Genel göreliliğin testleri: Merkür'den GPS'e, kütleçekimsel merceklenmeye

Bir fizik kuramının değeri, ne kadar zarif olduğuyla değil, doğanın onu ne kadar doğruladığıyla ölçülür. Genel görelilik bu açıdan fizik tarihinin en çok sınanmış kuramlarından biridir. İlk sınamalar Einstein'ın kendi döneminde, Güneş Sistemi'nde yapıldı; sonraki on yıllarda radar, atom saatleri, uydular, atarcalar ve kütleçekimsel mercekler devreye girdi. Bu sayfa, kuramın geçtiği başlıca sınavları bir araya getiriyor.

Üç klasik test

Einstein, kuramının doğrulanabilmesi için üç gözlem önermişti: Merkür'ün yörüngesindeki kayma, ışığın Güneş yakınında bükülmesi ve kütleçekimsel kırmızıya kayma. 1960'larda Irwin Shapiro'nun önerdiği radar gecikmesi de bunlara "dördüncü klasik test" olarak eklendi.

1. Merkür'ün yalpalayan yörüngesi

Gezegenlerin yörüngeleri tam kapalı elipsler değildir; yörüngenin Güneş'e en yakın noktası olan günberi, yavaşça Güneş'in çevresinde döner. Merkür için gözlenen kayma yüzyılda 574,10 ± 0,65 yay saniyesidir. Bunun büyük kısmı öteki gezegenlerin çekim etkileriyle açıklanır. Ancak 1859'da Urbain Le Verrier, hesaplarla gözlem arasında yüzyılda 38 yay saniyelik açıklanamayan bir fark buldu; bu fark sonradan Simon Newcomb tarafından yaklaşık 43 yay saniyesi olarak düzeltildi. Einstein 1915'te genel göreliliğin bu farkı, hiçbir ayarlanabilir parametre olmadan, kendiliğinden verdiğini gösterdi. Bugünkü hesaplara göre genel göreliliğin katkısı yüzyılda 42,980 ± 0,001 yay saniyesidir ve bütün etkiler toplandığında öngörülen değer gözlemle uyuşur.

2. Işığın bükülmesi

Genel göreliliğe göre Güneş'in kenarını sıyırarak geçen yıldız ışığı 1,75 yay saniyesi bükülmelidir; bu, Newton fiziğinden çıkarılabilecek değerin iki katıdır. 29 Mayıs 1919'daki tam Güneş tutulması sırasında, Arthur Eddington'ın da bulunduğu ekipler Brezilya'nın Sobral kentinde ve São Tomé ve Príncipe'de tutulma anında Güneş'in çevresindeki yıldızları fotoğrafladı. Yıldızların konumundaki kaymalar Einstein'ın öngörüsüyle uyumlu çıktı. Ölçüm 1922'de Avustralya'daki Wallal'de, ardından 1953'te ve 1973'te tekrarlandı. Bugün aynı etki, Güneş'in yakınından geçen radyo dalgalarıyla ve Hipparcos ve Gaia gibi uzay gözlemevlerinin hassas yıldız konumu ölçümleriyle çok daha yüksek hassasiyetle ölçülüyor.

3. Kütleçekimsel kırmızıya kayma

Bir kütleçekim alanından yukarıya doğru tırmanan ışık enerji kaybeder ve dalga boyu uzar, yani kırmızıya kayar. Bu, kütleçekimsel zaman genişlemesinin başka bir yüzüdür. 1959'da Pound ve Rebka, Harvard Üniversitesi'ndeki Jefferson Kulesi'nin tepesi ile tabanı arasında gönderdikleri gama ışınlarında bu etkiyi Mössbauer etkisi denen son derece hassas bir yöntemle ölçtü; deney sonradan yüzde 1'in altında bir hassasiyete ulaştı. Hubble Uzay Teleskobu, beyaz cüce Sirius B'nin yüzeyinden gelen ışıkta saniyede 80,4 ± 4,8 km'ye karşılık gelen bir kırmızıya kayma ölçtü. 1976'da 10.000 km yüksekliğe gönderilen bir roketteki hidrojen maser saati, etkiyi yüzde 0,007 düzeyinde doğruladı.

4. Radar yankısının gecikmesi

Irwin Shapiro 1964'te, Güneş'in yakınından geçen radar sinyallerinin uzay-zaman eğriliği nedeniyle biraz gecikmesi gerektiğini öne sürdü. Dünya'dan Venüs'e gidip Güneş'in yakınından geçerek geri dönen bir sinyal için gecikme yaklaşık 200 mikrosaniye olmalıydı. 1966-1967'de MIT'nin Haystack radar anteniyle yapılan deneyler öngörüyle uyumlu sonuç verdi. Merkür ve Venüs'e gönderilen radar sinyalleri kuramı yüzde 5 düzeyinde doğruladı; Satürn'e giden Cassini uzay aracıyla yapılan ölçümün ise yüzde 0,002 düzeyinde uyum verdiği bildirildi, ancak sonraki çalışmalar bu belirsizliğin yaklaşık 10 kat büyük olabileceğini öne sürüyor.

Uzayda dönen jiroskoplar: Gravity Probe B

Genel görelilik, Dünya gibi bir kütlenin çevresindeki uzay-zamanın iki ayrı biçimde bozulduğunu söyler. Birincisi, kütlenin kendisinden kaynaklanan eğriliktir (jeodezik etki). İkincisi, Dünya'nın dönüşünün uzay-zamanı birlikte sürüklemesidir (çerçeve sürüklenmesi ya da Lense–Thirring etkisi). Yörüngedeki bir jiroskopun dönme ekseni bu iki etki yüzünden çok yavaşça kaymalıdır.

Fikir 1959'da George Pugh ve 1960'ta Stanford'dan Leonard Schiff tarafından ortaya atıldı. NASA projeyi 1964'te desteklemeye başladı, ama teknolojinin olgunlaşması kırk yıl sürdü. Gravity Probe B uydusu 20 Nisan 2004'te fırlatıldı. İçinde, pinpon topu büyüklüğünde, niyobyumla kaplı dört kuvars küre vardı; o kadar kusursuz yuvarlaktılar ki mükemmel küreden sapmaları yalnızca yaklaşık kırk atom kalınlığındaydı. Küreler 2 kelvinin altına soğutuldu ve dönme eksenleri süperiletken algılayıcılarla izlendi.

4 Mayıs 2011'de açıklanan son sonuçlara göre jeodezik kayma yılda −6601,8 ± 18,3 miliyay saniyesi (öngörü: −6606,1), çerçeve sürüklenmesi ise yılda −37,2 ± 7,2 miliyay saniyesi (öngörü: −39,2) olarak ölçüldü. Her iki sonuç da genel görelilikle uyumluydu. Görev yaklaşık 750 milyon dolara mal oldu. Çerçeve sürüklenmesi, LAGEOS uydularının yörüngeleriyle de sınandı; ancak bu ölçümlerin bazı yönleri tartışmalı olmayı sürdürüyor.

Cebimizdeki test: GPS

GPS uydularındaki saatler, Dünya'nın kütleçekiminden daha uzakta oldukları için günde yaklaşık 45,8 mikrosaniye hızlı, yörünge hızları yüzünden de günde yaklaşık 7,2 mikrosaniye yavaş işler. Net etki günde yaklaşık 38,6 mikrosaniyedir. Bu düzeltme yapılmasaydı konum hataları her gün kilometrelerce büyürdü. İlk GPS uydusunun düzeltilmemiş saatinde gözlenen günlük kayma da yaklaşık 38 mikrosaniyeydi; yani genel görelilik, her gün kullanılan bir teknolojinin parçası. Ayrıntılar Zaman genişlemesi ve ikizler paradoksu sayfasında.

Kütleçekimsel mercekler

Işığın kütleçekimiyle bükülmesi, evrende doğal "mercekler" oluşturur. Orest Hvolson 1924'te bu olasılığı tartışan ilk yazarlardan biriydi. Einstein 1912'de bu konuda yayımlamadığı hesaplar yapmış, 1936'da ise Science dergisinde kısa bir makale yayımlamıştı; etkinin gözlenme olasılığını düşük görüyordu. Fritz Zwicky 1937'de gökadaların mercek gibi davranabileceğini ve bunun gözlemlenmesinin Einstein'ın sandığından daha olası olduğunu öne sürdü.

İlk kütleçekimsel mercek 1979'da bulundu: Walsh, Carswell ve Weymann'ın keşfettiği "İkiz Kuazar" (Q0957+561), başlangıçta birbirinin tıpatıp aynısı iki kuazar gibi görünüyordu; aslında tek bir kuazarın, önündeki bir gökada tarafından ikiye bölünmüş görüntüsüydü.

Bugün merceklenme üç biçimde inceleniyor:

• Güçlü merceklenme: Kaynak, mercek ve gözlemci neredeyse aynı doğrultudaysa görüntü bir halkaya (Einstein halkası), yaylara ya da birden çok kopyaya dönüşür. Dört kopyalı ünlü örneğe Einstein Haçı denir.
• Zayıf merceklenme: Çok sayıda gökadanın biçimindeki küçük, istatistiksel bozulmalar ölçülür. Bu yöntem, görünmeyen karanlık maddenin evrendeki dağılımını haritalamak için kullanılıyor.
• Mikromerceklenme: Önden geçen bir cisim, arkadaki yıldızın parlaklığını geçici olarak artırır. Samanyolu'ndaki yıldızların çevresindeki gezegenleri aramak için kullanılan yöntemlerden biridir.

Gökadalar ölçeğinde de kuram sınanıyor: ESO 325-G004 gökadasının merkezinin çevresinde oluşan Einstein halkası, genel göreliliği gökada ölçeğinde test etmek için kullanıldı.

Güçlü alanlarda testler: atarcalar ve kara delikler

Güneş Sistemi'nde kütleçekimi zayıftır. Kuramı daha uç koşullarda sınamak için birbirinin çevresinde dolanan nötron yıldızları ideal laboratuvarlardır.

• Hulse–Taylor çift atarcası (PSR B1913+16): 1974'te Russell Hulse ve Joseph Taylor tarafından keşfedildi. Yörüngesinin en yakın noktası yılda 4 dereceden fazla kayıyor. Daha önemlisi, yörüngesi zamanla küçülüyor ve bu enerji kaybı, genel göreliliğin kütleçekim dalgaları için öngördüğü değerle uyuşuyor. Keşif, 1993 Nobel Fizik Ödülü'nü getirdi.
• Çift atarca (PSR J0737-3039): 2003'te keşfedilen ve her iki bileşeni de atarca olan bu sistemde yörünge yılda 16,90 derece kayıyor. Sistemdeki Shapiro gecikmesi genel göreliliği yüzde 0,05 içinde doğruluyor.
• Üçlü sistem (PSR J0337+1715): Bir atarca içeren bu üçlü yıldız sistemi, eşdeğerlik ilkesinin güçlü biçimini sınamak için kullanıldı; farklı cisimlerin ivmeleri 2,6 × 10⁻⁶ içinde aynı çıktı.
• Kütleçekim dalgaları: Advanced LIGO'nun doğrudan algılaması Şubat 2016'da duyuruldu. Ayrıntılar Kütleçekim dalgaları sayfasında.
• Kara delik gölgeleri: Event Horizon Telescope'un 2019 ve 2022'de yayımladığı görüntüler, kara deliklerin çevresindeki ışığın davranışını ilk kez doğrudan görüntüledi ve kuramın öngörüleriyle uyumlu çıktı. Ayrıntılar Kara delikler sayfasında.

Kısaca

• Genel göreliliğin klasik testleri Merkür'ün yörünge kayması, ışığın Güneş yakınında bükülmesi, kütleçekimsel kırmızıya kayma ve radar gecikmesidir.
• Kuram, Merkür'ün günberisindeki yüzyılda yaklaşık 43 yay saniyelik açıklanamayan kaymayı 1915'te açıkladı.
• Gravity Probe B, 2011'de jeodezik etkiyi ve çerçeve sürüklenmesini kuramla uyumlu biçimde ölçtü.
• GPS sistemi, genel görelilik düzeltmeleri olmadan çalışamaz.
• Kütleçekimsel mercekler, karanlık maddeyi haritalamaktan ötegezegen aramaya kadar bir gözlem aracına dönüştü.
• Çift atarcalar ve kütleçekim dalgaları, kuramı güçlü kütleçekim alanlarında da doğruladı.

Kaynaklar: Wikipedia — Tests of general relativity, Wikipedia — Shapiro time delay, Wikipedia — Gravity Probe B, Wikipedia — Gravitational lens, Wikipedia — Error analysis for the GPS, NASA Image Library — Gravity Probe B