Bu sene Nobel Fizik ödülü “Kütleçekim Dalgalarının” keşfine verildi. Suyun dalgasını, ışığın dalgasını duymuştuk da, kütlenin çekiminin de bir dalgası mı varmış diye düşünebilirsiniz. Aslında bu soru çok uzun yıllardır fizikçilerin aklını meşgul ediyordu. Var olabileceği ta Einstein zamanına kadar dayanıyor olsa da, bunu ilk defa gözlemsel olarak kanıtlamak ancak bizim neslimize yetişti. Peki nasıl?
Kütle çekim dalgalarının kökeni Einstein’ın Genel Görelilik Teorisi’ne kadar gider. Einstein 1916 yılında der ki: “Eğer Dünya gibi büyük kütleli bir cismi iyice gerilmiş bir kumaş parçasının içine atarsak kütlenin yoğun olduğu yerde kumaş gerilerek çöker, eğer daha büyük kütleli bir cisim, yani örneğin güneş, ya da bir yıldızı atarsak daha yüksek kütleli olduklarından daha çok gerilir. İki büyük kütleli cisim, birbiri etrafında dönerken bile sistemin oluşturduğu enerjiden dolayı kütle çekimden kaynaklanan uzay-zamanda küçük bir dalgalanma oluşur. Bu dalgalanmanın etkisi o kadar küçüktür ki, bunu görmek olanaksızdır.”
Ve tam 100 yıl sonra. İnsanoğlunun azmi ve kararlılığı Einstein’ı yine haklı çıkardı! Caltech fizikçileri Kip Thorne ve Barry Barish ile MIT fizikçisi Rainer Weiss tarafından kurulan ve yüzlerce fizikçi ve mühendis tarafından işletilen Lazer Enterferometri Kütle Çekim Dalgaları Gözlemevi (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO) sayesinde 14 Eylül 2015 tarihinde ilk kütle çekim dalgası gözlemlendi ve 2017 Nobel Fizik Ödülü de bu tarihi keşfe verildi. Ödülün sahipleri arasında bulunan Kip Thorne’u duymuş olma ihtimaliniz yüksek, çünkü 2014 yapımı efsanevi Yıldızlararası (Interstellar) filminin bilim danışmanı olarak dikkati çekmişti.
Ne görüldü diye merak ediyorsanız; bizim güneşimizden 29 ve 36 kat daha fazla kütleli iki karadeliğin, 1.3 milyar yıl önce çarpışmasından yayılan, bir atomun çekirdeğinden bin kat daha küçük boyutta olan bir kütle çekim dalgası, 14 Eylül 2015 tarihinde LIGO detektörlerine bir sinyal olarak düştü!
Durun burada bir nefes alalım. Ne, nasıl yani, diyebilirsiniz ve yukarıdaki cümleyi emin olmak için yeniden okuyabilirsiniz. Aslında gerçekten de, devasa evrende 1.3 milyar yıl öncesinde oluşan bir olaydan yayılan dalganın, ufacık bir atom çekirdeği kalınlığından çok daha küçük bir etkisini yakalamış olduk! Yani biz, bugünkü teknolojiye sahip bu kadar hassas bir deney düzeneği kurmamış olsaydık, bunu hiç bir zaman fark edemeyecektik. Bu iki karadelik, önce birbirleri etrafında yavaşça dönmeye başladılar, sonrasında bu dönme ışık hızına yakın bir hıza ulaştı ve sonunda birbirleriyle çarpışarak 60 güneş kütlesini aşkın, ama çapı 360 kilometre gibi çok küçük bir hacme sığabilecek kadar güçlü bir karadelik oluşturdu. Bu çarpışma sırasında yaklaşık üç güneş kütlesi kadar bir kütle de saniyenin çok küçük bir kesri içerisinde kütle çekim dalgasına dönüştü. Bu kozmik olayın haberi de işte bu kütle çekim dalgası ile bütün evrene yayıldı ve biz de bu haberi aldık. Sanırım Nobel Ödülünü nasıl hak ettikleri de böylece az çok anlaşılmıştır.
Nobel Ödülünü 1970’li yıllarda alan fizikçiler, iyi bir ekipmana sahip olunursa kütle çekim dalgalarının keşfedilebileceğini, yani LIGO’nun ilk kurulma temellerini ortaya atmışlardı. Her ne kadar çılgın bir fikir olsa da, ABD’nin Ulusal Bilim Kurumu (NSF) projeyi destekledi ve 1994 yılında LIGO inşaatına başlandı. LIGO gözlemevinin kurulumu 2002 yılında tamamlandı ve ilk gözlemlere başlandı. O günkü teknoloji ile 2002’den 2010’a kadar hiçbir şey tespit edilemeyince, sistemin yeterli olmadığını ve detektörün geliştirilmesi gerektiğine karar verildi. Gelişmiş LIGO’ya (Advanced LIGO) 2008 yılında başlandı ve Eylül 2015’te tamamlandı. Tarih dikkatinizi çekiyorsa, Gelişmiş LIGO çalışmaya başlar başlamaz, kısa zamanda ilk kütle çekim dalgasını da keşfetmiş oldu.
Aralarında 3002 kilometre mesafe olan LIGO’ya ait iki gözlemevinden birisi Livingstone, Louisiana’da ve diğeri de Hanford, Washington’da bulunur. Her biri L şeklinde ve dörder km uzunluğa sahip iki kolu vardır. Bu kolların uçlarındaki aynalara hassas lazer gönderilir. Deneyin amacı, etkin bir kozmik olay neticesinde uzay-zamanın bükülmesiyle oluşan kütle çekim dalgalarının detektörden geçerken, bu kolların boylarını değiştirip değiştirmediğinin bu hassas lazerlerle tespit edilmesidir. Önceden söylediğimiz gibi, bu etki bir atomun çekirdeğinin kalınlığından bile küçük olabileceğinden LIGO lazerinin hassasiyeti 10-19 metre yani atomun çekirdeğinden 10 bin kat daha küçük değişikliği tespit edebilme mertebesindedir.
Birbirine uzak iki gözlemevinin kurulmasının nedeni de, eğer ki bir dalga, bir gözlemevinde tespit edilirse aynı anda diğerinde de görülmek zorundadır, yani bir nevi birbirlerini teyit etme amaçlı diyebiliriz. çünkü yanlış anlaşılmaya sebep olabilecek o kadar çok şey olabilir ki, küçük bir deprem, ya da başka bir doğa olayı bir detektörlerde etki yapabilir, onun için diğerinden de teyit almak zorunludur. 14 Eylül’de tespit edilen karadelik çarpışmasına ait kütle çekim dalgaları da ilk olarak LIGO Livingstone Gözlemevi’ne ulaştı, 7 milisaniye sonra da LIGO Hanford Gözlemevi tarafından tespit edildi. Bunun sebebi de gelen sinyal kaynağının güney yarımküre yönünden gelmesiydi.
NEDEN BU KADAR ZOR TESPIT EDILIYOR?
Uzak kozmik olaylar sonucunda oluşan kütle çekim dalgaları bize kadar ulaştığında uzay-zamanı çok küçük bir etkiyle bükerler. Bu dalga Dünya’ya kadar ulaştığında bizi iki eksenden hem sıkıştırır, hem de genişleterek hareket eder. Bu bükülme, bir atomum çekirdeğinden de çok daha küçük olduğundan birçok enstrümanın bunu fark etmesi imkânsızdır.
Keşfe konu olan iki karadeliğin çarpışması o kadar şiddetli bir kozmik olay ki, bize çok uzak bir galakside bile gerçekleşse, oluşan enerji sayesinde yayılan kütle çekim dalgaları milyar yıl sonra bile bize ulaşabilmiş oldu. Diyeceksiniz ki, koskoca evrende iki karadelik sadece bir kez mi çarpıştı? Elbette hayır, evrende her gün, iki karadeliğin çarpışmasından çok daha şiddetli birçok olay oluyor. Hatta dolayısıyla bu tür olaylarda kütle çekim dalgaları da evrene yayıldığından, sürekli Dünya’ya yani bize de çarpıp geçtiği tahmin ediliyor, ancak LIGO’nun detektörleri henüz çok daha düşük enerjili dalgaları takip edecek kadar hassas değil. Ancak yine de Advanced LIGO ile bundan sonra da birçok olayın gözlemlenebileceğine eminim. Örneğin geçen ay gerçekleşen iki nötron yıldızının çarpışmasından yayılan kütle çekim dalgaları hem LIGO tarafından, hem de aynı anda dünyadaki birçok teleskop tarafından aynı anda gözlemlendi.
Bundan sonra ne olacak derseniz, artık kütle çekim dalgalarının varlığını ve bunları nasıl tespit edebileceğimizi biliyoruz. Artık daha fazla dalga tespit edebiliriz, ancak bu tür bir tespiti yapabilecek teknolojiyi oluşturmak mühendislik yeteneğimizi bir seviye daha artırdı. Elbette bu keşfin etkilerini günlük hayatta ne zaman kullanırız bilinmez, belki 10 yıl sonra, belki 100 yıl sonra. Ancak Einstein’ın 100 yıl önceki Genel Görelilik Teorisi’nin etkilerini bugün GPS cihazlarımızda adres ararken kullanıyorsak, eminim bir gün bunun da etkilerini kullanacağımız ileri teknolojiye ulaşacağız.
Bu yazı Atlas Dergisi için yazılmıştır, dergi sayfalarını indirmek için pdf’i tıklayınız.
Uzay Atlası (Atlas – Kasım 2017)
