Einstein'ı 100 Yıl Sonra Haklı Çıkaran Olay: LIGO Yerçekimi Dalgaları Gözlemi

karanlık maddenin ve big bang'in gözlemlenebilme ihtimali ile şimdilik bilim ortamlarında çılgın attıran keşif.

bu nedir basitçe açıklayın diyen arkadaşlara yönelik olarak, ve maalesef önceden yazılmış entryleri kısmen tekrar ederek, keşfin nasıl yapıldığını, yaratabileceği yeni teknolojileri ve önemini anlatmaya çalışırsam:

(1) bu keşif nasıl yapıldı?

bu keşif, kütle çekim dalgalarını algılayan ligo ile yapıldı.

(2) ligo nedir?

laser ınterferometer gravitational-wave observatory, bire bir türkçe meali ile, lazer girişim ölçer kütle çekim dalgaları gözlemevi.

(3) girişim ölçer ne lan? kütle birine mi girişiyor?

evet, esasen olay, aynı kaynaktan çıkan lazer ışınının birbirinin aynı iki lazer ışınına bölünmesinden sonra üstüste bindirildiklerinde iki lazer ışınının, ışığın dalga karakterinden dolayı birbirini sönümleyip, ortaya hiç ışık çıkmaması prensibine dayanıyor.

bunu şöyle açıklayalım.

öncelikle ligo'nun fiziksel yapısını kafamızda canlandıralım. birbirine dik duran dörder kilometre uzunluğunda iki tane tüpümüz var. yaklaşık olarak şekli şu.

iki tüp de lazer kaynağına bağlı ve sonlarında ayna var. böylelikle, lazer kaynağından çıkıp iki eş ışına bölünen lazer her bir tüp içinde 4 km yol aldıktan sonra aynaya çarpıp, 4 km yol kat ederek geri dönüyor ve iki eş ışın aynı noktada çakışarak üst üste biniyor.

kafanızda daha basit canladırmanız için şu şekli de ekleyeyim. bu şekilde, ligo'ya yukarıdan baktığınızı düşünün. tek bir lazer ışını çıkıyor, iki eş ışına bölünüyor, ve bunlar da tünellerin ucundaki aynaya çarpıp, aynı noktaya geri dönüp üst üste biniyorlar.

sonra ne oluyor?

olan şu.

burada, dalgaların birbirini sönümlemesi işin içine giriyor. şeklin solunda üstte başlayan koyu turuncu dalga 1. lazer ışınının dalga halini, onun hemen altından başlayan açık turuncu dalga da 2. lazer ışınının dalga halini temsil etsin. dalgalar burada tam olarak birbirinin asimetriği olduğu için, üstüste bindirildiklerinde birbirlerini söndürüyor ve bu nedenle, hiç bir ışık görülmüyor.

sönümleme işini görselle anlamadıysanız, bir de şöyle anlatayım. ışık hem parçacık, hem de dalga davranışı gösterir. burada faydalanılan dalga davranışıdır. bir ışını incelediğimizi düşünelim; onun dalga haline baktığımızda (birimi önemli değil), zaman ilerledikçe düzgün bir dalga hareketi ile, örneğin 5 ila -5 arasında, inip çıktığını göreceğiz. şimdi, ligo'ya dönersek, -5 ila 5 arasında dalga hareketi yapan bir lazer ışını önce birbirine eş iki ışına ayrılıyor. iki ışın arasındaki tek fark dalga hareketlerini yaparken birbirlerinin asimetrik değerlerini almaları. yani, ikisi de 0 noktasından hareket ederken:

- 1. ışın 1'e çıkarken, 2. ışın -1'e düşüyor,
- 1. ışın 2'ye çıkarken, 2. ışın -2'ye düşüyor,
- 1. ışın 3'e çıkarken, 2. ışın -3'e düşüyor,
- 1. ışın 4'e çıkarken, 2. ışın -4'e düşüyor,
- 1. ışın 5'e çıkarken, 2. ışın -5'e düşüyor,
- 1. ışın 4'e düşerken, 2. ışın -4'e çıkıyor,
- 1. ışın 3'e düşerken, 2. ışın -3'e çıkıyor,
- 1. ışın 2'ye düşerken, 2. ışın -2'ye çıkıyor,
- 1. ışın 1'e düşerken, 2. ışın -1'e çıkıyor,

ve her iki ışın 0'da eşitlenirken, devamında aynı simetriyle 1. ışın eksi değerlere dönüyor, 2. ışın artı değerlere.

haliyle, bu iki ışını üst üste bindirdiğinizde, artılar eksileri götürdüğünden, toplam hep sıfır oluyor. yani, iki ışını tekrar birleştirdiğinizde, ışınların dalgaları birbirlerini sönümlüyor ve ortada ışın falan kalmıyor.

şimdi, çekim teorisine dönersek... einstein, uzay-zamanı incelerken uzayın bir dokusu olduğunu düşünmüş, ve bu dokunun da, kütle ile genişleyip büzüşebileceğini söylemişti. daha önceki entrylerde bunun için en çok bilinen örnek verilmiş, onu tekrar edelim. uzay dokusunu havada gerili bir çarşaf gibi düşünün. bu çarşaf üzerinde hiç birşey yokken dümdüz duracaktır. ama, bunun üzerine bir plastik sokak topu koyarsanız, çok hafif de olsa, topun altından bel verir. o topu alıp aynı yere bir resmi futbol topu koyarsanız, çarşaf daha çok bel verir. futbol topunu alıp aynı büyüklükte demir bir top koysanız, çarşaf iyice aşağı doğru süner.

işte, einstein bunu öngörmüştü.

(3.1) abi bi dakka, uzay diyordun, çarşaf diyorsun şimdi. çarşaf dümdüz, iki boyutlu. uzay ise 3 boyutlu. anlattığın şeyi anlamadım.

haklısınız. çarşaf örneği cebinizde dursun. 3 boyutlu olarak şöyle anlatayım. uzay ve uzayın dokusu derken aslında farklı şeyler kastediyorum. ekmek yok mu, ekmek? bildiğin beyaz fırın ekmeği. hani, önceden çok olurdu, böyle ekmeğin içinde bazen sert yoğun kısımlar denk gelirdi. işte, ekmek hamuru iyi karılmış ve ekmek de iyi pişirilmişse, ekmeğin içi bildiğin bulaşık süngeri gibi her yerde aynı yumuşaklıkta olur. ama, iyi karılmamışsa, iyi pişmemişse, ekmeğin içinde yer yer topaklar olur, ve ekmeğin içinde orası, haliyle, daha yoğundur. işte, iyi karılmış ve iyi pişmiş ekmek içi, içinde hiç bir yıldız, gezegen vs. olmayan uzay dokusu diye düşünün. ekmeğin içindeki o topak ise, uzaydaki kütle artık her neyse, yıldız, gezegen, kara delik, meteor vs.'nin uzay dokusunda yarattığı eğilme ile oluşan yoğunlaşmadır.

yani, çevremizde göremediğimiz bir uzay dokusu var, ve bu doku kütle olan yerde eğiliyor, büzüşüyor, yoğunlaşıyor.

(3.2) abi iyi de, bunların lazer ile alakası ne?

hah, şimdi dönelim lazer ışınlarımıza. ne demiştik, bu lazer ışınları birbirleri üzerine öyle bir bindirilmiş ki, dalgaları asimetrik olduğu için birbirlerini söndürüyorlar, haliyle de ortada ışın falan kalmıyordu.

peki... bu ışınlar birbirinin -asimetrik- ikizi olarak 4 km gidip, 4 km döndükten sonra üst üste binip sönümlenirken, tüplerden birinin ya da her ikisinin farklı boylarda uzayıp kısaldığını düşünelim. yani, bir şey olsa ve 1. tüp 1 metre kısalsa, haliyle, 2. ışın 8 km (8000 m) yol kat etmişken, 1. ışın 7998 metre kat etse, ve yukarıda anlattığımız asimetri bozulsa, ne olurdu?

şunun gibi bir şey olurdu.

dalgaların asimetriği bozulup birbirinin üstüne bindiğinde, her bir ışının dalga değeri o an neyse, o değerlerin toplamı olan tek bir dalga, tek bir ışın ortaya çıkar. örneğin:

1. saniye : 1. ışının dalga değeri 3, 2. ışının dalga değeri -1 ise, ortaya çıkan ışının dalga değeri 2 (3+(-1)=2)

2. saniye : 1. ışının dalga değeri 2, 2. ışının dalga değeri 0 ise, ortaya çıkan ışının dalga değeri 2 (2+0=2)

3. saniye : 1. ışının dalga değeri 3, 2. ışının dalga değeri 1 ise, ortaya çıkan ışının dalga değeri 4 (3+1=4)

ve böyle devam eder. haliyle, artık 0'dan farklı bir sonuç gördüğümüz için, ilk anda, tünellerin uzunluğunun değiştiğini anlayabiliriz.

(4) e, tünelin uzunluğunun değiştiğini anladık da, ne kadar değiştiğini biliyor muyuz?

evet. aslında bunu anlayabilmemizin nedeni tünellerin birbirine dik durması. bu yüzden, bir kütle çekim dalgası gözlemevinin üzerinden (esasında içinden) geçip gittiğinde tünellerin boyunu değiştiriyor. tüneller de birbirine dik olduğu için, birini uzatırken diğerini kısaltıyor. haliyle, ışındaki değişimi de bildiğimiz için nasıl bir kütle çekim dalgası olduğunu da anlayabiliyoruz. görseli şu. görselin üst kısmında olan oklu kısım kütle çekim dalgasının tünelleri nasıl uzayıp kısalttığını gösteriyor. tüneli yatayda sağa ve sola dışarı çekerken, yukarı aşağı kısaltıyor (okların yönüne dikkat ediniz).

ayrıca, bir tane gözlemevi yok. haliyle, bir kütle çekim dalgasının etkisi hissedildiğinde, aynı anda birden fazla gözlemevinde bu görülüyor. detay bilgi olarak vermek gerekirse, iki gözlemevi var. biri washington eyaletinin hanford şehrindeyken, diğeri louisiana eyaletinin livingston şehrinde ve iki gözlem evi arasındaki uzaklık ışığın 10 milisaniyede kat edebileceği mesafe kadar.

(5) tamam, anladım abi. kütle çekim dalgaları var ve bunları ölçebiliyoruz da. iyi de, bu ne işimize yarayacak?

gözlem işine yarayacak.

(6) neyi gözlemleyeceğiz? nasıl yani?

dürbünü biliyorsun, teleskopu da... bu ikisi, bizim de gördüğümüz ışığı mercekler vasıtası ile güçlendirerek bizim uzakları görmemizi sağlıyor. elbette, teleskop çok çok daha uzakları gösterebiliyor. ama, onda da, ne kadar uzağa bakarsak bakalım, bizden çok çok çok uzaktaki yıldızları göremiyoruz. belki de güneşten binlerce, milyonlarca kat daha parlak yıldızlar var, ama o yıldızlar o kadar uzak ki, ışıkları artık görünebilir değil.

bu problemi, 20. yüzyılın başında radyo dalgalarını bularak çözdük. radyo dalgalarını anladıkça, onunla ilgili farklı teknolojiler geliştirdik. örneğin, radyo yaptık, yani telsiz. sonra radar yaptık. sonra da radyo teleskop. böylece, radyo teleskoplar ile görünür ışıktan daha farklı dalga boylarında gözlem yaptık. hatta, bu sayede iki büyük keşif yapıldı. biri, kozmik arka plan ışımasıdır. kozmik arka plan ışıması ile büyük patlamadan arta kalan enerjiyi gördük. bir diğer keşif ise, evrenin sürekli genişlediğiydi. bu ikisi, bize evrenin oluşumu ve devamı hakkında çok büyük bilgiler verdi.

lakin... nasıl ki optik teleskobun bir sınırı var, radyo teleskobun da sınırları var. öncelikle, sadece elektromanyetik spektrumda gözlem yapabiliyoruz. ve ikincisi, elimizdeki imkanlar ile en uzak bakabildiğimiz zaman ancak ve ancak büyük patlamadan 400 bin yıl sonraki zaman.

oysa, kütle çekim dalgalarını da aynı radyo dalgalarında yaptığımız gibi incelersek, çalışırsak, kütle çekim teleskopları yapabilir, böylece optik ve elektromanyetik teleskop ile göremediğimiz şeyleri görebiliriz.

(7) bi dakika, kafam karıştı. bir kere, az önce sen teleskopla zamana bakmak dedin, o ne? bir de kütle çekim teleskopu ile neyi göreceğiz ki?

evrendeki her şey ışık hızı ile hareket eder. haliyle, gökyüzüne baktığında bir yıldızı gördüğünde, o yıldız senden örneğin 40 ışık yılı uzaktaysa, o yıldızın 40 yıl önceki halini görüyorsun demektir. çünkü, o yıldızın ışığı yıldızdan çıkıp senin gözüne gelesiye kadar 40 yıl geçti.

bu durum radyo teleskoplar için de geçerli. radyo dalgaları da ışık hızı ile hareket ediyor. örneğin, bir pulsarın yaydığı radyo dalgası da ışık hızı ile uzayda yol alıp, o aradaki mesafeyi kat ettikten sonra bize ulaşıyor. haliyle, radyo teleskopa ulaşan radyo sinyali de, o kadar zaman öncesinin sinyali oluyor.

ve işin kötü tarafı, büyük patlamadan 400 bin yıl sonraya kadar evren öyle bir haldeydi ki, evrenin içinde ışık dağılmıyordu, opaktı evren. haliyle, nasıl fotoğraf makinasını ya da dürbünü en uzak mesafeye odaklıyoruz, optik ya da radyo teleskoplarımızı bizden en uzağa odakladığımızda evrenin en erken hali olarak büyük patlamanın 400 bin yıl sonrasını görebiliyorduk.

keza, kara delikleri de göremiyorduk. orada olduklarını biliyorduk, ama göremiyorduk. hatta, farklı hesaplamalar ile, bir olasılık olarak, kara delikler olmayabilir diyen de vardı. çünkü, adı üzerinde kara delik; ışığı dahi yutuyordu. kara delikleri içine bir kütleyi çekerken, kütlenin yutulmadan hemen önce dışarı bıraktığı x ışınlarından anlayabiliyorduk (esasen bir kara deliği çevredeki kütlelerin davranışı, x ışınımı salınımı ve kütle çekim mercek etkisi ile anlarız, hatta her bir kara deliği kütlesi, ışınım salınımı ve açısal momentumu ile tanımlarız. ama bunlar ayrı konular).

--- kafa karıştırma kısmı ---

kütlenin uzay zamanı büktüğünü söylemiştik ya. hatta tam da yukarıda kütle çekim mercek etkisi diye bir şey yazdım. hah, işte kara delikler, o kadar büyük kütlelerdir ki, ışığı dahi kendi içlerine çektikleri için kapkaradırlar. işte o kütle büyüklüğü yüzünden, bir ışık kaynağı ile bizim aramızda bir kara delik olduğunu, kara deliğin uzay zamanı bükmesinden dolayı, ışığa mercek etkisi uygulamasından anlarız.

şöyle ki... elimizde teleskopumuz bir gökadayı izliyoruz. diyelim ki, gökada da bizden 100 birim uzaklıkta. biz gözlem yaparken, bu gökada ile aramızdan bir karadelik geçse, ne olur? karadelik, kütlesi çok büyük olduğu için uzay zamanın dokusunu eğmektedir. haliyle, ışık gökadadan bize doğru dümdüz gelirken, o karadeliğin yakınlarından geçerken uzayın bükülmesi ile onun yolu da bükülür. ve şu görüntü ortaya çıkar.

işte, eğer bir kütle çekim dalgası bir nesnenin üzerinden geçerse, onu böyle büyütüp küçültür, çünkü, uzay zamanı büyütüp küçültmektedir. ligo'nun tünellerine de olan budur. tüneller birbirine 90 derece dik olduğu için bir tünel kısalırken diğeri uzamakta, böylece iki lazer ışınının asimetrisi bozulmakta, ve tekrar birleştiklerinde ortaya bir ışın çıkmaktadır.

--- kafa karıştırma kısmı bitti ---

ve haliyle, kara delikler, içlerinden hemen hemen hiç ışık çıkmadığından kapkara oluyor, biz de bir şey göremiyorduk. artık, kütle çekim dalgası teleskopları geliştirerek kara deliklere de bakabileceğiz (ki ilgili makale de bunun üzerine).

kara delikler gibi, evrenin ilk 400 bin yılına, hatta belki de, patlama anına bakabileceğiz.

ve yine, bugüne kadar göremediğimiz, ama orada olduğunu sadece ama sadece hesap kitap ve bir takım gözlemler ile önerilen karanlık madde (ve tabi ki karanlık enerji) var. karanlık madde ve karanlık enerji, evrendeki toplam kütle ve enerjinin %95'i. şu an, elimizdekilerle evrenin %5'ini dahi göremiyoruz aslında.

(8) iyi de... görsek ne olur, görmesek ne olur? sıkıntı varsa görmeyiz yani, ne var?

sevgili insan kardeşim... evrenin başlangıcını, göremediğimiz %95'ini görebileceğiz. bunları gözlemleyip yeni bilgiler edineceğiz. bu bilgiler ile evren nasıl var oldu ve hala nasıl var oluyor sorusuna daha kesin cevaplar verebileceğiz. işte bu nedenlerle, belki de, insanlığın bundan bir sonraki medeniyet aşamasının eşiğindeyiz. avcı toplayıcı hayattan tarıma geçişe tanıklık etmek gibi bir şey şu an yaşanan. o yüzden bağzı insanlar çılgın atıyor. hor görme onları.

end credit : görseller için guardian gazetesine, ligo'nun kendi sitesine, wikipedia'ya ve bunların bağlantılarını benden önce paylaşan yazar arkadaşlara teşekkür ederim. bu entry konuyu basitleştirerek anlatmak için yazılmıştır, anlatım nedeni ile atlanan, kısmen farklı/eksik anlatılan şeyler olabilir. çok ciddi bir yanlış görürseniz mesajla uyarınız.

ekleme : daha detaylı bilgi isteyen mesajlar alıyorum. bunları da sss gibi bir şey yapıp bu entryinin altına bir iki gün içinde eklerim. ama, ondan önce, daha ileri okuma için bazı kaynaklar vermek istiyorum, ki soruların çoğuna cevap da bu kaynaklarda var:

(1) space.com'un geçen ağustos'ta yayınlanan çok geniş bir yazısı. ligo'nun tarihçesi, deneyin ne anlama geldiği vs. gibi çok güzel bilgiler mevcut. hatta, ligo'nun daha teknik detaylı bir krokisi de var.

(2) yok ben iyice kafayı kırdım, o tüneller lazerlerle falan nasıl hesaplanıyor diyorsanız, şu makaleye bakınız.

(3) daha mı çok okuma yapmak istiyorsunuz? şuraya alalım.

(4) ligo'nun bağlantıları da burada.