Kütleçekimsel Dalgalar

Elimizdeki bir taşı bıraktığımızda yere düşer. Bilimin doğuşundan bu yana bilim insanları taşın neden yere düştüğünü anlamaya çalıştılar. İlk düşünceler taşın doğası gereği aşağı düşme eğiliminde olduğu ve dolayısıyla taşın doğasına dönmek istediği yönündeydi. Daha sonraları 17. yüzyılda Isaac Newton, taşın yere düşmesinin taşın veya yerin doğasından değil kütleçekimi etkisiyle meydana geldiğini ortaya koydu.

Newton'a göre taş Dünya üzerine, Dünya da taş üzerine bir çekim kuvveti uyguluyordu. Taşın Dünya üzerine uyguladığı kuvvet Dünya'yı taşa doğru çok az hareket ettirse de Dünya'nın taş üzerine uyguladığı çekim kuvveti, taşı Dünya'ya doğru daha çok hareket ettiriyordu. Biz de bunu taşın Dünya'ya düşmesi olarak algılıyorduk. Problem artık çözülmüştü. Kütleçekimi taşın neden yere düştüğünü ve Dünya'nın neden Güneş’in etrafında döndüğünü güzelce anlatabiliyordu.

Ancak daha sonraları geliştirilen ölçüm teknikleri sayesinde kütleçekim yasasının açıklayamadığı olgular keşfedildi. Özellikle Merkür’ün yörüngesindeki ufak sapmaları, Newton'un yasaları ile açıklamak mümkün olmadı.

Einstein, 1915 yılında geliştirdiği kuram ile taşın neden yere doğru düştüğü konusuna yepyeni bir bakış açısı getirdi. Biz üç boyutlu bir evrende yaşıyoruz. Şu anda bulunduğumuz yeri tanımlarken üç koordinat kullansak da “şu anda” ifadesiyle bir koordinat daha belirliyoruz, yani zaman koordinatını. Biz esasında üç değil dört boyutlu bir evrende yaşıyoruz ve bu evrende üç uzay boyutunun yanı sıra bir de zaman boyutu var. Einstein ilk olarak zaman koordinatının da uzay koordinatlarına eşdeğer olduğunu gösterdi ve dört boyutlu evren için de uzay ve zaman kavramları yerine uzayzaman kavramını kullandı. Yani uzayzaman dediğimizde içinde yaşadığımız dört boyutlu evreni kastediyoruz.

Einstein kütleçekiminin aslında uzayzamanın eğilmesinden ibaret olduğunu göstermiştir. Cisimlerin kütlesi ne kadar fazla olursa uzayzamanı da o kadar fazla eğerler.

Bu bakış açısına göre taş aslında Dünya tarafından çekilmez. Dünya’nın kütlesi etrafındaki uzayzamanı büker ve taş bu bükülen uzayzamanda yere doğru hareket eder. Newton'un kütleçekim yasası ise Einstein’ın kuramının küçük kütleli cisimlerin etrafındaki uzaylar için yaklaşık bir halidir. Ama Newton’un kuramı ışığın kütleçekiminden etkilenmesini  açıklayamaz, çünkü ışık kütlesizdir ve kütleli cisimlerin kütlesiz bir cismi çekmesi beklenemez. Işığın bu şekilde bükülmesinden dolayı Güneş'in arkasındaki bir yıldızı Güneş'in yanındaymış gibi görebiliriz. Einstein'ın kütleçekim kuramı pek çok gözlemle doğrulanmıştır. Hatta bugüne kadar da bu kurama ters düşen bir fiziksel olaya rastlanmamıştır.

Einstein’ın kuramı, büyük bir kütle yer değiştirdiğinde bu yer değişikliğinin  kütleçekimsel dalgalar yayılmasıyla sonuçlanacağını gösterir.

Örneğin birbiri etrafında hızla dönen iki karadelik, çevrelerindeki uzayzamanda bir dalgalanma yaratır. Bu dalgalanma da kütleçekimsel dalgalar halinde uzaya dağılır. Karadeliklere ne kadar yakın olursak bu dalgaları o derece şiddetli hissederiz, ama uzaklaştıkça bu dalgaların evrende yarattığı etki gittikçe azalır.

Einstein kütleçekimsel dalgaların varlığını 1916 yılında ortaya koymuştur. Ancak bu dalgaların varlığını kanıtlamak o günün teknolojisiyle mümkün değildi. Geçen zaman içerisinde gelişen teknoloji ile bu konuda deneyler yapılmaya başlandı.

Bu deneylerden en bilineni LIGO'dur (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory). LIGO aslında bir değil iki dedektörden oluşan bir sistemdir ve bu dedektörlerden biri Livingston, Lousiana, diğeri de Hanford, Washington'da bulunuyor. İki dedektör olmasının bir sebebi iki farklı ölçüm yaparak tek bir dedektörün çevresel faktörlerden dolayı yanlış bir şey ölçmesinin önüne geçilmesi, diğeri de ölçülmesi beklenen dalganın nereden geldiğinin belirlenmesidir. Benzer dedektörlerden biri İtalya'da, biri Japonya'da, biri de Hindistan'da yapım aşamasında.

ABD'deki yapımı tamamlanan iki dedektör, 14 Eylül'de test esnasında bir sinyal yakaladı (bkz. aşağıdaki grafik).

Eğer grafikte sadece düz bir çizgi olsaydı, bu durum kütleçekimsel dalgaların gözlemlenemediği anlamına gelecekti, ancak düz çizgiden olan sapmalar kütleçekimsel dalgaların varlığına işaret ediyor. Bu durumu şöyle bir benzetmeyle daha iyi açıklayabiliriz: Sakin bir denizde dalga yüksekliğini ölçersek sıfır çıkacaktır. Ama suya bir taş attığımızda yukarıdakine benzer su dalgalarıyla karşılaşırız.

Ancak burada gözlemlenen bunun da ötesinde bir şeydir. Dalganın yüksekliği ve frekansı gittikçe artmakta ve sonunda da yok olmaktadır. Einstein'ın kuramına göre Güneş'in 30 katı kütleye sahip iki karadeliği birbiri etrafında döndürecek olursak, bu karadelikler gittikçe hızlanarak birbirlerine yaklaşacak ve sonunda birleşerek daha büyük bir karadelik oluşturacaktır. Yukarıdaki veri de bunu gösteriyor.

Peki, kütleçekimsel dalgaların doğrudan gözlemlenmesi neden önemlidir?

1. Einstein'ın kuramının doğruluğu, iki karadeliğin birbirlerine yaklaşarak birleşmelerinin doğru olarak tahmin edilmesiyle bir kez daha gösterilmiştir.

2. Einstein'ın tahmin ettiği ama daha önce gözlenmesi mümkün olmayan kütleçekimsel dalgalar ilk defa gözlemlenmiştir.

3. Orta büyüklükte kütleye sahip karadeliklerin varlığı bağımsız bir ölçümle kanıtlanmıştır.

4. İki orta büyüklükte karadeliğin birleşerek yeni bir karadelik oluşturması ilk defa gözlemlenmiştir.

5. Ama belki de en önemlisi, bugüne kadar gökbilimi ve astrofizik ile ilgili veriler ışık ve benzeri elektromanyetik dalgalar kullanılarak elde edilirken artık yepyeni bir gözlem aracı kazanıldı. Bu, gökbilimi alanında 1609'da Galileo Galilei'nin teleskobu ilk defa gökcisimlerini gözlemleyecek şekilde geliştirmesinden sonraki en önemli keşiftir.

Daha bugün üniversitedeki dersimde, “evren hakkındaki bilgilerimizin %95'ini görünür ışığı ve diğer elektromanyetik dalgaları kullanarak elde ederiz” demiştim. Kütleçekimsel dalgaları ölçebilmemiz sayesinde artık evren hakkında bilgi elde edebileceğimiz kaynakların sayısı önemli miktarda artmıştır. Kütleçekimsel dalgaların doğrudan gözlemlenmesi ders kitaplarının güncellenmesini gerektirecektir.