Evren Ekim 04, 2017

2017 Nobel Fizik Ödülü: Kütleçekimi Dalgaları – Ali Alpar

İki karadeliğin çarpışması anında oluşan kütleçekimi dalgalarının sinyali (Kaynak: LIGO)

2017 Nobel Fizik Ödülünü kütleçekimi dalgalarını ilk kez gözleyen LIGO (Lazer Interferometre Kütleçekim Dalga Gözlemevi) deneylerinin lider tasarımcı ve uygulayıcıları olarak Barry Barish, Kip Thorne ve Rainer Weiss aldılar. LIGO ve VIRGO çok uluslu büyük bilimsel işbirliği projeleri. Bu ilk keşiften beri LIGO üç benzer olay daha kaydetti, bunların sonuncusu bu ay içinde LIGO nun yanısıra İtaya’daki VIRGO deneyi ile de kaydedildi.

İlk keşif,  14 Eylül 2015’de ABD’de Washington ve Louisiana eyaletlerinde bulunan birbirinden  3000 kilometre uzaktaki iki LIGO interferometre (girişim ölçer) alıcısının  0.01 saniye ara ile ayni kütleçekim dalgası sinyalini kaydetmeleri ile gerçekleşti. İki ayrı kayıt sinyalin gerçek olduğunu, uzaydan geldiğini; iki kayıt arasındaki zaman farkı ise gelen dalganın ışık hızı ile hareket ettiğini gösteriyor.

Böylece, Einstein’in genel görelilik teorisine göre, birbirinin etrafında gitgide hızlanarak ve yaklaşarak dönen iki karadeliğin sonunda birbirine kavuşup tek karadelik haline gelirken saldıkları kütleçekimi dalgaları gözlenmiş oldu. Kaydedilen sinyal bunun için Einstein’in önerdiği formüle tamtamına oturuyor. Bu keşif ilk kez dünyamıza ulaşan kütleçekimi dalgalarının doğrudan kaydedilmesi demek.

Daha önce Roger Hulse ve Joseph Taylor birbiri etrafında dönen iki nötron yıldızını radyo teleskoplarla gözleyerek bunların birbiri etrafındaki yörüngesinin değiştiğini; bu değişikliğin ikili sistem kütle çekimi dalgaları yaydığı için, tam da Einstein’in formülüne göre beklenen şekilde olduğunu bulmuşlardı (1993 Nobel Fizik Ödülü). LIGO’nun kaydettiği sinyal ise dolaylı olarak değil, doğrudan kütleçekimi dalgalarının varlığını gösterdi. Aynı zamanda ilk kez iki karadelikten oluşan bir sistem gözlenmiş oldu.

Kütleçekimi dalgası, bir çiftyıldız sistemi gibi değişen bir kütleçekimi kaynağının uzayda mesafelerin uzayıp kısalmasına sebep olması ve bu etkinin ışık hızı ile dalgalar halinde dört bir yana yayılması demek. 

Olayın kaynağından bize ulaşan dalganın yönüne dik olan düzlemde mesafeler bir uzayıp bir kısalıyor. Bir yönde mesafeler kısalırken aynı anda diğer yönde mesafeler uzuyor. Dalgalar en kuvvetli olarak birbirinin içine düşen kara delik çiftlerinde gibi olaylarda oluşuyor. Tam da LIGO deneyi çalıştığı esnada herhangi bir galakside bir kara delik çiftinin ömrünün son saniyelerine denk gelen bu kavuşma olayını yaşaması çok nadir bir olay. Ama evrende o kadar çok galaksi var ki bunlardan yeterince yakın birinden böyle bir sinyal kaydetme ihtimali yeterince yüksek. Zaten milyarlarca dolarlık yatırım gerektiren LIGO projesi bilim insanlarının bu başarı ihtimalini iyi hesaplamalarıyla gerçekleşti. Sonuç da yanılmadıklarını gösteriyor.

LIGO’nun ölçtüğü uzay kısalma-uzamaları, interferometrenin birbirine dik iki kolunun 4 km olan uzunlukları üzerinde ancak 10-15 m yani bir metrenin trilyonda birinin binde biri kadarcık (bir atom çekirdeği kadar) değişiklikler. Bu müthiş duyarlı mesafe ölçümü ise girişim ölçümü (interferometre) ile sağlanabiliyor.

Vakum (boşluk) ortamında tüpler içinde gönderilen lazer ışınları birbirine dik 4 kilometrelik iki kolda koşturuluyor. Aynalardan yansıtılıp geri geldiklerinde iki kolun uzunlukları tam aynı değilse iki koldan gidip gelen lazer dalgalarının arasında faz farkı oluyor. Yani dalganın biri tepe yaparken diğeri de aynı anda tepe yapmıyor. Bunun sonunda bir girişim deseni oluşuyor, tıpkı su dolu bir havuzda iki parmağınızla iki ayrı dalga yarattığınızda oluşan desende halka halka yayılan iki dalganın üstüste bindiği desen gibi. Lazer teknolojisinin, vakumun, aynaların ve bunun gibi her şeyin son derece hassas biçimde tasarlanıp uygulanması ile etraftaki bütün gürültüler ayıklanıp bu ufacık kütleçekimi sinyali kaydedilebildi. Böylece en temel bilim alanında, genel görelilik, kara delikler, kütleçekimi dalgaları üzerine bir deney tasarlanırken lazer fiziği ve teknolojisinde de en uç noktada yeni teknoloji elde edilmiş oldu (Video 1)

Video 1: Ali Alpar, Bilim Akademisi konferansında LIGO’nun çalışma prensibini anlatıyor. Konferansın tamamı için tıklayınız. (LIGO Kaynak: LIGO).

Farklı kütlelerde kara delik çiftlerinin birbiri içine düşerken yayacakları sinyaller Einstein’in denklemlerinden ayrı ayrı sistemler için yapılan milyonlarca bilgisayar hesabıyla elde edilip bu beklentiler tek tek deneyde gözlenenle karşılaştırılıyor. İşte böylece gözlenen sinyalin biri 36 diğeri 29 Güneş kütleli 2 karadeliğin birbirine kavuşmasından geldiği kesinlikle anlaşılmış oldu. Ömürlerinin son saniyesinde kara delikler birbiri etrafında saniyede 300’den başlayıp çabucak saniyede 700’e kadar çıkan hızlarla dönüyorlar. Bu frekanslar insan kulağının duyabileceği (audio) frekanslar olduğu için interferometreden gelen voltaj sinyalleri hoparlöre verilince karadeliklerin ‘müziğini’ duyabiliyoruz (Video 2).

Video 2: İki karadeliğin Çarpışması (Kaynak: LIGO )

Müzik ve dans birden, iki karadelik 62 güneş kütleli tek bir karadelik olunca bitiyor. Başlangıçtaki toplam kütle 65 güneş kütlesiydi, aradaki 3 güneş kütlesi $\times c^2$  enerji farkı ($E = M c^2 $) bize kadar ulaşan kütleçekimi dalgalarını oluşturdu. Bu ilk keşiften sonra gözlenen diğer üç olay da yine yaklaşık 30’ar güneş kütleli kara deliklerden kaynaklanıyor çünkü en kuvvetli kütleçekimi dalgalarını bu sistemler yayıyor. Önümüzdeki 10 yıl içinde LIGO ve VIRGO daha düşük kütleli karadelik ve nötron yıldızı çiftlerinden gelen sinyalleri de algılayabilecekler.

Ali Alpar
Bilim Akademisi Başkanı