Evrenin genişlemesi ve Hubble-Lemaître yasası

Evrenin genişlemesi, 20. yüzyıl biliminin en önemli keşiflerinden biridir. Uzak galaksilerin ışığı kırmızıya kaymıştır ve bu kayma galaksi ne kadar uzaksa o kadar büyüktür. Bunun anlamı basittir: galaksiler bizden uzaklaşıyor ve uzaklaşma hızları uzaklıklarıyla orantılı. Bu ilişkiye bugün resmî olarak Hubble-Lemaître yasası denir ve Büyük Patlama modelinin ilk kanıt ayağıdır. Genel çerçeve "Büyük Patlama teorisi" sayfasında.

Yasa ne söylüyor?

Yasa tek satırlık bir denklemle yazılır:

v = H0 × D

Burada v galaksinin uzaklaşma hızı (km/s), D uzaklığı (megaparsek, Mpc), H0 ise Hubble sabitidir. Örneğin H0 yaklaşık 70 km/s/Mpc ise, 1 Mpc uzaklıktaki bir galaksi saniyede 70 km, 10 Mpc uzaklıktaki bir galaksi saniyede 700 km hızla uzaklaşıyor görünür.

Hubble sabitinin tersi (1/H0) zaman boyutundadır ve Hubble zamanı olarak bilinir; yaklaşık 14,4 milyar yıldır. Bu, evrenin yaşına kabaca yakın bir değer verir. Evrenin gerçek yaşının yaklaşık 13,8 milyar yıl çıkması, genişleme hızının zaman içinde sabit kalmamasından kaynaklanır.

Uzay genişliyor, galaksiler kaçmıyor

Bu yasa, bizim evrenin merkezinde olduğumuz anlamına gelmez. Genişleme, bir noktadan saçılan bir patlama değil, uzayın her yerde birlikte esnemesidir. Hangi galaksiden bakılırsa bakılsın, diğer galaksilerin uzaklıklarıyla orantılı hızla uzaklaştığı görülür. Kuru üzümlü bir kekin fırında kabarması sık kullanılan bir benzetmedir: her üzüm diğerlerinden uzaklaşır, uzaktaki üzümler daha hızlı uzaklaşır, ama hiçbir üzüm merkezde değildir.

Bu nedenle uzak galaksilerin kırmızıya kayması, klasik anlamda bir Doppler kayması değil, kozmolojik kırmızıya kaymadır: ışık yolculuğu boyunca uzayla birlikte gerilir. Kırmızıya kaymadan hesaplanan "hız" (cz), yalnızca yakın galaksiler için gerçek uzaklaşma hızına yaklaşık olarak eşittir.

Işıktan hızlı uzaklaşan galaksiler

Yasa doğrusal olduğu için, yeterince uzaktaki galaksilerin uzaklaşma hızı ışık hızını aşar. Bu sınıra Hubble küresi denir (yarıçapı c/H0). Bunun ötesindeki galaksiler bizden ışıktan hızlı uzaklaşır. Bu, görelilik kuramını çiğnemez: görelilik, hiçbir cismin uzayın içinde ışıktan hızlı hareket edemeyeceğini söyler; burada ise cisimler hareket etmiyor, aradaki uzay genişliyor.

Yakın galaksiler ve özel hızlar

Yasa en iyi büyük uzaklıklarda işler. Yakındaki galaksiler, komşularının kütleçekimi yüzünden genişleme akışından bağımsız "özel hızlara" sahiptir. Bu nedenle Hubble sabiti ölçülürken özel hızların etkisi hesaba katılmalıdır.

Keşfin tarihi

1912'de Vesto Slipher bir sarmal bulutsunun Doppler kaymasını ilk kez ölçtü ve bu cisimlerin neredeyse hepsinin bizden uzaklaştığını buldu. Carl Wilhelm Wirtz 1922 ve 1924'te sönük galaksilerin daha büyük kırmızıya kayma gösterdiğini fark etti. Alexander Friedmann 1922'de genişleyebilen evren çözümlerini türetti; Georges Lemaître 1927'de benzer çözümlere bağımsız olarak ulaştı ve uzaklaşma hızının uzaklıkla orantılı olduğunu yazarak oranı tahmin etti.

Edwin Hubble 1929'da, Sefeid değişen yıldızlarını "standart mum" olarak kullanıp 46 galaksiye dayanan ölçümünü yayımladı ve H0 için yaklaşık 500 km/s/Mpc buldu. Uzaklık ayarındaki hatalar yüzünden bu değer çok yüksekti; Walter Baade'nin çalışmaları değeri düşürdü. 20. yüzyılın ikinci yarısının büyük bölümünde H0 için 50 ile 90 km/s/Mpc arasında tahminler verildi.

Uzun süre "Hubble yasası" adıyla bilinen ilişkinin keşfinde Lemaître'nin payını tanımak için, Uluslararası Astronomi Birliği üyeleri 26 Ekim 2018'de yaklaşık yüzde 78 oyla yasanın "Hubble-Lemaître yasası" olarak anılmasını tavsiye etti. Ayrıntılı hikâye "Büyük Patlama'nın tarihçesi" sayfasında.

Einstein ve kozmolojik sabit

Einstein 1917'de evreni durağan tutmak için denklemlerine kozmolojik sabiti eklemişti. Hubble'ın sonuçları evrenin genişlediğini gösterince bu terimden vazgeçti ve 1931'de Mount Wilson'a giderek Hubble'a teşekkür etti. Einstein'ın bu terimi "en büyük hatam" diye nitelediği sık anlatılır, ancak bu söz George Gamow'un aktarımına dayanır ve tartışmalıdır. 1998'de genişlemenin hızlandığı keşfedilince kozmolojik sabit karanlık enerjinin en basit açıklaması olarak geri döndü. Ayrıntısı "Karanlık enerji" sayfasında.

Hubble sabiti nasıl ölçülür?

Bugün H0 iki ana yolla ölçülüyor:

• Uzaklık merdiveni (yakın evren): Önce yakındaki Sefeid değişen yıldızlarının uzaklığı (örneğin Gaia uydusunun verileriyle) belirlenir; sonra bu yıldızlar aracılığıyla Ia türü süpernovaların gerçek parlaklığı ayarlanır; en sonunda süpernovalar uzak galaksilerin uzaklığını verir. Bu basamaklı yöntemle bulunan değerler 73 km/s/Mpc civarında toplanıyor.
• Erken evren: KMA'daki desenlerden standart kozmoloji modeli varsayılarak H0 hesaplanır. Planck 2018 sonucu 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc'dir.

Bunlara ek olarak kırmızı dev kolunun ucu (TRGB) yöntemi, galaksilerdeki doğal mikrodalga lazerleri olan megamaserler, kilonova patlamaları ve nötron yıldızı birleşmelerinden gelen kütleçekim dalgaları gibi bağımsız yöntemler de kullanılıyor. İki ana yöntem grubunun farklı sonuç vermesi "Hubble gerilimi" sayfasında ayrıntılı inceleniyor.

Genişleme hızı zamanla değişiyor mu?

Evet. "Sabit" adına rağmen Hubble parametresi zamanla değişir; H0 onun bugünkü değeridir. Çoğu modelde Hubble parametresi zamanla azalır, buna karşın evrenin genişlemesi hızlanmaktadır. Bu çelişkili görünen durum şöyle anlaşılabilir: belli bir galaksinin uzaklaşma hızı artarken, belli bir uzaklıktaki galaksilerin uzaklaşma hızı (yani hız/uzaklık oranı) zamanla düşmektedir. Hızlanmanın karanlık enerjiyle ilişkisi kendi sayfasında anlatılıyor.

Olbers paradoksu ile bağlantı

"Evren sonsuz ve yıldızlarla doluysa gece gökyüzü neden karanlık?" sorusu Olbers paradoksu olarak bilinir. Paradoksun çözümünde evrenin sonlu yaşı ve genişlemenin uzak kaynakların ışığını kırmızıya kaydırarak zayıflatması rol oynar.

Kısaca

• Uzak galaksiler uzaklıklarıyla orantılı hızla uzaklaşır: v = H0 × D.
• Genişlemenin merkezi yoktur; uzay her yerde birlikte genişler.
• İlişkiyi Lemaître 1927'de öne sürdü, Hubble 1929'da gözlemle yayımladı; IAU 2018'de adı Hubble-Lemaître yasası olarak önerdi.
• Hubble zamanı yaklaşık 14,4 milyar yıl; evrenin yaşı yaklaşık 13,8 milyar yıl.
• Hubble küresinin ötesindeki galaksiler ışıktan hızlı uzaklaşır; bu göreliliğe aykırı değildir.
• H0 ölçümleri yöntemlere göre yaklaşık 67 ile 73 km/s/Mpc arasında ayrışıyor.

Kaynaklar: Wikipedia — Hubble's law, Wikipedia — Georges Lemaître, Wikipedia — Cosmological constant, Wikipedia — Hubble tension, NASA — Dark energy