Kütleçekim dalgası

Kütleçekim dalgası, kütleli cisimlerin özellikle çok hızlı ve düzensiz biçimde hareket etmesiyle uzay-zamanda doğan, ışık hızıyla yayılan bir dalgalanmadır. Geçtiği yerde uzayı bir yönde çok az uzatır, dik yönde ise çok az kısaltır.

Nasıl işler?

Genel görelilik kuramına göre kütle uzay-zamanı büker. Kütle hareket edince bu bükülme de değişir ve değişim, bir göle atılan taşın yarattığı halkalar gibi dışarı yayılır. Her hareket güçlü dalga üretmez; dalga için kütlenin simetrik olmayan, hızlı bir biçimde ivmelenmesi gerekir. Birbirinin çevresinde hızla dönen iki kara delik, iki nötron yıldızı ya da bir süpernova patlaması buna uygun adaylardır.

Dalgalar çok zayıf etki bırakır. GW150914'ün dalgası Dünya'ya ulaştığında dört kilometrelik bir LIGO koluna ancak bir protonun genişliğinin yaklaşık binde biri kadar boy değişimi yaptı; yani gerilme bir atom çekirdeğinden bile çok daha küçüktür. Bu yüzden ölçmek için lazer girişimölçerler kullanılır. Birbirine dik iki uzun koldan lazer ışığı gönderilir ve geri dönen ışınların faz farkı izlenir. Bir dalga geçerse kolların boyu hafifçe değişir ve ışınlar arasındaki fark çok küçük bir sinyal olarak kaydedilir.

Örnekler

14 Eylül 2015'te Amerika Birleşik Devletleri'ndeki LIGO dedektörleri ilk doğrudan kütleçekim dalgasını yakaladı. GW150914 adı verilen bu sinyal, yaklaşık 1,3 milyar ışık yılı uzakta, kütleleri Güneş'in yaklaşık otuz altı ve yirmi dokuz katı olan iki kara deliğin birleşmesinden geliyordu. Ortaya çıkan kara delik yaklaşık 62 Güneş kütlesindeydi; birleşme sırasında Güneş kütlesinin yaklaşık üç katı kadar madde, saniyenin küçük bir bölümünde enerjiye dönüşüp dalga olarak yayıldı.

2017'de GW170817 olayı, iki nötron yıldızının birleşmesini hem kütleçekim dalgası hem de ışıkla gösterdi. Olay yaklaşık 140 milyon ışık yılı uzaktaki NGC 4993 galaksisinde gerçekleşti ve yetmişten fazla gözlemevi aynı olayı ışıkla da izledi; kilonova gözlemleri, altın ve platin gibi ağır elementlerin bu tür çarpışmalarda oluştuğunu doğruladı. Avrupa'daki Virgo ve Japonya'daki KAGRA dedektörleri LIGO ile birlikte çalışır; birkaç dedektör bir arada kaynağın gökyüzündeki yerini daha iyi belirler.

Tarihçe

Einstein dalgaları 1916'da genel göreliliğin bir sonucu olarak öngördü, ama bunların hiç algılanamayacağını düşündü. 1974'te Hulse ve Taylor, birbirinin çevresinde dönen bir çift sistemdeki pulsarın yörünge periyodunun, genel göreliliğin öngördüğü hızla kısaldığını göstererek dalgaların dolaylı kanıtını sundu; ikisi bu çalışmayla 1993 Nobel Fizik Ödülü'nü aldı. Doğrudan algılama için gereken teknoloji on yıllar sürdü. Rainer Weiss, Kip Thorne ve Barry Barish 2017'de Nobel Fizik Ödülü'nü aldı.

Neden önemli?

Kütleçekim dalgaları gökyüzüne yepyeni bir duyuyla bakmamızı sağlar. Işık gazlar ve tozlar tarafından engellenebilir, oysa dalgalar neredeyse hiçbir şeyden etkilenmeden geçer. Böylece ışık yaymayan kara delik çiftlerini, nötron yıldızı birleşmelerini ve belki de evrenin ilk anlarından kalan izleri incelemek mümkün olur. Planlanan uzay tabanlı LISA görevi, çok daha uzun dalga boylarında süper kütleli kara delikleri dinleyecek.

Merak edilenler

Kütleçekim dalgalarının frekansı kaynağın boyutuna bağlıdır. LIGO gibi yer tabanlı dedektörler onlarca ile birkaç yüz hertz arasındaki sinyallere duyarlıdır; bu, yıldız kütleli nesnelerin birleşmesine karşılık gelir. Süper kütleli kara delik çiftleri ise çok daha yavaş, yıllar süren salınımlar üretir ve bunlar pulsar zamanlama dizileriyle izlenir; 2023'te yaklaşık 15 yıllık pulsar zamanlama verileriyle evrenin kütleçekim dalgası artalanına dair kanıt bildirildi. Bir kara delik birleşmesinde sinyal önce yükselen bir "cıvıltı" gibi başlar, birleşme anında doruğa ulaşır ve kısa bir "çınlama" ile son bulur. Bugüne kadar yüzlerce olay kaydedilmiştir. Bunların büyük çoğunluğu kara delik çiftleridir ve kara deliklerin kütle dağılımı hakkında ilk kez istatistiksel veri sağlamıştır.

İlgili terimler

• Kara delik
• Nötron yıldızı
• Genel görelilik
• Pulsar
• Süpernova
• Uzay-zaman