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

Geçen Perşembe, Galileo’nun ilk kez teleskop kullanması ayarında bir bilimsel gelişme yaşandı ve LIGO gözlemevi, Einstein’ın 100 yıl önce görelilik teorisini geliştirirken öngördüğü kütleçekim dalgalarını keşfetti. Artık ışık ve radyo dalgalarının yanı sıra Evren’i kütleçekim dalgalarıyla da gözlemleyeceğiz.

Şimdi gözlerimiz kadar kulaklarımız da var ve astrofizikte yepyeni buluşlar bizleri bekliyor! Yakın tarihin en büyük bilimsel keşfinin öyküsünü birlikte görelim.

Kütleçekim dalgaları var

Hiç kuşkunuz olmasın: Amerika’daki LIGO (Lazer Girişimölçer Kütleçekim Gözlemevi) 11 Şubat 2016’da kütleçekim dalgalarını doğrudan gözlemlediğini duyurdu. Kütleçekim dalgalarının ne olduğunu ve LIGO’nun nasıl çalıştığını şu yazıda anlatmıştım. Bu bölümde ise nasıl keşfedildiğini ve bu keşfin önemini anlatıyorum.

İki kara delik çarpışıyor

 

Zaten biliyorduk

Bilim adamları kütleçekim dalgalarının var olduğunu 1974’ten beri biliyorlar; ama bugüne kadar bunları doğrudan gözlemlemeyi başarmamıştık ve gördüklerimiz için “belki kütleçekim dalgaları değil de başka bir şeydir” ihtimali hep vardı. LIGO kütleçekim dalgalarının varlığını kanıtladı ve şimdi önümüzdeki maçı anlatmanın zamanı geldi.

1974 yılında iki gökbilimci uzaydaki gizemli bir gökcismini kullanarak kütleçekim dalgalarının varlığını dolaylı yoldan kanıtladı. Birazdan buna geleceğiz. Columbia Üniversitesi’nde kütleçekim dalgalarını araştıran fizikçi Imre Bartos’un dediğine göre, “Einstein bunları yok saydı, çünkü asla ölçülemeyecek kadar zayıf olduklarını düşünüyordu.”

“Sonuçta atom boyutundan çok daha küçük bir şeyden söz ediyoruz. Çılgınca bir şey ama biz bilim adamları deli değiliz.”

 

Bizzat uzay dalgalanıyor

Hava titreşince ses dalgaları ortaya çıkıyor. Deniz titreşince okyanus dalgaları oluşuyor. Evren’in dokusu olan uzay titreşince de kütleçekim dalgaları ortaya çıkıyor.

Madem Sevgililer Günü, şöyle örnek verelim: Aşkınızla dans ederken bile aşk çekiminin yanı sıra kütleçekim dalgalarına yol açarak uzayı titretiyorsunuz, ama kütleniz o kadar küçük ki bunu ölçmemiz imkansız.

Öte yandan, nötron yıldızı ve kara delikler gibi uzayda hızla yol alan veya kendi etrafında çok hızlı dönen büyük kütleli gökcisimleri Dünya’dan tespit edilebilecek kadar güçlü kütleçekim dalgaları yayıyor. Özellikle de nötron yıldızları ve kara delikler çarpıştığı zaman çok güçlü dalgalar oluşuyor.

 

1974 yılında ne buldular?

Astronom Russell Hulse ve Joseph Taylor, o yıl süpernova halinde patlamış dev yıldızların çekirdek kalıntısı olan iki nötron yıldızı buldular. Yıldızların bir kısmı kendi çekirdeğinin üzerine çökmüş, ama yeterince kütleli olmadığı için kara delik yerine nötron yıldızlarına dönüşmüştü.

Bunlar kendi etrafında saniyede yüzlerce kez dönüyor ve ekvatordan kutuplara uzanan güçlü manyetik alan çizgileri sayesinde; kutuplarından uzaya parlak deniz feneri ışığı gibi güçlü radyo dalgaları yayıyordu. Astronomlar radyo teleskoplarla bunları dinlediler.

Hatta söz konusu nötron yıldızları gittikçe birbirine yaklaşıyorlar ve 300 milyon içinde çarpışacaklar.¹ Bartos diyor ki “Yörünge enerjisinin bir yere boşalması lazım. Uzayda birbirlerinin çevresinde dans edercesine dönen nötron yıldızları enerji fazlasını kütleçekim dalgaları halinde yayıyor.”

Gökbilimciler ikili nötron yıldızı sistemindeki kayıp enerjiyi Einstein’ın öngördüğü kütleçekim dalgalarıyla ölçtüler ve tam da görelilik teorisindeki değeri taşıdığını göstererek dalgaları dolaylı yoldan kanıtladılar. Bu sayede 1993 Nobel ödülünü kazandılar.² Ancak bu yeterli değildi, kesin kanıt gerekiyordu.

Neden saptamak zor?

Bartos, LIGO ekibinin bir üyesi ve LIGO ekibi de 15 ülkedeki 900 bilim adamından oluşuyor. 2002 yılından beri çalışan gözlemevi 1 milyar dolarlık bir proje ve bugüne dek hep çarpışan nötron yıldızlarından kaynaklanan kütleçekim dalgalarını aradı, ama bunun yerine çarpışan kara delikler buldu.

 

 

Evren sürprizlerle dolu

İsten şans deyin ister kısmet, Evren nadiren beklediğimiz şekilde davranıyor. Bu kez de nötron yıldızı beklerken çarpışan kara delikler bulduk. Olsun, sıkıntı yok. Kütleçekim dalgalarını kanıtladık ya, bu bize yeter.

LIGO sözcüsü Gaby Gonzales Perşembe günkü basın toplantısında çok heyecanlı konuşuyordu ve Orta Amerika şiveli İngilizcesiyle çok tatlıydı:

“Kütleçekim çok zayıf bir kuvvet, bu da işimizi zora sokuyor. Ancak en büyük avantajımız, sinyalin uzak mesafelerde ve zaman geçtikçe ışıktan çok daha az zayıflaması. Bu yüzden 1,2 milyar yıl önce çarpışan kara deliklerin kütleçekim dalgalarını bile tespit edebildik.”

Tespit edebildik derken, LIGO’nun atom boyundan 10 bin kat kısa dalgalanmaları saptayacak kadar duyarlı olduğunu belirtelim; yani elimizde 1 milyar trilyon metre uzunluğunda bir çubuk olsa ve bunun boyu aniden 5 mm, sadece 5 mm kısalsa LIGO bunu fark ederdi!

Samanyolu Galaksisi’nin 150 bin ışık yılı çapında olduğunu biliyoruz ve boyu ansızın bir kurşunkalem silgisi kadar kısalsa LIGO bunu da fark ederdi.

 

 

Ne işe yarayacak?

Evren’i hiç kütleçekim dalgalarıyla incelememiştik. Kim bilir artık neler keşfedeceğiz! Örneğin nötron yıldızlarını ve kara delikleri göremesek bile çarpışmadan önce tespit edeceğiz. Bir yıldız süpernova halinde patlamadan önce, bunu kütleçekim dalgalarının değişmesinden anlayacağız. Böylece uzayda daha çok süpernova bulup Evren hakkındaki bilgilerimizi artıracağız.

Nasıl oluyor?

Kütleçekim dalgaları Dünya’ya ışıktan önce varıyor, ama ışıktan hızlı gittiği için değil. Bir yıldız kara delik halinde çökerken o kadar çok madde kara deliğe düşmeye çalışıyor ki genç kara deliğin olay ufkunda, yani geri dönüşü olmayan noktada trafik tıkanıyor.

Bu yüzden kütleçekim dalgaları hemen uzaya yayılırken patlamanın ışığı gecikiyor. Işığı oluşturan fotonlar kara deliğe düşen maddeye takılıp kalıyor. Böylece biz patlamayı görmeden önce kütleçekim dalgalarıyla işitiyoruz.

 

 

Yıldızı stetoskopla dinlemek

Ayrıca yıldızın hemen patlaması şart değil. Belki 1 milyon yıl sonra patlayacak, fakat biz kütleçekim dalgalarıyla uzaktaki yıldız depremlerini görebilir ve dolaylı olarak uzak yıldızların iç tabakalarına bakabiliriz.

Bu da bize yıldız sismolojisi ile yeni yıldızbilimin kapısını aralar. Öyle ki bebek kara delikleri daha oluşurken görürüz. Nitekim galaksimizde her 100 yılda LIGO’nun görebileceği boyutta 2-3 süpernova gerçekleşiyor.

Ancak bir de çarpışan kara delikler var. Bunları hiç göremiyorduk ama artık göreceğiz. Çarpışmaların dağılımına ve ne kadar sık gerçekleştiğine bakacağız. Böylece Evren’deki kara delik sayısını ölçeceğiz. Bu da kozmoloji ve fizik teorilerini geliştirmemizi sağlayacak.

 

 

Üç yılda 3 kat güçlü

LIGO, Marvel Sinema Evrenindeki Yeşil Dev’den beter bir bilim canavarı ve gittikçe güçleniyor. Öyle ki üçüncü LIGO gözlemevi 2017’de devreye girecek ve LIGO’nun hassasiyeti üç yılda 3 kat artacak. Bartos şöyle açıklıyor: “Yılda toplam 15-20 kara delik, nötron yıldızı çarpışması ve süpernova görebiliriz.”

Hem CERN parçacık hızlandırıcısındaki LHC aygıtı ile temel fizikte hem de Almanya’nın atılımıyla nükleer füzyonda Amerika’nın önüne geçen; ama kütleçekim dalgalarının keşfini Amerika’ya kaptıran Avrupa Birliği de kendi kütleçekim gözlemevi VIRGO’yu 2016 sonunda açıyor.

Eh, bir de nükleer füzyonda ikinci sırada olan Japonya’nın KAGRA detektörü var. O da 2017’de kapılarını açıyor. Kısacası bilim adamları için kütleçekim dalgası saptamak sıradan bir şey olacak. Ne kadar çok detektör varsa o kadar keskin kulaklı olacağımızı söyleyebiliriz.

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

 

Interstellar’dan Kip Thorne

Süper dede Leonard Susskind’den sonra en sevdiğim fizikçi Kip Thorne; çünkü kendisi solucandeliği fiziğinin ilk ve tek uzmanı. Aynı zamanda dünyanın en iyi (gerçekçi) bilimkurgu filmi Interstellar’ın danışmanlığı yaptı.

Peki, LIGO’yu kuranın da Kip Thorne olduğunu biliyor muydunuz? Evet, arkadaşlarıyla birlikte bu işi o başlattı. Ünlü fizikçi geçen haftaki toplantıda güzel bir konuşma yaptı ve kendine has diliyle Evren’e bilim gözüyle bakmamızı sağlarken sözlerini dinlemek heyecan vericiydi:

“Şimdiye dek biz fizikçiler uzay-zamanı sakince bükülürken gördük [Dünya’nın Güneş’in yerçekimi çukurunda yörüngede dönmesini kast ediyor]. Bu da sakin bir günde mutedil okyanus yüzeyini görmek gibiydi; ancak fırtınalı ve dalgalı okyanusu hiç görmemiştik [LIGO’nun gördüğü kara delik çarpışması].

İlgili yazı: Interstellar filmi ne kadar gerçekçi?

 

Kuş cıvıltısı

Kütleçekim dalgalarını insan kulağı duyamaz. Bunlar Dünya’nın içinden geçerken havayı ses çıkaracak kadar titreştiremez. Ancak, sinyalin frekansını amfi ile genişletip insanların duyacağı bir ses çıkarabiliriz. Gonzales basın toplantısında bize bu sesi dinletti. Evren’in sesi kuş cıvıltısı gibiydi: 40 yıllık bir proje olan ve 1,1 milyar dolara mal olan LIGO’nun hakkını veren bir kuş cıvıltısı.

Hem nükleer motorlu bir nükleer füze denizaltısı 2,2 milyar dolara mal oluyor ve Amerika’da 19’u aktif olmak üzere, toplam 21 nükleer füze denizaltısı var! Madem dünyayı götürüyorlar, bu parayı da versinler canım. 😀

Kütleçekim dalgasının sesini dinleyin

 

Kütleçekim dalgalarının kısa tarihi

Her şey Einstein’la başladı. Evet, Star Wars’taki Güç’e boş verin, Evren’deki en güçlü şey kütleçekim dalgalarıdır! Bu yüzden fizikçi Einstein, Darth Vader’ı kapak resmindeki gibi hacamat eder. Ancak bu keşfin de Einstein’la başlayan kısa bir tarihi var.

Einstein 1915’te görelilik teorisini geliştirdiğinde kütleçekim dalgalarını da öngördü, ama ömrü boyunca bunların varlığından emin olamadı. Hatta 1916’da, bir yıldızın kara deliğe dönüşme sınırını hesaplayan ve kara delikleri öngören fizikçi dostu Karl Schwarzschild’a kütleçekim dalgalarının var olduğunu sanmadığını söyledi, ama ardından çark edip var dedi!

Einstein daha da ileri giderek 1936’da kuantum fiziğini çürütmek için birlikte çalıştığı ve EPR (uzaktan etki) deneyini geliştirdiği arkadaşı Nathan Rosen ile kütleçekim dalgalarının olmadığını gösteren bir makale hazırladı. Sonra bunu yayınlamaktan vazgeçti.

 

Kara delik çağı

Kara delikler 1960’ların sonunda hayatımıza girdi ve bir daha da hiç çıkmadı. 1969 yılında Maryland Üniversitesi’nden Joseph Weber 2 metre uzunluğunda bir alüminyum silindir kullanarak kara delik kaynaklı kütleçekim dalgalarını keşfettiğini söyledi.

Weber, “Dalgaları metronom ile akor tutar gibi görüyorum” dedi ama fizikçiler bu deneyi tekrarlayamadılar. Böylece kütleçekim dalgaları bir kez daha unutuldu. Ta ki 1978 yılında Massachusetts Amherst Üniversitesi’nden radyo astronom Joseph H. Taylor Jr. ve Russell A. Hulse, birbirinin etrafında hızla dönen bir çift nötron yıldızı bulana kadar.

İlgili yazı: Süper Kütleli Kara Delik Yıldızı Nasıl Yuttu?

 

Bunlardan biri kendi etrafında yüzlerce kez dönen bir atarcaydı (İngilizce pulsar) ve periyodik olarak Dünya’dan tespit edilen radyo dalgaları yayıyordu. Elbette nötron yıldızları güçlü kütleçekim dalgaları da yayıyordu ve bu dalgalar radyo sinyallerinin frekansını değiştiriyordu.

Böylece kütleçekim dalgaları ilk kez dolaylı yollardan kanıtlanmış oldu.² Tabii bütün kütleçekim dalgalarını gökcisimleri üretmiyor. Bir de Evren’i doğuran büyük patlamadan kaldığı düşünülen kütleçekim dalgaları var. Fizikçiler bunları başka yollarla tespit etmeye çalışıyor.

2014’te yazdığım gibi, Güney Kutbundaki BICEP2 teleskopunu yöneten ekip bunları bulduğunu iddia etti; fakat daha sonra, bu sinyallerin galaksimiz Samanyolu’ndaki gaz ve toz bulutlarının oluşturduğu parazitler olduğu ortaya çıktı. Oysa bu dalgaları bulursak Evren’in nasıl oluştuğunu anlayacağız.

 

Sırada ne var?

Astronomlar Evren’de çok sayıda kara delik çifti olduğunu biliyorlar.³ Hatta bu sayede galaksinin merkezinde yer alan, 4 milyon Güneş kütlesinde olan ve Samanyolu’nu bir arada tutan yerçekimini yayan süper kütleli kara deliğin nasıl oluştuğunu da açıklayabilecekler.

Çünkü en popüler teoriye göre, dev kara delikler galaksinin merkezinde çarpışarak Sagittarius A gibi süper kütleli kara delikleri oluşturuyor. Bunların bir kısmı galaksiler oluşmadan çok önce, Evren’in bebekliğinde ortaya çıktı.

 

Tüm kara deliklerin anası

Northwestern Üniversitesi’nden Vicky Kalogera’ya göre süper kütleli kara deliklerin nasıl oluştuğunu açıklayan iki popüler teori var: Bunlardan biri yukarıda değindiğimiz şekilde çarpışan kara delikler senaryosu.

Diğeri ise büyük patlamadan kısa bir süre sonra (Evren ölçeğinde kısa bir süre sonra) oluşan kara delikler senaryosu. O zamanlar Evren gençti ve uzayda büyük patlamadan kalan hidrojen ve helyum dışında hiçbir element yoktu. Bu nedenle yıldızlar büyük miktarda gaz emerek anormal boyutlara ulaşabiliyordu.

Günümüzde ağır elementler yıldızların bu kadar büyük boyutlara ulaşmasını önlüyor, çünkü ağır elementler büyük yıldızların ömrünü kısaltarak süpernova patlamalarını hızlandırıyor. Ancak ilk yıldızlar süpernova halinde patlamadan, yani tam boy halinde çöküp kara deliğe dönüşmüş olabilir.

 

Karanlık madde

Bu teoriye göre galaksiler Evren’de karanlık maddenin toplandığı yerlerde oluştu ve karanlık madde de ilk yıldızların dönüştüğü dev kara delikleri birbirine çekip süper kütleli kara deliklere dönüştürdü. Bu durumda eski galaksilerin merkezindeki kara delikler çok yaşlı ilk kuşak kara delikler olabilir.

Tabii bir de çarpışan kara deliklerden türetilen ara model var. Buna göre Evren’deki en eski yıldız grupları küresel yıldız kümeleri ve bu kümelerde oluşan kara delikler kütleçekim etkisiyle yıldız kümesinin merkezine çöküyor, ardından hızla çarpışarak devleşiyor.

 

Keşifler çağı

LIGO’nun keşfettiği kütleçekim dalgaları bütün bunları araştırmamızı sağlayacak. LIGO kısa vadede en çok buna yarayacak. Chicago Üniversitesi’nden kozmolog Michael S. Turner’ın dediği gibi, “LIGO ismindeki ‘O’ harfini hak etti” [İngilizce gözlemevi demek olan observatory’nin baş harfi olan O].

Astronomide yeni bir çağ başlıyor. Kütleçekim dalgaları ile Evren’in en güçlü gökcisimleri olan kara delikleri ve nötron yıldızlarını bambaşka bir gözle göreceğiz. Aslında uzayın seslerini dinleyeceğiz ve belki de Evren’in en büyük gizemlerinden olan “kozmik sicimleri” keşfedeceğiz, ama o da gelecek yazının konusu olsun. 😉

Brian Greene LIGO keşfini anlatıyor

¹http://www.astro.cornell.edu/academics/courses/astro201/psr1913.htm
²http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1993/press.html
³http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8205/818/2/L22/pdf