Büyük Patlama'nın tarihçesi: Lemaître'den Hubble'a, Gamow'dan Penzias ve Wilson'a

Büyük Patlama tek bir kişinin bir günde bulduğu bir fikir değil. Gökbilimcilerin ölçümleri, kuramcıların denklemleri ve zaman zaman da şans eseri yapılan keşifler, yaklaşık yarım yüzyıl boyunca birbirini tamamladı. Bu sayfa o yolculuğu kronolojik sırayla anlatıyor. Modelin bugünkü özeti ana sayfa olan "Büyük Patlama teorisi"nde.

Durağan evren varsayımı

20. yüzyılın başında bilim insanlarının çoğu evrenin durağan, yani zaman içinde büyüyüp küçülmeyen bir yapı olduğunu düşünüyordu. Einstein 1917'de genel görelilik denklemlerini evrenin bütününe uyguladığında, denklemlerin durağan bir çözüm vermediğini gördü ve dengeyi sağlamak için denklemlerine bir terim ekledi: kozmolojik sabit (Λ). Bu terim yıllar sonra karanlık enerji tartışmasında yeniden sahneye çıkacaktı.

Kırmızıya kayan bulutsular

Gözlem tarafında ilk adımı Vesto Slipher attı. 1912'de bir sarmal bulutsunun tayfındaki Doppler kaymasını ilk kez ölçtü ve sonraki yıllarda bu bulutsuların neredeyse hepsinin bizden uzaklaştığını, yani ışıklarının kırmızıya kaydığını buldu. Carl Wilhelm Wirtz 1922 ve 1924'te sönük galaksilerin daha büyük kırmızıya kayma gösterme eğiliminde olduğunu fark etti. Edwin Hubble ise 1924'teki ölçümleriyle bu "sarmal bulutsuların" Samanyolu'nun dışında, ayrı galaksiler olduğunu gösterdi.

Friedmann ve Lemaître

Rus matematikçi Alexander Friedmann 1922'de Einstein'ın denklemlerinin genişleyen bir evrene izin verdiğini gösteren çözümleri türetti. Ancak bu çözümleri gözlemlerle ilişkilendirme işi, 1894'te Charleroi'da doğan Belçikalı Georges Lemaître'e kaldı. Lemaître 1923'te rahip olarak takdis edilmiş, 1923-24'te Cambridge'de Arthur Eddington'la, 1924-25'te Harvard'da Harlow Shapley'le çalışmış, MIT'de de öğrenim görmüştü.

Lemaître 1927'de Annales de la Société Scientifique de Bruxelles dergisinde yayımlanan makalesinde evrenin durağan olmadığını savundu ve uzak cisimlerin uzaklaşma hızının uzaklıklarıyla orantılı olduğunu yazarak bu oranı tahmin etti. Bugün Hubble sabiti dediğimiz büyüklüğün ilk tahmini buydu. Makale Fransızca ve az okunan bir dergide çıktığı için uzun süre dikkat çekmedi; 1931'de Eddington'ın yorumuyla Monthly Notices of the Royal Astronomical Society'de İngilizcesi yayımlandığında, bu oranı veren kısım çeviriden çıkarılmıştı. Çeviriyi Lemaître'nin kendisinin yaptığı bugün bilinmektedir.

Einstein'ın Lemaître'ye ilk tepkisi soğuktu. Lemaître'nin aktardığına göre Einstein ona "Hesaplarınız doğru ama fiziğiniz berbat" demişti.

Lemaître 1931'de Nature dergisinde evrenin tek bir "ilksel atom"un parçalanmasıyla başladığını öne sürdü. Bu, bugünkü Büyük Patlama düşüncesinin ilk biçimi sayılır.

Hubble'ın 1929 makalesi

Edwin Hubble, Milton Humason'ın gözlemsel katkısıyla 1929'da galaksilerin uzaklaşma hızı ile uzaklığı arasında doğrusal bir ilişki yayımladı. Uzaklıkları ölçmek için Henrietta Swan Leavitt'in 1912'de bulduğu Sefeid değişen yıldızlarının dönem-parlaklık ilişkisini kullandı. 46 galaksiye dayanan ölçümünden Hubble sabitini yaklaşık 500 km/s/Mpc buldu; uzaklık ayarındaki hatalar nedeniyle bu değer bugünkünden yaklaşık yedi kat büyüktü. Walter Baade'nin yıldız toplulukları ve Sefeid türleri üzerine sonraki çalışmaları değeri aşağı çekti.

Hubble'ın sonucu Einstein'ı ikna etti: Einstein kozmolojik sabitten vazgeçti ve 1931'de Mount Wilson Gözlemevi'ne giderek Hubble'a teşekkür etti. Uluslararası Astronomi Birliği (IAU) üyeleri 26 Ekim 2018'de yaklaşık yüzde 78 oyla bu yasanın adının "Hubble-Lemaître yasası" olarak anılmasını tavsiye etti.

Gamow, Alpher ve Herman: sıcak başlangıç

1904'te Odessa'da doğan George Gamow, 1933'te Brüksel'deki Solvay Konferansı'na katılma izni aldıktan sonra Sovyetler Birliği'ne dönmedi ve 1934'te ABD'ye yerleşti. Gamow, evrenin sıcak ve yoğun bir başlangıcı olduysa kimyasal elementlerin bu dönemde oluşabileceğini savundu. Ralph Alpher'in 1948 tarihli doktora tezi (Kimyasal Elementlerin Kökeni ve Göreli Bolluğu) bu fikri işledi; tezin öğeleri 1 Nisan 1948'de Physical Review'da Alpher, Hans Bethe ve Gamow imzasıyla yayımlandı. Bethe aslında çalışmaya katılmamıştı; Gamow onun adını, yazar listesi Yunan alfabesinin ilk üç harfine (alfa, beta, gama) benzesin diye eklemişti.

Aynı yıl Alpher ve Robert Herman, böyle bir sıcak başlangıcın geride bugün yaklaşık 5 kelvin sıcaklıkta bir arka plan ışıması bırakması gerektiğini hesapladı. İki yıl sonra tahminlerini 28 kelvine güncellediler; Gamow ise 1953'te 7 kelvin öngördü. Bu öngörüler o dönemde pek ilgi görmedi ve ışımayı aramak için bir girişim başlamadı.

Hoyle ve kararlı durum kuramı

1948'de Hermann Bondi, Thomas Gold ve Fred Hoyle, Büyük Patlama'ya güçlü bir rakip önerdi: kararlı durum kuramı. Bu kurama göre evren genişliyordu ama boşalan uzayda sürekli yeni madde yaratıldığı için evrenin görünümü hiçbir zaman değişmiyordu; bir başlangıç anı da yoktu. Hoyle, Mart 1949'da bir BBC radyo programında rakip modeli anlatırken "Big Bang" (Büyük Patlama) ifadesini kullandı ve ad kalıcı oldu. 1950'ler boyunca iki model arasındaki tartışma sürdü. 1961'e gelindiğinde radyo kaynaklarının sayımları kararlı durum kuramı aleyhine güçlü bir kanıt oluşturuyordu. Bu tartışmanın ayrıntısı "Büyük Patlama'ya karşı görüşler" sayfasında.

Holmdel'deki uğultu: Penzias ve Wilson

Belirleyici kanıt beklenmedik bir yerden geldi. Bell Laboratuvarları'nda çalışan radyo gökbilimciler Arno Penzias ve Robert Woodrow Wilson, New Jersey'nin Holmdel kasabasındaki boynuz biçimli antenle 20 Mayıs 1964'te ilk ölçümlerini yaptıklarında, yaklaşık 3,5 kelvinlik açıklanamayan bir gürültüyle karşılaştı. Gürültü gökyüzünün her yönünden eşit geliyor, gece-gündüz değişmiyordu; Dünya'dan, Güneş'ten ya da Samanyolu'ndan kaynaklanmadığını gösterdiler. Antene yuva yapan güvercinleri ve pisliklerini temizlemelerine rağmen sinyal kaybolmadı.

Aynı sırada Princeton'da Robert Dicke, Jim Peebles ve David Wilkinson, Büyük Patlama'dan kalmış bir mikrodalga ışımanın ölçülebileceğini öngörmüş ve onu aramak için bir alıcı inşa etmeye başlamıştı. Penzias, Peebles'ın makale taslağını duyunca Dicke'yle temasa geçti. İki grup 1965'te Astrophysical Journal Letters'ta yan yana yayımladı: Penzias ve Wilson ölçümü, Dicke'nin ekibi ise yorumunu verdi. Penzias ve Wilson 1978 Nobel Fizik Ödülü'nü aldı. Peebles da fiziksel kozmolojiye kuramsal katkıları nedeniyle 2019'da Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü.

Lemaître, KMA'nın keşfini asistanı Odon Godart'tan öğrendi ve kısa süre sonra, 20 Haziran 1966'da Leuven'de öldü. Gamow, Alpher ve Herman ise kendi öngörülerine yeterince atıf yapılmadığını düşündü. Alpher'in emeği çok sonra, 2005'te ABD Ulusal Bilim Madalyası ile tanındı.

Uydular dönemi

Keşiften sonra soru "ışıma var mı?" değil, "ışımanın ayrıntıları modele uyuyor mu?" oldu. NASA'nın 1989-1996 arasında çalışan COBE uydusu iki büyük sonuç verdi: ışımanın tayfının neredeyse kusursuz bir kara cisim tayfı olduğunu gösterdi ve 1992'de yaklaşık yüz binde bir düzeyinde sıcaklık farkları buldu. Bu çalışma Mather ve Smoot'a 2006 Nobel Fizik Ödülü'nü kazandırdı. 2000-2001'deki BOOMERanG balon deneyi evrenin uzamsal olarak neredeyse düz olduğunu gösterdi. NASA'nın 2001'de fırlatılan WMAP uydusu ilk sonuçlarını 2003'te açıkladı; ESA'nın Mayıs 2009'da fırlatılan Planck uydusu da Ekim 2013'e kadar çalışarak en ayrıntılı haritaları çıkardı.

Hızlanan genişleme

Tarihçenin son büyük dönemeci 1998'de geldi. İki ayrı ekip, uzak Ia türü süpernovaların beklenenden sönük olduğunu, yani evrenin genişlemesinin hızlandığını buldu. Saul Perlmutter, Brian Schmidt ve Adam Riess bu keşif için 2011 Nobel Fizik Ödülü'nü paylaştı. Einstein'ın vazgeçtiği kozmolojik sabit böylece karanlık enerjinin en basit açıklaması olarak geri döndü. Ayrıntısı "Karanlık enerji" sayfasında.

Kısaca

• Slipher 1912'de galaksilerin uzaklaştığını gösteren ilk ölçümü yaptı.
• Friedmann (1922) ve Lemaître (1927) genişleyen evren çözümlerini buldu; Lemaître bunu gözlemlerle ilişkilendirdi.
• Hubble 1929'da uzaklık-hız ilişkisini yayımladı; IAU 2018'de yasanın adını Hubble-Lemaître yasası olarak önerdi.
• Gamow, Alpher ve Herman 1948'de sıcak başlangıcı ve arka plan ışımasını öngördü.
• Penzias ve Wilson 1964'te ışımayı buldu, 1978'de Nobel aldı; kararlı durum kuramı gözden düştü.
• COBE, WMAP ve Planck uyduları modeli hassas bir bilime dönüştürdü.

Kaynaklar: Wikipedia — Big Bang, Wikipedia — Georges Lemaître, Wikipedia — Hubble's law, Wikipedia — George Gamow, Wikipedia — Ralph Alpher, Wikipedia — Discovery of cosmic microwave background radiation, Wikipedia — Steady-state model, NASA — Dark energy