Ana sayfa 145. Sayı Yepyeni bir astrofiziğe doğru: Kütleçekim dalgaları

Yepyeni bir astrofiziğe doğru: Kütleçekim dalgaları

244
PAYLAŞ

Derleyen: Cem Oran

Kütleçekim dalgalarının ilk kez doğrudan gözlemlenmesiyle, Einstein’ın genel görelilik teorisi bir kez daha sınavı geçti. Fakat bu keşif astrofizikçiler için bunun ötesinde anlamlar taşıyor: Yüksek kütleli yıldızsal kara deliklerin varlığı, doğada iki adet kara delikten meydana gelen ikili sistemler oluşabildiği, evrenin yaşının bu kara delik çiftlerinin birbirleri etrafında spiral yörüngeler çizerek birleşmesi süreci için yeterli olduğu kanıtlandı. Ve esas önemlisi, kütleçekim dalgalarının dinlenerek, bu dalgaların kaynağı olan, kara delikler, nötron yıldızları ve süpernovalar gibi objeler hakkında bilgi toplanması esasına dayanan “kütleçekim dalgaları astronomisi” adında yeni bir araştırma dalı doğdu.

LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory- Lazer Girişimölçer Kütleçekim Dalgası Gözlemevi) ekibi 11 Şubat’ta yaptığı açıklamada, 1,3 milyar ışık yılı uzaklıktaki iki kara deliğin çarpışması sonucu meydana gelen kütleçekim “çınlamasını” kaydetmeyi başardıklarını duyurdu. Ekibin tahminlerine göre, birbiri etrafında spiraller çizerek dönen biri 36 Güneş kütlesine, öteki ise 29 Güneş kütlesine sahip olan bu kara delikler 62 Güneş kütlesinde bir kare delik yaratacak şekilde birleştiler. Yapılan açıklamalara göre bu birleşme sonucunda gözlemleyebildiğimiz evrendeki tüm yıldızların bir an içerisinde ışık formunda yaydıkları enerjiden daha büyük miktarda enerji kütleçekim dalgaları formunda yayınlandı. Bu aynı zamanda biliminsanları tarafından gözlenebilen ilk kara delik birleşmesi olduğundan ayrı bir önem taşıyor.

LIGO deneyinin bu keşfi 10 yılı aşkın araştırma süreci ve sistem geliştirmesine harcanan 200 milyon dolarlık bütçeye mal olan bir zafer. Peki nedir bu kütleçekim dalgaları? Gözlemlenmelerini bu kadar zahmetli kılan ne? LIGO kütleçekim dalgalarını nasıl keşfetti? Bu keşif bize neler öğretti? Ve yakın gelecekteki araştırmalar için bize neler vaat ediyor? Bu yazıda bu soruları cevaplamaya çalışacağız.

Genel göreliliğin bir çıkarımı: Kütleçekim dalgaları

1916’da Einstein’ın varlığını öngördüğü kütleçekim dalgaları, süpernova patlamaları veya kara delik birleşmeleri gibi evrendeki en şiddetli olaylar sonucunda ortaya çıkan uzay-zaman dokusundaki dalgalanmalardır. Teoriye göre kütleçekim dalgaları yıkıcı olayların enerjilerini evren boyunca bir kütleçekimsel ışınım misali taşıyor; tıpkı bir taşın su birikintisine düşmesiyle su yüzeyine yayılan dalgalar gibi. Fizikçilerin öngörülerine göre kütleçekim, fotonların kütleçekim karşılığı olan “graviton” denilen parçacıklar tarafından aktarılıyor. Eğer ki gravitonlar fotonlar gibi kütlesizse, genel göreliliğin ortaya koyduğu gibi kütleçekim dalgaları da uzayda ışık hızında hareket ediyor demektir. Fakat gravitonların küçük de olsa bir kütleye sahip olması da olasıdır ki, bu durum dalgaların ışık hızından daha düşük hızlarda hareket edeceği anlamına gelir.

LIGO’nun Washington-Hanford yakınlarındaki gözlemevi (Kaynak: ligo.caltech.edu).

Bugüne kadar kütleçekim dalgalarıyla ilgili olarak esas problem, kimsenin onları doğrudan gözlemleyememiş olmasıydı. LIGO’nun keşfinden önce evrendeki bu temel etkiyle ilgili tüm bildiklerimiz, bu dalgaların uzaydaki çeşitli objeler üzerindeki, var olduğu düşünülen etkileri üzerine dolaylı gözlemlerden ibaretti. 1974’de Massachusetts Amherst Üniversitesi’nden fizikçiler Joseph Taylor ve Russell Hulse birbirleri etrafında dönen bir nötron yıldızı çiftinin yayınladığı radyo tayfındaki parlamaları izleyerek, kütleçekim dalgalarının varlığını dolaylı yoldan kanıtlamayı başardılar. Parlamaların zamanlamasındaki kaymalar Einstein’ın kütleçekim dalgalarının kaynaktan aldığı enerjiyi dışarıya aktarma süreciyle ilgili öngörüleriyle örtüşüyordu. Bu keşif 1993’de iki biliminsanına da Nobel Fizik Ödülü’nü kazandırdı.

Fakat kütleçekim dalgalarını doğrudan gözlemlemek için çok daha yüksek hassasiyete sahip deney ölçümleri yapabilmek şart. Uzayın büyüklüğü içerisinde, evrendeki en şiddetli olayların dahi yarattığı uzay-zaman dalgalanmalarının dünya üzerinde inanılmaz derecede küçük bir etkisi var. Kütleçekim dalgalarını yaratmaya giden tüm enerji düşünüldüğünde, uzay zaman dalgalanmalarının kendisi son derece zayıf. Kütleçekim dalgalarının uzay-zaman dokusunda yarattığı değişim o kadar küçük ki, Güneş Sistemi’ne en yakın yıldız olan Alpha Centauri ile Güneş arasındaki mesafe ile orantılarsak uzay-zaman dokusundaki anlık büzülüp genişlemeler, ancak bir saç telinin kalınlığına karşılık geliyor. Onları tespit edebilmek için yüksek derecede hassas ölçüm sistemleri gerekli. LIGO bu anlamda kütleçekim dalgalarının peşindeki dünyanın en gelişmiş deney sistemi.

LIGO merkezleri tarafından yakalanan sinyaller (Kaynak: ligo.caltech.edu).

LIGO’da ölçüm nasıl gerçekleşti?

LIGO (Lazer Girişimölçer Kütleçekim Dalgası Gözlemevi) deneyini yürüten ekip MIT ve Caltech öncülüğünde dünyanın dört bir yanından 80’in üzerinde enstitüden gelen 1000’den fazla biliminsanından oluşuyor. Sistem, bir tanesi Washington, öteki ise Louisiana’da bulunmak üzere birbirinden kilometrelerce uzağa yerleştirilmiş ve lazer girişimölçerinden oluşan iki tane dedektörden meydana geliyor. Kütleçekim dalgalarının ışık hızında hareket ettiği öngörüldüğünden, iki gözlemevi arasındaki 3,002 km’ye karşılık gelen mesafe, kütleçekim dalgalarının iki gözlemevi tarafından tespit edilme anı açısından 10 mili-saniyeye kadar bir zaman farkı meydana getiriyor. Sistem üçgenleme – nirengi (genellikle haritacılıkta kullanılan ve belirli bir alanı üçgenlere bölerek bilinmeyen bir uzunluğu, yüksekliği veya koordinatı hesaplama) yönteminden yararlanılarak, iki dedektör arasındaki zaman farkından dalgaların kaynağını tespit etme esasına dayanıyor.

LIGO 2002’den beri kütleçekim dalgalarının peşinde olmasına rağmen, bugüne kadar onları tespit etmekte başarılı olamamıştı. LIGO üzerinde gerçekleştirilen, geçtiğimiz sene tamamlanan bir dizi geliştirme sonucunda, sistemin ölçüm aralığı ve hassasiyeti ciddi ölçüde arttırıldı. Geliştirilmiş LIGO resmi olarak 18 Eylül 2015’te gözlemlere başlamasına rağmen, aslında birkaç hafta öncesinden mühendislik modunda çalışmaya başlamıştı. İşte tam da bu kısa zaman aralığında, LIGO ilk kütleçekim dalgası sinyalini yakalamayı başardı.

14 Eylül’de Max Planck Enstitüsü’nde fizikçi olan, LIGO ekibinden Marco Drago bilgisayar ekranında garip bir sinyal fark etti. Gerçek zamanlı veri analizi yapan yazılım dedektörleri, perdesi hızla yükselen bir kuş cıvıltısını andıran bir sinyal yakaladıklarına işaret ediyordu. Kaydedilen sinyal gerçek olamayacak kadar iyi görünüyordu.

Drago’nun ekranında gördüğü, 35 hertz frekans değerinden bağlayıp hızla 250 hertz’e yükselen bir salınımdı. Sinyal daha sonra kaotikleşip hızla sönümleniyordu. Tüm bu olay saniyenin dörtte biri sürede gerçeklemişti. Kritik olan kısım, iki dedektörün de sinyali yaklaşık olarak aynı zamanda algılamasıydı. Livingston’daki dedektör sinyali Handford’dakine göre 7 mili-saniye daha önce algılamıştı. Bu zaman farkı dalgaların Dünya’yı nasıl geçtiğiyle ilgili bize önemli bilgiler sağlıyor. Kaydedilen sinyalin yüksekliği aynı zamanda birleşmenin gerçekleştiği konum ve dolayısıyla zaman hakkında yaklaşık bir ölçü veriyor. Ekip gelen sinyalin gökyüzünün yaklaşık olarak yüzde 1’lik bölümünü kapsayan bir alandan geldiğini ve olayın Dünya’dan 600 milyon ile 1,8 milyar ışık yılı uzaklıkta gerçekleştiğini tespit etti.

Kütleçekim dalgalarının gözlemi, neleri kanıtladı?

LIGO deneyinin başarısı ile kütleçekim dalgaları ilk kez doğrudan gözlenmiş oldu ve Einstein’ın genel görelilik teorisi bir kez daha sınavı geçti. Fakat bu keşif astrofizikçiler için bunun ötesinde anlamlar taşıyor. LIGO ekibinin başarısıyla birlikte:

1) Yüksek kütleli yıldızsal kara deliklerin varlığı doğrudan kanıtlanmış oldu.

Bugüne kadar X-ışını çifti (bir donör yıldız ile ondan madde çalan bir nötron yıldızı veya kara deliğin oluşturduğu ikili sistemler ) gözlemleri sırasında, maksimum 10-20 Güneş kütlesi kadar kütleye sahip olan kara delikler güvenilir bir şekilde tespit edilebilmişti. LIGO sayesinde doğanın 25 Güneş kütlesinden büyük kütleye sahip yıldızsal kara delikler meydana getirebileceği gösterilmiş oldu.

2) Doğada iki adet kara delikten meydana gelen ikili sistemler oluşabildiği kanıtlandı.

Bu ikili sistemlerin oluşma mekanizmasıyla ilgili biliminsanlarının teorileri var. Doğada hangi mekanizmanın çalıştığını hâlâ bilmiyoruz ama, doğanın bu tür ikili sistemlerin oluşmasına izin verdiği gösterilmiş oldu.

3) Evrenin yaşının bu kara delik çiftlerinin birbirleri etrafında spiral yörüngeler çizerek birleşmesi süreci için yeterli olduğu kanıtlandı.

Bir kara delik çiftinin oluşum biçimi onların birleşme zamanını ciddi ölçüde etkiliyor. Örneğin, iki kara delik birbirine yeterli bir mesafede oluşmuşsa, bunların birleşmesi evrenin yaşından daha uzun bir süre gerektirebilir. LIGO’nun keşfi, ikili sistemlerini oluşturan kara deliklerin gözlenebilir zaman aralığında birleşmelerine imkân tanıyacak kadar yakın bir mesafede bulunabileceğini gösterdi.

Ek olarak bu tarihi keşif, araştırmacıların kütleçekim dalgalarını dinleyerek bu dalgaların kaynağı olan objeler (kara delikler, nötron yıldızları ve süpernovalar gibi) hakkında bilgi toplaması esasına dayanan “kütleçekim dalgaları astronomisi” adında yeni bir araştırma dalının kapısını araladı.

LIGO’nun keşfinden neler öğrenebiliriz?

Araştırmacılar LIGO’nun verilerine dayanarak uzak evrendeki kara delik çiftlerinin birleşme sayısının giga parsek küp başına (1 giga parsek =3,26×109 ışık yılına karşılık geliyor) senede 2 ila 400 arasında bir değer olduğunu öngörüyor. Diğer bir ilginç çıkarım ise, LIGO’nun gözlemlediği sistemin düşük metal oranına sahip (Güneş’in sahip olduğu metal oranının yarısından küçük) bir ortamda oluşmuş olabileceği. Yeni veriler, yüksek kütleli yıldızların yarattığı, kütle atımına yol açan kozmik rüzgârların gözlemlenmesi yoluyla elde edilen verilerle birlikte değerlendirildiğinde, yüksek metal oranına sahip bölgelerde kara delik oluşumunun pek olası olmadığına işaret ediyor.

Bu noktada araştırmacıların cevap aradığı kilit soru şu: İkili kara delik sistemleri nasıl oluşuyor? Bu konuda öne sürülen iki temel mekanizma var:

1) Bir ikili sistem (eşinden bağımsız olarak) yaşamının sonunda bir kara deliğe çökmelerine yetecek kütleye sahip iki yıldızdan meydana gelir. Eğer sistem yıldızların çöküşü sırasında dağılmazsa, sonuç olarak izole olmuş bir ikili kara delik sistemi oluşabilir.

2) Tekil kara delikler yüksek yoğunluklu kümelerin içerisinde oluşur ve çevredeki en yoğun cisimler olduklarından kümenin merkezine çökerler. Bu ortamda oluşan kara delikler, birbirleriyle dinamik etkileşime girerek ikili sistemler meydana getirebilirler.

Şu an kütleçekim dalgalarını ölçerek, kara delik çiftlerini gözlemleme yeteneğine sahibiz. İki mekanizmadan hangisinin doğru olduğunu bulmak için kullanabileceğimiz yöntemlerden biri kara deliklerin spinlerini ölçmek. Eğer kara deliklerin spinlerinde bir uyumsuzluk keşfedilebilirse bu, küme içerinde oluştuklarına yönelik görüşü destekler; çünkü küme içerisinde orijinal spinlerin uyumlu olmasını gerektirecek bir neden yoktur.

Şu an elimizdeki tek bilgi olan LIGO’dan gelen veriler bu konuda karar vermek için yeterli değil. Fakat eğer benzer olaylarla ilgili yeterli sayıda veri elde edilebilirse, istatistiksel olarak hangi mekanizmanın daha olası olduğu saptanabilir.

Girişimölçerlerin geleceği (Kaynak: Spencer/Nature).

Girişimölçerlerin geleceği

LIGO üzerinde hâlâ yapılması planlanan bir dizi geliştirme var. Bu geliştirmelerle birlikte LIGO’nun hassasiyeti önemli miktarda arttırılabilecek. Diğer yandan kütleçekim dalgalarının peşindeki tek girişimölçer sistemi LIGO değil. Sistem geliştirmesi hâlâ devam eden İtalya’nın Pisa şehrindeki Virgo ile Amanya’nın Hannover şehri yakınlarındaki GEO600 de LIGO’nun Avrupa’daki karşılığı olan diğer kütleçekim dalgası dedektörleri. Ne yazık ki, LIGO bu tarihi ölçümü yaptığı sırada, Virgo ve GEO600 Girişimölçerleri çalışır durumda değildi ve dolayısıyla LIGO’nun ölçümünü onaylayamadılar. Ancak Virgo deneyinin sözcüsü Rulvio Ricci, eğer çalışır durumda olsaydı, yüksek ihtimalle Virgo’nun da LIGO ile aynı sinyali tespit edeceğini söylüyor. Kütleçekim dalgalarının kaynağını tam olarak tespit edebilmek için araştırmacıların dünyanın çeşitli yerlerindeki sistemlerin toplayacağı sinyal bilgisine ihtiyacı var. Araştırmacılara göre LIGO’nun Virgo veya GEO600 ile eşzamanlı olarak çalışarak gelecekteki dalga kaynaklarının konumunu daha iyi bir şekilde tespit etmesi mümkün. Ek olarak Hindistan’a 3. LIGO sisteminin kurulması gündemde. Japonya da kendi girişimölçer dedektörünü geliştirme aşamasında. Dünya çapındaki dedektör sayısı arttıkça, biliminsanlarının ölçüm hassasiyeti de artacak.

Ek olarak geçtiğimiz aylarda kütleçekim dalgalarını uzay ortamında saptamak üzere ESA’nın yürüttüğü eLISA projesinin ilk adımı olan ve dünyanın uzayda çalışan ilk kütleçekim dalgaları dedektörü LISA Pathfinder uzaya gönderdi. LISA’nın şu  an ki görevi, 2034’te fırlatılması planlanan eLISA’da (Evolved Laser Interferometer Space Antenna) kullanılacak teknolojiyi test etmek. LIGO ve eLISA’dan elde edilen bilgiler bir araya getirilerek bugüne kadar ulaşamadığımız hassasiyette ölçüm bilgilerini elde etmemiz mümkün görünüyor.

Kaynaklar

– http://www.nature.com/news/einstein-s-gravitational-waves-found-at-last-1.19361?WT.mc_id=FBK_NatureNews

– http://aasnova.org/2016/02/11/ligo-discovers-the-merger-of-two-black-holes/

– http://www.nature.com/news/gravitational-waves-6-cosmic-questions-they-can-tackle-1.19337?WT.mc_id=FBK_NatureNews

– http://www.sciencealert.com/rumours-fly-as-physicists-hint-at-the-first-ever-observations-of-gravitational-waves