LIGO kütleçekim dalgalarını sonunda duydu

Yaklaşık 1.3 milyar yıl önce hesaplamalara göre birbirleri etrafında dönen 29 ve 36 güneş kütlesine sahip iki karadelik, Albert Einstein’ın tam 100 yıl önce öngördüğü şekilde enerjilerinin bir kısmını kaybederek saniyenin küçük bir kesrinde kenetlenip tek bir karadelik halini aldı. Kenetlenmenin yarattığı patlamanın şiddeti o kadar büyüktü ki yaklaşık 3 güneş kütlesi büyüklüğündeki kütle kütleçekim dalgası adı verilen bir enerji formuyla evrenin tamamına yayıldı. Tüm bu bilgiye ise Amerikan Ulusal Bilim Kurumu (NSA), Caltech ve MIT üniversitelerinin işbirliği ile özdeş olarak Luisiana ve Washingtonda kurulan Lazer interferometre kütleçekimdalgası gözlemevlerinde (LIGO) 14 Ekim 2015 tarihinde ilk kez saptanan veriler incelenerek ulaşıldı. Proje ekibi sözcüleri astronomi tarihinde yeni bir pencere sayılan doğrudan ölçümlenmiş kütleçekim dalgası keşfini 11 Şubat 2016 da tüm dünyaya duyurdu. Bu keşfi bu kadar önemli kılan temelde, evrenin yapısı ve işleyişi hakkında yüzlerce bilim insanının ortaya koyduğu teorinin deneysel olarak gözlenmesi. Sırasıyla özel görelilik ve genel görelilik kuramlarını bilim dünyasına kazandıran Einstein, kendi zamanında kütle çekim dalgasının ölçülmesinin olanaksız olduğunu ileri sürse de kütleçekim tanımını Newton dan devralıp uzay zaman dokusu fikriyle çok daha doğru bir temele oturttuğu genel görelilik ilkesi bu son gözlem ile sağlamlığını bir kat daha arttırdı.

Uzay zaman dokusu üzerinde bulunan daha büyük kütleli cisimlerin daha fazla bükülen gergin bir çarşaf modeli bilimle biraz ilgilenen kişilerin aşina olduğu bir benzetmedir. Uzay zaman dokusundaki bu eğrilik farkı küçük kütleli cismlerin büyük kütleli cismler etrafında dönmelerine neden olur. Karadeliklerin kütleleri ise o kadar büyüktür ki kütlesi olmayan ışığın karadeliğin yakınından geçerken bükülüp yönünün sapmasına neden olur.

 space-time

Kütlelerin etkisiyle eğrilen uzay zaman dokusu

Fizikçilerin nihayi amacı olan genel görelilik ve  kuantum mekaniğini bileştirme konusunda sahneyi kaplayan bu “kumaş”, ilgiyi gözlemlenen kütleçekim dalgasıyla yine kendine çekmiş oldu. Çünkü sözüne ettiğimiz bu kütleçekim dalgaları su üzerinde hareket eden bir tekenin ucunda oluşan dalgalcıklar gibi ivmeli haraket eden bir cismin uzay zaman dokusunda yarattığı oldukça küçük titreşimler.

 gravitywaves

Karadelik çiftinin yarattığı kütleçekim dalgaları

Kütleçekim dalgalarının oluşabilmesi için yıldızlardan çok daha büyük kütleli cisimlerin çok yüksek hızlarda hareket etmesi gerekiyor. Bu yüzden birbirleri etrafında dönen karadelikler veya nötron yıldızları ancak bu dalgaları yaratacak sekilde uzay zaman dokusunu titreştirebiliyor. Yine de ortaya çıkan dalgaların şiddeti o kadar küçük ki geçtiğimiz Ekim ayında LIGO sensörleri tarafından ölçülebilmesi ancak iki karadeliğin ışık hızının yarı hızında kaynaşması sayesinde gerçekleşti. Kütleçekim dalgalarının diğer elektromanyetik dalgalardan farklı yanı madde ile etkileşime geçmeden tüm evrende milyarlarca yıl boyunca yayılabiliyor olmaları. Ancak ölçülmeleri için 250 milyon$ lık bütçeyle 1979 da tasarımına  başlayan, 2002 – 2010 yılları arasında herhangi bir ölçüm kaydememesi üzerine bir 205 milyon$ daha bütçeyle sistemi geliştirien LIGO ekibinin 37 yıl beklemesi gerekti. Hemcinslerinden oldukça büyük ölçekli bir interferometre (girişim ölçer) olan LIGO, uçlarında özel üretim aynalar bulunan birbirine dik 4 km lik iki tünel yapısına sahip. Bu tünellerin içinde ikiye ayrılan lazer ışınlarının geçtiği ve ölçümün aşırı hassas olmasından dolayı vakum ortamında tüpler bulunmakta.

 ligo_yapı

LIGO nun iç yapısı

mirrors and beam chamber                                               Yüksek hassasiyetli aynalar                                                          Işın demeti ayırma odası 

ligo

Luisiana’da bulunan LIGO tesisi

LIGO daki ölçüm, dalgaların girişim özelliğinden faydalanılarak yapılıyor. Merkezdeki ışın demetinden ayrılan iki lazer ışını 4 km uzunluğundaki tüpleri aynadan yansıyarak katettikten sonra zıt fazlı oldukları için birbirlerini sönümlüyorlar. Lazer demetleri ve uzunluk tam olarak aynı olduğundan girişim ölçer sensöründe herhangi bir sinyal alınamıyor. Ancak başlangıçta bahsi geçen karadeliklerin birleşmesiyle ortaya çıkan kütleçekim dalgası uzay-zaman dokusunu bozarak lazer ışınlarının katettikleri uzunlukları değiştiriyor bu da dalgalarda faz farkına neden olup sensörde sinyal oluşmasına neden oluyor.

gwaves_detect

Kütleçekim dalgası etisiyle farklı fazda girişim olşturan lazer ışığı

Ancak bu farklılık o kadar küçük ki LIGO nun yapısında bulunan cihazların, aynaların ve sensörlerin proton çapının 1/10000 i kadar küçük bir uzunluğu ölçecek kadar hassas üretilmesi gerekti. Bu da proje bütçesinin kabarıklığını ve insan kaynağının kalabalıklığını açıklamaya yeterli. Öte yandan ölçülen sinyalin çevre koşullarından kaynaklanan bir gürültü olmadığını doğrulamak amacıyla LIGO lardan iki adet inşa edildi. Her iki merkezde alınan verilerin aynı olması bunun bir gürültü, ölçüm hatası vb bir sorun değil uzay zaman kumaşını esnetip gevşeten kütleçekim dalgasının sonucu olduğu kanıtlanmış oldu. Astronomların “gözleri” olan optik ve radyo teleskoplarına artık “kulağı” olarak eklenen LIGO projesinin bir sonraki adımı AdvancedLIGO adıyla ölçüm erimi 10 kat arttıtılmış dolayısıyla tarayabileceği hacim 1000 katına çıkan yeni bir girişim ölçer. Böylece evrenin bize söylediği ilk kelimelere yenileri eklenerek bilime önem veren insanlar ve hükümetler sayesinde karadelikler, nötron yıldızları ve Büyük Patlama hakkındaki bildiklerimiz katlanarak artacak.

Kaynaklar

https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20160211

http://www.sciencemag.org/news/2016/02/gravitational-waves-einstein-s-ripples-spacetime-spotted-first-time

https://www.quantamagazine.org/20151022-ligo-gravitational-waves-gabriela-gonzalez/

 

Yorumlar