Kütleçekim Dalgasının Peşinde

0
1138
 
Einstein, uzay-zamanda yayılan dalgacıklar öngörmüştü, ama onları fark edemiyorduk. Dev detektörler sayesinde, artık onları yakalayıp evrenin gizemlerini aydınlatabileceğiz.

 hhj.jpg - 54.55 KB
İnşaat halinde görülen bu tünel, Pisa yakınlarındaki İtalyan taşrasında3 kilometre boyunca uzanıyor ve Virgo’nun bir parçası.

Bir yıldız çok büyük bir patlamayla havaya uçuyor… Doğrusu, süpernova denilen bu yıldızlar patladığında, milyarlarca yıldızdan oluşan bir galaksi kadar parlıyor ve kısa süre sonra sönüyor. Bu arada, uzaya ağır elementler de içeren döküntüler saçıyor. Nitekim, dünyamız da ağır elementlerden oluşmuştur. Süpernovalar evreni başka şekillerde de etkiliyor, uzay-zamanın yapısını yırtarcasına dalgalandırıyor ve dalgalar, evrende milyonlarca ışık yılı uzağa yayılıyor. Bu görüngü, kütleçekim dalgaları olarak adlandırıyor. Dünyanın dört bir yanındaki gökbilimciler, kütleçekim dalgalarını yakalamak için yarışıyorlar. Kütleçekim dalgalarının varlığı öngörüldüğü gibi gözlemlenebilirse, büyük patlamaya kadar geri götürülebilen varsayımlarda bulunabileceğiz.

Einstein, 1916’da Genel Görelilik Kuramı’nı yayımladığında, kütleçekim dalgalarının var olduğunu öne sürmüştü. Görelilik, uzay ve zamanın birbirine dikilmiş iki ayrılmaz parça olduğunu belirtiyordu. Artık üçboyutlu uzayı, saatin tik taklarından ayıramayacaktık; boyutlarla zaman, büyük uzay-zaman yapısını meydana getiriyordu. Garip bir fikir olmasına rağmen, şimdiye dek defalarca kanıtlandı ve evrenin nasıl işlediğini tanımladı. Genel Görelilik Kuramı’nın öngördüğü bir başka şey ise, henüz kanıtlanamadı. Aniden hızlanan bir cisim (eğer yeteri kadar kütleliyse), uzaktan gözlenebilecek kadar kuvvetli kütleçekim dalgaları yaymalıydı. Yalnızca süpernovalar, çarpışan kara delikler ya da nötron yıldızları, astronomik uzaklıklardan gözlemlenebilecek şiddetli kütleçekim dalgaları yayabiliyor.

Bütün kuramlar kanıta gereksinir ve bazen kanıtlamak zordur. Kütleçekim dalgaları henüz saptanamadı, çünkü engin uzaya yayıldıkça zayıflıyorlar. Eğer bir süpernovanın yanında durabilseydiniz, kütleçekim dalgaları sizi ve komşu nesneleri paramparça ederdi. Nitekim, bulutsulardaki süpernovaların gazı nasıl dağıttığını kütleçekim dalgalarını da hesaba katarak açıklamalıyız, ama bunu yapamayacak kadar uzaktayız. Güçlü kütleçekim dalgaları, Dünya’ya ulaşana kadar çok zayıflıyor. Onları tespit etmek, 100.000 ışık yılı çapındaki gökadamızı 3 santimetrelik hata payıyla ölçmek kadar hassas bir girişim. Einstein’ın bile kütleçekim dalgalarının varlığından şüphe etmesine şaşırmamalı.

 imperiaflex_0_4_0hj.jpg - 7.74 KB
Lazer ışını bilgisayar ekranından denetleniyor. Lazer ışınınınzararlı etkisinden sakınmak için koruyucu gözlük takmak gerekiyor.

Kabaran dalga

Genel Görelilik Kuramı’nın yayımlanmasından yaklaşık 90 yıl sonra, sakıngan kütleçekim dalgalarını gözlemleme zamanı yaklaşıyor. Geçen yıllar boyunca gökbilimciler, ABD, Japonya, Almanya ve en büyüğü İtalya, Pisa’da olmak üzere, çeşitli tesisler inşa ettiler. Pisa’dan 12 kilometre uzaktaki Fransız-İtalyan ortak girişimi Virgo detektörünün yapımı kısa süre önce tamamlandı. Ölçümlere 2004’ün ilk aylarında başlanacak. Bu büyük bir bilimsel çaba ve astronomik masraflarla yapıldı. Virgo’yu 6 yılda inşa etmek yaklaşık 140,2 trilyon TL’ye mal oldu. Dünya çapındaki bütün detektörlerin maliyeti eklenirse, gerçekten muazzam bir rakam ortaya çıkıyor.

Kütleçekim dalgalarının sadece Einstein’ın hayal gücünün ürünü olmadığını gösteren yeterince dolaylı kanıt elde edildi. Bunlar nötron yıldızları gözlemlenerek toplandı: Nötron yıldızları, süpernova halinde patlamış gaz devlerinin kalıntıları. Nötronlardan yapıldıkları ve iki nötron arasında bir başkası sığacak kadar boşluk olmadığı için, koca bir yıldız kütlesini 20 kilometrelik bir çapa sıkıştırmışlar. Bu çok yoğun gökcisimlerinin bazısı dönüyor ve döndükçe kutuplarından radyo dalgaları yayıyor. Bizler de, bir kutbu bize bakan nötron yıldızlarının güçlü radyo dalgalarını alıyoruz. Kesikli radyo yayını yaptıklarından onlara atarca diyoruz.
1974 yılında, Amerikalı fizikçiler Joseph Taylor ile Russel Hulse, birbirinin çevresinde dönen iki nötron yıldızı keşfettiler. Bu düzene ikili atarca sistemi deniyor. Yaydıkları radyo dalgalarını yıllarca gözlemlediler. Zamanla, yıldızların birbirine yaklaştığı anlaşıldı. Küçük bir hareketti, yılda bir metre yaklaşıyorlardı, ama sonucu büyüktü. Yıldızlar enerji kaybediyordu ve yörüngenin daralması, Görelilik Kuramı’nın kestirimlerine uyuyordu. Taylor ve Russel, yitirilen enerjinin kütleçekim dalgaları halinde yayıldığını söylediler ve 1993’te Nobel Ödülü aldılar.

Kütleçekim dalgaları avı bundan önce başlamıştı. ABD Maryland Üniversitesi’nden fizik profesörü Joseph Weber, ilk araştırmaları 1960’larda yapmıştı. Weber’in detektörü, 1,5 metre uzunluğunda alüminyum bir çubuktu ve havadan yalıtmak için vakum odasında tutuluyordu. Çubuğun rezonans frekansı 1kHz’ti ve Weber, bundan geçen kütleçekim dalgalarının çubuğu titreştireceğini düşündü. Weber, 1969’da, çok zayıf bir sinyal yakaladığını öne sürdü, ama diğer bilim insanları vardığı sonuçları elde edemediler. O zamandan beri çok daha duyarlı çubuklar geliştirildi ve denemekten asla vazgeçmediler. Bazıları neredeyse 273 santigrada kadar dek (mutlak sıfır) soğutulmuştu ve çubukları oluşturan moleküllerin ısıl titreşimlerinin yanlış alarm vermesi önlenmişti. Şimdiye dek, çubukların hiçbiri titremedi.

Detektör çubukların bariz açığı, yalnızca belli bir frekanstaki kütleçekim dalgalarını saptayabilmeleriydi. Ancak Virgo ile diğer detektörler farklı. Bunlar, kütleçekim dalgalarının belli bir özelliğinden yararlanmak için tasarlanmış dev girişimölçerler (birbirine bağlanmış detektörler dizisi). Kütleçekim dalgaları, uzay-zamanı belli bir yönde geriyor, o yönü dikey açıyla kesen yönü (90 derece) ise büzüyor. Böylelikle, bir yön gerildiğinde hangi yönün büzüldüğünü biliyoruz.

 imperiaflex_0_7_0.jpg - 12.25 KB
Bir uzman, Virgo’nun üstün ayarlayıcılarına takılı gerilim kablolarını kontrol ediyor.

Borular, borular

Virgo’yu gören tüpleri gözden kaçıramaz. İtalyan kırsalında uzanan, 1,2 metre çapındaki borular… Işık ışınları, Virgo’nun borularında tek bir sefer yapmıyor. 3 kilometre uzaktaki aynaya çarptıktan sonra, girdi aynası denen aynaya yakın yansıtılmış ikinci bir ışına çarpıyor. Bu da, aynaların bir rezonans oyuğu yaratması, dev bir ışık tuzağı kurması demek; yani lazer ışınları, yoldan sapıp kaçana kadar, 50 kere yukarı aşağı gidip geliyor. Rezonans oyuğu, ışık miktarının artmasına, ışık diyotuna daha çok ışığın çarpmasına ve ölçüm duyarlılığının artmasına yarıyor.

Bunun işe yaraması için, Virgo kesin ölçümler ve ölçeklerle inşa edildi. Virgo projesinin sözcüsü Profesör Adalberto Giazotto böyle olmak zorunda olduğunu belirtiyor, yoksa doğal ya da insan eseri titreşimler (sarsıntılar ya da ayak darbeleri) aynaları şaşırtırdı: Yollardaki trafik, hızlı rüzgârlar, uzakta gerçekleşen depremler ve hatta, tepeden uçan uçaklar, çok küçük, ama bizim için çok büyük titreşimlere yol açıyor.

Sismik titreşimleri baskılamak için, Virgo’nun aynaları üstün ayarlayıcı denilen bir sisteme oturtulmuş. Bunlar, 10 metrelik bir kulede yer alan bileşenler: sarkaçlar, yay gibi davranan mekanik sarsıntı süzgeçleri (platformlar). Sonuçta, hem yatay hem de dikey hareketi dengelemek için, 1 tonluk safra ağırlık var ve aynalar ince kablolarla bunlara bağlanarak asılmış. Giazotto’nun açıkladığı gibi, sistem Virgo’yu duyarlı kılıyor:"Asılan ayna, Virgo ile diğer detektörler arasındaki temel fark ve 4 Hz civarında başlayan sismik gürültüyü eliyor."

Virgo, frekansı 10 Hz’ten düşük dalgaları arıyor. Bu, diğer detektörlerin gözlemleyebildiği en düşük frekanstan (40 Hz) çok daha düşük bir ölçü. Washington eyaleti ve Louisiana’da faaliyet gösteren LIGO’da çalışan ABD’li ekiple işbirliği yapan Prof. Bangalore Sathyaprakash (Cardiff Üniversitesi), İngiliz-Alman yapımı GEO600 detektöründen de söz ediyor. LIGO’nun amacı, evrendeki belli bazı kütleçekim kaynaklarının yol açtığı frekans aralığını gözlemlemek (kara delik çiftleri gibi). "Diyelim ki, 40 Hz’te, bir kara delik çiftini gözlemliyorsunuz: Sinyal bir saniye kadar sürecektir. Frekansı 10 Hz’te düşürürseniz, sinyali 60 saniye boyunca gözlemlersiniz. Bu çok yüksek çözünürlüklü bir tarama ve kara deliklerin nasıl çarpışıp kaynaşarak birleştiğini gösteriyor."

Sismik titreşimler, Virgo mühendislerinin karşılaştığı tek güçlük değildi. Borulardan gaz geçerse (hava dahil), lazer ışınının "çiçeklenerek" genişlemesine, güç kaybetmesine ve fazdan çıkmasına yol açardı; çünkü ışın hava molekülleriyle çarpışarak az da olsa sapardı. Bu yüzden, Virgo, Avrupa’nın en büyük ve en mükemmel vakum ortamına sahip. Boruların içindeki basınç 10 ’10 milibar. Her ne kadar, yıldızlar ve özellikle galaksiler arası boşluk kadar seyrek olmasa da, Virgo vakumunda bulunan serseri atomlar, uzay mekiğinin Dünya yörüngesinde çarptığı atomlardan daha az.

Dalgaların kralı

Virgo’nun diğer özellikleri de bir dizi üstün niteliğe sahip. En yüksek kalitede aynalar üretilmiş, yüzeyleri mikronun yüzde birinden küçük pütürler barındıracak kadar düzgün (mikron, metrenin yüz milyonda biri). Yollanan ışığın yüzde 99,999’unu geri yansıtıyorlar. Lazer de çok etkileyici ve bilinen en kararlı ışınları üretiyor. 20 W gücünde çalışarak, Virgo’nun arkaplan gürültüsünden etkilenmesini önlüyor. Gizatto’ya göre, bütün bu sistemleri etkili bir şekilde koordine etmek en büyük zorluktu: "Aynı anda çalışması gereken bir sürü farklı bileşenimiz var, üstelik hepsi birbirinden çok değişik."
Giazotto ve meslektaşları, Virgo’yu, şimdilik kuzey koluna ışın yollayarak test ediyorlar. Sonra batı kolunu deneyecekler. Yıl sonunda, iki kolu bir araya getirdiklerinde, kütleçekim dalgalarını yakalamaya hazır olacaklar. Virgo, bunu gece gündüz yapacak. 24 saat boyunca, ışık detektörleri veriyi bilgisayarlara aktaracak ve girdiler kaydedilecek. Saniyede aktarılan 4 MB’lık veriyi çözümlemek için 300 gigaflopluk işlem gücü gerek.

Peki, bilgisayarlar bir dalga yakalayıp yakalamadıklarını nereden bilecek? Tahmin yürütecekler. Gökbilimciler, en azından kuramsal olarak, belli gökcisimlerinin ne gibi dalgaları ürettiğini biliyorlar. Bu örüntülerle donatılan bilgisayarlar, verilere uyan dalgaları ayıklayacak diyor Giazotto: "Verilerimiz, hazır kalıplara göre gözden geçirilerek, birleşen kara delik ya da nötron yıldızları tanımlanacak."

Virgo’nun LIGO ve GEO600 gibi detektörlerle, ilk kütleçekim dalgasını saptamak için rekabet edeceğini söyleyebilirsiniz. Bir detektörle, bilim insanları tek bir olayı kaydettiklerini söyleyebilirler. İki uzak detektör sayesinde, kütleçekim dalgalarının yol aldıkça nasıl değişiklik gösterdiğini ölçebilirler.

Sathyaprakash’ın dediği gibi, iki detektör bize daha ayrıntılı bilgiler verecek. "İki detektörün kaydettiği olay arasında gecikme varsa, bu, gelen kütleçekim dalgasına bağlıdır. Üçüncü bir detektör de, üçgenleme yöntemiyle, dalganın gökteki kaynağını saptayabilir. Dördüncü detektör konumu teyit edecektir" ve kaynak gökcisminin özellikleri, yanlış alarm olup olmadığına dair bir göstergedir. Giazotto’ya göre, çoklu detektörler, dalganın başka özelliklerini ortaya koyar: "İkisinin aynı sinyali alması arasında geçen zamandan, dalganın hızını ölçebilirsiniz."

Peki, Virgo’nun bir şey görme şansı ne kadar? Giazotto, kendine güveniyor. Virgo, deney yürütme duyarlılığına 2004′;te eriştiğinde derhal bir dalga yakalayacak. Sathyaprakash da bir o kadar iyimser: "LİGO, Virgo ve GEO600 detektörlerinin tasarım sınırlarına bakıldığında, bunların, 300-450 milyon ışık yılı uzaktaki kara delik çiftlerini saptayabileceğini görürüz. Bu kadar büyük çaplı bir oylumda, yılda 1-2 kara delik çiftinin çarpıştığını gözlemleyebiliriz. Bu oranlar teorik tahminlere dayandığından, gerçek oran daha düşük olacaktır; yani, 3-4 yıl bir şey göremezsek şaşırmayalım."

Sonra, Einstein’ın kuramı gerçekten teste tabi tutulacak. Virgo ve diğer detektörlerin donanımları planlandığı gibi yükseltildiğinde, on yıl sonra, 10 kat güçlü alıcılara sahip olacağız. O zaman, evrende 1.000 kat büyük bir hacim taranacak ve her yıl veya belki her gün, başka bir olay kayıt edilecek. Eğer hâlâ bir şey yoksa, bunun gökbilimsel sonuçları büyük olacak diyor Sathyaprakash."Onları göremezsek, ikili sistemlerin nasıl oluştuğu gibi temel gökfiziksel modelleri gözden geçirmek zorunda kalacağız": Çünkü, Görelilik Kuramı öyle çok şeyi açıklıyor ve o denli sık kanıtlandı ki, kütleçekim dalgalarının yokluğundan ziyade, diğer varsayımları eleştirmek akla yatkın.

Her şey plana uygun giderse, Virgo kütleçekim dalgalarının varlığını kanıtlamakla kalmayacak, gökbilimcilerin evreni açıklamalarına yardım edecek. Ancak, Virgo ve diğer detektörler ne kadar duyarlı olursa olsun, evrenin en zayıf kütleçekim dalgalarını saptayamaz: bizzat, büyük patlamadan kalan dalgaları… Bunun için, uzaya yerleştirilecek LİSA detektörünü beklemeliyiz (2011 yılı).

Kütleçekim dalgası nedir?
Genel Görelilik, büyük gökcisimlerinin uzay-zamandaki etkilerini tanımlıyor. Uzay zamanı, dört boyutlu bir nesne olarak ve dışarıdan bakıldığında, iki makaranın arasına gerilmiş ince bir lastik bant olarak canlandırabilirsiniz. Bu lastik bandın üstüne bir top bırakırsanız, çukurluk yaptığını görürsünüz. İşte, uzaydaki nesneler de, uzay-zamanı böyle etkiler. Nesneler aniden hızlandığında (ivmelenme) kütleçekim dalgaları yaratıyor. Bu, bir havuza çakıl taşı atıp dalgaların yüzeyi yayılarak kaplamasına benziyor. Kütleçekim dalgaları darbe merkezinden uzaklaştıkça zayıfladığından (sudaki halkalar) onları saptamak zor.

www.focusdergisi.com.tr

CEVAP VER

Please enter your comment!
Please enter your name here