuvvetine bakmamız gerekiyor. Bu da kendini ilkin kütleçekim dalgaları olarak gösteriyor.

Açıkçası süpersicim teorisi, Hawking’in sınır yok önermesi, Alan Guth’un sonsuz şişme teorisi ve kuantum kütleçekim kuramı gibi kozmoloji teorilerinin hangisinin doğru olduğunu görmek için mutlaka büyük patlamada ortaya çıkan ilkin kütleçekim dalgalarını tespit etmemiz gerekiyor.

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

 

İşte bu yüzden KAGRA var

Siz de LIGO, Virgo ve Japonya’da yeni inşa edilen KAGRA gözlemevleri benzer teknik özelliklere sahip olmasından yola çıkabilir ve fizikçilerin neden yeni detektörler inşa ederek para harcadığını merak edebilirsiniz. Elbette takı koleksiyonu yapmıyorlar: Evrenin büyük patlama ile nasıl oluştuğunu anlamak için Dünya’daki hassas detektör sayısını artırmaya çalışıyorlar. 😉

Sonuçta ilkin kütleçekim dalgaları en uzak ve en zayıf dalgalar. Bunları “görmek” için çok sayıda yeni ve daha güçlü detektörler kurmamız gerekiyor. Neden derseniz:

Kara delik birleşmelerinin yol açtığı daha yakın ve şiddetli kütleçekim dalgalarının Dünya’yı oluşturan atomlarda yol açtığı dalgalanma bile atom çekirdeğinden küçük oluyor! İlkin kütleçekim dalgaları ise çok zayıf olup ancak bir fotonu oynatabiliyor. 😮

İlgili yazı: Işık Yelkeni 2 Falcon Heavy ile Uzaya Gidiyor

 

LIGO, Virgo ve KAGRA nasıl çalışıyor?

Öncelikle bunlar L şeklinde olup birbirine dik açı yapan ve 2 ila 4 km uzunluğunda olan iki boru hattından oluşuyor. Boru hattının içinden lazer ışınları geçiyor. Kütleçekim dalgaları da Dünya’nın içinden geçerken gezegenimizi ve dolayısıyla boru hatlarından geçen lazer ışınlarını dalgalandırıyor.

Bu durum lazer ışınlarının sapmasına ve titremesine yol açıyor. Biz de buna bakarak kütleçekim dalgalarını tespit ediyoruz. Nitekim bu detektör teknolojisine lazer girişimölçer diyoruz ki LIGO adını bundan alıyor. Sistemin nasıl çalıştığını daha detaylı anlatacak olursak:

Öncelikle LIGO’nun kolları 4 km ve Virgo kolları da 3 km uzunluğunda. Nitekim lazer girişimölçer detektörleri L şekilli bu kolları kullanıyor: 1) Önce bir lazer ışını oluşturuyor ve sonra bunu bir ışın ayırıcı ile ikiye ayırıyoruz. 2) Sonra ve resimde göreceğiniz gibi lazer ışınlarını L şekilli iki kolun içinden geçiriyoruz.

3) Ardından ışınları kolların ucundaki aynalardan gerisin geri geldiği yere yansıtıyoruz. Böylece lazer ışınları kendi kendisiyle çarpışıyor. Aynı dalga boyu, frekans ve fazda oldukları için de birbirini sönümlüyor (sıfırlıyor). Kısacası geldiği yere geri gelen lazer ışınları, optik detektörlerde hiçbir ışık parıltısına yol açmıyor.

Peki ya kütleçekim dalgaları varsa?

4) O zaman kütleçekim dalgaları detektörden geçerken hem aynaları, hem de ışınları titretip yerinden kaydırıyor. Bu durumda, kolların ucundaki aynalardan geri yansıyan ışınlar birbirini sıfırlamıyor. Bunun yerine optik detektörlere çarpıp gözünü alıyor. Biz de ışığın parlaklığı ve titreşimine (girişim desenine) bakarak aslında görünmez olan kütleçekim dalgalarını dolaylı yollardan görmüş oluyoruz.

İlgili yazı: Samanyolu Galaksisi Saniyede 630 km hızla Nereye Gidiyor?

 

Yeni teleskoplar bu yüzden yeraltında

Eğer yer üstünde olsalardı sokaktan geçen insanların ayak titreşimleri bile lazer ışınları ile aynaları titretebilir ve kütleçekim dalgaları yokken varmış gibi göstererek yanlış alarma yol açabilirdi. Yeraltı teleskopları ise bütün o trafik gürültüsünden uzakta olduğu için gayet güzel çalışacak.

Bunları sadece yer sarsıntılarından korumak gerekecek. Biz de yer üstündeki LIGO ve Virgo’yu deprem bölgelerinden olabildiğince uzakta kurarak yersarsıntılarını dikkatle takip etmeye başladık. Böylece sismik olayların yanlış alarma yol açmasını önledik.

Öte yandan, Japonya’da inşa edilen Kamioka Kütleçekim Dalgaları Detektörü (KAGRA), Gifu bölgesindeki bir dağın altında ve 200 metre derinde yer alıyor. Böylece sinyal/gürültü oranını onda bire indirerek yüzey gürültüsünü azaltıyor.

Öyle ki KAGRA 864 milyon ışık yılı uzaktaki nötron yıldızı çarpışmalarından kaynaklanan kütleçekim dalgalarını kolayca saptayabilecek ve 2019 yılı sonunda kullanıma girdiğinde Dünya’nın yeraltındaki ilk kütleçekim gözlemevi olacak.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Gelelim Einstein teleskopuna

Avrupa Birliği tarafından 2011’de önerilen Einstein Teleskopu’nun ne zaman ve nerede inşa edileceği henüz belli değil. Ancak, insanlığın en güçlü kütleçekim dalgası detektörü olarak oldukça etkileyici teknik özellikleri var: Tıpkı diğer gözlemevleri gibi lazer girişimölçer tekniğini kullanacak olan Einstein Teleskopu da en azından 100 metre yeraltında olacak.

Oysa kolları tam 10 km uzunluğunda olacak! 100 metre derinde olduğu için de kara delik birleşmeleri ve nötron yıldızı çarpışmalarına bağlı en zayıf kütleçekim dalgalarını bile tespit edebilecek veya şiddetli dalgaları daha uzaktan saptayacak. Üstelik üçgen şeklinde iç içe geçmiş 3 ayrı detektör kolu olacak. Einstein teleskopu bu sayede eşsiz özellikler kazanacak:

Öncelikle farklı kolları sayesinde kendini test edebilecek ve LIGO ile Virgo’ya sormadan yanlış alarmları gerçek kütleçekim dalgalarından ayırt edecek. Dahası diğer iki gözlemevine sorarak tek başına algılayamayacağı kadar uzak kara delik birleşmelerinden gelen dalgaları da yakalayacak.

İlgili yazı: Yapay Zeka Nedir ve Nasıl Çalışır?

 

Oysa asıl önemlisi polarizasyon

Polarizasyon, yani kutuplanma özelliği kütleçekim dalgaları için çok önemli; çünkü bunlar uzaydan geçerken ışığı da titretiyor ve aynı zamanda elektromanyetik bir dalga olan ışığı oluşturan fotonların tabi olduğu elektrik alanıyla manyetik alanının birbirine göre olan yönünü değiştiriyor.

Fotonları etkileyen manyetik alan ve elektrik alanının farklı açılarda olmasına ışığın polarizasyonu diyoruz. İşin ilginci, Einstein Teleskopu o kadar duyarlı olacak ki daha önce hiçbir yer ve uzay teleskopunun göremediği ışığın B modu polarizasyonunu da ölçecek.

Açıkçası Einstein Teleskopu kollarından geçen üçgen şekilli lazer ışınlarını titreştiren kütleçekim dalgaları, lazer ışınlarına büyük patlamadan kalma orijinal B modu polarizasyonunu ses dosyası gibi kaydetmiş olacak. Bu neden önemli derseniz gerçekten çok ama çok önemli; çünkü B modu polarizasyonu evrenin nasıl oluştuğunu gösteren farklı fizik teorilerini test etmemizi sağlayacak.

İlgili yazı: Mini Füzyon Roketi ile 3 Ayda Mars’a Gidin

 

Büyük patlamaya açılan pencere

Örneğin sicim teorisi, halka kuantum kütleçekim kuramı ve sonsuz şişme teorisi gibi teorilerin hangisinin doğru olduğunu B modu polarizasyonuna bakarak anlayabileceğiz. 2014 yılında bunu Güney Kutbu’nda inşa edilen BICEP-2 teleskopuyla anlamaya çalışmış ve fena yanılmıştık.

Bunun nedeni BICEP-2’nin kütleçekim dalgalarına değil de doğrudan Dünya’ya ulaşan kozmik ışığın B modu polarizasyonuna bakmasıydı. Oysa buna kütleçekim dalgalarına ek olarak başka faktörler de yol açabilirdi.

Nitekim BICEP-2 araştırmacılarının öne sürdüğünün tersine, gördükleri optik B modu polarizasyonunun asıl sebebi büyük patlamadan kalan ilkin kütleçekim dalgaları değil, Samanyolu’ndaki gaz ve toz bulutlarıydı. Yanlış alarm. 🙂

Sonuç olarak fizikçiler, optik teleskoplarla dolaylı veri toplamak yerine, yeni ve daha güçlü kütleçekim teleskoplarıyla kütleçekim dalgalarını doğrudan gözlemlemeye karar verdiler:

İlgili yazı: Fizikçiler Schrödinger Kedisini Nasıl Kurtardı?

 

LISA uzay gözlemevi

Bilim insanları bu sorunu aşmak için önce LISA uzay lazer girişimölçer teleskopunu tasarladılar. Ben de uzaya fırlatılacak olan üç uydudan oluşan bu lazer teleskopunu ayrı bir yazıda anlattım. Ancak, çok pahalı olan LISA’nın 2030’dan önce fırlatılmayacağını belirtmem gerekiyor.

Üstelik evrenin doğum sancılarından kalan ilkin kütleçekim dalgaları o kadar zayıf ki bunları LISA bile saptayamayabilir. Aslında, bizim galaksimizdeki nötron yıldızlarının haritasını çıkarmamız ve kütleçekim dalgalarının nötron yıldızı sinyallerini nasıl polarize ettiğine bakmamız lazım.

Böylece Samanyolu’nu dev bir kütleçekim dalgası detektörü olarak kullanabilir ve bu verileri LISA uzay teleskopuyla birleştirerek ilkin kütleçekim dalgalarına ait orijinal B modu polarizasyonunu görebiliriz. Öte yandan bu iş en az 20-30 yıl alacak.

Ancak, Einstein teleskopu bunu uzaya LISA göndermeden ve nötron yıldızı haritası çıkarmayı beklemeden de yapabilir. Buradaki asıl sorun maliyet tabii. Hangisi daha ucuz olacak? LISA ve nötron yıldızı haritası mı, yoksa Einstein Teleskopu mu? Bunu zamanla göreceğiz.

İlgili yazı: Kara Delik Motorlu Uzay Gemileri

 

Einstein’ı test etmek

İşin ilginci, Einstein’ın yerçekimini tanımlayan genel görelilik teorisine göre kütleçekim dalgalarının sadece iki tür polarizasyonu olabilir ki bunun optik yansımasına E modu ve B modu polarizasyonu diyoruz.

Ancak, Einstein Teleskopu ek polarizasyon modları görürse görelilik teorisinin bazı açılardan yanlış olduğu ortaya çıkacaktır. Belki de böylece göreliliği kuantum fiziğiyle birleştiren yeni bir kuantum kütleçekim kuramı geliştirerek kara deliğe düşen astronota ne olacağını daha iyi anlayabiliriz. 🙂

Üstelik Einstein teleskopunun üçgen şekilli detektör kollarında bir değil, iki detektör var ve bunların her biri farklı frekanslara duyarlı. Nitekim kara delik birleşmeleri, nötron yıldızı çarpışmaları ve süpernova patlamaları farklı frekansta kütleçekim dalgaları üretiyor.

Örneğin, süpernovalar süper kütleli kara delik birleşmelerinden daha yüksek frekanslı dalgalar yaratıyor. Biz de aradaki farka bakarak evrenin göremeyeceğimiz kadar uzak köşelerinde neyin çarpıştığını ve nasıl patladığını daha iyi anlayacağız.

Kütleçekim dalgalarını kullanalım

Nitekim kütleçekim dalgaları sayesinde, çarpışan nötron yıldızlarının göremediğimiz çekirdeğini analiz edeceğiz. Hem ışığı, hem de kütleçekim dalgalarını inceleyerek nötron yıldızı çarpışmalarının nasıl gerçekleştiğini göreceğiz. Sonuçta çarpışan nötron yıldızlarının kara deliğe nasıl dönüştüğünü izleyeceğiz. Bu süreçte altın gibi değerli nadir elementlerin nasıl oluştuğunu da görmüş olacağız.

İlgili yazı: Evren Simülasyonu Yapan Kara Delik Bilgisayar

 

Kütleçekim dalgalarını görmek

Dahası 10-100 bin Hz frekans aralığında çalışan LIGO ve Virgo’ya ek olarak 1-250 Hz aralığında da çalışacak olan Einstein Teleskopu, evrenin oluşumundan kalan ilkin kütleçekim dalgalarını da uzaya çıkmaya gerek kalmadan görecek. Bunun için uzaya LISA lazer girişimölçer uydularını göndermeye gerek kalmayacak.

Sonuçta evrende ilk ışık yayılmadan önceki mat uzaya nüfuz ederek direkt büyük patlama anını gözlemleyebileceğiz. Doğrusu fizikte 100 yıl sonra kaydedilen en büyük ilerleme de bu olacak.

Peki kütleçekim dalgalarına veri kaydedebileceğimizi biliyor musunuz? Bu özellik büyük patlama anını incelememizi ve Dünya dışı uygarlıklara mesaj göndermemizi sağlayabilir. Ya 550 gezegenli ve 9 güneşli ideal kara delik güneş sistemini nasıl kurarız? Bunların yanıtını da okuyarak kozmoloji mühendisliğine giriş yapabilirsiniz. Şanısınız bol ve günleriniz aydınlık olsun.

Kütleçekim dalgalarını gören teleskoplar

¹LIGO-Virgo Status Report, July 5, 2018
²LISA space observatory
³Japan’s pioneering detector set to join hunt for gravitational waves
⁴Einstein Telescope