LIGO ve Kütle Çekim Dalgalarının Keşfi

Albert Einstein’ın Genel Görelilik Teorisi uzay-zaman sürekliliğinin kütleden etkilendiğini söylemekteydi. Peki kütle sallanıp çalkalanırsa bunun uzay-zamana bir etkisi olur mu?

Einstein böyle bir olayda uzay-zaman’ın titreşeceğini ve ışık hızında kütle çekim dalgaları üretileceği öngörüsünü yaptı. Hemen ardından fizikçiler tartışmaya başladılar. Einstein bile bu düşüncesini birkaç kere değiştirdi.

Bu dalgaları tespit etmek için inanılmaz bir teknoloji ve şans gerekiyordu. Haliyle gerçekten var olup olmadıkları da yıllarca tartışma konusu oldu. Genel Göreliliğin 100’üncü yılına girdiğimiz bu günlerde ise kütle çekim dalgaları sonunda keşfedildi. Bu yazımızda keşfin nasıl yapıldığını anlatacağız.

Kütle çekim dalgalarının gerçek olduğuna inanan fizikçi Joseph Weber, 1969 yılında, bu dalgaları keşfedilebilmek için bir dedektör icat etti. Yaptığı iki metre uzunluğunda ve bir metre genişliğindeki alüminyum silindir, bir kütle çekim dalgası ile karşılaştığında titreşip ses çıkaracaktı. Sonuçları Weber hariç hiçbir fizikçi tarafından kabul görmedi ve tekrar edilemedi.

1974 yılında ise, Rusell Hulse ve öğrencisi Joseph Hulse’un keşfettiği ilk pulsar çiftinden kütle çekim dalgalarına dair dolaylı yoldan bir tespit gerçekleşti. Birbirleri etrafında genel göreliliğin öngördüğü şekilde spiral çizerek dolanıyorlardı ve yörünge bozunumları kütle çekimsel ışıma ile enerji kaybı yaşadığına dair dolaylı bir gözlemdi. 1993 yılında ise Hulse ve Taylor’a yeni bir pulsar tipi keşfettikleri için ve kütle çekim araştırmalarına dair yeni olasılıklara yol açtıkları için  Nobel Ödülü verildi. (günümüzde karanlık madde gözlemleri de dolaylı yoldan tespit yapmaktadır.)

Fakat doğrudan tespit için arayış yine uzun zaman aldı. 70’lerde lazer girişim ölçler‘ler (interferometre) ile kütle çekimsel dalga tespiti yapılabileceği anlaşılmıştı. 1990’a gelindiğinde MIT ve Caltech’ten fizikçiler kütle çekim dalgaları tespiti için devasa lazer girişim ölçer dedektörleri yapma fikrini ortaya attılar. Bir çok fizikçi, öbür araştırma alanlarına ayrılacak ciddi miktarda parayı azaltıp karşılığında hiçbir sonuç alamayacaklarını düşündüklerinden dolayı ciddi bir biçimde karşı çıktılar. Fakat Kip Thorne, Ronald Drever ve Rainer Weiss önderliğindeki kütle çekim dalgaları keşfetmek için lazer girişim ölçer gözlemevi LIGO projesine onay verildi. ABD Ulusal Bilim Vakfı, Birleşik Krallık Bilim ve Teknoloji Konseyi, Almanya’dan Max Planck Derneği ve Avustralya Araştırma Derneği bu projeye destek verdiler ve LIGO’nun maliyeti 2015 itibariyle 620 milyon $ tuttu.

1999 yılında yapımı biten ve 2001 yılında faaliyete başlayan LIGO’da şimdiye kadar 900’den fazla bilim insanı çalıştı. 2010 yılına kadar kütle çekimsel dalga tespit edilemedi ve kapatılıp daha gelişmiş dedektörler yerleştirilmesi kararı alındı. Eskisine göre dört kat daha hassas olan gelişmiş dedektörler ile 2015’in Eylül ayında LIGO tekrar araştırma yapmaya başladı.

Eski LIGO minimum 40Hz olan dalgaları duyabiliyordu, yenisi ise 10Hz’ye kadar hassas. Çalışmaya başladıktan çok kısa bir süre sonra, 14 Eylül 2015 tarihinde kütle çekim dalgalarını tespit etti. 11 Şubat 2016’da ise keşif Physical Review Letters adlı bilimsel dergide yayınlandıktan sonra basın toplantısıyla duyurusu yapıldı.

LIGO kütle çekim dalgalarının Dünya’yı nanometrenin 100 binde biri kadar genişletip daralttığını ölçtü. Einstein’ın Genel Görelilik teorisine önemli bir gözlemsel kanıt olmasının yanında kara deliklerin de gerçekten olduğuna dair kanıt sundu.

Peki bu ölçüm nasıl yapıldı?

Uzaydaki çok ufak bir genişlemeyi yüksek keskinlikle fark edebilmek için girişim ölçer adı verilen L şeklinde, iki adet dört kilometre uzunluğunda tüp kullanılıyor.

Bu kolların uçlarına konulan aynalar sayesinde, 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 üstüste binmeden önce toplamda 1600 km’lik yol katetmiş oluyorlar ve dedektörün hassaslığı yüzlerce kat artıyor.

Birbirlerine 90 derece 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 dedektöre geliyorlar. İki dalgada da bir değişiklik olmadıysa alttaki görselde olduğu gibi üstüste binip birbirlerini sönümlüyorlar.

Eğer iki tüpten birinde uzunluk kısalması olursa, bu olay kesişim sırasında dalgaların birbirlerini sönümleyecek şekilde üstüste binmelerine engel oluyor ve girişim deseni oluşturuyor. Düzenek tüplerdeki kısalmanın boyunu ölçmüyor, ışıkların oluşturacağı girişim deseni fotodedektörler tarafından tespit ediliyor.

Araştırmacılar iki tüpün uzunluklarının, bir protonun 10 bin’de biri kadar keskinlikte, dolayısıyla dedektörden geçecek olan bir kütle çekim dalgasını tespit edebilecek hassaslıkta olduğunu söylüyorlar. Tabii bu kadar küçük değişimleri ölçebilmek için sismik dalgaları, trafiğin yarattığı titreşimleri ve sahillerde kıyıya vuran dalgaların yarattığı titreşimleri elemeleri gerekiyor.

14 Eylül 2015’te LIGO, hem Louisiana’da hem de Washington’daki düzenekte, simülasyonlarda öngörülen bu sinyali 1.3 milyar ışık yılı uzaklıktan tespit ediyorlar. Saniyede 35 döngü ile yani 35Hz ile başlayıp 250Hz’ye kadar çıkan sinyal 0.25 saniye sürüyor, ardından kayboluyor. Sinyaldeki gittikçe artan frekans birbirleri etrafında yaklaşarak dönen iki yüksek kütleli cisme işaret etmekte. Louisiana ve Washington’da tespit edilen sinyallerin arasında 0,007 saniyelik gecikme olması ise ışık hızındaki dalganın iki dedektör arasındaki yolculuk süresine denk gelmekte. Sinyal 5.1 sigma değerini geçiyor. Bu fizikçilerin keşif yaptıklarını söyleyebilecekleri istatistiksel değeri aştığı anlamına gelmekte.

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

Modeller birleşmenin çok büyük boyutta bir patlamaya sebep 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, etrafa yayılan kütle çekimsel ışımanın enerjisi. Fizikçi Bruce Allen “Şimdiye kadar kara deliklerin olup olmadığı konusu tartışılabiliyordu, fakat artık var oldukları kesinlik kazandı” demekte. Kütle çekim dalgaları için yaptığı yorum ise “Saniyenin onda biri kadar süren birleşme, evrendeki bütün galaksilerdeki bütün yıldızlardan daha fazla parladı, sadece bu parlama elektromanyetik ışıma değil kütle çekim ışımasıydı” şeklinde.

Bu keşif Einstein’ın Genel Görelilik teorisindeki şimdiye kadar deney ile doğrulanamamış önemli bir öngörüyü kanıtlıyor ve kütle çekim dalgası astronomisi adında yeni bir çağı başlatmakta.

Taylan Kasar

Kaynaklar:

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

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