2017 Nobel Fizik Ödülüyle Taçlandırılan LIGO Yerçekimi Dalgaları Gözlemi Nedir?
Nobel Fizik Ödülü bu yıl, LIGO yerçekimi dalgaları gözlemleri ile Kip Thorne, Rainer Weiss ve Barry Barish'e gitti.
Sözlük yazarı "diarium", LIGO'nun çalışma prensibini basitçe anlatmış
ay, dünyanın etrafında, ay ve dünya ise güneşin etrafında dönüyor. peki neden dönüyorlar? çünkü kütleleri birbirini çekiyor (bkz: yerçekimi).
ama neden birbirlerini çekiyorlar?
albert einstein, görelilik kuramı ile çok basit bir cevap buldu. einstein, üç boyutlu uzayı, yani uzunluğu, genişliği ve yüksekliği zaman ile birlikte dört boyutlu uzayzamanda birleştirdi ve yerçekimini, bu uzayzamanın değişimi olarak tanımladı.
einstein'a göre uzayzamanı bir düzlem olarak ifade edilebilir. yani devasa boyutta bir trambolin gibi.
trambolinin üzerine bir kütle konulduğunda bu düzlemi değiştiriyor ve trambolin aşağıya doğru göçüyor. kütle ne kadar büyükse göçük de o kadar derin oluyor.
karadelikler büyük bir kütleye sahip. karadeliklerin yerçekimi alanına giren yıldız, gezegen ve hatta ışık gibi cisimler bu göçük tarafından yutuluyor ve sonsuza dek yok oluyor.
şimdi iki karadelik birbirine yaklaşırsa birleşerek daha büyük bir karadelik oluşturuyor. trambolin örneğini göz önünde bulundurursak iki tane normal derinlikte göçük birleşiyor ve daha derin bir göçük meydana geliyor. trambolin sallanmaya başlıyor. bu sallanmanın adına kütleçekim dalgası deniyor.
bu sallanmalar aşağı / yukarı olmuyor. kütleçekim dalgaları, gerilmeye ve sıkıştırmaya yol açıyor. aşağı / yukarı meydana gelen değişiklikler çok küçük. fizikçiler, ligo yardımıyla bu küçük değişiklikleri saptamayı hedefliyordu ve sonunda başardılar.
ligo'nun çalışma prensibi
bir lazer ışını, yarı geçirgen bir aynada iki ışına ayrılıyor ve dik olarak girişimölçerin iki koluna gidiyor. ışınlar, her iki sonda da yansıtılarak tekrar aynaya geri dönüyor. böylece uzunlukta meydana gelen en ufak değişiklikler (örneğin kütleçekim dalgalarının yol açtığı gibi) fark edilebiliyor.
farklı noktalara yerleştirilmiş girişim ölçerler yardımıyla hatta kütleçekim dalgalarının nereden geldiği belirlenebiliyor.
astronomlar, uzayı görülebilir ışık alanında veya radyo dalgaları veya gama ışınları yardımıyla araştırıyor.
kütleçekim dalgalarının ispatı sonrası belki de önümüzdeki yıllarda karanlıkta olan bitenden (mesela iki karadeliğin çarpışması gibi) haberdar olacaklar.
kim bilir, belki de büyük patlamanın izini sürerler.
daha iyi anlayabilmek için bu videodaki animasyonları izlemenizi tavsiye ederim.
Sözlük yazarı "takyon" ise olayın tarihsel gelişimini ve nelere yol açabileceğini belirtmiş
malumunuz, söz konusu deneyde gözlemlenen kütleçekimsel dalga 1.3 milyar ışık yılı uzaklıkta iki karadeliğin birleşmesi sonucunda ortaya çıkan bir dalgadır.
yani olay 1.3 milyar yıl önce yaşanıyor ve bu dalga dünyamıza henüz ulaşıyor. birleşen karadeliklerden biri 36, diğeri ise 29 güneş kütlesi kadar kütleye sahip iken bu ikisinin birleşmesiyle ortaya çıkan yeni karadeliğin kütlesi 62 güneş kütlesi kadar. fiziğin en temel ilkelerinden biri kütlenin korunumu yasasıdır. oysa bu toplamda az bir kütle de değil tam 3 güneş kütlesi kadar madde yok olmuş görünüyor. evet, kütle korunur fakat söz konusu karadelikler gibi evrenin bilinen en aşırı fenomenleri ise maddenin enerji olup saçılması işten bile değildir. burada da söz konusu olan budur: bu iki karadeliğin birleşmesi sonucunda 3 güneş kütlesi kadar madde saf enerji olarak kütleçekimsel dalga şeklinde uzaya saçılmıştır. 3 güneş kütlesi kulağa az geliyordur belki.
o halde şöyle düşünelim
bizim yıldızımız güneş 10 milyar yıl boyunca yanmaya devam edecek (yanmak demişken, aslında güneşte yaşanan süreç bildiğimiz ateş yanması gibi bir şey değil, alakası bile yok; burada yanmak sürecin devam ettiği manasında, yani bir çeşit mecazi manada kullanılmaktadır) ve güneş her saniye 10 milyar termonükleer bombanın patlamasına eşit olacak kadar enerji yaymaktadır. yani bir güneş kütlesinden elde edilecek toplam enerjiyi bulmanız için 10 milyar yılın kaç saniyeye denk geldiğini bulmanız lazım; buna "t" saniye dersek, 10 milyar termonükleer bombanın toplam enerjisine de "e" dersek, e*t (e çarpı t) kadar enerji 1 adet güneşte saklıdır.
yani kütleçekimsel dalga olarak yayılan enerji bunun 3 katı kadar ve tüm bu enerji bir saniyeden çok daha kısa bir sürede yayılıyor. insan beyninin bunu tam manasıyla tahayyül edebilmesi mümkün değil, sadece matematiksel olarak anlamlandırabiliriz. değil bunu, bunun milyonda biri kadar küçük bir fenomeni bile tahayyül etmemiz mümkün değildir kanaatimce. kıyaslamak gerekirse, bu kısacık süre içerisinde, gözlemlenebilir evrendeki tüm yıldızların görülebilir ışık, x-ray ve radyo dalgası olarak toplamda yaydığından 50 kat daha fazla enerji yayılmıştır. kısacası yaşanana bir kozmik deprem diyebiliriz. bir tufan, bir felaket... kelimeler anlamsız ve etkisiz kalıyor görüldüğü üzere.
ligo'nun başardığı ise şu
1.3 milyar ışık yılı uzaktan (yine zihnimizin tahayyül edemeyeceği bir büyüklük, sadece 1 ışık yılı yaklaşık 9.5 trilyon km ediyor) 1.3 milyar yıl önce yola çıkan kütleçekimsel dalgaların (anlayacağınız üzere, bu dalgalar da ışık hızında yayılmakta) dünyaya vardığında ligo'nun 4 km boyundaki tünellerinde yaptığı esneme ve sıkışmaları gözlemleyerek dalganın varlığını ve karakteristiğini (frekans-büyüklük) ortaya koymak. zira gravitasyonel dalgaya maruz kalan madde şu şekilde, bir eksende esnerken, diğerinde sıkışmaktadır.
bu esneme ve sıkışmaların miktarı için yaklaşık olarak bir protonun boyutunun 10 binde biri deniyor. bir protonon boyutunun 10 binde biri kadarlık bir mesafe değişikliğini ölçmek, kozmik ölçekte dünya ile dünyaya en yakın yıldız arasındaki mesafeyi bir saç telinin kalınlığı kadar bir hata payı ile ölçmek gibidir. yani insanlık gravitasyonel dalgaları tespit ettiğini anons ederken bu tip bir hassas ölçümü yapabildiğini de anons etmiş oldu. zaten olayın en zor kısmı bu teknik meselelerdir. gravitasyonel bir dalgayı tespit etmek için ligo gibi bir gözlem yerinin kurulması gerektiği onlarca yıl önce ortaya konmuş şeyler.
bu çalışmalar da doksanlardan beri süren çalışmalar; bir yılda olan bir şey değil. en büyük engel bu kadar hassas bir ölçümü yapabilmekti. zira hem ölçülmesi gereken diferansiyel-periyodik mesafe farkı çok küçük, hem de tek başına dünyadaki faktörlerin bile (mesela trafik gibi faktörlerden etkilenmemesi için şehir dışında, görece ıssız yerlere kurulmuştur dedektörler) bir ölçüm hatasına yol açma ihtimali çok yüksek. bu nedenle ligo'nun tünellerinde kullanılan aynaların konumları sürekli kontrol edilir ve her gün konumları düzeltilir, aynaların pozisyonları ay'ın hareketinden bile etkilenebilmektedir.
ligo'nun ilk denemeleri 2002-2010 arasında yapılıyor fakat ölçümler için yeterince hassas olmadığı görülünce 5 yıl kapatılıp geliştirilmesi üzerine odaklanılıyor.
çevredeki istenmeyen titreşimlerden daha da izole edilmesi için yapılan bu 5 yıllık çalışma sonucunda ligo'nun hassasiyeti yaklaşık olarak 10 kat artırılıyor. şunu da belirtmeden geçmemek lazım: ligo'nun biri livingston, louisiana, diğeri ise hanford, washington'da olmak üzere birbirinden 3000 km uzakta 2 ayrı dedektöre sahip olmasının sebebi de biri tarafından gravitasyonel dalga tespit edilirken diğerinin de aynı şekilde o dalgayı tespit edip sonucu doğrulamasına duyulan ihtiyaçtır. zira elinizde sadece bir dedektör varsa bu dedektörün civardaki başka alelade bir doğal fenomenden kaynaklanan titreşimi tespit etmiş olma ihtimali vardır. eğer elinizde çok uzakta bir ikinci dedektör olursa diğer dedektörün kendi çevresinde etkilendiği olaydan etkilenmeyeceği için tespit edilenin gravitasyonel dalga olmadığını, yerel bir titreşim olduğunu anlarsınız.
gelecekte ölçümlerin daha fazla bilgi vermesi amacıyla (mesela dalganın kaynağının evrendeki konumu gibi) daha fazla sayıda dedektörün kurulacağı öngörülüyor.
örneğin 2020'ye kadar hindistan'da bir adet ligo dedektörünün kurulmuş olacağı tahmin ediliyor. ligo'nun konseptinin geliştirilmesi, tasarımının yapılması ve iyileştirilmesi için şimdiye dek 600 milyon dolardan fazla para harcanmış, binden fazla biliminsanı çalışmış, deneye toplamda 86 farklı kurum/enstitü/üniversite destek vermiştir (ligo'nun tasarımının büyük oranda mit ve caltech'teki bilim insanları tarafından yapıldığını da not düşelim. bir de hafif magazinsel bir bilgi verelim: bu biliminsanları arasında kütleçekim üzerine ömrünü vermiş bilimadamı kip thorne da var. popüler kültür kendisini interstellar filminin bilimsel danışmanı ve yapımcılarından biri olarak tanır). bu süreç içerisinde sadece ligo geliştirilmedi. elektro-optikten inşaata kadar birçok alanda birçok sorunun üstesinden gelindi, yeni problemler çözüldü, doğrudan ve/veya dolaylı olarak birçok makale yayınlandı ve bilimsel çalışma yapıldı.
kanaatimce işin en etkileyici kısımlarından biri de ligo'nun düşünsel olarak basit bir tasarıma sahipken bu kadar büyük bir keşfi yapabilmesidir.
bu anlamda, ligo, bilimin sürekli teşvik ettiği "basitlikteki güzelliğin" en somut örneklerinden biri olsa gerek. bir de albert einstein'ın tam 100 yıl önce varlığını ortaya attığı bu dalgaların henüz tespit edilmiş olması einstein'ın ne kadar büyük bir insan olduğunun en yeni kanıtıdır. öldükten sonra bile bu kadar somut ve kesin bir şekilde haklı olabilmek ancak sıradışı bir dehaya işaret ediyor olsa gerek.
radyo teleskobunun geliştirilmesinin ardından nasıl her yerden evreni onlarla izlemeye başladıysak, bundan sonra ligo gibi gravitasyonel lazer interferometrelerle de her yandan evreni dinlemeye başlayacağız.
esa (european space agency)'in 3 aralık 2015'te kalkışını yaptığı lisa pathfinder bu yönde atılmış bir başka ümit verici adım. ocak 2016'da dünyadan yaklaşık 1 milyon mil uzaktaki hedef noktasına ulaşan lisa pathfinder şu an dünya ile güneşin kütleçekimlerinin birbirini sıfırladığı bir noktada durmakta. içindeki altın ve platinyum iki küp sıfır kütleçekimde kusursuz bir free fall ve durgunluk deneyiminin keyfini yaşıyor. birbirlerine göre konumlarındaki en ufak bir değişim büyük bir kesinlikle ölçülebilecek, konumlarını değiştirebilecek en ufak bir titeşim ya da dalga tespit edilebilecek.
lisa pathfinder, 2034'te aktif hale geçmesi planlanan evolved laser interferometer space antenna (elisa) için bir test denemesi. elisa'nın konsepti birbirinden 1 milyon km uzakta ve birbirlerine lazerlerle bağlantılı 3 adet uzay probe'nu içermekte. bunlar sayesinde uzay-zaman dokusundaki gravitasyonel dalgalanmaların/titreşimlerin çok daha doğru ve kesin bir şekilde ölçülmesi planlanıyor. elisa'yla birlikte şimdiye kadar inşa edilmiş en büyük enstrüman einstein'ın bu ele geçmesi zor dalgalarına adanmış olacak. avrupa'nın bu keyifli yarışa elisa gibi iddialı bir proje ile girmesi de bu alandaki gelişmelerin çok hızlı yaşanacağını müjdeliyor şimdiden.
bu tip çalışmaların somut katkılarının dışında, bilimin şiirsel ve epik yanlarını da ortaya koyduğuna inanıyorum. içimi hep bir hayret ve hayranlıkla doldurmuştur bu tip başarılar (hatta daha da somutlaştırmak gerekirse jodie foster'ın contact filminde uzaya çıkıp bir galaksiye bakarken yaşadığı hayranlığa benzer bir hayranlık yaşıyorum. tabii galaksinin yanında salınıp izlemekle, benimkini kıyaslamak sadece bir abartı. onu yaşasaydım herhalde ağlardım). bilim, tıpkı izlediğimiz bir film gibi, dinlediğimiz bir şarkı gibi, okuduğumuz bir şiir ya da roman gibi bizi heyecanlandırıyor, şaşırtıyor, kendisine hayran ediyor ya da sersemletiyor. hatta çoğu zaman bu sanatlara kıyasla daha fazla bir "yaşamı ve varlığı kavrayış bilinci" veriyor. en önemlisi de insanlığa dair olan ümitlerimizi ve hayranlığımızı tazeliyor.
insanın yapabileceği en şerefli, en onurlu şeylerden biri bu olsa gerek; kendini ve evreni anlamaya yönelik atılmış adımlar saygıdan başka ne uyandırabilir ki insana karşı?
kirli ve ahlaksız siyasi çekişmelerin, katliamların, çatışmaların, savaşların olduğu bu yıllarda insana umut aşılayan nadir şeylerdendir higgs bozonunun keşfi, philae'nin 67p'ye inişi, ya da ligo'nun kütleçekimsel dalgaları tespit etmesi gibi başarılar. her zamankinden daha fazla kıymetini bilmeliyiz bilimin, bilimsel merakın ve özgür düşüncenin. çünkü tüm bunlar özgür düşüncenin sınırsız merakla sulanmış birer ürünüdür.
neyse lafı daha fazla uzatıp sizi daha fazla sıkmayayım; sonuç olarak ligo, henüz yüzyılın ilk çeyreği dolmamışken insanlığın 21. yüzyıldaki en büyük bilimsel keşiflerinden birine imza attı. sayesinde artık evreni sadece görmüyor aynı zamanda dinliyor olacağız; kulaklarını iyi aç insanlık!
kaynaklar:
lawrence m. krauss
ligo hears gravitational waves einstein predicted
how does an experiment at ligo actually work?
how does ligo look for gravitational waves?
Eğitim İçin Yurt Dışına Gideceklerin Kültür Şoku Yaşamaması Adına Bilmesi Gerekenler
