Uzay-zamanda dalgalanmalar

Bir göle atılmış taş parçası düşünün. Düştüğü yerden başlayarak yayılan dairesel dalgaları. Kütlesi olan her madde uzay-zamanda böyle dalgalar oluşturabilir. Nasıl mı? Hadi bugün kütle çekimi dalgalarından bahsedelim.

İVMELENME GEREKLİDİR

Kütlesi olan her şey uzay-zamanı büker. Einstein 20. yüzyılın başında bu fiziksel olayı görelilik teorisi dediğimiz denklemlerle gösterdi. Tabii ki kütlelerin birbirini çektiği Einstein’dan önce de bilinen bir olguydu. Einstein görelilik teorisi denklemlerini yazmadan seneler önce bazı fizikçiler kütleli cisimlerin ivmelenerek hareket ettiklerinde, aynı elektrik yüklü elektronların elektromanyetik dalgalar üretmesi gibi, kütle çekim dalgaları oluşturacağını öne sürmüşlerdi. Göle atılan taş örneğine dönersek, biliriz ki duran taş dalga oluşturmaz. Dalgalar bir hareket değişikliğinden ileri gelir. Bu yüzden hem elektromanyetik dalgalar hem de kütle çekimsel dalgalar için bir ivmelenmeye ihtiyaç vardır.

Bu harika bir tahmin. Bu harikalığın bir başka yönü de bu dalgaların enerji taşıması. Göl örneğine bir kez daha dönersek: Dalgalar oluşurken taşın hızı biraz kesilir. Mesela bu dalgalar Dünya, Güneş etrafında dönerken de oluşturuluyor. Kütle çekim dalgalarına giden enerji Dünya’nın Güneş’e biraz yaklaşmasını sağlıyor. Fakat bu etki o kadar küçük ki Dünya’nın yörüngesini ölçülebilir bir şekilde etkilemedi şimdiye kadar. Bu etkinin zayıflığından dolayı, Güneşten çok çok daha büyük, herhangi bir cisimden gelen kütle çekim dalgalarını gözlemlememiz için bir asır beklememiz gerekti.

LIGO DENEYİ

Kütle çekim dalgaları direkt olarak ilk defa 2015 yılında LIGO adlı bir deney tarafından gözlemlendi. LIGO’nun açılımı Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, ya da Türkçesiyle Lazer Girişim ölçerli Kütle çekim Dalgası Gözlemevi. LIGO aslında birbirinden kuş uçuşu 3 bin km uzakta iki ayrı gözlemevinden oluşuyor. Işık hızında hareket etmesi beklenen kütle çekim dalgaları iki gözlemevine yaklaşık 10 milisaniye arayla varıyor. Hangi gözlemevine ilk vardığı dalganın hangi yönden geldiğini belirlemek için önemli. Her iki gözlemevinde bulunan ve bu dalgaları ‘görmemizi’ sağlayan ise bir girişimölçer deneyi. Bu deney düzeneği her bacağı 4 km uzunluğunda bir L şeklinde. L’nin köşesinde bir lazer ve hüzme bölücü, uçlarında ise iki tane ayna var. Lazerin ışığı hüzme bölücü denen bir alet ile ikiye bölünüyor ve bu iki aynaya gönderiliyor. Aynalardan yansıyıp gelen lazer ışığı daha sonra tekrar birleştiriliyor. Eğer hiçbir dış etki yoksa aynı uzunluktaki yollardan giden bu iki ışık hüzmesi birbiri ile tamamen aynı olmalı. Fakat eğer uzay-zamanda bir dalgalanma olursa, bu dalgaların aldığı yolu etkiler. Mesela bir bacaktaki yol uzamış olabilir. Dolayısıyla iki ışık tekrar birleştirilmeye çalışıldığında birbirlerine uymazlar. Bir tarafı farklı çekmiş kumaş gibi. İşte LIGO bu uyuşmazlığı ölçerek kütle çekimi dalgalarını gözlemledi. Bu etki o kadar zayıf ki deneyin iki kolu arasındaki ölçülen uzunluk uyuşmazlığı bir atom çekirdeğinden bin kat daha küçük!

LIGO’nun ilk gözlemlediği dalgalar birbiri etrafında dönen iki karadeliğin sonunda birleşmesi ve daha büyük bir karadelik oluşturması sonucu oluştu. Bu karadeliklerden biri Güneş’in yaklaşık 30 katı, diğeri 35 katı kütleye sahip. Birleşmelerinden oluşan karadeliğin kütlesi ise Güneşin 62 katı kadar. Hayır, toplamayı yanlış yapmadım. Eksik 3 Güneş kütlesi, kütle çekim dalgaları tarafında çalınmış oluyor. Bu ilk gözlemden sonra Evren bizlere sanki kütle çekim lambaları yanmış gibi yeni bir şekilde açıldı. LIGO onlarca yeni karadelik birleşmesi gözlemledi. Hatta nötron yıldızı birleşmelerinden oluşan kütle çekim dalgalarını da gördüler.

LIGO tarafından en son gözlemlenen kütle çekim dalgaları Güneşin 85 ve 66 katı kütlesinde iki karadeliğin birleşmesinden oluşuyor. Bu görülen en ağır karadelik birleşmesi. Bu gözlemdeki bir gariplik şu: Bu ağırlıkta kara deliklerin varlığı astrofizikçiler tarafından tahmin edilmiyordu. Çok büyük kütleli karadelikler ve normal kütleli karadeliklerin varlığını açıklayan modeller var, fakat bu ara kütleli karadeliklerin nasıl oluştuğu bir gizem.