Kütleçekim Dalgaları

Onca haberde çıktı, insanlar konuşuyor, Einstein’ı anıyorlar, heykellerini vandalize ediyorlar. Nedir bu kütleçekim dalgası? Deney nasıl yapıldı?

Teleskobunuzu alıyorsunuz ve gökte bir cismi gözlemliyorsunuz. Atıyorum, Uranüs’ü gözlemliyorsunuz. Böylece atmosferi hakkında bilgi alıyorsunuz. Yörüngesine bakıyorsunuz, eğer elinizde gerekli malzemeler var ise yüzey sıcaklığını bulabiliyorsunuz, hangi elementlerden oluştuğunu bulabiliyorsunuz. Hatta, şanslı iseniz iç yapısı hakkında bile bilgi edinebiliyorsunuz. Hatta ve hatta, yörüngesine bakıp başka bir gök cisminin olduğunu bulabiliyorsunuz (Neptün’ün keşfi bu şekilde olmuştur, Uranüs’ün yörüngesindeki gariplik keşfedilmiş, hesaplara bakıldığı zaman yeni bir gezegen olması gerektiği anlaşılmış, gereken yere bakıldığı zaman Neptün keşfedilmiştir).

Elimizdeki teleskoplar yetmiyor, gezegenin manyetik alanı, atmosferinin altında ne olduğu hakkında bilgiler lazım. Ne yapacağız?

Yapacaksın paşa paşa uzay aracını, göndereceksin Uranüs’ün yanına, ölçümlerini yapacak datasını gönderecek. Kendini de feda edecek. Bu arada Jüpiter’e gönderilen ve sonra Jüpiter’e çarpıştırılarak görevi sonlanan Galileo’nun son anlarında ne gördüğünü hep merak etmişimdir. Keşke o zamanda sıcaklığa ve basınca daha dayanıklı kameralar yapılabilmiş olsaydı da, Galileo’ya GoPro tuttursaydık, Jüpiter’e girişini canlı olarak görseydik. Ah ah…

Bu yukarıda saydığım gözlemlerin hepsi elektromanyetik dalgalara dayanıyor. Teleskop da olsa, yıldızlardan yayılan gamma ışınını dedekte edebilen gelişmiş bir zerzavat bile olsa eninde sonunda elektromanyetik dalga tespit ediyoruz.

Peki, fiziğin şu andaki halini daha da ilerletmek için (ismiyle, kuantum gravitasyon teorisinde ilerlemek için) kara delikler hakkında daha fazla deneysel bilgi lazım. Kara delikleri nasıl inceleyeceğiz? Kara delikleri incelemek için elektromanyetik dalga kullanmak pratik değil. Çünkü, ilk olarak David Finkelstein’ın öngördüğü üzere (kendisi geçtiğimiz aylarda evinde uykusunda vefat etti, toprağı bol olsun) kara deliklerin yoğunluğu o kadar fazla ki, ışık yaymıyorlar. Ancak etrafındaki gök cisimlerinin hareketlerine bakıp kara delik hakkında bilgi edinebiliyoruz. Bu halen kara delik hakkında bir şey söylemiyor, çünkü kara delikler hakkında teorik olarak söyleyeceğimiz şeyler kısıtlı. Elimizde olan teori ile kara deliğin üç özelliği olduğunu biliyoruz, kütlesi, spini (açısal momentumu) ve elektrik yükü. Elektrik yükü özelliği çoğu durumda ihmal edilebilecek kadar küçük. Yani sadece kütle ve spini önemli. Etrafındaki cisimlere bakmak spin hakkında pek bir şey söylemiyor.

David Finkelstein ve Dalai Lama, 1997.

LIGO Eylül 2015’te yaptıkları gözlem sonucu iki kara deliğin birleşmesini elektromanyetik dalgaya gerek kalmadan doğrudan gözlemleyebildiler. Bu, evet kütlecekim dalgalarını ilk olarak doğrudan gözlemledi. Ama daha önemlisi, kara delikler hakkında artık çok fazla deneysel bilgiye sahip olmamızdı.

Biraz kara delikler hakkında gevezelik edeyim: Karl Schwarszchild, Einstein’ın 1915’te yayınladığı makaledeki eğrilik denklemlerinin aynı sene içinde çözümlerini buldu. Schwarszchild’in çözümlerine göre Einstein’ın genel görelilik teorisi kara deliklerin varlığını öngörüyordu.

Bir bilgi: Kara delik, belgesellerde ve medyada bahsedildiği gibi bir “delik” veya “tekillik” değildir, çok küçük alana sıkışmış çok büyük bir kütledir. Güneş’in kütlesini alın, Kim Kardashian boyutuna sıkıştırın, heh bir kara delik elde ettiniz. Ama Kim Kardashian tekillik haline gelmedi, halen bir boyutu var.

Einstein’ın genel görelilik teorisi, uzay ve zamanın bir eğrilik olduğunu söylüyordu. Aynı bir çarşaf gibi. İki kütle koyuyordunuz bu çarşafın üzerine, iki kütle de uzay ve zamanı eğeceğinden, eğer kütleler çok uzaktalarsa Newton’un dört yüz yıl önce bulduğu ters kare yasasına uyuyordu. Ama, eğer kütleler çok yakın ve büyüklerse Newton’un yasası geçerli değildi. Genel görelilik teorisinin deneysel kanıtı Einstein’ın makalesinden kısa bir süre sonra Merkür’ün yörüngesinden geldi. Merkür Güneş’e çok yakın olduğundan, Güneş’in kütlesinin yarattığı eğrilikten çok fazla etkilenmişti. O yüzden, Newton’un ters kare yasası Merkür’ün yörüngesi için yanlış sonuçlar vermişti, ama Einstein yardıma yetişti.

Peki kütleçekim dalgası? 19.yy sonlarına doğru son biçimini almış olan klasik elektromanyetizmden, ivme yapan yükün radyasyon yaptığını biliyoruz. Bu tür ışımayı neredeyse her gün kullanıyoruz. Radyo dalgaları, mikrodalga fırın, WiFi vs. Einstein’ın teorisinden, ivme yapan, ama hareketi simetrik olmayan kütlelerin de benzer şekilde bir ışıma yaptığı çıkıyordu.
Mesela, iki ayni kütleli gezegen birbiri etrafında dönüyorsa, simetriktir ve kütleçekim dalgası yaymaz. Eğer bu dönen gezegenler bir anda birbirine çarparsa ya da aynı kütleli değillerse kütleçekim dalgası yayar. Asimetri, temel mantık. Ama bu ışıma ya da dalga, elektromanyetik dalgaya göre çok çok zayıftır. Elektromanyetik dalganın genliğini çok büyük ölçüde değiştirebilirsiniz, ama bu yeni tip kütleçekim dalgalarının genliği, dalgayı yaratan kaynağa bağlı olarak ortalama 10\(^{-15}\) ile 10\(^{-25}\) metre mertebesinde olabiliyordu. Bir atomun ortalama boyunun angström (10\(^{-10}\) m) kadar olduğunu hatırlatalım. Atom çekirdeğinin ortalama boyutu da 10\(^{-15}\) m mertebesinde. Nasıl ölçeceksiniz ki bu kadar küçük dalgayı?

Uzun süre insanlar böyle bir dalganın olmadığını ileri sürdüler. 1957’de yapılan bir sempozyumda, kütleçekim dalgasının gerçek olmadığını söylediler ve ölmüş Einstein’ın arkasından konuştular. Sonrasında, bu kütleçekim dalgasını dolaylı yoldan ölçmeye çalıştılar. 1974’te, bir ikili nötron yıldızı sisteminin yaydığı radyo dalgalarının, kütleçekim sonucu değişimine bakarak kütleçekim dalgasını ilk olarak dolaylı biçimde ölçtüler. Bu buluşları sonucu Russell Hulse (U of Texas, Dallas) ve Joseph Taylor (Princeton U) 1993’te Nobel ödülü kazandı. Buluş, yerçekimi dalgalarının varlığını kanıtlıyordu ama halen radyo dalgasına bakarak ölçmeye çalışılıyordu. Yerçekimi dalgasını direkt olarak nasıl ölçebilirsiniz?

1980’lerde Kip Thorne (Caltech), Ronald Drever (Caltech) ve Rainer Weiss (MIT), kütleçekim dalgalarını direkt ölçmek için LIGO projesini başlattılar. Bu proje uzun seneler ve bir sürü üniversitenin katılımı ile sonunda 2015’te yerçekimi dalgalarını direkt olarak dedekte etti. Arada, BICEP projesi de 2014’te kütleçekim dalgalarını bulduklarını öne sürdüler. Ama sonradan, bu buldukları dalganın sadece tozdan etkilendiği ortaya çıktı.

1) Kütleçekim dalgasını ölçmek için neden nötron yıldızı, karadelik gibi sistemlere bakıyoruz? Çünkü, eğer laboratuarda alelade iki kütleyi, mesela iki tane Kim Kardashian’ı birbirine çarpıştırırsak ve yeni Kim Kardashian elde edersek, bu olay iki karadeliğin çarpışmasına göre çok daha az kütleçekim dalgası yaratır ve karadelik için zaten zor olan kütleçekim dalgasını ölçmek imkansızlaşır. Yani Kim Kardashian kullanmak iyi bir fikir değil. Aşağıda çok teknik bir şekilde bu aşamayı görselleştirdim.

 

Ikili karadelik, ikili nötron yıldızı sistemi gibi muazzam kütleli cisimler uzay zamanı çok fazla büker ve dedekte etmesi daha kolay olur. İki karadeliğin birleşme olayı uzay zaman çarşafı için tam bir kabustur. Ancak bunu bile detekte etmek çok zordur. Bu iki karadeliğin kütlesi de çok büyük değil. Birinin kütlesi, Güneş’in kütlesinin 36, diğerinin kütlesi Güneş’in kütlesinin 29 katı. Birleşmeden sonra ortaya çıkan büyük karadeliğin kütlesi de Güneş’in kütlesinin 62 katı. 29+36 = 62??? Aradaki 3 Güneş kütlesi kadar fark işte bu enerjiye dönüşen kütle.
29, 36 Güneş kütleleri bildiğimiz karadeliklere göre normal büyüklükte karadelikler anlamına geliyor. Karşılaştırma yapmak için, bu zamana kadar keşfedilmiş en büyük nötron yıldızı kütlesi 2 Güneş kütlesi. Ya da Samanyolu’nun merkezinde olduğu düşünülen karadeliğin kütlesi Güneş’in kütlesinin 4.1 milyon katı!

Bu bulunan kara delikler dönen kara delikler. Yani spin büyüklüğü ayırt edici bir özellik. Büyük kara deliğin spin değeri 0.7. Diğer daha küçük olan kara deliğin spini ise 0.9. Oluşan kara deliğin spini ise 0.67. Bu 0.7, 0.9, 0.67 olan “Kerr parametreleri” kara deliğin açısal momentumunu (spinini) söylüyor. Dönmeyen bir kara delik için bu parametre 0, maximum alabileceği değeri 1. Kara deliğin spini de, kara deliğin kütlesine bağlı. Kara deliklerin varlığını ilk tahmin eden Schwarzschild, hesaplarını dönmeyen bir kara delik için yapmıştı. Kara deliğin açısal momentumu ve spininin aynı yönde olup olmadığını da buldular ve kara deliğin hafifçe presesyon yaptığını gözlemlediler. İleride daha detaylı bir analizle kara deliğin tam olarak hangi hızla presesyon yapıp yapmadığını ve kara deliklerin eksantrikliğini de bulmayı vaat ediyorlar. Çünkü, deneyin karşılaştırıldığı numerik modelde, kara deliklerin dairesel hareket yaptığı varsayılmıştı. Aynı zamanda kara deliğin gökte tam olarak nerede olduğunu buldular. Tüm bu sonuçlar, bu iki kara deliğin teorik modeli ile tutarlı.

2) BICEP ile LIGO arasındaki fark nedir? BICEP kozmik arka ışımanın (büyük patlamadan sonra oluşan ışıma) polarizasyonunu dedekte etmeye çalışır. 2014’te kozmik arka ışımanın polarizasyonunun değişmesine bakarak bunu yanlış bir biçimde kütleçekim dalgası olarak yorumladılar. LIGO ise, kütleçekim dalgasını direkt olarak, lazer ışınları ile ölçer ve interferometre denilen bir alet kullanılır. Lazer ışını, ikiye ayrılır ve sonra kendisi ile girişim yapması sağlanır. Eğer bu ayrılan dalga ile dalganın kendisi aynı fazda ise girişim birbirlerini yok edecektir. Eğer bu iki lazer dalgası farklı fazda ise, bunu gözlemleyeceğiz. Peki dalgaları nasıl farklı fazda yapacağız? Lazerin yoluna kütle koyarız, kütleçekim dalgasından dolayı bu kütleler hareket eder ve lazerin fazı değişir.
Bunun ses dalgaları ile kolayca nasıl çalıştığını görebilirsiniz. Bir boruyu suyla doldurun ve yukarıdan ses dalgası gönderin. Suyun derinliği değiştikçe, borudaki sudan yansıyan ses dalgası sesin kendisi ile yapıcı ya da yıkıcı girişim yapar.

3) Neden önemli bu keşif? Önemi, 17yy’da bulunan teleskobun icadı kadar önemli. Einstein’ın genel görelilik teorisi ile kuantum mekanik bir türlü birleşmiyor. Bunun için, muazzam kütleli karadelikler hakkında daha fazla bilgi lazım. Ama karadelikler bir ışık yaymadığı için, sürekli dolaylı olarak gözleniyor. İşte, etrafındaki cisimlerin hareketine bakılıyor, yapacağı “imza” ışımalar dedekte edilmeye çalışılıyor vs. Şimdi, artık karadeliklerde tam olarak neler olduğunu görebiliyoruz. Bu da kuantum kütleçekim teorisi için daha fazla deneysel data demek.

4) Genel görelilik teorisinin kanıtı mıdır? Evet, kütleçekim dalgalarının keşfi Einstein’ın genel görelilik teorisinin güçlü bir kanıtıdır, ama bu “Einstein’ın teorisi sonunda kanıtlandı” demek değil. Genel görelilik teorisi (ve özel görelilik teorisi) geçtiğimiz yüzyılda defalarca ve defalarca deneysel olarak sınanmıştır. Teori yayınlandıktan bir kaç sene sonra deneysel olarak kanıtlandı genel görelilik! Şu anda GPS aletleri genel görelilik teorisini kullanır.

5) Yapım aşamasında, 10\(^{-20}\) metre gibi ekstrem hassasiyetler gerektirmesi sonucu, bu ayna yapımında Heisenberg belirsizlik ilkesini göz önüne katmak gerekti. Öyle ya, konumu 10\(^{-20}\) m’ye duyarlı yapmak istiyorsan, momentumun kesinliğinden kaybedeceksin. Lazer ışınları için bu momentum belirsizliği önemli.

6) İlgilenenler için makalenin kendisi burada. Physical Review Letters (PRL) gibi paragöz bir dergi bu olayın makalesini beleşe verdi ve PRL bir süre çöktü. Bu satırların yazarı böyle bir olaya ilk kez tanık oluyor. https://dcc.ligo.org/public/0122/P150914/014/LIGO-P150914%3ADetection_of_GW150914.pdf

 

7) Dedekte edilen kütleçekim dalgası.


8) LIGO’nun şematiği. Nasıl çalıştığını anlamak için madde (2)’ye alalım sizi.

 

Volta, Napoleon’a bir icadını sunduğu zaman, Napoleon “peki şimdi bu ne işime yarayacak” der. Volta da, “yeni doğmuş bir bebek ne işe yarıyorsa o işe yarar” cevabını verir. Madde 1.de yazdığım parametrelere tekrar bir bakın. Eylül 2015’ten önce, kara delikler hakkında tek yapabildiğimiz kütlesi ve yaklaşık konumu hakkında biraz bilgiye sahip olmaktı. Şimdi, elimizde uzay-zamanı ve büyük cisimleri gözlemlemek etmek için yeni bir alet var. Kütleçekim ve kuantum teorisini birleştirmek için çok güçlü bir alete sahip olduk. Teleskobun icadından sonra bilimin ne kadar ilerlediğini bir düşünün.

Yazar: Bilgecan Dede.

Bir Cevap Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

60Shares