Bir arkadaşınızla bir odada konuşuyorsunuz. Hareketlerini, mimiklerini görüyorsunuz. Tabii ki “görmek” ondan yansıyan fotonların sizin retinanıza düşmesi ile mümkün oluyor. Işık ise saniyede “ancak” 300,000,000 metre kat edebildiği için, sizden 3 metre uzaktaysa, aslında onun 3/300,000,000 saniye önceki sureti ile konuşmaktasınız. Tabii bu algılayamayacağımız kadar kısa bir zaman, ama “kendisi” ile aynı anda hiçbir zaman görüşemeyeceksiniz; uzaklığına göre hep “birazcık eski” bir halini göreceksiniz.
Aynı şekilde, etrafınızdaki her görüntü de eski zamanlardan kalma: ne kadar uzaksa, o kadar eski. İlkokulda Güneşin 8 dakika önceki halini gördüğümüzü öğrendik. Evren 13.75 Milyar yıl önceki bir patlama ile oluştuğuna göre, o andan ve biraz daha sonradan kalmış fotonlar da bize bir aile fotoğraf albümü gibi evrenin bebekliğinden şimdiki haline nasıl geldiğini gösteriyor. Atatürk havacılığın ilerdeki önemine dikkat çekmek için “İstikbal göklerdedir” demişti. Evrenin tarihini görmek ve anlamak açısından da “Mazi göklerdedir” diyebiliriz. Tabii burada “görmek” ile sadece çıplak gözle yapılan gözlemler kastedilmiyor. Bunlara ek olarak, yeryüzündeki bazı devasa radyo teleskoplarla çok düşük enerjili fotonları, atmosfer dışındaki yüksek irtifa balonları ve uydularla ise yüksek enerjili fotonları “görüyoruz”. Bunların hepsini bir arada kullanırsak evrenin Büyük Patlama’dan (yaklaşık ilk 380,000 yıllık dönemi hariç) beri bütün tarihini, bileşenlerini, uzayın eğri olup olmadığını ve şu anda ne şekilde genişlediğini ortaya çıkarabiliyoruz.
Şimdi bu söylediklerimizi biraz açalım. Büyük Patlama’dan sonraki ilk üç dakikada olanlar Nobel ödüllü Steven Weinberg’in Zekeriya Aydın ve Zeki Aslan tarafından Türkçe’ye çevrilmiş “İlk üç dakika” adlı kitabında mükemmel bir şekilde özetleniyor. Patlama enerjisi ile bütün parçacıklar birbirinden uzaklaşırken, uzayın kendisi de Friedmann’ın Einstein Genel Görelilik teorisinden çıkardığı modellerde gösterdiği gibi genişliyor ve sıcaklık hızla düşüyor. Üç dakika sonunda ortada kalanlar ezici çoğunlukla fotonlar, nötrinolar, antinötrinolar, bir de bunların içine on milyarda bir oranında serpiştirilmiş “fazlalık” proton, nötron ve elektron var. (Bu sonuncular tam anlamadığımız bir şekilde antiparçacıkları ile birleşip fotonlara dönüşmekten kaçınabilmişler, biz de aslında bu çok küçük “fazlalıktan” meydana gelmişiz). Protonların bir kısmı nötronlarla birleşip dötronlar (bir nötron ve bir protondan oluşan kararlı parçacık) ve helyum çekirdekleri oluşturabiliyorlar. Etraf bir milyar dereceye kadar serinlemiş olduğu için artık çarpışmalar daha yavaş ve dolayısıyla bu parçacıklar parçalanmadan bugüne gelebiliyorlar. Evrenin %73 hidrojen, %27 helyum oranı bu ilk 3 dakikadan kalma.
Bu arada ilk 380,000 yıl boyunca serbest elektronlar, protonlar ve dötronlar fotonlarla bolca etkileşiyor. Bu etkileşmede fotonlar saçılıyor ve dolayısıyla evren bu sırada opak (aynı ışık bulutlarda saçıldığından ardını göremememiz gibi ilk 380,000 yıl öncesini de “göremiyoruz”). Soğuma ve genişleme sürdükçe 380,000 yıl serbest dolaşabilmiş negatif yüklü elektronlar artık pozitif yüklü hidrojen ve helyum çekirdekleri ile birleşip net elektrik yükü taşımayan hidrojen ve helyum atomlarına dönüşüyorlar. Etraftaki büyük patlamadan arta kalmış, net parçacık başına 10 milyar kadar foton yüksüz atomlarla etkileşemediği için yoluna devam ediyor ve bugüne kadar geliyor.
Bugüne gelen bu fotonlara Kozmik Fon Radyasyonu veya Kozmik Mikrodalga Arkaplan ışıması (KMAI) deniyor ve T=2.7 derece Kelvin sıcaklığa kadar soğumuş durumda. Evrenin 13.8 milyar (gene ilk 380,000’i hariç) yıllık mazisi hakkındaki detaylı bilgiler aslında bu KMAI’dan elde ediliyor. Farkında olmasak da, bu fonla etkileşmemiz kaçınılmaz. Mesela televizyonda yayın kesildiği zaman ortaya çıkan kumlu parazitin %5’i bu fosil fotonlardan geliyor.
KMAI uzayda neredeyse mükemmel bir Planck kara cisim radyasyon profiline sahip. Enerjinin dalga boyuna göre dağılımı her yerde ortalama 2.7 derecedeki Planck formülüne çok iyi uyuyor. Bu sıcaklık dağılımı Büyük patlamadan 380,000 yıl sonra ortalama sıcaklık 10,000 dereceyken geçerli olan durumdan kaynaklanıyor; geçen zaman ve genişleme sıcaklığın Planck dağılımını korurken, ortalama değerini T=2.7 K’ne düşürüyor. 2.7 derece Kelvin sıcaklıkta karacisim ışımasının en yüksek enerji yoğunluğuna sahip dalgaboyu 1.1 mm, yani mikrodalga bölgesinde. Bu nedenle KMAI mikrodalga ışıması olarak anılıyor.
2.7 derece Kelvin sıcaklığın uzayda dağılımı kusursuz şekilde tekdüze değil. Ortalama $T$’den sapmalara $\Delta T$ dersek, $\Delta T/T$ konuma göre 1/100,000 ila 1/1,000,000 mertebesinde değişiklik gösterebiliyor, yani bazı yerler (mavi tonları) biraz daha sıcak ve daha çok elektromanyetik enerji içeriyor, bazısı (kırmızı tonları) daha soğuk ve daha az enerji barındırıyor. Daha serin ve yoğun bölgeler (arkadaki karanlık maddenin “yapıştırıcı” kütleçekimi etkisi ile de) birleşiyor ve zamanla galaksileri ve süper galaksi kümelerini oluşturuyorlar. Bu süreç Hawking, Guth, Starobinsky, Mukhanov ve Chibisov tarafından detaylı olarak incelendi ve çözümlendi.
Tekdüzelikten sapmalar temelde evrensel kuantum dalgalanmalarından kaynaklandığı için profilleri her yerde aynı, fakat önce enflasyon süreci (Büyük Patlamadan önceki üstel hızla genişleme) ve patlamadan sonraki “normal” Friedmann genişlemesi neticesinde ölçek devasa bir çarpanla büyütülmüş durumda. Yani yıldızlı bir gecede çıplak gözle görebildiğiniz Samanyolu, teleskoplarla görebildiğimiz diğer galaksiler ve yıldız kümelerinin uzaydaki dağılımı, temelde 13.75 milyar (eksi 380,000 yıl) önce KMAI’de ortaya çıkmış kuantum dalgalanmalarının görebildiğimiz evreni dolduracak şekilde şişmiş ve genişlemiş hali. On dört milyar yıllık mazi gerçekten göklerde, WMAP ve Planck uyduları tarafından kaydedilmiş enerji dağılımında duruyor.
Aslında KMAI sadece mazi değil, evrenin şu andaki geometrisi hakkında da çok temel bilgiler içeriyor. KMAI içinde sıcak ve soğuk bölgelerin dağılımı, üç boyutlu uzayın düz mü (sıfır eğrilik), üç boyutlu bir küre yüzeyi gibi mi (pozitif eğrilik), veya üç boyutlu bir hiperboloid gibi mi (negatif eğrilik) olduğu sorusunu da cevaplandırıyor. CEVAP: uzay düz, sonsuz ve sınırsız! Işık hızı sonlu olduğu için, biz bunun sadece 13.75 Milyar yıllık kısmını görebiliyoruz, fakat bu “evrenin kenarı” değil; evren bu mesafenin ötesinde de aynı şekilde devam ediyor. Doğa yasaları her yerde aynı olduğuna göre, bu sonsuz uzay içinde bizimki gibi sonsuz sayıda dünya olabilir. Sonlu ışık hızı yüzünden bunlarla etkileşemiyoruz, ama varlıkları yasalarımızın ve gözlemlerimizin kaçınılmaz bir sonucu.
Bu evrenler topluluğuna MIT’li astrofizikçi Max Tegmark “1. seviye çoklu evrenler” diyor. Şanslıyız ki bu tabloyu destekleyen KMAI’dan bağımsız astronomik gözlemler de var. Perlmutter, Schmidt ve Riess 1a tipi süpernova verilerini kullanarak astronomik uzaklıkları ve galaksilerin kaçış hızlarını % 4’ün altında bir hassasiyetle belirleyebildiler. Bu veriler Friedmann evren modeli çerçevesinde değerlendirilince, evrenin büyük patlamadan sonra şimdiye kadar yavaşlayageldiği düşünülen genişleme hızının arttığı ortaya çıktı. Bu uzayın her yerinde eşit miktarda bulunan bir “Karanlık enerji” yoğunluğunun varlığını gösterdi. Buna Kozmolojik sabit deniyor ve $\Lambda$ ile gösteriliyor. Einstein’ın, evrenin yanlış olarak statik olduğuna inanıldığı dönemde, ortaya sürdüğü, statik olmadığı anlaşılınca “en büyük hatam” diyerek vazgeçtiği $\Lambda$ bugün kozmolojinin merkezinde. Gözlemler, evrendeki enerjinin %68’inin karanlık enerji, %5’inin bildiğimiz madde, %27’sinin ise her şeyle sadece kütleçekimi ile etkileşen bir cins “Karanlık madde” olduğunu ortaya koyuyor. Neticede bu bilgiler de evrenin (bizim görebildiğimizin dışındaki bütün evrenin!) düz geometrili, sonsuz ve sınırsız olduğu neticesini destekliyor.
Atatürk’ün “İstikbal göklerdedir” sözü de bu yeniden genişleme bağlamı içerisinde değerlendirilebilir, ama gözlem ve teorilerin ortaya çıkardığı istikbal insanların pek hoşuna gidecek gibi görünmüyor. Evren hızlanarak genişledikçe, her bölgesi diğerleri ile haberleşemeyen soğuk adacıklar haline gelecek, tabii ki her türlü hayat ortadan kalktıktan çok sonra. Başka galaksiler ve içlerindeki gezegenlere kaçmak da mümkün değil, zira her yer böyle olacak. İnsanlar, evrende hayat mümkünken ve hiç değilse her şeyin nasıl sona ereceğini anlayabiliyorken sahneye çıkıp böyle soruları sorabildikleri için şanslılar, ama uzun vadedeki istikbal onlar dahil kimse için parlak değil.
Tekrar mazinin “en başına” dönersek, Büyük Patlama’dan sonraki ilk 380,000 senede daha nötr atomların oluşmadığını, fotonların serbest pozitif veya negatif yüklerden saçılıp durduğunu, ancak ortalık 10,000 dereceye kadar serinleyince pozitif yüklü çekirdeklerin elektronları yakalayıp nötr atomları oluşturduğunu, etraftaki fotonların da bunlardan saçılamadıkları için bugün sıcaklığı 2.7 dereceye düşmüş bir KMAI haline geldiğini özetlemiştik.
Bu KMAI’nin içerdiği (evrendeki enerjinin kompozisyonu, uzayın eğriliği vs.) bilgiler bakımından bize eşsiz bir evren tarihi arşivi sunduğunu anlatmıştık, fakat ancak ilk 380,000 yıldan sonrası hakkında. Peki, ilk 380,000 yıl ve özellikle de Büyük Patlama ile ilgili gözlemsel verilere ulaşmamızın dolaysız bir yolu var mı? CEVAP: Evet, kütleçekimi dalga detektörleri bize dosdoğru bu “en derin tarihten” mesajlar getirebilir, zira kütleçekimi dalgalarının (elektromanyetik sinyallerin aksine) her şeyle etkileşmeleri o kadar zayıf ki aradaki maddeden neredeyse hiç saçılmadan detektörlerimize gelebilirler. Zorluk, bu kadar zayıf etkileşmeli bir sinyalin detektörlerimizce nasıl yakalanacağı, fakat bu konudaki teknik problemler hızla aşılıyor ve daha şimdiden 10 kadar kütleçekimi dalga sinyali gözlendi. Özellikle de Büyük Patlama’nın yaratacağı kütleçekimi dalgalarının KMAI’nda özel bir polarizasyon “imzası” bırakacağı biliniyor, yani nasıl bir sinyal aranacağı malum. Bunun bulunması fizik tarihinin en muhteşem başarılarından biri olacak, bulunamazsa da bizi teorilerimizi gözden geçirmeye mecbur edecek.
Cihan Saçlıoğlu
Bilim Akademisi üyesi
Sabancı Üniversitesi Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi öğretim üyesi
Steven Weinberg, “İlk Üç Dakika”, Çeviren: Zekeriya Aydın, Zeki Aslan, Kırmızı Kedi Yayınları, 2014.
