NANOGrav Kütleçekim Dalgası Artalanını Keşfetti

Kuzey Amerika Nanohertz Kütleçekim Dalgaları Gözlemevi (NANOGrav) evrenin kütleçekim dalgası artalanını (GWB) keşfetti. Peki evrenin yerçekimi haritasını çıkarmak neden önemli? Evrenin büyük patlamayla nasıl oluştuğunu görmek için önemli. Kütleçekim dalgaları bizzat evrenin dokusu olan uzayzamanı dalgalandırıyor. Çarpışan kara delikler, nötron yıldızları ve süpernovalar güçlü yerçekimi etkisiyle uzaya şiddetli kütleçekim dalgaları yayıyor.

Büyük patlamada oluşan ilkin kütleçekim dalgaları ise “yaratılış anında” neler olduğunu gösterecektir. Bugün kara delik çarpışmaları gibi olayların ürettiği kütleçekim dalgaları ve ilkin kütleçekim dalgaları evrenin “kütleçekim dalgası artalanını” oluşturuyor. Buna evrenin dinamik yerçekimi haritası da diyebiliriz ve 2021 ocak ayından itibaren bilim insanları bu haritayı çıkarmaya başladı! Peki NANOGrav gözlemevi GWB haritası nedir ve nasıl çalışır?

Kütleçekim dalgası neden önemli?

Bugüne dek evreni sadece ışıkla, yani elektromanyetik dalgalarla görüyorduk. İster kızılaltı olsun ister morötesi, X-ışınları, gama ışınları ve hatta görünür ışık; teleskoplarla evreni hep kuantum fiziği kapsamında gördük. Oysa yerçekimini açıklayan görelilik teorisi kuantum mekaniğiyle bağdaşmıyor. İlk ışık ise evren 380 bin yaşındayken uzaya yayılmış bulunuyor. Evrenin büyük patlamayla nasıl oluştuğunu görmek için “yaratılış anına” bakmak gerekiyor. Nasıl mı?

İlgili yazı: Mars’ta Nasıl Oksijen ve Su Üreteceğiz?

 

Kütleçekim dalgası ve büyük patlama

Büyük patlamada oluşan ilkin kütleçekim dalgaları günümüzde tüm evrene yayıldı. Evrenin genişlemesi nedeniyle bu dalgalar çok zayıflamış olsa da pek değişmedi. İlkin kütleçekim dalgaları evrenin nasıl oluştuğunu gösteriyor. Lazer Girişimölçerli Kütleçekim Dalgaları Gözlemevi (LIGO) 2015’ten itibaren çarpışan (daha doğrusu birleşen) kara delikler ve nötron yıldızlarının yaydığı kütleçekim dalgalarını saptamaya başladı. Bunlar birleşirken kütlesinin üçte birini uzaya kütleçekim dalgaları halinde yayıyor.

Oysa ABD topraklarındaki LIGO, İtalya’daki Virgo, Hindistan’daki IndiGO ve diğer gözlemevleri ilkin kütleçekim dalgalarını görecek kadar hassas değil. Bunları görebilmek için bize galaksi çapında bir gözlemevi gerekiyor. Neyse ki Samanyolu galaksisinde bulunan milyonlarca nötron yıldızı yakın gelecekte galaksimizi dev bir detektör olarak kullanmamıza izin verecek.

Kuzey Amerika Nanohertz Kütleçekim Dalgaları Gözlemevi (NANOGrav) 2021 ocak ayında evrenin kütleçekim dalgası artalanını (GWB) kısmen görmeyi başardı. Gerçi GWB hem kara delik çarpışmaları hem de ilkin kütleçekim dalgalarından oluşan fırtınalı bir denizi andırıyor. Büyük patlamanın yerçekimi sinyalini diğer kütleçekim dalgası gürültüsünden ayırmak için uzun yıllar gerekiyor ama artık kozmik yerçekimi haritasını çıkarmaya başladık:

İlkin kütleçekim dalgası ve kozmoloji

İlkin kütleçekim dalgaları evrenin oluşumuna dair süpersicim teorisi, süperyerçekimi teorisi, halka kuantum kütleçekim kuramı ve Hawking hipotezi gibi farklı kuramların hangisinin doğru olduğunu gösterecek. Nitekim bunlar ilkin kütleçekim dalgalarının şiddeti ve dağılımıyla ilgili farklı öngörülerde bulunuyor. Öyleyse evrenin kütleçekim dalgası haritasını keşfetmek için harika bir yolculuğa çıkalım:

İlgili yazı: Mars’ı Dünyalaştırmak için Yeterli Karbondioksit Var mı?

 

Kütleçekim dalgası kısa tarihi

LIGO 2010’lardaki donanım yükseltmesinin ardından çok daha güçlü olarak sahalara geri döndü ve 2015’te ~1 milyar ışık yılı uzakta birleşen kara deliklerin yarattığı kütleçekim dalgalarını gözlemledi. O zamandan beri kara deliklerden nötron yıldızlarına, kütleçekim dalgası yayan 50 kadar birleşme tespit ettik (Bkz. Kütleçekim Dalgalarını Yeni Yeraltı Teleskopları Nasıl Görecek?).

Bunların kütleçekim dalgaları her birkaç günde Dünya’nın içinden geçiyor ama bize gelene kadar çok zayıflıyor. Bu yüzden süper duyarlı detektörler hariç Dünya’yı fark edemeyeceğimiz kadar zayıf bir şekilde eğip büzerek dalgalandırıyor. Ne kadar zayıf derseniz: 4 km’lik mesafede proton çapının binde biri kadar… İyi ki de öyle! Yoksa kütleçekim dalgaları Dünya’yı yok ederdi. Üstelik bunlar göreli yakında gerçekleşen kara delik birleşmelerinden gelip de saptayabildiğimiz en güçlü dalgalar.

Bir de kozmik kütleçekim dalgası artalanı var (GWB). NanoGRAV evrenin oluşumunda gerçekleşen en enerjik olayların yaydığı ilkin kütleçekim dalgalarını gözlemledi ama yanlış anlaşılmasın… Kütleçekim dalgalarını tek tek görmedik. Bunların yer aldığı yerçekimi arka planını (GWB) keşfettik. İlkin kütleçekim dalgalarını yerçekimi gürültüsünden ayırmak için 30 yıl çalışmamız gerekecek. Bunun için de galaksideki atarcalardan (pulsar) yararlanacağız. Peki atarca kronometre dizisi nedir?

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

 

Kütleçekim dalgası ve nötron yıldızları

LIGO ilkin kütleçekim dalgalarını görecek kadar hassas değil. Sadece 1-10 bin Hertz frekans aralığında salınan kütleçekim dalgalarını “görüyor”. Bu da dalga boyu onlarca km ila on binlerce km arasındaki kütleçekim dalgalarına karşılık geliyor; yani kara delik ve nötron yıldızı birleşmelerine… Küresel ısınma nedeniyle İstanbul aylardır lodos ve poyraz fırtınası arasında gidip geldiğinden buna kayık örneği verelim:

Nasıl ki çalkantılı denizde kayığı sadece büyük dalgalar sallar ama deniz yüzeyindeki kırışıklıklara benzeyen en küçük dalgaları hissetmezsiniz LIGO da 1-10 bin Hz arasındaki dalgaların dışında kalan salınımları hissedemez. LIGO’nun küçük dalgaları göremeyeceğini anladık. Peki büyük dalgaları neden göremiyor? Örneğin Dünyamızda Ay ve Güneş’in yarattığı gelgit dalgaları görülüyor. Bunlar yeryüzündeki okyanusların tümden kabartıyor. Oysa biz de suyla hareket ettiğimiz için gelgitleri dalgalar halinde görmüyoruz. Yalnızca denizin çekilmesi ve kabarması olarak görüyoruz. Peki ilkin kütleçekim dalgalarını görmek için LIGO’dan başka ne kullanabiliriz?

2034’te LISA kütleçekim dalgası gözlemevini uzaya göndereceğiz. LISA, LIGO’nun göremediği kadar uzun dalgaları görecek. Süper kütleli kara deliklerin birleşir veya birbirine yaklaşırken ürettiği bu dalgaların boyu 1 milyar km’yi buluyor! 😮 Kısacası Güneş-Satürn uzaklığına yaklaşıyor. Oysa büyük patlamadan kalan dalgaların uzunluğu 3,5 ışık yılına ulaşarak Güneş Sistemi’nden büyük oluyor. Dolayısıyla LISA bile yetersiz kalıyor. Bize galaksi çapında bir gözlemevi; yani atarca dizisi gerekiyor:

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Atarcalar ve nötron yıldızları

Atarca bir nötron yıldızı türüdür. Bunlar sönmüş yıldızların demir çekirdeklerinin kalıntısı olup 1,5-2,5 Güneş kütlesindeki demirin 10-20 km çapındaki bir topa dönüşmesiyle oluşuyor. Süper tıkız maddeden oluşan nötron yıldızları şiddetli manyetik alanlar üretiyor ve kendi çevresinde çok kesin periyotlarla dönüyor. İçlerindeki en hassas saatler ise atarcalar… Neden derseniz:

Nötron yıldızları kara delik olarak çökmek üzere olup sadece kuantum kuvvetleri çökmeyi önlüyor. Oysa bu süreçte üretilen güçlü manyetik alan çizgileri yüksek enerjili parçacıkları nötron yıldızı kutuplarından uzaya püskürtüyor. Işık hızına yaklaşan bu rölativistik parçacık jetleri şiddetli X ve gama ışınları yayıyor ama bunlar bize ulaşana dek enerji kaybediyor. Bunları Dünya’dan milimetre, milimetre altı ve radyo dalgaları olarak görüyoruz.

Nötron yıldızları kendi çevresinde düzenli olarak döndüğünden parçacık jetleri de Dünya’ya doğru düzenli aralıklarla dönüyor. Bu da nötron yıldızı radyo dalgalarını çakar lamba gibi görmemizi sağlıyor. Bütün nötron yıldızları uzaya jet püskürtmüyor ama püskürtenlere atarca diyoruz. Tipik bir atarca trilyon kere trilyon kere trilyon ton ağırlığında ve 20 km çapında olup saniyede 1,4 kez kendi çevresinde dönüyor. Yengeç bulutsusu merkezindeki atarca saniyede 30 kez dönüyor. Oysa bir de milisaniye atarcaları var ki bilinen en hızlı atarca saniyede 642 kez dönüyor!

Milisaniye atarcaları

Peki neden 174 ila 642 Hertzlik milisaniye atarcalarından söz ediyoruz? Çünkü ilkin kütleçekim dalgalarını görebilmek için çok hassas saatler gerekiyor. Galaksimizde 200 bin atarca olduğunu tahmin ediyoruz ve bugüne dek 200 milisaniye atarcası saptadık. Demek ki galaksinin ilkin kütleçekim dalgalarıyla nasıl dalgalandığını gösterecek binlerce süper duyarlı atarca saatimiz var. İşte bunlara atarca kronometre dizisi diyoruz. Öyleyse ilkin kütleçekim dalgalarını atarcalarla nasıl görürüz?

İlgili yazı: Mars ve Venüs’ü Dünyalaştırmak İçin 5 Dahice Yol

 

Kütleçekim dalgası ve yerçekimi haritası

Kütleçekim dalgaları galakside yayılırken uzayı ve içindeki gökcisimlerini sıkıştırıp geriyor. Bunu da dalga hareket yönüne dik açıyla yapıyor (dört kutuplu salınım). Nitekim uzaya halka şeklinde saatler dizsek bunlar denizdeki şamandıralar gibi dalgalanacaktır. Şimdi bu şamandıraların atarca olduğu ve galaksiyi saran atarca halkasının tam ortasında da Dünya’nın bulunduğunu düşünün. Sonuçta Dünya gözlemlenebilir evrenin merkezindedir; çünkü uzaya nereden bakarsanız merkez odur.

Bu durumda atarca halkasının basık olduğu yönden gelen radyo dalgaları (resimde sarı) Dünya’ya daha kısa sürede ve şişkin olduğu yönden gelen radyo dalgaları da (kırmızı) daha uzun sürede ulaşacaktır. Oysa kütleçekim dalgaları uzayı dalgalandırır! Bu yüzden bir sonraki salınımda bu kez şişkin halka atarcaları basık halka atarcaları ve basık halka atarcaları da şişkin halka atarcaları olacaktır. Radyo dalgalarının Dünya’ya geliş süresi de ezilip büzülmeye uygun olarak sırayla uzayıp kısalacaktır.

Biz de bu sürelerin iki boyutlu grafiğini çıkarabiliriz (resimdeki 4 kanatlı pervane). Kütleçekim dalgası yönünden gelen atarca radyo sinyallerinin yolu uzadığı için bunlar gecikecektir. Ters yönden gelen radyo sinyalleri dalganın çukur ve tepelerinin birbirini sıfırlaması yüzünden ne gecikecek ne de Dünya’ya daha kısa sürede ulaşacaktır. Diğer yönlerde ise radyo dalgalarının kütleçekim dalgalarına yaptığı açıya göre sinyaller belirli oranda gecikecek veya hızlanacaktır.

İşte NANOGrav gözlemevi bunlara bakarak kozmik kütleçekim dalgası artalan haritasını (GWB) çıkardı. Daha doğrusu GWB gürültüsünü algıladı. Özetle büyük patlamadan kalan kozmik mikrodalga artalan ışımasında (CMB) olduğu gibi tüm evrenin haritasını çıkaramadık. Sadece GWB’yi saptadık. Bu büyük patlamadan kalan ilkin kütleçekim dalgalarını görmeye yetmez ama iyi bir başlangıçtır ve neden derseniz:

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Yerçekimi haritasının sınırları

1) Galaksideki bütün milisaniye atarcalarını değil, sadece bildiklerimizi kullanıyoruz. 2) Milisaniye atarcalarında sıklıkla yıldız depremi olur ve bu da kendi çevresinde dönüş hızını az değiştirir. Böylece bize ulaşan radyo sinyalleri titreyerek hata verir. 3) Yıldızlar ve nötron yıldızlarının manyetik alanıyla mıknatıslanan yıldızlararası toz bulutları radyo sinyallerini yavaşlatır. 4) Dünya ve nötron yıldızları galaktik merkez çevresinde döner ki bu yüzden birbirine uzaklığı değişir. Bu da Doppler etkisiyle radyo sinyallerinin kırmızıya ve maviye kaymasına (gecikme ve hızlanma) yol açar.

Bütün bunlar gürültü yapar ve yalnızca kütleçekim dalgalarından kaynaklanan gecikmelerle hızlanmaları saptamayı zorlaştırır. Özetle NANOGrav sadece 47 adet 100 milisaniyelik atarca ile gözlem yapabildi. Bu gözlemler 12,5 yıl sürdü ama süper kütleli kara delik birleşmesinden kaynaklanan tek bir kütleçekim dalgası bile göremedi. Bu sistem gelecekte daha da gelişecek ve LIGO’nun göremediği Güneş Sistemi boyundaki kütleçekim dalgalarını görecek.

Yine de NANOGrav atarca radyo sinyalleri arasındaki bağıntıları güçlü istatistiksel analiz yöntemleriyle inceledi. Bunların en azından kozmik kütleçekim dalgası artalanının (GWB) izleri olduğunu gösterdi. Bugün evrendeki en şiddetli kütleçekim dalgalarını on milyarlarca Güneş kütlesindeki kara deliklerin birleşmesi üretebilir. Bunlar da çok nadirdir ve sadece bazı galaksilerin merkezinde bulunulur.

İlkin kütleçekim dalgaları ise çok daha şiddetliydi. Bunlar evrendeki madde ve enerji dağılımını belirledi. Büyük patlamada evren çok küçüktü. Öyle ki yüzeyinde mikroskobik uzay kırışıklıkları ortaya çıkmış olabilir. Bu kırışıklıklar büyük patlama sonrasındaki kuantum salınımlarıyla oluştuğu gibi büyük patlamadan önce evrenin ışıktan hızlı şiştiği evreden de kaynaklanıyor olabilir.

Kütleçekim dalgası için sonsöz

İlkin kütleçekim dalgaları deyim yerindeyse tsunami şiddetindeydi. Belki de bazı teorilerde öngörüldüğü gibi bizzat uzayın dokusundaki defolara, kozmik sicimlere yol açtı. Gelecekte kütleçekim dalgası artalanını inceleyerek ilkin kütleçekim dalgalarını bulup evrenin nasıl oluştuğunu anlayacağız. Siz de kozmik sicimler ve yıldızların içinde yaşam var mı yazısını şimdi okuyabilir ve kütleçekim dalgalarına mesaj kaydederek çoklu evrene göndermenin yollarını inceleyebilirsiniz. Evrenin 2B hologram olup olmadığını da kütleçekim dalgalarıyla araştırabilirsiniz. Bilimle ve sağlıcakla kalın. 😊

Bonus: Starbasekozan Mars Sohbetleri

¹Pulsar Timing Array Experiments (pdf)
²The Discovery of Nulling and Mode Switching Pulsars with CHIME/Pulsar (pdf)
³Massive Black Hole Mergers (pdf)