Anasayfa Makaleler Fiziki Yerçekimsel Dalgalar

Yerçekimsel Dalgalar

434
0
PAYLAŞ

Bilim dünyasının merakla beklediği açıklama yapıldı: Einstein’ın 100 yıl önce ortaya attığı, uzayı ve zamanı büken yerçekimsel dalgaların varlığı kanıtlandı. Son 50 yılın en büyük keşiflerinden biri olarak nitelenen bu olay, Penn Üniversitesi’nden Abhay Ashtekar’ın deyişiyle “Evrene yeni bir pencere açıyor.”

Şimdi öyküyü günümüzde yapılan açıklamalardan da öncesine götürelim. 1865 yılında, gözümüzle gördüğümüz ışıkla doğal mıknatısların birbirini çekme-itme gücü olarak deneyimlediğimiz manyetizma ve elektriğin gerçekte aynı şeyin değişik dışa vurumları olduğunu ilk söyleyen James Clark Maxwell oldu.

Maxwell’in ortaya koyduğu elektromanyetik ışınım(radyasyon) denklemleri aracılığıyla bugün cep telefonlarımız, gece görüş dürbünlerimiz, röntgen ve MR aygıtlarımız var.

Maxwell’in bu buluşu yalnızca kolaylaştırıcı araç gereçlerde etkili olmadı. Buluşu aracılığıyla, eskiden bakaç(dürbün) iyisi aygıtlarla evreni gözlemeye çalışırken bugün radyoteleskoplarımızla bakıyoruz uzaklara. Yine buluşu aracılığıyla evrenin 13.7 milyar yaşında olduğunu saptadık; evrenin bizim hayal bile edemediğimiz düzeyde çok sayıda gök adayı, yıldızları içinde barındırdığını öğrenme şansını yakaladık.

Şimdi tarihi biraz daha ileriye, günümüzden 103 yıl öncesine saralım.

1913’te bir adam, bir takım arkadaşına “çılgınca” kuramını anlattı. O adam Albert Einstein’dı ve çılgın kuramı(Genel Görelilik) da, kütlelerin uzay-zamanı büktüğüydü. Bu bükülme yüzünden uzay-zamanda dalgalanmalar oluyordu ve biz bunu kütle çekim gücü olarak adlandırıyorduk.

Albert Einstein

Einstein’ın da etkilendiği Isaac Newton’ın elması ağaçtan düşmüştü, çünkü uzay-zamandaki dalgalanmalar onu “aşağı” çekmişti. Einstein bu kuramını 1916’da, yani bugün kanıtlanmasından tam 100 yıl önce makale olarak yayımladı. Ama kendisi bu dalgaların belirlenebileceğine, yani kuramının deneysel yolla kanıtlanabileceğine inanmıyordu ve bu dalgaların arkasından koşan fizikçilerin inanılmaz bir uygulayım bilimi(teknoloji) ve şansa gereksinimleri vardı. Doğal olarak gerçekten var olup olmadıkları da yıllarca tartışma konusu oldu. Einstein’ın bu kuramının 100.’üncü yılına girdiğimiz bu günlerde ise kütle çekim dalgaları sonunda keşfedildi.

Yüzyılı Bulan Bu Keşif Nasıl Gerçekleştirildi?

Kütle çekim dalgalarının gerçek olduğuna inanan fizikçi Joseph Weber, 1969 yılında, bu dalgaları keşfedilebilmek için bir algılayıcı yaptı. Yaptığı iki metre uzunluğunda ve bir metre genişliğindeki alüminyum silindir, bir kütle çekim dalgası ile karşılaştığında titreşip ses çıkaracaktı. Sonuçları Weber dışında hiçbir fizikçi tarafından kabul görmedi ve yinelenemedi.

Bundan 5 yıl sonra, 1974 yılında ise Rusell Hulse ve öğrencisi Joseph Hulse’un keşfettiği ilk pulsar çiftinden kütle çekim dalgalarına ilişkin dolaylı yoldan bir belirleme gerçekleşti. Birbirleri çevresinde genel göreliliğin öngördüğü biçimde sarmal çizerek dolanıyorlardı ve yörünge bozunumları kütle çekimsel ışıma ile erke(enerji) yitimi yaşadığına ilişkin dolaylı bir gözlem sunmuştu. 1993 yılında ise Hulse ve Taylor’a yeni bir pulsar türü keşfettikleri için ve kütle çekim araştırmalarına ilişkin yeni olasılıklara yol açtıkları için Nobel Ödülü verildi.

Pulsar çifti ve sarmal biçimde yaydıkları kütle çekim dalgası

Ama o yıllardaki bu çalışmalar doğrudan ve sağlıklı veriler elde etmeyi olanaksız kılıyordu.

70’lerde lazer girişim ölçerler(interferometre) ile kütle çekimsel dalga belirlenmesi yapılabileceği anlaşıldı. 1990’a gelindiğinde MIT ve Caltech’ten fizikçiler kütle çekim dalgalarının belirlenmesi için devasa lazer girişim ölçer algılayıcıları yapma düşüncesini ortaya attılar. Kip Thorne, Ronald Drever ve Rainer Weiss önderliğindeki kütle çekim dalgaları keşfetmek için lazer girişim ölçer gözlemevi(Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory/LIGO) tasarısına onay verildi. ABD Ulusal Bilim Vakfı, Birleşik Krallık Bilim ve Teknoloji Konseyi, Almanya’dan Max Planck Derneği ve Avustralya Araştırma Derneği bu tasarıya destek verdiler ve LIGO’nun maliyeti 2015 itibariyle 620 milyon $ tuttu.

Livingston, Louisiana ve Hanford, Washington

1999 yılında yapımı biten ve 2001 yılında etkinliğe başlayan LIGO’da 900’den çok bilim kişisi çalıştı. 2010 yılına dek kütle çekimsel dalga belirlenemedi ve kapatılıp daha gelişmiş algılayıcılar yerleştirilmesi kararı alındı ancak 5 yıl aradan sonra eskisine göre dört kat daha duyarlı olan gelişmiş algılayıcılar ile 2015’in Eylül ayında LIGO yeniden araştırma yapmaya başladı. Eski LIGO en az 40 Hz olan dalgaları duyabiliyordu, yenisi ise 10 Hz’e dek duyarlı dalgaları duyma olanağına iyeydi(sahip) artık. Çalışmaya başladıktan çok kısa bir süre sonra, 14 Eylül 2015 tarihinde kütle çekim dalgalarını belirledi. 11 Şubat 2016’da ise keşif Physical Review Letters adlı bilimsel dergide yayınlandıktan sonra basın toplantısıyla duyurusu yapıldı.

Einstein’ın Genel Görelilik Kuramı’na önemli bir gözlemsel kanıt olmasının yanında kara deliklerin de gerçekten olduğuna ilişkin kanıt sundu.

Nedir Bu Kütle Çekim Dalgaları?

Kütle çekim gücünü de, onların neden olduğu dalgaları da anlatmak kolay değil. Çünkü önce, uzay-zamanı düşleyebilmemiz gerek.

En kolay anlaşılır benzetmelerden biri şöyle yapılabilir; sıkı sıkıya gerilip açılmış bir çarşaf düşünün; sonra bunun üzerine yukarıdan bir gülle bırakıyorsunuz. O, siz ne denli sıkı germiş olursanız olun çarşafı bir ölçüde çökertiyor; fizikçilerin deyimiyle “büküyor.” İşte o bükülme sırasında, nasıl durgun suya attığınız taş çevreye dalgalar yayarsa çarşafın üzerinde de dalgalar oluşuyor. O dalgalar “kütle çekim dalgaları”.

Tabii ki çarşaf 2 boyutlu olduğu için, bu örnek aslında 3 boyutlu etkide kütle çekimini tam olarak doğru belirtiyor. Ancak bu görselde gerçekte kütlenin uzayı nasıl büktüğü 3 boyutlu olarak gösteriliyor.

Kurama göre bu dalgalar ışık hızında hareket ediyor ve doğal olarak dalganın gücü kaynağından uzaklaştıkça da azalıyor.

Aslında kütle çekim gücünü gündelik yaşamımızda sürekli görüyoruz. Bu güç sayesinde yeryüzü kendi ekseni çevresinde ve Güneş’in çevresinde dönmektedir. Bu gücün diğer kanıtlarından biri de okyanuslarda ve denizlerde yaşanan gel-git olayıdır. Gel-gite Ay’ın çekim gücünün neden olduğunu biliyoruz. Ama bilmediğimiz bir şey var: Ay ve Güneş’in çekim gücü yalnızca denizleri etkilemiyor, karaları, koca kıtaları, dağları, ovaları ve bizle birlikte yeryüzü üzerindeki canlı ve cansız her şeyi de etkiliyor.

Yıllar önce CERN’deki fizikçiler deneylerindeki bir aksamayı araştırırken, Ay ve Güneş’in arka arkaya geldiği durumlarda CERN’ün deney tünellerinin ve üzerindeki toprağın önemli miktarda hareket ettiğini anladılar. Bunu kendi bedenimiz ve çevremizdeki nesneler için de düşünebiliriz boyumuzun uzayıp kısalması, eviniz veya yürüdüğünüz yolun uzayıp kısalması gibi.

Peki, Ölçümler Nasıl Yapıldı?

Fizikçiler, kütle çekim dalgalarını kanıtlayacak deneylerini tasarlarken yukarıda söz edilen özellikten yararlandılar.

Amerika’nın birer uçlarına(Livingston, Louisiana ve Hanford, Washington) L harfi biçiminde uzunluğu 4 kilometre olan beton tüneller yaptılar. Bu tünellerin içlerine son düzeyde duyarlı lazer ölçüm düzenleri koydular. Kütle çekim dalgasının yapacağı da tünelin uzunluğunu değiştirmekti.

Lazer girişim ölçer, birbirlerine 90° açıyla duran iki adet tüpten oluşuyor.

Bu L kollarının uçlarına konulan aynalar aracılığıyla, bir lazer ışını gönderildiği zaman, dört kilometrelik yüksek vakumlu yani içinde hava olmayan tüpler boyunca lazer aynı yerde bir ileri bir geri aynalardan sekip durmakta. Her kolda, lazer ışınları 400 kere ileri geri sektikten sonra tüplerin birleşim yerindeki ışın ayırıcıya dönüp kesişiyorlar. Dolayısıyla ışınlar üst üste binmeden önce toplamda 1600 km’lik yol gitmiş oluyorlar ve algılayıcının duyarlılığı yüzlerce kat artıyor.

Birbirlerine 90° açıyla durmakta olan eşit uzunluktaki bu iki tünelde lazer ışını normalde aynı dalga boyunda hareket etmekte. Dolayısıyla 400 gidiş gelişten sonra ışın ayırıcıda kesişip foto algılayıcıya geliyorlar. İki dalgada da bir değişiklik olmadıysa alttaki görselde olduğu gibi üst üste binip birbirlerini sönümlüyorlar.

Bir dalganın tümseği diğer dalganın çukuruna denk geldiğinde, bu iki dalga aynı frekansta iseler, birbirlerini sönümlerler.

 

Eğer iki tüpten birinde uzunluk kısalması olursa, bu olay kesişim sırasında dalgaların birbirlerini sönümleyecek biçimde üst üste binmelerine engel oluyor ve girişim deseni oluşturuyor. Düzenek tüplerdeki kısalmanın boyunu ölçmüyor, ışıkların oluşturacağı girişim deseni foto algılayıcılarca belirleniyor.

Araştırmacılar iki tüpün uzunluklarının, bir protonun 10 bin’de biri kadar keskinlikte, dolayısıyla algılayıcıdan geçecek olan bir kütle çekim dalgasını belirleyebilecek duyarlılıkta olduğunu söylüyorlar. Doğal olarak bu denli küçük değişimleri ölçebilmek için sismik dalgaları, trafiğin yarattığı titreşimleri ve kumsallarda kıyıya vuran dalgaların yarattığı titreşimleri elemeleri gerekiyor. Aletler o denli duyarlı ki, deneyin yöneticilerinden birinin verdiği örnekle konuşacak olursak, birisi denetim odasında elini çırpsa aygıtlar bunu tünelin uzunluğunda bir değişim olarak ölçüyor. Çevreden bir kamyon geçse, tepeden uçak uçsa, uzaklarda deprem olsa vs. hep aletler bunu ölçüyor. İşte bu tür “gürültü” veya “sahte uyarı”lardan kurtulmak için aynı deney tüplerinden”iki tane yapıldı; biri Amerika’nın bir ucunda, diğeri öteki ucunda.

Böylece aynı gürültüyü iki aygıtın birden ölçmesinin önüne geçilmek istendi; deney çift dikiş yapıldı.

LIGO sinyalleri

4 Eylül 2015’te LIGO, hem Louisiana’da hem de Washington’daki düzenekte, benzetimlerde öngörülen bu sinyali 1.3 milyar ışık yılı uzaklıktan belirliyorlar. Saniyede 35 döngü ile yani 35 Hz ile başlayıp 250 Hz’e dek çıkan sinyal 0.25 saniye sürüyor, sonra yitip gidiyor. Sinyaldeki gittikçe artan sıklık birbirleri çevresinde yaklaşarak dönen iki yüksek kütleli cismi göstermekte. Louisiana ve Washington’da belirlenen sinyallerin arasında 0,007 saniyelik gecikme olması ise ışık hızındaki dalganın iki algılayıcı arasındaki yolculuk süresine denk gelmekte. Sinyal 5.1 sigma değerini geçiyor. Bu fizikçilerin keşif yaptıklarını söyleyebilecekleri sayımlamalı(istatistiksel) değeri aştığı anlamına gelmekte.

Dalgaların oluşturduğu hareket sonucu seste oluşan küçük ve oldukça kısa olan geçişi fark edebilirsiniz(kulaklıkla dinlemenizi öneririz).

Birbirleri çevresinde dönen bu iki gök cisminden gelen dalga, benzetimlerle karşılaştırıldığı zaman, bu cisimlerin Güneş’ten 29 ve 36 kat daha kütleli olduklarını ve birleşmeden önce 210 km boyunca birbirleri çevresinde döndükleri ortaya çıkıyor. Bu verilerin çok önemli bir anlamı daha var. Evren’de bu denli ufak alan içinde böylesine kütleleri olan şeylere kuramda kara delikler demekteydik. Bu kara deliklerin yakınından geçen gaz kütlelerinin dönüşleri bize dolaylı yoldan veri sağlamaktaydı. Bu gözlem verileri kütle çekim dalgalarına ilişkin bize doğrudan veri sağladığı kadar kara deliklere ilişkin de yine birinci elden veri sağlamakta.

Örnekler birleşmenin çok büyük boyutta bir patlamaya neden olduğunu gösteriyor. Birleşme sonucunda oluşan kara delik(Kerr sınfını kara delik oluşuyor) 62 Güneş kütlesinde, yani birleşmeden önceki toplam kütleden üç Güneş kütlesi kadar eksik var. İşte bu fark, çevreye yayılan kütle çekimsel ışımanın erkesi. Fizikçi Bruce Allen “Şimdiye dek kara deliklerin olup olmadığı konusu tartışılabiliyordu, ama artık var oldukları kesinlik kazandı.” demekte. Kütle çekim dalgaları için yaptığı yorum ise “Saniyenin onda biri kadar süren birleşme, evrendeki bütün gök adalardaki bütün yıldızlardan daha çok parladı, yalnızca bu parlama elektromanyetik ışıma değil kütle çekim ışımasıydı.” biçiminde.

Bu keşif Einstein’ın Genel Görelilik Kuramı’ndaki şimdiye dek deney ile doğrulanamamış önemli bir öngörüyü kanıtlıyor ve kütle çekim dalgası gök bilimi adında yeni bir çağı başlatmakta.

Peki, Şimdi Sonuç Ne Oldu?

James Clark Maxwell, 1865’te elektromanyetik ışınımı bulduğunda bunun ne işe yarayacağına ilişkin hiçbir düşüncesi yoktu.

O sayede önce bir bakır bobininin ortasında bir mıknatısı döndürerek elektrik üretmeye başladık(bugün hala böyle üretiyoruz) sonra arkası geldi.

Bugün de, kara deliklerin var oldukları kesinlik kazandı ve külteçekim dalgalarının varlığı ortaya kondu. Acaba bu dalgalarla neler yapacak insanoğlu?

Usa ilk gelen, Evrenin bizim açımızdan “görülmez” olan alanını artık bize görülür kılacak olması. Evrenimiz birden bire daha derin, daha yüksek çözünürlüğe sahip oldu şimdi.

Kaynakça

https://nasa.tumblr.com/post/139124558019/what-are-gravitational-waves

http://www.nature.com/news/the-hundred-year-quest-for-gravitational-waves-in-pictures-1.19340

https://en.wikipedia.org/wiki/LIGO

http://ismetberkan.blogspot.com.tr/2016/02/onumuzde-yepyeni-bir-evren-acld.html?m=1

BİR YANIT BIRAK

Lütfen yorumunuzu giriniz
Lütfen adınızı buraya giriniz