Tarih 14 Eylül 2015. Türkiye saati ile 12:50:45’te ABD’nin VVashington ve Lousiana eyaletlerinde, birbirlerinden 3002 km mesafede yer alan ikiz LIGO gravitasyon dalgası gözlemevleri eş zamanlı olarak derin uzaydan gelen bir sinyal saptadılar. Bu an, yüz yıllık bir öngörünün ve amansız bir çabanın sonunda insanoğlunun, evrenin temel yapısında oluşan ‘sismik’ hareketlere ilk defa doğrudan tanık olduğu andı.
Gravitasyon dalgaları, Albert Einstein’ın Genel Görecelik kuramında, uzay-zamanda meydana gelen dalgalanmalar için kullanılan terimdir. Einstein, evrende meydana gelen çok yüksek enerjili çarpışma ve patlama olaylarının uzay-zaman dokusunda dalgalanmalar meydana getirmesi gerektiğini 1916’da ortaya atmıştı. Takip eden on yıllarda Genel Görecelik kuramının birçok öngörüsü doğrulandığı halde, gravitasyon dalgalarının varlığına yönelik güçlü bir kanıt ancak 1974 yılında yapılan gözlemlerden dolaylı olarak sağlanabilmişti. Aradan geçen kırk yılı aşkın sürede gerçekleştirilen pek çok teknolojik ilerleme nihayet LIGO deneyi ile meyvesini vererek bu gizemli dalgaların gün ışığına çıkmasını sağladı.
Gravitasyon dalgalarının saptanmasının bu kadar uzun bir süre almasının sebebi bu dalgaların muazzam derecede zayıf bir salınım şiddetine sahip olmasından kaynaklanıyor. Alışık olduğumuz gözlemevlerinden farklı olarak LIGO ve benzeri gravitasyon gözlemevleri, içlerinde ortak bir kaynaktan çıkmış lazer ışınlarının ileri geri yansıdığı kilometrelerce uzunlukta kolları bulunan yapılardan oluşuyor. Kolların birleştiği noktada birbirlerine kavuşan lazer demetleri, kollarda meydana gelecek çok küçük bir uzunluk farkında, girişim desenleri oluşturacak şekilde ince ayarlanmış. Uzay-zamanı bükerek dünyadan gelip geçmekte olan gravitasyon dalgalarının LIGO’nun uzun kollarında yarattığı esneme ve daralmalar işte bu girişimölçer tarafından algılanıyor. LIGO’nun hassas dedektörleri 4 km’lik bir mesafede sadece 1 atom çekirdeğinin 1000’de birine denk gelen bir boy değişimini algılamaya olanak tanıyor. IIGO’nun kaydettiği sinyalin süresi de bir saniyenin sadece yirmi binde biri kadar. Ancak yapılan analizler bu kadar zayıf ve kısa süreli bu sinyalde, 1.3 milyar yıl önce evrenin uzak bir köşesinde gerçekleşen muazzam bir olayın parmak izleri olduğunu gösteriyor. Dünyanın en hızlı süper bilgisayarlarında yapılan simülasyonlar, dalgaların kaynağının ışık hızına yakın bir hızda çarpışan, biri 29 diğeri ise 36 güneş kütlesine sahip iki kara delik olduğunu gösteriyor. Simülasyonlar, helezonlar çizerek yakınlaşan bu iki kara deliğin birbirlerini yutmadan hemen önce uzay-zaman örgüsünde nasıl bir dalgalanma yarattığım net bir şekilde ortaya koyuyor. Tıpkı kıyıya vuran tsunami dalgalarının, okyanus tabanının uzak derinliklerinde oluşmuş bir deprem hakkında bilgi sağlaması gibi, gravitasyon dalgalan da kozmozun en gizemli cisimleri olan kara deliklerin çarpışmaları hakkında birçok bilinmezi gün ışığına çıkarıyor.
Gravitasyon dalgalan gibi Genel Görecelik teorisinin bir başka öngörüsü olan kara delikler, masif yıldızların muazzam süpernova patlamasıyla son bulan ömürlerinin geride bıraktığı, sadece birkaç km çapında ancak güneşten defalarca ağır ölü yıldızlardır. Galaksi çekirdeklerinin de süpermasif karadelikler olarak bilinen ve kütleleri güneş kütlesinin milyonlarca katma erişebilen kara delikler barındırdığı bilinmektedir. Kara delikler, olağanüstü yoğunluklarından ötürü çok güçlü bir yerçekimine sahip olup ışığı dahi eğebilirler. Bu çekim gücü, kara deliğin merkezinden olay ufku olarak bilinen bir uzaklığa kadar ışık dahil hiçbir şeye çekim alanından kurtuluş izni vermez. Modem astronomi, optik teleskoplar yanında radyo dalgalan, kızılötesi ışınlar, X ışınlan, gama ışınlan gibi elektromanyetik spektrumun çeşitli dalga boylarında çalışan teleskoplar ve hatta daha yakın zamanlarda geliştirilen nötrino gözlemevleri sayesinde evrenin sırlarını çözmeye devam etse de, LIGO gözlemine kadar kara delikler hakkında bildiklerimiz sadece dolaylı yollardan öğrendiklerimizle sınırlıydı. Gözlemsel astronomide LIGO ile başlayan bu yeni dönemin, evrende meydana gelen birçok enerjik olay hakkında doğrudan veri sağlayacağını söyleyebiliriz.
Astrofizikçiler, LIGO’dan daha hassas gözlemevleri ve hatta uydularının kullanılması ile bir gün Büyük Patlama’mn hemen ardından ortaya çıkan gravitasyon dalgalarının dahi saptanmasının mümkün olduğu görüşündeler. 13.8 milyar yaşındaki evrenimizin modern teleskoplarla görüntüleyebildiğimiz en eski evresi 13.3 milyar ışık yılı uzaklıktaki bir galaksi. Bu, evrenin henüz 500 milyon yaşında olduğu bir döneme karşılık geliyor. Yeni nesil teleskoplarla daha uzağı yani evrenin daha eski dönemlerini görmeyi başarsak da, teleskoplarla gözleyebileceğimiz en eski dönem evrenin 380 bin yaşındaki dönemi olacak. Bu yaş, evren için kozmolojide ‘Karanlık Çağlar’ olarak adlandırılan bir dönemin sonu. Evrenin henüz yeterince genişlememiş olduğu, madde açısından çok yoğun olduğu bu periyot ışığın henüz hareket edemediği bir dönem. Ancak bu yüksek yoğunluk maddeyle etkileşmediği için gravitasyon dalgalan için bir engel oluşturmuyor. Bu bize olağanüstü bir firsat sunuyor: Evren tarihinin karanlık dönemlerini, hatta Büyük Patlama’nın ilk saniyesinin kesirlerine uzanan evrelerini gözlemleyebilmek. Daha şimdiden planlanan ve LIGO’dan çok daha hassas ölçüm yapabilen gravitasyon dalgası gözlem uyduları sayesinde bu olasılık uzak olmayan bir gelecekte gerçekliğe dönüşebilir, içine girdiğimiz bu yeni dönem belki de evrenin nasıl oluştuğu ve burada ne arıyor olduğumuz sorularına çok önemli ipuçları bulacağımız bir dönem olacak.
LIGO NASIL ÇALIŞIR?
Alışık olduğumuz teleskoplardan farklı olarak, LIGO esasen gören değil hisseden bir gözlemevi. Fizikte lazer girişimölçeri olarak bilinen bir düzeneğin dev bir örneği olan LIGO, gravitasyon dalgalarının etkisini lazer ışınlarının girişimi sayesinde algılıyor. Bunun için çok güçlü bir lazer kaynağı kullanan LIGO, çıkan ışını önce ikiye ayırıyor. Her biri 4 kilometre uzunluğundaki, birbirine dik iki kola aktarılan bu ışınlar, kolların uçlarında yer alan aynalar sayesinde ileri geri yansıyarak bir süre bu kollarda hapsoluyor. Bu şekilde her bir kolda 1000’er kilometreden fazla yol kateden lazer ışınlarının gücü, kaynaktan geri beslenme devam ettiğinden ciddi oranda arttırılmış oluyor. Bu, LIGO’nun sahip olduğu olağanüstü hassaslığın sebeplerinden birisi. Güçlendirme işleminden sonra lazer ışınlan, iki kolun kesiştiği bir noktada girişim oluşturmak üzere bir araya getiriliyor. Bu, aynı dalga boyuna sahip iki ışının, birinin dalga tepeleri diğerinin dalga çukurlarına denk gelecek şekilde üst üste getirilmesinden dolayı ışınların birbirini yok etmesi ile sonuçlanıyor. Girişim noktasının arkasında yer alan dedektör bu yüzden normal koşullarda herhangi bir sinyal algılamıyor. Dedektöre bir sinyal ulaşması ancak bir gravitasyon dalgasının LIGO’ya varması ile gerçekleşiyor. Gravitasyon dalgalan, ilerleme yönüne dik düzlemde bir eksende daralma diğerinde de genişleme yaratarak ilerlediğinden,
LIGO’nun normalde birbirine eş uzunluktaki kollan arasında bir uzunluk farkı oluşmasına neden oluyor. Bu uzunluk farkı girişim halinde bulunan lazer dalgalarında bir faz farkı yarattığından, lazer ışınlan birbirlerini tam olarak yok edemiyorlar. Girişimde oluşan lazer ışını böylelikle yoluna devam ederek dedektöre ulaşıyor. Hareket halindeki gravitasyon dalgasının LIGO’dan geçerken kollarında yarattığı ritmik uzama ve kısalma girişim desenine de aynen yansıdığından, dedektöre ulaşan lazer şiddetinde bir değişim gözleniyor. Bu sayede geçip gitmekte olan gravitasyon dalgasının frekansı yanında genliği de ölçülmüş oluyor. Ancak bu verinin anlamlı bir bilgiye dönüştürülmesi için, takip eden aylar içinde süper bilgisayarlarda yapılan zahmetli nümerik hesaplamalar yoluyla Genel Görecelik modelleriyle kıyaslanması gerekiyor. Bu analizler sonucunda dalgalan oluşturan kara deliklerin kütleleri, dönme hızlan ve hatta dünyadan uzaklıktan saptanabiliyor. Ancak tek bir gözlemevinin aldığı sinyal verisi dalgaların gökyüzünde hangi yönden dünyaya vardığını saptamak için yeterli değil. Bu bilgi, LIGO’nun biri Washington, ikizi ise Lousiana’da yer alan bir çift gözlemevinden oluşması sayesinde, dalganın bu iki gözlemevine vanş zamanlan arasındaki farktan yola çıkarak elde ediliyor. Bilim insanları bu sayede çarpışan karadeliklerin güney gökküresinde kabaca Magellan bulutlarının doğrultusunda olduğunu da ortaya çıkardılar.
Kaynaklar
1. Gravitational Waves Detected 100 Years After Einstein’s
Prediction,(https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20160211).
2. “Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger”,
B. P. Abbott ve ark., Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016).