Bilim dünyasının 2016’daki en büyük keşfi: Kütleçekim dalgaları

Keşifler sayesinde Dünyamızı ve Evren’i daha biraz daha iyi anlıyoruz. Yapılan her keşifler birçok soruyu cevapladığımız gibi, cevaplanması gereken yeni sorular keşfediyoruz. Birçok bilim insanına göre, 2016’da yaşanan bir gelişme eski ve yeni sorularla baş etme konusunda bizlere çok fazla bilgi sundu: Kütleçekim dalgalarının tespiti.

Science dergisi, ‘yılın çığır açıcı keşfi’ olarak tanımladığı kütleçekim dalgalarının ‘bilim dünyasını değiştirdiğini’ belirtti. Peki bu kadar büyük bir etkinin arkasında ne yatıyor?

100 yıl sonra gelen delil

Bilim insanları ilk olarak Şubat ayında yaptıkları ve Haziran ayında yineledikleri açıklamada, ‘uzay zamandaki bir dalganın çok cılız gürültüsünü duyduklarını’ belirtti. Söz konusu ses, iki karadeliğin çarpışmasını temsil ediyordu.

Elde edilen bulgular, Albert Einstein’ın 100 yıl önce öne sürdüğü Görelilik Teorisi’nde yer alan ‘kütleçekim dalgalarına‘ ait ilk delil olarak kayıtlara geçti.

ABD’nin Louisiana ve Washington eyaletlerinde yer alan Lazer Enterfrometre Kütleçekim Dalga Gözlemevi (LIGO) adındaki iki dev donanımla yapılan tespitler, 100 yıl öncesine uzanan bir sorunun cevabını bulmakla kalmadı, bilimde yeni ve dev bir başlığın açılmasını sağladı.

Bilim dünyasının 2016’daki altın tacı

Günümüzde kullanılan teleskoplar görünür ışık, X ve Gama ışınları gibi elektromanyetik radyasyon yayan nesneleri tespit edebiliyor. Ancak çarpışan iki karadelik, elektromanyetik radyasyon yaymıyor. Tersine, çekim kuvveti saçıyorlar. Kütleçekim dalga astronomisi sayesinde, yakın gelecekteki birçok görünmez kozmik nesneyi görünür kılabileceğiz.

Bilim dünyası için bunun anlamı tahmin edebileceğimizden büyük. Öyle ki, Science’ın ardından Nature dergisi de kütleçekim dalgalarını tespit eden ekibi onurlandırdı. Dergi, LIGO projesinin başında yer alan Gabriela Gonzales’i “2016 yılının önemli 10 kişisi” arasında gösterdi. Bununla da kalmadı.

Physics World dergisi, LIGO keşfini ‘yılın çığır açan olayları’ arasında gösterirdi. Foreign Policy ise LIGO bilim insanlarını dünyanın en önde gelen düşünürleri arasına yerleştirdi. Bu kadar övgünün ardından Nobel Fizik Ödülü gelmedi ancak önümüzdeki yıl bunun gerçekleşmesi muhtemel.

Onca övgünün arkasında yatan önemli bir mesaj var: Bu kadar parçalanmış bir dünyada, LIGO ve kütleçekim dalgaları bilimsel gelişmenin halen hızını koruduğunu gösterdi.

Science, keşfin önemini şu ifadeyle özetledi: “Yeni bir bilim bize el sallıyor.”

Kütçekekim dalgaları neden önemli?

Ses dalgalarının gürültü oluşturmak için havayı sarsması gibi, kütleçekim dalgaları da uzay-zamanın kumaşını dürterek maddeleri çekip itiyor. Oluşturdukları etki, lunaparklardaki komik aynalara benziyor. Örneğin, bir kütleçekim dalgası içinizden geçseydi, bir kolunuz diğerinden daha uzun görünürdü. Eğer her iki kolunuzda da saat olsaydı, ikisi farklı zamanlar gösterecekti.

Ancak bu kadar güçsüz kütleçekim dalgalarını tespit etmenin bir yolu yok. Mevcut bilimsel donanımlarımızın tespit yapabilmesi için iki karadeliğin çarpışması gibi olağanüstü gürültülü bir olay gerekiyor.

LIGO laboratuvarının direktörü Dave Reitze, “Şu an kütleçekim dalgaları ile banyo yapıyorum. Aynısı sizin için de geçerli” diyor. Enterfrometrelerin onları bulamamasının nedeni ise oluşturdukları sinyalin büyüklüğünü tespit edecek kapasitelerinin olmaması.

Çarpışan iki karadelik ‘yerçekimi gök gürültüsü’ doğuruyor. Ancak Dünya’ya ulaştıkları 1.4 milyar yıl sonra, oldukça sönük hale geliyorlar. Bu süreç, göle atılan taşın oluşturduğu dalgaların yayıldıkça zayıflamasına benzetilebilir.

(Bilim insanlarının ses metaforunu kullanmasının sebebi ise kütleçekim dalgalarının yaydığı frekansların, insan kulağının algıladığı frekanslarla karşılaştırabilmesi.)

LIGO’nun geçtiğimiz yılbaşı döneminde tespit ettiği kütleçekim dalgalarından biri 0.7 attometre uzunluğundaydı (1 attometre = 10^-18 metre). Yani, bir atomdan daha kısa.

Aşağıda yer alan GIF, bir atomun genişliğinden başlayarak 10^-18 metre ölçeğine indirgeniyor (Bu kadar ufak bir şeyi duyabilmek inanılmaz değil mi?)

On yıllar süren çabanın sonucu

Ulusal Bilim Derneği tarafından desteklenen LIGO projesi, Louisiana ve Washington eyaletlerinde iki dev deney olarak biliniyor. Her ikisi de L şeklindeki tüplerden oluşuyor. Tüplerin her bir kolu, 4 kilometre uzunluğunda.

Deneyler esnasında, bir lazer ışını iki kol arasında eşit olarak bölünüyor. Her iki kolun oluşturduğu tünel veya koridorun sonunda, bir ayna yer alıyor. Ayna, lazeri başlangıç noktasına yansıtıyor. Yapılan deneyde elde edilmeye çalışılan bulgu, uzay-zamanın kütleçekim dalgalarından etkilenip etkilenmediği. Bu sonuca, bir koldaki lazerin diğerinden daha uzun sürede yansıması ile ulaşılıyor.

Bu noktaya gelebilmek onlarca yıl süren çalışmalarla mümkün oldu. LIGO’nun üzerine inşa edildiği fikir, 20’inci yüzyılın başlarında ortaya atıldı. Proje, 1980’lerde başladı ve ilk kez 2002’de tesis aktif hale geldi. Tespit edilen seslerin analiz edilmesi ve uluslararası bilim camiası tarafından onaylanması bir yıl sürdü. Kısaca, bilimdeki çığır açıcı gelişmeler çok derin köklere sahip ve uluslararası işbirliğinin ürünü.

Tablo böyle olunca, insanlık olarak geride kalan on yıllarda ne gibi keşifleri elimizin tersiyle ittiğimizi düşünmek de acı verici.

Kütleçekim astronomisinden neler öğrenebiliriz?

LIGO, kütleçekim dalgalarının tespiti için gökyüzünde bir noktaya odaklanamıyor. Yapabildiği, herhangi bir anda Dünya’dan geçen kütleçekim dalgalarını tespit edebilmek. LIGO, kütleçekim dalgalarının kaynağını belirlemek konusunda da maalesef çok başarılı değil.

Yine de, gelecek on yıllarda dünya genelinde beş yeni tesis aktif hale gelecek. Sıranın başında, İtalya’da kurulacak olan VIRGO yer alıyor. VIRGO’nun 2017’de devreye girmesinin ardından kütleçekim dalgalarını takip etmek için üç dedektör olacak ve dalglarının kaynağını belirleme imkanı artacak.

Peki, bilim dünyasına görkemli bir giriş yapan kütleçekim dalgaları sayesinde astronomide neler başarabiliriz? Bakalım:

1 – Hiç gitmediğimiz kadar geçmişe gitmek

Mevcut teleskoplarımızla yapamadıklarımız arasında, Evren’in çok eski zamanlarını görebilmek var.

McMAster Üniversitesi’nde parçacık fizikçisi olan Cliff Burges, “Eğer Evren’in bakabildiğimiz en uzak köşesine görünür ışık ile baksaydık, Evren şeffaflığını kaybeder ve mat hale gelirdi” ifadesini kullanıyor.

LIGO sayesinde Evren’in göremediğimiz zamanalarından gelen, hatta Büyük Patlama’da oluşan kütleçekim dalgalarını tespit edebilir ve nasıl oluştuğuna dair yeni bilgiler elde edebiliriz.

2 – Görelilik Teorisi’nin temelleri güçlenecek

Einstein’ın 100 yıl önce açıkladığı Görelilik Teorisi, o zamandan bu yana yerçekimi algımızı şekillendirdi. Ancak Einstein dahil birçok fizikçi, teorinin tamamlanmadığını düşünüyordu. Sebebi, kuantum mekaniği ile çok iyi uyum sağlamamasıydı. Kütleçekim dalgaları, genel izafiyeti yeni testlere tabii tutmamızı sağlayarak nerede eksikler olduğunu anlamamızı sağlayabilir.

Caudill, “(Kütleçekim dalgaları tespit edilen) Karadeliklerin Görelilik Teorisi ile tamamen uyuştuğunu gördük… Bu iyi bir gelişme ancak yeni bulgular elde ettikçe Einstein’ın teorisini daha fazla kurcalayabiliriz ve eksikleri ortaya çıkarabiliriz” dedi.

3 – Yeni nötron yıldızları keşfedebiliriz

Evren’deki bilinen en yoğun kütleli nesneler olan nötron yıldızları, bir o kadar çekim gücü saçıyorlar. Nötron yıldızlarını daha da havalı yapan unsur, kendi eksenlerinde deli gibi dönerken ışık saçmaları.

Caudill, LIGO ile nötron yıldızları veya bir nötron yıldızı ile bir karadeliğin çarpışmasını tespit ederlerse, yer teleskopları ile ortaya çıkacak ışığı görebileceklerini söyledi.

4 – Karadeliklerin birbirlerinin yörüngesinde gezinme sıklığını anlayacağız

Kütleçekim dalgalarına ait Şubat 2016’da yapılan açıklama öncesinde, iki karadeliğin birbirilerinin yörüngesinde yer alabileceğine dair kesin delil bulunmuyordu. Bugün ise iki çift ‘karadelik sistemi’ keşfetmiş durumdayız. Kütleçekim dalgaları astronomisi sayesinde karadelik çiftlerinin nasıl oluştuğu ve birbirleri ile ilişkisini de anlayabileceğiz.

5 – Karanlık maddenin kaynağını bulabiliriz

Karanlık maddenin Evren’in ne kadarını kapladığına yönelik bilgiler sürekli değişiyor. Bazı bilim insanlarına göre yüzde 80’lerde olan bu oran, yüzde 27’lere kadar düşüyor. Asıl soru ise karanlık maddenin ne kadar yer kapladığından çok nereden geldiği.

Yerçekimini madde oluşturuyor. Buradan yola çıkarak karanlık maddenin kökenlerini kütleçekim dalgaları ile araştırabiliriz. Karanlık madde, çok sayıda küçük karadelik olarak var olabilir. Veya, Evren’in başlangıcında oluşan en ilkel karadeliklerin kalıntıları da olabilir. Kütleçekim dalgaları, tüm bu sorular eşliğinde bizi yönlendirebilir.

6 – Yeni kozmik yapılar keşfedeceğiz

Evren, uçsuz bucaksız karanlık bir yer. Bu tür cümlelerin ardından birçoğumuzun aklında onun içinde ne kadar küçük olduğumuzu gösteren simülasyonlar beliriyor olmalı.

Bu kadar büyük bir yerde keşfedilmeyi bekleyen sayısız nesne yatıyor. Harvard Üniversitesi’nden teorik fizikçi Avi Loeb, “Hiç beklemediğimiz çekim gücü kaynakları keşfedebiliriz” ifadesini kullanıyor.

Belki de uzay-zamanda tuhaf kırışıklar gibi yer alan ve dev enerji barındıran ‘kozmik sicimleri’ keşfedeceğiz. Hipoteze dayalı bu ve diğer kozmik nesnelerin bulunma ihtimali, LIGO ve ardından gelecek yeni bilimsel donanımların arttıkça güçlenecek.

Reitze, “Galileo’nun teleskobundan dağların zirvelerini kaplayan teleskoplara uzanmak gibi olacak… Önümüzdeki 50 yıl içinde (kütleçekim dalga astronomisi) çok ilginç bir alan haline gelecek” diyor.

Umarız, Mars’ta birçok koloninin temelinin atılacağı o günlerde insanlık bilimsel keşifler adına Dünya’da yaptığı hataları tekrarlamayı keser. Böylece çok uzun zaman önce yapabileceğimiz keşiflerin bizlere sunacağı avantajları değerlendirememiş olmanın üzüntüsünü bir daha yaşamayız.