Sürpriz! Hubble sabiti zamanla değişiyor

Bilim insanları evrenin genişleme hızını ölçmekte kullandığımız Hubble sabitinin zamanla değiştiğini ortaya çıkardı. Bu da tam beklediğimiz şey; ama karanlık enerjinin şiddeti de zamanla değişiyor olabilir ki işte bu hiç beklemediğimiz bir şey. Karanlık enerji değişiyorsa bize yeni fizik gerek. Hubble sabiti nedir sorusunu yanıtlayıp neden zamanla değiştiğini açıklayarak olası yeni fiziğe giriş yapalım.

Evrensel sabitler değişir mi?

Hubble sabitinin zamanla değiştiğini bulmamız aslında beklediğimiz bir şey; çünkü evren geçmişte daha hızlı genişliyordu ve zamanla genişleme hızı yavaşladı.

Ancak, karanlık enerji yüzünden son 5 milyar yılda genişleme tekrar hızlandı; fakat yeni ölçümler karanlık enerji şiddetinin de zamanla değişebileceğini gösteriyor. Bu durumda evreni açıklamak için bize yeni bir fizik gerekiyor!

Karanlık enerjiye ait bu 3 bölümlük yazı dizisinde evrenin olası yeni fiziğini ele alacağız ve işe Hubble sabiti neden zamanla değişiyor sorusuyla başlayacağız. Öyle ya, evrensel sabitler evreni tanımlayan ölçütlerdir ve bunlar değişirse fizik yasalarıyla birlikte bizzat evrenin yapısının değişmesi beklenir.

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

 

Neyse ki şanslıyız

En azından Hubble sabitinin zamanla değişmesini yeni fizik olmadan açıklayabiliriz. Bunun için de evrenin nasıl genişlediğine bakmamız gerekiyor.

Evrenin büyük patlama ile nasıl oluştuğunu ve neden o günden beri genişlemekte olduğunu Paniklemeyin ama evren küçüldü ve 180 resimde varoluşun kısa tarihi yazılarında anlattım. Evrenin nasıl genişlediğini ise teorik olarak ve gözlemlerle anlıyoruz:

İşte genişlemenin temel özellikleri

• Evren tüm yönlerde aynı oranda genişliyor (Hız ve oran farklı şeyler. Bu yazı için lütfen aklınızda tutun. Evren derken oran, uzay derken hız kullanacağım).
• Galaksiler bizden ne kadar uzaksa o kadar hızlı uzaklaşıyor.
• Evrenin genişleme oranı yaklaşık olarak hesaplanmıştır (Hubble sabiti için ikinci ipucu).

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Hubble sabiti

Evrenin genişleme oranı ile hızının farklı olmasını matematik bilgisinin ötesinde gözlemlerle de görüyoruz. Nitekim galaksilerin uzaklıklarına göre bizden uzaklaşma hızlarını hesaplamaya kalktığımız zaman, özellikle de galaksilerin birbirine göre hareket hızlarını ölçtüğümüzde, teori ile gerçek arasında büyük uyuşmazlıklar görüyoruz.

Ancak sıkıntı yok: Bu beklenen bir şey. Sonuçta karanlık enerjinin evrenin genişlemesine yol açmasına rağmen, evrende yerçekimi denilen bir şey de var ve yerçekimi yakın galaksilerin birbirini çekmesine yol açıyor. Hubble sabiti ise lokal yerçekimi etkilerini hesaba katmadığı için yerel galaksi hareketlerinde gözlemler ve teorik öngörüler farklı olabiliyor.

O zaman diyebiliriz ki tamam: Hubble sabiti aslında evrendeki galaksilerin bizden uzaklaşma hızının bir ortalamasıdır. Bu sebeple yerel ve evrensel hareketleri bağdaştırabiliriz. Ancak, yeni gözlemler başka bir şeyi gösteriyor. Hubble sabiti zamanla değişiyor!

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Grafiğe bakın

Galaksiler Kartezyen düzlemde istedikleri gibi hareket edebilirler. Tek tek galaksileri teleskopla gözlemler, bağıl hızlarını ölçer ve bunları grafikte birer nokta ile gösteririz. Her nokta bir galaksi veya galaksi grubunu grubunun uzaklığına işaret eden süpernovaları gösterir.

Hatta noktaları birleştirerek tavşan resmi çizemesek de galaksilerin bizden uzaklaşma hızının bir eğri halinde değişiklik gösterdiğini görebiliriz. Bu eğriler evrenin gençliğinden günümüze değişen hızları gösterir.

Eğrilerin tepe noktası, Kartezyen düzlemi köşegen bir çizgi halinde tam ortadan ikiye bölen Hubble sabitinin altında veya üstünde kalabilir. İşte tam burada gözlemlerimiz Hubble sabitinin değiştiğini ve Kartezyen grafikte bir eğri çizdiğini gösteriyor.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Hoppala! Bu da nereden çıktı?

Hubble sabitine “sabit” dememizin sebebi evreni her yerde aynı oranda genişliyor olmasıdır. Kısacası Hubble sabiti uzayda sabittir. Evrenin her yerinde galaksilerin bize uzaklıklarına göre bizden uzaklaşma oranı ortalama aynıdır.

Daha detaylı bir ifade ile: Bir galaksinin bizden uzaklaşma hızı uzaklığı arttıkça artar. Ancak, uzaklığa bağlı artışın bir oranı vardır. İşte o oran yaklaşık bir değer olmakla birlikte sabittir, Hubble sabitidir. Oysa Hubble sabiti uzayda sabit olmakla birlikte zamanla değişiyor.

İlgili yazı: Islak Bilgisayarlar ile Yüzde 97 Enerji Tasarrufu

 

Buna şaşırmayın

Bu bir bulmaca değil. Aslında bilim insanlarının teknik terimleri saptarken eskiden yapmış oldukları bir hatanın uzantısı. Bir üniversite hocası olarak benim görevim de sizleri olası yanlış anlamalardan kurtararak bilimi daha iyi anlamanıza yardımcı olmak.

Şimdi, buraya kadar galaksilerden; yani evrenin genişlediğini gösteren gözlemsel kanıtlardan söz ettik. Bir de teorik kabullerimiz, varsayımlar var. Büyük patlama teorisine göre evrenin genişlemesiyle ilgili sadece üç temel varsayımda bulunuyoruz. Geri kalan her şeyi bu üçünden çıkarımlıyoruz.

• Evren izotropik yani eş yönlüdür (uzayın şekli her yönde aynıdır).
• Evren homojendir (evrenin enerji yoğunluğu ortalama olarak her yönde aynıdır).
• Evren Einstein’ın genel görelilik teorisindeki yerçekimi kurallarına uyar.

Siz de bunları varsayarak aşağıdaki denkleme bakarsanız denklemin sol yanındaki H değişkeni (Hubble sabiti) ile evrendeki çeşitli madde ve enerji türleri arasında (denklemin sağ yanı) bir ilişki olduğunu görebilirsiniz.

İlgili yazı: Dünyanın Derinliklerinde Yeraltı Okyanusu Bulundu

 

Bu ilişkiye bakalım

Evren genişledikçe madde, radyasyon ve enerjinin yoğunluğu değişiyor. Yukarıdaki varsayımların hiçbiri buna mani değil. Örneğin evren genişlerken hacmi büyüyor; ama evrendeki toplam parçacık sayısı aynı kalıyor. Bu da evren genişledikçe maddenin uzayın içinde şekerin çaya karışması gibi seyreldiğini gösteriyor. Şimdi bunu evrenin genişlemesi denklemi olan Hubble yasasına taşırsak (aşağıdaki resim):

• Madde yoğunluğu a^-3 oranında azalacaktır.
• Radyasyon şiddeti a^-4 oranında azalacaktır.
• Karanlık enerji yoğunluğu ise a⁰ olarak sabit kalacaktır (Nedeni için bkz. Karanlık Enerji Evreni Nasıl Genişletiyor?).

Peki burada a nedir? Aslında Hubble yasasında kullandığımız Hubble sabitinin temel parametresidir; yani evrenin ölçek faktörüdür (evrenin yarıçapının ne hızda genişlediğini gösterir). Demek ki evren genişledikçe a parametresinin değeri de büyüyecektir. OK. Bu kadar teori yeter:

İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler

 

Bu denklem ne anlama geliyor?

Diyor ki evrenin birim zamandaki enerji yoğunluğu ne kadar yüksekse evren o kadar yavaş genişler. Evrenin enerji yoğunluğu ne kadar düşükse evren o kadar hızlı genişler. Bu da doğrudan yerçekimi ile ilişkilidir. Sonuçta yerçekimine kütle yol açar ve kütle enerjinin bir özelliğidir.

Öyleyse evrende enerji yoğunluğu ne kadar yüksekse yerçekimi de o kadar güçlüdür ve karanlık enerjinin evreni genişletme eğilimine rağmen, uzaydaki cisimlerin birbirini o kadar güçlü çekmesine yol açar.

Bugün biliyoruz ki karanlık enerjinin şiddeti birim uzayda sabittir (daha doğrusu mevcut teorileri açıklamak için eskisi gibi öyle varsayalım) ve bu yüzden uzayın şekli tıpkı bir fotokopi kağıdı gibi düzdür.

İlgili yazı: Evrenin En Büyük Yıldızı UY Scuti mi?

 

Evren neden kara delik olmadı?

Üç boyutlu evrende büyük patlama ile uzayın küre şeklinde genişlemesi gerekirken, evrenin neden düz olduğunu karanlık enerji ve zamanın akışı yavaşlıyor mu yazılarında anlattım. Bu yazıda dikkat etmemiz gereken tek şey karanlık enerjinin yerçekimini yenmesidir (birim uzayda şiddeti sabit olduğu için).

Kısacası karanlık enerji yerçekimini yendiği için evrenimiz büyük patlamayla oluşur oluşmaz kendi üzerine çöküp kara delik olmadı. Evrenin bugüne kadar genişlemeyi sürdürmesinin sebebi karanlık enerjidir. Hubble yasası denklemine geri dönecek olursak:

• Evren genişledikçe uzaydaki madde ve enerjinin yoğunluğu azalıyor.
• Enerji yoğunluğu azaldıkça uzayın genişleme hızı yavaşlıyor.

Bu nasıl olabilir?

Genç evren bugünkünden küçüktü ve enerji yoğunluğu fazla olduğu için yerçekimi de çok güçlüydü. Öyleyse genç evrenin daha yavaş bir hızla genişlemiş olması gerekmez mi? Dahası karanlık enerji nedeniyle evrenin genişlemesinin son 5 milyar yılda hızlandığını biliyoruz. Öyleyse uzak gelecekte evrenin genişlemesi neden yavaşlayacak?

İlgili yazı: Kepler Dünya’ya En Çok Benzeyen Gezegeni Buldu

 

Merak etmeyin, çelişki yok

Hubble yasası denklemini anlamak için Hubble sabiti ile karanlık enerji arasındaki bağıntıyı görelim. 1) Evren gençken evrenin genişlemesine yol açan büyük patlamanın enerjisiydi. Bunu tıpkı bir topu havaya fırlatmak gibi düşünün. Yerçekimi topun hızını kesene kadar top havaya yükselir (topu fırlatan büyük patlama).

Evrenimiz için de aynısı oldu: Büyük patlamanın enerjisi güçlü yerçekimine rağmen evrenin genişlemesini sağladı. Ancak, tam evrenin genişlemesi yerçekiminin etkisiyle yavaşlamıştı ki bu kez de karanlık enerji devreye girdi ve genişlemenin tekrar hızlanmasını sağladı. Bunu anlamak için şuna dikkat edelim:

• Evren genişledikçe galaksilerin arasındaki uzay boşluğu büyür.
• Karanlık enerjinin şiddeti birim uzayda sabitse uzay boşluğu büyüdükçe karanlık enerjinin etkisi artar.
• Karanlık enerji yerçekimine karşı koyan itici bir kuvvettir.
• Evren genişledikçe karanlık enerjinin oranı; yani karanlık madde, radyasyon ve normal maddeye oranı artar.
• Bu da evrenin daha hızlı genişlemesine neden olur.

İlgili yazı: Tuzlu Salda Gölü Mars’ta Hayata Işık Tutuyor

 

Hubble sabiti bunun neresinde?

Hubble sabitinin zamanla değişiyor olmasını bu bağlamda nasıl açıklarız? Evrenin genişleme oranı, yani uzayın genişleme hızı birim zamanda Hubble sabitinin değerini belirliyor. Uzayın genişleme hızının zamanla değiştiğini biliyoruz. Bu durumda evrenin genişleme oranı olan Hubble sabiti de zamanla değişecektir. Artık çerçeveyi çizdiğimize göre sıra gerçeği açıklamakta:

• Evren eskiden daha hızlı genişliyordu.
• Sonra genişleme yavaşladı.
• 5 milyar yıl önce yeniden hızlanmaya başladı.
• Öyleyse Hubble sabiti büyüktü, küçüldü ve şimdi tekrar büyüyor.

İlgili yazı: Çin Ay’dan Helyum 3 Füzyon Yakıtı Getirecek

 

Peki nereye kadar?

Aslında Hubble sabiti zamanla tek bir değere yakınsayacak ve gerçekten sabit olacak. Bugün Kartezyen grafikteki düz köşegen çizgi değil de eğri iken uzak gelecekte, en erken 130 milyar yıl sonra gerçekten düz köşegen çizgi olacak. Neden böyle olacak ve Hubble sabiti bugün bir eğri olsa da neden bütün galaksilerin bizden uzaklaşma hızı bu eğriyi izliyor?

İkinci sorunun yanıtını yukarıda verdim ama hatırlatayım: Uzayın ve dolayısıyla galaksilerin bizden uzaklaşma hızını Hubble sabitine, yani evrenin genişleme oranına göre belirliyoruz. Hubble sabiti birim zamanda evrenin her yerinde aynıdır; ama zamanda değişiyor.

İlk soruya gelince, bunu da uzak gelecekle açıklayalım: Evren genişledikçe galaksilerin arasındaki uzay boşluğu büyüyecek ve bunun iki sonucu olacak. 1) Madde ve enerji yoğunluğu azalacak. 2) Işık dalgalarının içinden geçtiği uzay boşluğu büyüdüğü için ışık dalgaları da kumaş gibi gerilecek. Bu sebeple dalga boyu uzayacak, frekansı azalacak ve ışık kırmızıya kayacak.

Zaten evrenin genişlediğini de ışığın kırmızıya kaymasıyla görüyoruz. Uzak galaksilerin bizden uzaklaşma hızı arttıkça ışığı da kırmızıya kayıyor; çünkü en uzak galaksiler bizden en önce uzaklaşmaya başlayan galaksiler ve bugün bizden çok ama çok uzaklar: 45 milyar ışık yılı.

İlgili yazı: CERN için 8 Kat Güçlü Çarpıştırıcı Tasarlanıyor

 

Bu ne yaman çelişki?

Bugün gözlemlenebilir evren yaklaşık 90 milyar ışık yılı çapında. Oysa evren sadece 13,78 milyar yıl yaşında. Peki hiçbir şey ışıktan hızlı gidemiyorsa ve ışık hızı da sonlu ve sabitse evren nasıl olur da yaşının izin verdiğinden büyük olur?

Bu soru aklınıza gelip kafanızı karıştırmasın diye cevabını hemen veriyorum; fakat detaylı cevabını paniklemeyin ama evren küçüldü yazısında bulabilirsiniz: Hiçbir şey ışıktan hızlı gidemez; ancak uzayın ışıktan hızlı genişlemesine engel yoktur ve evren yeni oluştuğunda, çok kısa bir süre için ışıktan hızlı genişledi. Bu yüzden o kadar şişti. Kısacası Hubble sabiti bebek evrende çok yüksekti!

Öyle ki

Evren sadece yaklaşık 7 milyar, yani yaklaşık yarı yaşında iken Hubble sabiti (uzayın genişleme hızı) bugünkünden yüzde 80 büyüktü. Evren sadece 1,4 milyar yıl, yani bugünkünün onda biri yaşta iken uzayın genişleme hızı 17 kat yüksekti. Oysa evren bugünkünden 10 kat yaşlı, yani 137,8 milyar yıl yaşına ulaştığında uzay günümüzden yüzde 18 daha yavaş genişliyor olacak.

İlgili yazı: SpaceX Mars’a Terleyen Yıldız Gemisi ile Gidecek

 

İşte asıl soru bu

Evren genişledikçe karanlık enerjinin şiddeti değil, ama en azından oranı (toplam miktarı) artıyorsa neden evrenin genişlemesi zamanla yavaşlıyor? Bunun sebebi yine karanlık enerji ve aslında çok basit. Artık detayları gördüğümüze göre zurnanın zırt dediği yere gelip net cevap verebiliriz.

Evrenin genişlemesi son 5 milyar yılda hızlandı; ama bugün bile büyük ölçüde büyük patlamanın sağladığı itkiyle, momentumla genişliyor; yani karanlık madde, normal madde, radyasyon ve normal enerjinin momentumu evrenin genişlemesinin hâlâ baş sebebi.

Ancak, karanlık enerjinin şiddeti birim uzayda sabit olduğu için uzay genişledikçe miktarı da artıyor. Karanlık enerji bugün evrenin yaklaşık yüzde 68’ini oluşturuyor ve bu oran gittikçe artıyor!

Evrendeki madde ve enerji yoğunluğu asla sıfıra düşmeyecek ama Kartezyen düzlemdeki 0 çizgisine, 0 asimptotuna (sonuşmaz) sürekli olarak yakınsayacak. Kısacası karanlık enerjinin evrendeki miktarı o kadar artacak ki büyük patlamadan kalan momentumun, evrenin genişleme oranı ve uzayın genişleme hızında hiçbir rolü olmayacak. Eh, karanlık enerjinin birim uzaydaki şiddeti sabitse…

Bu da

Uzayın uzak gelecekte hep sabit hızda genişleyeceği anlamına geliyor. Demek ki uzak gelecekte Hubble sabiti gerçekten sabit olacak ve Kartezyen grafikteki o ideal köşegen düz çizgiye dönüşecek. Fiyuu! Nereden nereye geldik! Bin dereden su getirdik ve olayı çözdük. 🙂 Peki bu kimin suçu?

İlgili yazı: İlk Kara Delikleri Karanlık Madde Oluşturdu

 

Bilim insanlarının suçu

Sonuçta beşer şaşar, humanum errare est, insan yanılır… Bilim insanları Hubble yasasında bir teknik terim hatası yapmasalardı ben de bu yazıyı yazmayacaktım. Ancak, her olan işte bir hayır vardır. Siz de bu bahane ile evreni daha yakından tanımış oldunuz. 😉

Öyleyse Hubble sabiti yerine hangi terimi kullanmalıyız? Tabii ki Hubble parametresi terimini… Sonuçta parametrenin Türkçesi değişken sözcüğüdür ve bu da Hubble sabitinin zamanla değiştiğini göstermek için doğru terim.

Öte yandan Hubble sabiti uzayda sabittir. Bunu da unutmamalıyız. İyi de koskoca fizikçiler bu hatayı nasıl yaptılar? Sonuçta astronominin devlerinden birinden, Hubble teleskopuna adını veren Edwin Powell Hubble’dan söz ediyoruz. Bu hatayı nasıl yaptı?

İlgili yazı: Zamanın Akışı Yavaşlıyor mu ve Bir Gün Duracak mı?

 

Nasıl yapmasın ki?

Eskiden teleskoplarımızla çok uzağı göremiyorduk ve görebildiğimiz kadarıyla Hubble sabiti de (H) gerçekten sabitti. Mesela evrenin genişlediğini gösteren kırmızıya kayma bile, 6 milyar ışık yılı uzaklıktan itibaren, evrenin genişlemesinin son 5 milyar yılda hızlandığını gösteriyor. Biz bunu 1998’de fark ettik. Hubble sabitinin aslında Hubble parametresi olduğunu o yıl anladık.

Peki ya karanlık enerjinin birim uzaydaki şiddeti de zamanla değişiyorsa? O zaman ne yapacağız? Nitekim kozmolojide kriz çıktı: NASA’nın Chandra X-ışını uzay teleskopu ve Avrupa Uzay Ajansı’nın (ESA) XMM-Newton uzay teleskopu, karanlık enerjinin şiddetinin değişiyor olabileceğini gösterdi.

Öyle ki uzayın genişleme hızını nispeten kısa mesafelerde ölçmemizi sağlayan Tip-Ia süpernovaların sağladığı ölçümlerle uzayın genişleme hızını uzak mesafelerde ölçmemizi sağlayan kuasar ölçümleri birbiriyle çelişiyor. Sanki evren iki farklı hızda genişliyor! Bunun bir açıklaması da karanlık enerjinin şiddetinin zamanla değiştiğini varsaymak; ama bu da yeni bir fizik icat etmek demek.

Peki süpernova nedir? Tip-Ia süpernovalar neden genişleme hızını ölçmemizi sağlayan “standart mumlardır”? Kuasar nedir ve bunun karanlık enerjiyle ne ilgisi var? Bu sorular da yazı dizimizin 2. bölümünün konusu ve siz de  Karanlık Enerjinin Şiddeti Artıyor Olabilir başlığıyla bu heyecan verici konuyu hemen okuyabilirsiniz.  Sağlıcakla kalın!

Hubble yasası ve evrenin genişlemesi

¹The Price of Shifting the Hubble Constant
²First measurement of the Hubble constant from a dark standard siren using the Dark Energy Survey galaxies and the LIGO/Virgo binary-black-hole merger GW170814