Kütleçekim dalgaları: tahminden LIGO'nun keşfine

Durgun bir göle taş attığınızda yüzeyde halkalar yayılır. Genel göreliliğe göre uzay-zamanın kendisi de böyle dalgalanabilir: Kütleli cisimler ivmelendiğinde, örneğin iki kara delik birbirinin çevresinde hızla dönüp birleştiğinde, uzay-zamanda ışık hızıyla yayılan kıvrımlar oluşur. Bunlara kütleçekim dalgaları denir. Bir dalga geçerken aradaki mesafeler ritmik olarak bir yönde uzar, dik yönde kısalır.

Einstein bu dalgaları 1916'da öngördü, ama doğrudan algılanmaları için bir yüzyıl beklemek gerekti. 14 Eylül 2015'te LIGO dedektörlerinin yakaladığı sinyal, hem genel göreliliğin son büyük doğrulamalarından biri oldu hem de gökbilime evreni "dinlemenin" yeni bir yolunu açtı.

Tahminden şüpheye

Kütleçekiminin ışık hızıyla yayılan dalgalar biçiminde iletilebileceği fikri Einstein'dan önce de dile getirilmişti: Oliver Heaviside 1893'te bu olasılığı tartışmış, Henri Poincaré 1905'te Lorentz dönüşümlerinin böyle dalgaları gerektirdiğini öne sürmüştü. Einstein, Haziran 1916'da genel görelilikten yola çıkarak kütleçekim dalgalarının varlığını ve ışık hızıyla ilerlediklerini gösteren çalışmasını yayımladı.

Ancak dalgaların gerçek olup olmadığı uzun süre tartışıldı. 1922'de Arthur Eddington, Einstein'ın tanımladığı üç dalga türünden ikisinin yalnızca seçilen koordinat sisteminin yarattığı yapay etkiler olduğunu gösterdi. 1936'da Einstein ve Nathan Rosen, kütleçekim dalgalarının var olamayacağını savunan bir makale gönderdi; hakem Howard Robertson'ın değerlendirmesinden sonra makale tam tersi bir sonuçla yeniden yazıldı.

Tartışmayı yatıştıran, 1957'de Chapel Hill'deki bir konferansta Richard Feynman'ın öne sürdüğü "yapışkan boncuk" argümanı oldu. Feynman, bir çubuğa gevşekçe geçirilmiş boncukları düşündü: Geçen bir kütleçekim dalgası boncukları çubuk boyunca kaydırır, sürtünme de çubuğu ısıtır. Yani dalgalar enerji taşır ve gerçek fiziksel etkileri vardır.

İlk avcılar ve dolaylı kanıt

Joseph Weber, kütleçekim dalgası geçerken titreşmesi beklenen büyük metal silindirlerle (Weber çubukları) dalga aradı ve 1969'da ilk algılamayı yaptığını duyurdu. Ancak sonuçları başka laboratuvarlarda tekrarlanamadı ve 1970'lerin sonunda bilim topluluğu bu sonuçların hatalı olduğu görüşünde birleşti.

İlk güçlü kanıt dolaylı yoldan geldi. 1974'te Russell Hulse ve Joseph Taylor, birbirinin çevresinde dolanan iki nötron yıldızından oluşan bir sistem keşfetti (PSR B1913+16). Sistemin yörüngesi zamanla küçülüyordu ve bu küçülmenin hızı, kütleçekim dalgalarıyla kaybedilmesi gereken enerjiyle tam olarak uyuşuyordu. Hulse ve Taylor bu çalışmayla 1993 Nobel Fizik Ödülü'nü aldı.

LIGO nasıl çalışır?

Bugünkü dedektörler, lazer girişimölçeri (interferometre) denen düzeneklerdir. Bir lazer ışını ikiye bölünür ve birbirine dik iki uzun koldan gönderilir; kolların ucundaki aynalardan yansıyan ışınlar yeniden birleştirilir. Kollardan biri ötekine göre çok az uzar ya da kısalırsa, birleşen ışınların girişim deseni değişir.

LIGO'nun ABD'deki iki dedektörü (Washington eyaletinde Hanford ve Louisiana'da Livingston) 4 km uzunluğunda kollara sahiptir. Algılanması gereken değişim inanılmaz derecede küçüktür: İlk algılanan dalga geçtiğinde 4 km'lik kolun boyu, bir protonun çapının yaklaşık binde biri kadar değişti.

14 Eylül 2015: GW150914

14 Eylül 2015'te saat 09.50.45'te (UTC) LIGO'nun iki dedektörü aynı sinyali yakaladı. Dalga önce Livingston'a, yaklaşık 7 milisaniye sonra Hanford'a ulaştı. Sinyal yaklaşık 0,2 saniye sürdü ve bu sürede frekansı 35 Hz'den 250 Hz'e tırmandı; ses dalgasına çevrildiğinde yükselen bir "cıvıltıya" benziyordu. Avrupa'daki Virgo dedektörü o sırada güncelleme nedeniyle kapalıydı.

Sinyalin kaynağı, Dünya'dan yaklaşık 1,3-1,4 milyar ışık yılı uzaktaki iki kara deliğin birleşmesiydi. Kara delikler yaklaşık 36 ve 29 Güneş kütlesindeydi (sonraki analizler 35 ve 30 değerlerini verdi); birleşerek yaklaşık 62 Güneş kütlesinde tek bir kara delik oluşturdular. Aradaki fark, yaklaşık 3 Güneş kütlesine denk gelen enerji, kütleçekim dalgası olarak yayıldı. Son 20 milisaniyedeki tepe gücü yaklaşık 3,6 × 10⁴⁹ watt'tı; bu, gözlemlenebilir evrendeki bütün yıldızların toplam ışık gücünden fazladır.

Keşif 11 Şubat 2016'da LIGO ve Virgo iş birlikleri tarafından duyuruldu. Sinyalin rastlantı olmadığına dair güven düzeyi yüzde 99,99994 idi. 2017 Nobel Fizik Ödülü, LIGO'nun kuruluşunda ve keşifte belirleyici rol oynayan Rainer Weiss, Kip Thorne ve Barry Barish'e verildi.

17 Ağustos 2017: ışık ve dalga birlikte

İkinci büyük kilometre taşı, iki nötron yıldızının birleşmesiydi. 17 Ağustos 2017'de LIGO ve Virgo, GW170817 adı verilen sinyali yakaladı. Yaklaşık 1,7 saniye sonra uzaydaki gama ışını teleskopları kısa bir gama ışını patlaması kaydetti. Kaynak, Suyılanı (Hydra) takımyıldızındaki NGC 4993 gökadasında bulundu. Yedi kıtadaki ve uzaydaki 70'ten fazla gözlemevi olayı izledi; böylece aynı kaynak hem kütleçekim dalgalarıyla hem de ışığın farklı dalga boylarında gözlenmiş oldu.

Bu olay birçok soruya aynı anda cevap verdi:

• Kütleçekiminin hızı: Dalga ile ışık arasındaki 1,7 saniyelik fark, yaklaşık 130-140 milyon ışık yıllık bir yolculuğun sonunda ölçüldü. Buradan kütleçekim dalgalarının hızının ışık hızından ancak 10⁻¹⁵ mertebesinde bir kesir kadar farklı olabileceği sonucu çıktı.
• Ağır elementlerin kökeni: Birleşmenin ardından görülen kilonova adlı patlamada yaklaşık 16.000 Dünya kütlesi ağır element oluştuğu, bunun yaklaşık 10 Dünya kütlesinin altın ve platin olduğu tahmin ediliyor.
• Evrenin genişleme hızı: Olay, Hubble sabitinin bağımsız bir ölçümünü sağladı: önce yaklaşık 70 km/s/Mpc, sonra 70,3 km/s/Mpc olarak (geniş hata paylarıyla) hesaplandı.

Bugün: yüzlerce olay, yeni dedektörler

İlk algılamadan bu yana kütleçekim dalgası gözlemleri sıradan hâle geldi: LIGO, Virgo ve Japonya'daki KAGRA'nın oluşturduğu ağ bugüne kadar yüzlerce olay kaydetti. KAGRA 2019'da tamamlandı ve diğer dedektörlerle ilk ortak algılaması 2021'de bildirildi. Birden fazla dedektörün aynı anda çalışması, kaynağın gökyüzündeki konumunu daraltıyor: 2017'deki bir olay 60 derecekarelik bir alana, 2024'teki bir olay ise yalnızca 6 derecekarelik bir alana yerleştirilebildi.

Çok daha uzun dalgalar: atarca zamanlama dizileri

Yerdeki dedektörler, kara deliklerin son saniyelerinde ürettiği görece yüksek frekanslı dalgaları duyar. Dev kara delik çiftlerinin ürettiği çok daha yavaş dalgalar ise başka bir yöntemle aranıyor: Samanyolu'ndaki atarcaların son derece düzenli radyo atımlarındaki minik zamanlama sapmaları ölçülüyor. 2023'te açıklanan, 67 atarcanın 15 yıllık verisine dayanan sonuçlar, evrenin her yerinden gelen bir kütleçekim dalgası "arka planına" işaret etti. Avrupa Atarca Zamanlama Dizisi'nin bildirdiği istatistiksel anlamlılık yaklaşık 3 sigma düzeyinde; yani kesin bir keşif için henüz yeterli değil.

Uzaydaki dedektör: LISA

Avrupa Uzay Ajansı (ESA), üç uzay aracından oluşan bir kütleçekim dalgası gözlemevi olan LISA'yı geliştiriyor. ESA'ya göre LISA'nın 2035'te Fransız Guyanası'ndaki Avrupa Uzay Üssü'nden Ariane 6 roketiyle fırlatılması planlanıyor. Görevin amacı, kara delik çiftlerinin birleşmesi gibi güçlü olayların ürettiği kütleçekim dalgalarını uzaydan yakalamak. Gerekli teknolojileri sınamak için 3 Aralık 2015'te LISA Pathfinder adlı bir öncü görev fırlatılmıştı.

Kısaca

• Kütleçekim dalgaları, ivmelenen kütlelerin uzay-zamanda yarattığı ve ışık hızıyla yayılan dalgalanmalardır; Einstein bunları 1916'da öngördü.
• İlk dolaylı kanıt, 1974'te keşfedilen Hulse–Taylor çift atarcasının küçülen yörüngesinden geldi.
• LIGO, 14 Eylül 2015'te iki kara deliğin birleşmesinden gelen dalgaları doğrudan algıladı; keşif 2017 Nobel Fizik Ödülü'nü getirdi.
• 17 Ağustos 2017'deki nötron yıldızı birleşmesi hem kütleçekim dalgasıyla hem ışıkla gözlendi.
• Bugün yüzlerce olay kaydedildi; atarca zamanlama dizileri ve planlanan LISA, daha düşük frekansları hedefliyor.

Kaynaklar: Wikipedia — Gravitational wave, Wikipedia — GW150914, Wikipedia — GW170817, ESA — LISA, NASA Image Library — Gravity Wave Detectors, NASA Image Library — Spitzer GW170817