2002-2010: LIGO’nun ilk çalışmaları başladı – gravitasyonel dalgalar algılanmadı. 2007: LIGO ve VIRGO ekipleri verileri paylaşma konusunda anlaştılar; böylece, gravitasyonel dalga algaçları global ağı oluşturuldu. 2010-2015: LIGO algaçlarının güncellenmesi için 205 milyon dolar harcandı. 2016: 11 Şubat’ta NSF ve LIGO ekibi gravitasyonel dalgaların başarılı bir biçimde algılandığını duyurdu.
“Dolaysız olarak algılandığında, gravitasyonel dalgaları Genel Göreliliğin sınanmasında kullanabilecek miyiz? Hayır! Çünkü gravitasyonel dalga kaynağı olabilecek cisimler (gravitasyonel çökmeler, süpernovaların iç bölgeleri, kara delikler, kısa dönemli çift yıldız dizgeleri, çift atarcalar, vb.) o denli karmaşıktır ki, bu cisimlerin yapı ve dinamiğinin etkilerini Genel Görelilik etkilerinden ayırmak son derece zordur. Bu nedenle gravitasyonel dalgaların algılanması durumunda bile kullanacağımız yöntem, Genel Göreliliği doğru varsayıp, kaynak cisimlerin yapı ve dinamiğine ilişkin bilgilenmeyi sürdürmek olacaktır.
“Gravitasyonel dalgaların dolaysız algılanması gerçekleştiğinde gökbilimin yeni bir araştırma dalı, Gravitasyonel Dalga Gökbilimi başlayacak. Optik, radyo, X-ışınları, moröte ve kızılöte dalgaboylarında çalışan gökbilimciler nasıl ki Maxwell’in elektromanyetik kuramını sınamak yerine, kaynağa ilişkin bilgilenmeyi yeğliyorsa, gravitasyonel dalga gökbilimcisi de bu dalgaları inceleyerek evrenin yapısına ilişkin bilgilenmeye yönelecektir.” (Will, C. M., Was Einstein Right, Basic Books, 1986)
Öngörüden gerçeğe giden yol: Gravitasyonel dalgaların araştırılma tarihi
1915: Albert Einstein Genel Görelilik kuramını yayımlatır; Einstein graviteyi uzay zaman süredurumunun kütle veya erkeyle bükülmesi olarak tanımlar.
1916: Einstein belli yörüngelerde dönen büyük kütleli gök cisimlerinin uzay zaman süredurumunda gravitasyonel dalga adı verilen bükülmelere neden olacağını öngörür.
1936: Einstein’ın makalesini inceleyen hakem makaledeki bir yanlışa işaret edince Einstein tekrar düşünür ve basıma gönderdiği metinde dalgaların var olmadığını ileri sürer.
1962: Rus fizikçileri M. E. Gertsenshtein ve V. I. Pustovoit kimsenin dikkatini çekmeyen bir makale yayımlatırlar ve makalede gravitasyonel dalgaların optik bir yöntemle algılanmasına ilişkin çizge (sketch) kullanırlar.
1969: Fizikçi Joseph Weber büyük kütleli bir alüminyum silindir kullanarak gravitasyonel dalgaları algıladığını savunur ancak yinelenen deneyler başarısızlıkla sonuçlanır.
1972: Cambridge MIT (Massachusetts Institute of Technology) profesörlerinden Rainer Weiss gravitasyonel dalgaların optik yöntemle algılanabileceğini bağımsız olarak ileri sürer.
1974: Çift atarcaların dolanma dönemlerinin azalmasını gözlemleyen Joe Taylor ve Russell Hulse adlı gökbilimciler dönem azalmasını nötron yıldızın gravitasyonel dalgalar yoluyla erke yitirmesi şeklinde yorumladılar ve bu çalışmaları nedeniyle Nobel ödülü aldılar.
1979: Ulusal Bilim Vakfı (NSF – National Science Foundation) LIGO tasarımının geliştirilmesi için Pasadena’daki Kaliforniya Teknoloji Enstitüsünü ve Massachusetts Teknoloji Enstitüsünü parasal olarak destekledi.
1990: Ulusal Bilim Vakfı LIGO deneyine 250 milyon dolar vermeyi onadı.
1992: LIGO sitesi için Washington ve Louisiana’da yer belirleme çalışmaları tamamlandı; 2 yıl sonra yapımına başlandı.
1995: LIGO ile birlikte gravitasyonel dalga algılayacak olan Almanya’daki GEO600 gravitasyonel dalga algacının yapımına başlandı; 2002 yılında GEO600 ile veri alınma süreci başladı.
1996: Italya’daki VIRGO gravitasyonel dalga algacının yapımına başlandı; 2007 yılında veri alınma süreci başladı.
2002-2010: LIGO’nun ilk çalışmaları başladı – gravitasyonel dalgalar algılanmadı.
2007: LIGO ve VIRGO ekipleri verileri paylaşma konusunda anlaştılar; böylece, gravitasyonel dalga algaçları global ağı oluşturuldu
2010-2015: LIGO algaçlarının güncellenmesi için 205 milyon dolar harcandı.
2015: Gelişkin LIGO algacının algılama süreci Eylül ayında başladı.
2016: 11 Şubat’ta NSF ve LIGO ekibi gravitasyonel dalgaların başarılı bir biçimde algılandığını duyurdu.
Elektromanyetik dalgalar ve girişim
LIGO algaçlarının gravitasyonel dalgaları algılamada kullandığı yöntemi daha iyi anlayabilmek için elektromanyetik dalgaların doğasını ve en az iki ışınım kaynağından çıkan ve karşılaşan elektromanyetik dalgaları bekleyen yapıcı (constructive) ve yıkıcı (destructive) girişimleri anımsamada yarar var.
Elektromanyetik dalgalar, adı üzerinde, elektrik alan ve manyetik alanın birlikteliğidir (Şekil 1). Bu alanlar vektörel olarak simgelenir. Dalganın yayıldığı yön elektrik ve manyetik alanın oluşturduğu düzleme dik yöndedir. Sinüsodial değişim gösteren elektrik ve manyetik alan vektörleri için tanımlanan bir özellik de “evre”dir (phase). Evreler açı dereceleriyle gösterilir. Şekil 1’de kırmızı renkle gösterilen elektrik alan vektörlerini düşünelim. Şeklin sol başında elektrik alan ve manyetik alan vektörleriyle dalganın yayılma yön vektörünün kesiştiği nokta “sıfır evre” (00) olarak adlandırılır; sinüs eğrisinin maksimuma ulaştığı evre “900”; sonra tekrar sıfırlandığı evre “1800”; elektrik alan vektörlerinin ters yöne döndüğü ve sinüs eğrisinin negatif yönde maksimum olduğu evre “2700”, vd.
Şekil 2 “üst”te iki farklı kaynaktan çıkan elektromanyetik dalgaların birbiriyle aynı evrede (in phase) karşılaştığı gösteriliyor. Kısacası, dalgaların 00, 900, 1800, 2700, vd. evreleri çakışık. Bu durumda dalgalar yapıcı girişimde (constructive interference) bulunur. Yapıcı girişimle ortaya çıkan dalganın genliği artar. Şekil 2 “alt” yine iki farklı kaynaktan çıkan elektromanyetik dalgaların 1800lik evre farkıyla karşılaştığı gösteriliyor. Bu dalgaların pozitif yöndeki elektrik alan vektörüyle aynı noktada aynı uzunlukta ve zıt yöndeki elektrik alan vektörleri birbirini sıfırladığından yıkıcı girişim (destructive interference) olur ve elektromanyetik dalgalar söner.
Gravitasyonel dalgaların yokluğunda algaçlar arasındaki uzaklık eşit olarak kalır, ışık dalgaları birbirini yıkıcı girişimle yok eder, algaçta sinyal oluşmaz. Eğer gravitasyonel dalgalar algaçlardan geçerse, uzay zaman süredurumunu bir yönde gererken diğer yönde büzer (bkz. Şekil 3).
Sayfa düzleminde dik doğrultuda yayılan gravitasyonel dalganın ‘uzama’/ ‘kısalma’ genliği “h” ile betimlenir. Gravitasyonel dalga çember üzerine dağılmış olan test parçacıklarını elips şekline dönüştürür. Dalganın yarım çevrimi boyunca elipsin büyük ekseni, örneğin x-yönündeyse, diğer yarım çevrim boyunca y-eksenine döner. Titreşimsel olan bu bozulma, yönelimi şekildeki gibi olan Michelson girişimölçeriyle ölçülebilir. Uzunluktaki titreşimler LIGO’nun her iki kolundan gelen lazer ışığının evre kaymalarını değiştirir. Lazer ışığındaki bu evre kaymaları da yeşil renkli yarım çember ile gösterilen foto algaç tarafından algılanır. Şekil 3, gravitasyonel dalganın doğrusal uçlaşmış biçemlerinden birini gösteriyor.
Bu durumda girişimölçerin bir kolu diğerinden daha uzun olur ışık dalgaları gerektiği gibi zıt evrelerde buluşarak yıkıcı girişim yapamaz ve gravitasyonel dalgaların varlığına işaret eden sinyal algılanmış olur (Şekil 4). LIGO çok duyarlıdır, aynalar arasındaki uzaklık değişimi protonun çapının binde biri denli küçük de olsa algılar.
Çarpışan iki kara delikten gelen ses
https://www.ligo.caltech.edu/video/ligo20160211v2 uzantısındaki videoda işitilen ses, çarpışan kara deliklerin saldığı gravitasyonel dalgaların ses dalgalarına dönüştürülmesiyle üretilmiştir. 14 Eylül 2015 tarihinde LIGO, her biri Güneş kütlesinin yaklaşık 30 katı olan iki karadeliğin birleşmesi sonucu üretilen gravitasyonel dalgaları gözlemiştir. Saniyenin fraksiyonları denli kısa süren bu son derece güçlü çarpışma gözlenebilir evrenimizdeki tüm yıldızların saldığı erkeden 50 kez daha büyük erke açığa çıkarmıştır.
Animasyonun ilk iki aşamasında ses dalgalarının frekansıyla gravitasyonel dalgaların frekansı birbiriyle tam uyuşum içinde; ikinci iki aşamalı animasyondaysa frekans aralığı insanların sesleri işitme frekansına uygun olarak yükseltilmiştir. Animasyon, orijinal frekanslarda iki kez daha gösterilmiştir.
Kara delikler birbirine doğru sarmal yörüngelerde giderek yaklaştıkça gravitasyonel dalgaların frekansı da artar. Bu seslere biliminsanları “cıvıltı” diyor, çünkü gravitasyonel dalga üreten bazı olaylar kuşların cıvıltısına benzer sesler çıkarır.
Not: İnsanlar (Ludwig Bethooven hariç!) 20 Hz – 20 kHz frekans aralığındaki sesleri algılar.
Genel Görelilik kuramına göre, birbiri çevresinde yörüngede dolanan iki kara delik gravitasyonel dalga üreterek erke yitirir ve milyarlarca yıl süren dönemde birbirine giderek yaklaşır ve son dakikada çok hızlı bir süreçle çarpışırlar. Çarpışma hemen hemen ışık hızının yarısına denk bir hızla olur, sonuçta bir tek kara deliğe dönüşürler, kütlelerinin toplamının bir kısmı Einstein’ın ünlü formülü E = mc2 ye göre erkeye dönüşür (Einstein’ın E = mc2 formülünü nasıl keşfettiği aşağıdaki şekilde gösteriliyor!). Bu erke, gravitasyonel dalganın son güçlü dalgası olarak salınır. LIGO işte bu son aşamada üretilen gravitasyonel dalgalarını algılamıştır.
Gravitasyonel dalgaların varlığı ilk kez 1970’li ve 1980’li yıllarda Joseph Taylor, Jr. ve çalışma arkadaşlarınca gösterilmiştir. Taylor ve Russell Hulse 1974 yılında bir çift atarca dizgesinin varlığını bulmuşlardır. Taylor ve Joel M. Weisberg 1982 yılında bir çift yıldız dizgesindeki atarcanın yörünge döneminin azaldığını bulmuşlar ve bu azalmanın nedeninin atarca tarafından salınan gravitasyonel dalga erkesi olduğunu ileri sürmüşlerdir. Çift Atarcaların keşfi ve bu keşfin gravitasyonel dalga ölçümleri için kullanılabileceği olasılığı nedeniyle Hulse ve Taylor 1993 yılında Fizik dalında Nobel Ödülü kazanmışlardır.
LIGO algaçlarının bulgusu gravitasyonel dalgalara ilişkin ilk gözlemdir. Bu bulgu, Yer yakınından geçen gravitasyonel dalgaların uzay-zaman süredurumunda ortaya çıkardıkları küçük bükülmenin ölçümüyle yapılmıştır.
LIGO araştırması, ABD’deki üniversitelerden ve diğer 14 ülkeden katılan 1000’den fazla biliminsanı tarafından oluşturulan LIGO Bilimsel İşbirliği (LSC – LIGO Scientific Collaboration) ile yürütülmüştür. LSC’deki 90’dan fazla üniversite ve araştırma enstitüsü algaç teknolojisi geliştirmiş ve veri çözümlemesi yapmıştır. LSC’de yaklaşık 250 öğrenci de işbirliğine büyük katkıda bulunmuştur. LSC algaç ağı LIGO girişimölçerleri ve GEO600 algacından oluşuyor. GEO takımında Max Planck Enstitüsü Gravitasyonel Fizik bölümünde (Albert Einstein Institute, AEI) Hannover Leibniz Üniversitesi’nde, Glasgow Üniversitesi’nde, Cardiff Üniversitesi’nde, Birmingham Üniversitesi’nde ve İngiltere’deki diğer üniversitelerde ve İspanya Balearic Adaları Üniversitesi’nde çalışanlar yer almıştır.
Kuşkucuların kuşkularını gidermek gerek!
LIGO fizikçileri beş ay boyunca bulgularını sıkı bir denetim altına aldılar. Araştırıcıların çoğu algılanan sinyalin gravitasyonel dalgalardan gelen gerçek bir sinyal olup olmadığını bilemez. LIGO genellikle algıladığı sinyallere “blind injections” denen, aygıtları sınayan ve araştırmacıları da uyanık tutma amacıyla sahte sinyalleri de ekler. Ancak 14 Eylül 2015 tarihinde “blind injection” dizgesi çalışmıyordu. Fizikçiler 5 yıl süren ve 205 milyon dolara malolan güncellenmiş ve duyarlılığı artırılmış olan aygıtın yapımını tamamlamışlardı. İşbirliği içinde çalışan tüm araştırmacılar sinyalin büyük bir olasılıkla gerçek olduğunda görüş birliğindeydi. Gonzales, “O gün sinyalin doğru olduğuna kanaat getirdim” dedi.
Sağ: “Birinci çıkıntı kara deliklerin çarpışmasından, ikincisi de kutlama yapan bilim insanlarından gelen ses”.
Buna karşın LIGO fizikçileri, sinyalin kötü amaçlı bir şaka olabileceği olasılığını da dikkate alarak tüm sahte seçenekleri ayıklamalıydılar. Reitze, “Sinyalin bir muzip tarafından şaka olarak üretilmiş olup olmadığını bir ay boyunca araştırdık” dedi. Gonzales, “Bu gravitasyonel dalgaların ilk algılanışıydı, o nedenle yanılgıya yer bırakmamalıydık” dedi.
Glasgow Üniversitesi fizik ve astronomi profesörü Sheila Rowan, “Bilimin bu çok önemli dönüm noktası tüm dünyadaki biliminsanlarının ortak çalışmasıyla olası kılınmıştır. GEO600 algacımız için geliştirilmiş olan lazer ve süspansiyon teknolojisi, gelişkin LIGO’yu, bugüne dek geliştirilmiş olan gravitasyonel dalga algaçları içinde en duyarlı düzeye çıkarmıştır” dedi.
Gravitasyonel dalgalara neden olan olayın yönünü doğru olarak saptayabilmek ve sinyalin yerel olaylardan değil de gökyüzünden kaynaklandığını saptayabilmek için bağımsız ve birbirinden olabildiğince ayrı noktalara konuşlanmış gözlemevlerine gereksinim vardır.
Bu amaçla, üçüncü gelişkin LIGO algacının Hindistan yarımadasında konuşlanması için LIGO laboratuarı Hindistan’daki biliminsanlarıyla sıkı bir işbirliği içinde çalışıyor. Çalışmada yer alan kurumlar şunlardır: Inter-University Centre for Astronomy and Astrophysics, the Raja Ramanna Centre for Advanced Technology ve Institute for Plasma. Hindistan hükümetinin onayını bekleyen proje, gelecek on yıl içinde gözlemlere başlayabilir. Amaçlanan bu ek algaç, gravitasyonel dalga kaynaklarının konumunu saptayacak olan global algaç ağının yeteneğini artıracaktır.
Avustralya Ulusal Üniversitesi Gravitasyonel Fizik Merkezi yöneticisi ve fizik profesörü David McClelland, “Ümit ediyoruz ki, gravitasyonel dalgalara ilişkin bu ilk algılama global algaçlar ağının yapımını hızlandıracak ve çok iletiler sunan gökbilim çağında kaynağın konumunun çok sağlıklı olarak saptanmasına yardımcı olacaktır.” (https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20160211)
Gürültü kaynaklarının tanısı
B.P. Abbott, R. Abbott, T.D. Abbott ve arkadaşlarının, “Characterization of transient noise in Advanced LIGO relevant to gravitational wave signalGW150914” başlıklı makalesinde değişik kaynakların ürettiği gürültülerin tanılarının yapıldığı anlatılıyor: (arXiv:1602.03844v2 [gr-qc] 16 Feb 2016)
Gürültü Kaynaklarının Tanısının Yapılması
LIGO algaçlarının her biri 200.000 adet yardımcı kanal (auxiliary channels) yardımıyla algacın davranışını ve çevre koşullarını denetler. Bu kanallar, gravitasyonel dalgalarla eşleşebilecek gizilgüce (potansiyele) sahip süreçleri gözler; sözü edilen kanallar aygıtlardaki yanılgıların ve gürültü korelasyonlarının tanısını yaparlar.
Algacın gürültü tanısı yapan kanallarına örnek olarak optik aygıtların açısal kaymalarının ölçümü; titreşim odasının optik aygıtının denetimini yapan sinyaller; bir aynadan geçirilen ve bir dizi diod tarafından algılanan ışık sayılabilir. Gravitasyonel dalga adaylarının tanısının yapılmasına ek olarak ardalandan kaynaklanan ve yardımcı kanallar içinde gravitasyonel dalgalarla eş zamanlı oluşabilecek gürültüler üzerinde saatler veya günler süren çalışmalar da yapılmaktadır.
Astrofiziksel kaynakların, milisaniye ile birkaç saniye aralığında süren geçici sinyallerinin tanısı da yapılabiliyor.
Aşağıda sunulan bazı gürültüler, gravitasyonel dalgaların araştırıldığı ardalana önemli ölçüde etki yapar.
– Bazı insan-türümsel (antropojenik) gürültü kaynakları gravitasyonel dalgalar üzerinde kısa süreli geçici etki yapabilir. Örneğin, vakum hücresinin bulunduğu odalardan birindeki insan etkinlikleri veya yakın bölgedeki inşaat alanlarından gelen kesikli ancak yeğin yer kazma işlemleri. Böylesi titreşimsel veya akustik gürültüleri azaltmak amacıyla, algaçların veri topladığı sıralarda algaçtan sorumlu personel, algaçların optik aygıtlarının bulunduğu odalara giriş çıkış yapmazlar. Algacı etkileyecek olan herhangi bir antropojenik gürültü bir dizi ivmelendirici (accelerometers), sismometre ve mikrofon ile denetlenir.
– Depremler de algaçlarda frekansları 0,03 – 0,1 Hz aralığında, eğer deprem merkezi yakınlardaysa daha yüksek frekanslarda yer sarsıntıları üretir. Depremin neden olduğu sismik dalgaların en büyük genliğe sahip olan R-dalgaları gravitasyonel dalga verilerinin niteliğini çok kötü bir biçimde etkiler. Bu tür dalgalar algaçların işlememesine veya optik aygıtlarda düşük frekanslı devinimlere, lazer ışığının saçılmasına neden olur. LIGO algaçlarına yerleştirilmiş olan sismometreler depremlerin neden olduğu tedirginliklerin tanısını kolayca yapar.
– Radyo frekans (RF) modülasyon bandları algaçlar içindeki değişik optik odaları (cavities) denetler. Lazer girdi alanına 9 ve 45 MHz’de iki modülasyon uygulanır. LIGO-Hanford’da çözümlemelerin başladığı dönemden beri 45 MHz’de işlem yapan elektro-optik modülatör dizgesinde zaman zaman yüksek oranda gürültü algılanmıştır. Bu gürültü 10 Hz ve 2000 Hz kanalları arasındaki gravitasyonel dalga kanallarını etkiler. Bu elektronik hatayla ilgili veri çözümlemelere katılmamıştır. İlgili çalışma GW150914 çözümlemesine uygulanmıştır.
Tiz sesli geçici (blip transients) gürültüler gravitasyonel dalga strain kanalında (h(t)), zaman vs. frekans uzayında “gözyaşı damlası” biçiminde, 30-250 Hz frekanslarında ve sinyalin en yüksek gücü düşük frekanslarda olmak üzere görülür (bkz. Şekil 5).
GW ile ilişkili gürültü (Correlated noise)
Her iki algacı hemen hemen aynı anda etkileyebilecek olan gürültü kaynakları gravitasyonel dalgaları öykünür (taklit eder – İng. imitate) ve bu gürültüler ardalan araştırma değerlendirmelerinde zaman kaydırması yapılarak ortaya çıkarılamaz. Elektromanyetik gürültü kaynakları şimşek, Güneş’te süregelen patlamalı süreçler ve Güneş rüzgarının ve de radyo frekanslarında (RF) yapılan iletişimlerin (communication) neden olduğu gürültülerdir. Eğer elektromanyetik gürültü h(t)’yi etkileyecek denli güçlüyse, radyo alıcılarında ve manyetometrelerde yüksek sinyal/gürültü oranıyla tanı kazanacaktır.
Şimşek çakmaları tüm dünyada (globally) saniyede onlarca kez olur. Şimşekler manyetik Schumann rezonansını uyartır. Bu rezonansta gürültü, temel frekans 8 Hz olmak üzere hemen hemen harmonik dizi şeklinde görülür. Ancak, Schumann rezonansının ürettiği manyetik alan genlikleri pico Tesla düzeyinde olduğu için h(t)’de güçlü sinyal üretemezler.
LIGO yakınlarında çakan bir şimşek (şimşek elektriksel akımdır) işitilebilir frekanslarda manyetik alan aracılığıyla h(t)’de kısa süreli bir gürültü uyartır. Ancak, çok güçlü şimşekler bile, her iki algaçta bulunan fluxgate manyetometrelerde aynı anda algılanabilecek yeğinlikte manyetik alan üretemez.
İşitilebilir frekans bandındaki elektromanyetik sinyaller insan ve güneş kaynaklı da olabilir. Örneğin Güneş radyo patlamaları (flares) ve Güneş rüzgarıyla ilişkili elektrik yüklü parçacıklar. Çözümleme döneminde gerçekleşen güçlü Güneş ve jeomanyetik olaylar üzerinde çalışıldı ve algaçlarda h(t) etkisi gözlenmedi.
Gravitasyonel dalga gözlemevleri ağı
Gravitasyonel dalga algaçlar global ağı, biri Washington/Hanford diğeri Louisiana/Livingston’da bulunan LIGO ikizleri ve Almanya’daki GEO600. İtalya’daki Virgo ve Japonya’daki Kamioka Gravitasyonel Dalga Algacı (KAGRA) yenilenme aşamasında olup işlemlere 2016 (Virgo) ve 2018 yılında (Kagra) başlaması planlanıyor. Altıncı gözlemevinin Hindistan’da kurulması planlanıyor. Gravitasyonel dalga gözlemevlerinin tüm dünyaya yayılması durumunda dalgaların evrendeki konumu ve kaynağı rahatlıkla saptanabilecek.
