Kütleçekim dalgaları

2017 yılının nobel fizik ödülü kütleçekim dalgalarının (gravitasyonel dalgalar) gözlenmesi konusunda yaptıkları katkılardan dolayı Rainer Weiss, Barry C. Barish ve Kip S. Thorne'a verildi. Bu ödülün verilmesine yol açan gözlemler ise ilk olarak 2015 eylülünde yapılmıştı. Daha sonra Nobel ödülünün açıklanmasından önce üç ve açıklanmasından sonra bir tane daha olmak üzere şu ana kadar toplam beş farklı gözlem yapıldı. Peki bu kütleçekim dalgaları nedir? Bu yazımda bu dalgaları size tanıtmaya çalışacağım. Not: Bu yazıda daha önce kendimin hazırladığı ve başka bir blog sitesinde yayınlamış olduğum yazımdan alıntılar içermektedir.

Her şey aslında 2016 yılı şubat ayında başladı. Bu yılın şubat ayında LIGO'nun yetkilileri (Laser Interferometer gravitational wave Observatuary- Lazer interferometresi kütle çekim dalgası gözlemevi) dünyadaki gazetecileri bir basın toplantısı için çağırdıklarında, konuyla ilgili bilimadamları heyecanlanmışlardı. 11 Şubat 2016 günü LIGO’nun yönetici müdürü David Reitze kütle çekim dalgalarını gözlediklerini şu şekilde duyurmuştu:

“Bayanlar baylar. Biz… kütleçekim dalgalarını gözledik! Bunu başardık!”

Bu cümleler orada ve dünyanın başka yerlerinde toplanan bilimadamlarında ve diğer bilim tutkunlarında büyük bir coşkuyla karşılanmış, dünya basınında büyük ilgi görmüş ve her ülkede basın ve televizyon ekranlarında bilimadamları konuyla ilgili haber bültenlerine veya başka programlara çağırılarak konuyla ilgili görüşlerine başvurulmuştu.
LIGO’nun yapmış olduğu bu ilk gözlem aslında 14 eylül 2015 günü kaydedilmişti. Ancak bu çok önemli keşfin duyurulması için beş ay beklenmişti çünkü bu gözlemin aletlerdeki bir hatadan ya da başka bir yanlış sinyal sonucu oluşmadığından emin olmak gerekiyordu. Bu da belirli bir zaman alacaktı. Fakat en sonunda LIGO ekibi bu önemli keşfi duyuracaktı.

Bu gözlemde aslında sadece genelçekim dalgalarının varlığı ilk defa doğrudan gözlenmedi, aynı zamanda evrende karadeliklerin varoldukları ve ikili karadelik sistemlerinin varlığını da ilk defa doğrudan gözlenmiş oldu. Dolayısıyla birçok önemli ilke yolaçan bu keşif bilim tarihi açısından son derece önemlidir.

İyi ama bu kütleçekim ya da genel çekim dalgaları nedir? Önce dalga kavramına bir bakalım. Dalga, enerjinin bir ortamda yayılmasına yol açan salınım ya da titreşimdir. Örneğin su dalgaları, sudaki enerjiyi titreşim yoluyla iletir. Ya da ses dalgaları hava moleküllerinin birbirleriyle çarpışarak titreşimi aktarması yoluyla yayılır. Bu örneklerdeki mekanik dalgalar yayılmak için bir ortama ihtiyaç duyarken, elektromanyetik dalgalar böyle bir ortama ihtiyaç duymazlar. Bu dalgalar aslında, yüklü parçacıkların ivmelenmesi sonucu oluşan, salınım yapan elektrik ve manyetik alanlardır ve boşlukta ilerleyebilirler.

Kütleçekim dalgaları, uzay-zaman geometrisindeki dalgalanmalardır. Yani bir kütleçekim dalgası, kütleli ya da kütlesiz parçaçıkların ivmeli hareket etmeleri sonucu oluşan, uzay-zaman eğriliğini dalgalandıran ve ışık hızıyla yayılan dalgalardır. Kütlesiz parçacıklar yani fotonlar) ışık ta, bu dalgalara yol açabildiklerinden dolayı, kütle çekim yerine genel çekim dalgası ifadesini kullanmak daha doğrudur.

Genel çekim dalgalarının tarihçesine baktığımızda Einstein ismine rastlamamız çoğu kişi için bir sürpriz olmayacaktır. Aslında Einstein on yıllık bir çalışmanın ürünü olan genel görelilik kuramına 1916 yılı başlarında son halini verdikten sonra bu konu üzerinde çalışmayı kesmedi. Kütle çekim kuvvetinin aslında uzay zaman geometrisinin her türlü kütle yada enerjinin varlığı halinde düz değil eğri olmasının bir sonucu olduğunu ortaya koyan bu kuram, bu eğri uzayda diğer parçacıkların " eğri uzayın düz çizgileri" olan jeodezikler boyunca hareket edeceklerini de ifade etmektedir. Einstein, bu kuramı tarif eden matematiksel denklemlerin, kütle çekim alanının zayıf olması gibi bazı özel şartlar altında, uzay-zaman geometrisinin dalgalanlamasına karşılık gelen denklemlere indirgenebileceğini gösterdi. Daha sonra diğer bilim adamlarının katkılarıyla bu dalgaların birçok özellikleri ve birçok farklı fiziksel duruma karşılık gelen çözümleri kuramsal olarak elde edildi. Bu konudaki tüm kuramsal gelişmelere karşın bir büyük sorun vardı. O da bu dalgaların gerçekten gözlenip gözlenemeyeceği ya da var olup olmadıkları idi.

Burdaki temel güçlük, kütle çekim etkileşmesinin doğadaki en zayıf kuvvet olmasından kaynaklanmaktadır. Bu kuvvetin şiddetini diğer bir temel etkileşme olan elektromanyetik etkileşme ile karşılaştıralım. Örneğin birbirlerinden belli bir uzaklıkta tutulan iki proton arasındaki elektrostatik itme kuvveti, bu iki proton arasındaki kütleçekim kuvvetinden 10^36 kat daha büyüktür. Dolayısıyla genel çekim dalgalarının uzay-zaman geometrisini dalgalandırma miktarı o kadar küçüktür ki, bunları keşfedebilmek için muazzam hassasiyete sahip aletlere ihtiyaç vardır. Hatta çoğu bilimadamı bunların hiçbir zaman gözlenemeyeceğini düşünmekteydi. Bu konuda ümitli olanlarda vardı tabi...

Bu dalgaları bir takım detektörler yardımıyla gözlemek fikri 1950'lerden sonra yavaş yavaş eyleme dönüşmeye ve farklı detektör dizaynları ortaya çıkmaya başlamıştı. Burada ana düşünce, Einstein'ın genel görelilik kuramı uyarınca bir çekim dalgası bir yerden geçerken oradaki uzay zaman geometrisini yani orada bulunan iki cisim arası mesafeyi ya da cisimlerin uzunluğunu değiştirmesidir. Eğer bu değişimi bir şekilde ölçebilirsek bu dalgaların varlığını da kanıtlamış oluruz. Fakat bu değişim o kadar küçüktür ki çok büyük hassasiyetle mesafe ölçümü yapabilecek düzeneklere ihtiyaç vardır.

Bu dalgaları gözleyebilmek için bir ortamdan geçerken bu dalgaların oradaki cisimleri nasıl etkileyeceğini bilmek gerekir. Teorik hesaplamalar gösteriyor ki bir çekim dalgası geçerken harmonik olarak oradaki cisimler arası mesafenin azalıp çoğalmasına sebep olur. Bu aslında bu dalgaların kutuplanma özelliklerinin bir sonucudur. Bunu daha iyi anlayabilmek için bir daire üzerinde birçok noktasal cismin dizildiği bir sistem gözönüne alalım. Aşağıdaki animasyonda da gösterildiği gibi, + kutuplanmaya sahip bir dalga geçerken yatay eksendeki noktalar birbirine yaklaşır düşey eksendekiler uzaklaşır daha sonra bunun tersi olur. Bu durum dalganın geçtiği sürece dalga frekansına eşit frekansla tekrarlanır. Birde buna 45 derece dik olan x polarizasyon vardır. Aşağıda + kutuplanmalı bir dalganın halka şeklinde çizilmiş nokta kütlelere olan etkisini görmektesiniz.

Bu dalgaların gözlenmesindeki temel güçlük, yukarıdaki şekilde abartılı olarak gösterilen cisimler arası uzunluk değişiminin aslında çok çok küçük olmasıdır. Bunun bir sebebi, kaydadeğer bir uzunluk değişimine yol açabilecek kadar uç bir gök olayı, örneğin bir ikili karadelik sisteminin birleşerek tek karadeliğe dönüşme olayı hem çok nadir hemde bizden çok uzaktadır. Dolayısıyla buradan kaynaklanan dalga bize ulaştığında çok çok zayıflayacaktır. Yapılan hesaplamalar göstermektedir ki böyle bir dalga en iyimser tahminle 10^20 de bir birimlik bir uzunluk değişimine yol açacaktır. Bu da örneğin dünyadan aya kadar olan bir çubuğun boyunda bir hidrojen atomu yarıçapı kadarlık mesafe farkı demek. Kısacası böyle bir uzunluk farkını ölçmeyi hayal etmek bile çılgınlık!!

Ancak tabi ki aramızda böyle çılgınlar var. Bu kişiler bu son derece zor problemi çözmek için kafa patlatıyorlar ve eski bir dostun yardımıyla bu ölçümü yapabileceğimizi öne sürüyorlar. Bu eski dost, özel görelilik kuramına yol açan gelişmelerin en önemlilerinden birisi olan Michelson interferometresinden başka bir şey değil. Genel çekim dalgalarını ölçmekte kullanılan interferometre birbirine dik iki kolu olan bir düzenek. Aşağıdaki şekilde de görülebileceği gibi, lazer ışın kaynağından yollanan bir ışın demeti, yarı geçirgen bi aynadan geçirilerek bu iki farklı kol boyunca ilerlemesi sağlanıyor. Bu farklı yolları izleyen iki demet, aynalar yardımıyla aynı yöne getirilip girişim yapmaları sağlanmakta. Deney düzeneği öyle hazırlanmış ki, bu girişim deseninde gözlenecek bir değişim, lazer demetlerinden izlediği yol uzunluğunun değişimine karşılık gelmekte. Genel çekim dalgalarının madde üzerinde etkisi uzunluk değişimi olduğundan, bu deney düzeneği yeterince hassas hale getirilebilirse, bu dalgaları doğrudan gözlemek mümkün olabilir. LIGO deneyindeki interferometre onlarca yıllık bir çalışmanın ürünü olarak çok hassas ve karmaşık bir yapıya sahip.

Peki bu gözlem nasıl gerçekleşti? Aslında yukarıda bahsettiğimiz ölçümü yapan LIGO laboratuvarlarını kurmak çok uzun bir süre aldı ve birçok teknik ve politik güçlüklerle başetmeyi gerektirdi. 1960'lardaki ilk prototiplerden 1994'de Hanford, Washingtondaki ve 1995'te Livingstone- Lousianadaki merkezlerin kurulması ve 2002-2010 yılları arasındaki ilk çalışma evresine geçilmesi çok uzun ve zorlu bir süreç idi. 2002-2010 çalışma evresinde hiç bir çekim dalgası gözlenmedi. Bu dönem sonunda deneyde kullanılan alet ve dedektörlerin daha ileri versiyonlarıyla değiştirilmesi için gözlemlere bir süre ara verildi. Bu dönemde özellikle Almanyadaki GEO600 genelçekim dalga dedektörünün ortaya çıkardığı teknik gelişmelerden de faydalanılarak ilk dizayndan dört kat daha hassas ölçüm yapabilecek hale gelen ileri-LIGO (Advanced-LIGO, aLIGO) 18 Eylül 2015'te ilk resmi gözlemlerine başladı.

Dedektörler henüz mühendislik modunda iken yani henüz resmen açılmamışken 14 eylül günü kaydedilen ve 0.2 saniye süren sinyal bilim tarihi açısından birçok ilki içinde barındıran ve bilim ve medya dünyasında büyük ilgi çeken bir gözlem oldu. Her iki laboratuvarda da 7 milisaniye fark ile kaydedilen bu ilk gözlem, bizden 1,3 milyar ışıkyılı uzakta bulunan biri 36 diğeri 29 tane güneş kütlesine sahip iki tane karadeliğin birbiri etrafında spiraller çizerek en sonunda birleşmeleri sonucu ortaya çıkmıştır. Burada birleşme sonunda 3 tane güneşimizin kütle enerjisi kadar enerji, kütleçekim ışıması olarak yayımlanmıştır. Bu yayınlanan enerjinin maksimum değeri 3.6×10^49 watt olup, görünür evrendeki tüm yıldızların bir saniyede yayınladıkları enerjiden daha büyüktür. 15 haziran 2016 da ikinci bir gözlemin yapıldığı duyuruldu. Bu defa sinyal 26 aralık 2015 günü kaydedilmiş olup 14,2 ve 7,5 güneş kütleli iki karadeliğin birleşmesi sonucu ortaya çıkmıştır. Bu ikinci gözlem, dedektörlerin bu tip gökolaylarının artık sıklıkla gözlenebileceğini göstermektedir.

Bu gözlem sonunda, Einstein'ın genel görelilik kuramının ispatlanmamış son öngörüsü olan bu dalgaların varlığı 100 yıl sonra ilk defa doğrudan gözlenmiştir. Bunun yanında, ilk defa karadelikler, ikili karadelik sistemleri ve kara delik birleşme olayıda doğrudan gözlenmiş olmaktadır. Özellikle bu ilk gözlemden sonra yapılan dört farklı gözlem, artık kütleçekim astronomisi çağının başladığını bize müjdelemektedir. Genel çekim dalgası astronomisi ise bizim için evrene açılan yeni bir pencere, yeni bir bakış açısı olacaktır.