Kozmik şişme kuramı

Kozmik şişme (İngilizce "inflation"), evrenin en erken anlarında uzayın son derece kısa bir süre içinde üstel biçimde, yani katlanarak genişlediğini öne süren kuramdır. Kurama göre bu evrede uzaklıklar yaklaşık her 10-37 saniyede bir ikiye katlandı; şişme en az 10-35 saniye sürdü (kesin süresi bilinmiyor). Bu sürede bugünkü gözlenebilir evrenin tüm madde-enerjisini içeren bölge, yaklaşık 4 × 10-29 metre yarıçaplı bir küreden yaklaşık 0,9 metreye büyüdü. Şişme sona erdiğinde onu yürüten alanın enerjisi sıcak ve yoğun bir parçacık çorbasına dönüştü ("yeniden ısınma"); Büyük Patlama modelinin anlattığı sıcak evre bu noktada başlar.

Şişme bugün erken evrenin en yaygın kabul gören kuramsal çerçevesidir; öngörülerinin birçoğu gözlemlerle uyuşur. Ancak onu yürüten alanın (şişiren alan, "inflaton") ne olduğu bilinmiyor ve kuramın en belirleyici öngörüsü olan ilksel kütleçekim dalgaları henüz saptanamadı. Bu yüzden bu sayfada kuram, doğrudan kanıtlanmış değil, gözlemlerle uyumlu bir kuram olarak ele alınıyor. Büyük Patlama'nın genel çerçevesi "Büyük Patlama teorisi" sayfasında.

Hangi sorunları çözmek için önerildi?

Şişme, standart Büyük Patlama modelinin açıklayamadığı üç bilmeceye yanıt olarak doğdu:

• Ufuk sorunu: Kozmik mikrodalga arka plan (KMA) gökyüzünün her yerinde neredeyse aynı sıcaklıktadır. Oysa şişmesiz bir modelde, gökyüzünün zıt yönlerindeki bölgeler hiçbir zaman birbiriyle etkileşecek kadar yakın olmamıştır. Şişmeye göre bu bölgeler, şişmeden önce birbirine çok yakın ve dengedeydi; şişme onları sonradan birbirinden kopardı.
• Düzlük sorunu: Evrenin yoğunluğu, uzayı tam "düz" kılan kritik değere şaşırtıcı ölçüde yakındır. Şişme, tıpkı bir balonun yüzeyinin çok büyük şişirildiğinde düz görünmesi gibi, uzaydaki her türlü eğriliği düzleştirir.
• Manyetik tek kutup sorunu: Bazı parçacık fiziği kuramları erken evrende çok sayıda manyetik tek kutup oluşması gerektiğini öngörür, ama hiç gözlenmedi. Şişme bunları o kadar seyreltir ki gözlenebilir evrende neredeyse hiç kalmaz.

Buna ek olarak şişme, galaksilerin tohumu olan yoğunluk farklarının kaynağını da açıklar: şişme sırasında kuantum ölçeğindeki küçük dalgalanmalar kozmik boyutlara gerilir ve sonradan maddenin toplanacağı tohumları oluşturur.

Tarihçe

Kuramın babası sayılan Alan Guth, fikre 1979'da, manyetik tek kutupların neden gözlenmediğini araştırırken ulaştı; "şişme" adını da o koydu ve kuramını Ocak 1981'de yayımladı. Starobinsky ise bağımsız olarak, kütleçekime yapılan kuantum düzeltmelerinin erken evrende önemli olacağını ve şişmeye benzer bir evre (de Sitter evresi) üretebileceğini savunmuştu.

Guth'un ilk modeli ("eski şişme") bir sorunla karşılaştı: şişmenin sona ermesi, birbirine çarpan kabarcıklar biçiminde gerçekleşiyor ve düzgün bir evren yerine düzensiz bir yapı üretiyordu. Andrei Linde ve bağımsız olarak Albrecht ile Paul Steinhardt, şişiren alanın bir enerji eğrisinden yavaşça aşağı yuvarlandığı "yeni şişme" ya da "yavaş yuvarlanma" modelleriyle bu sorunu çözdü. 1983'te Steinhardt ilk ebedî şişme örneğini verdi; aynı yıl Alexander Vilenkin ebedî şişmenin genel bir durum olduğunu gösterdi. Linde 1986'da ebedî şişmeye dönüşen kaotik şişme modelini yayımladı.

Starobinsky, Guth ve Linde 2014 Kavli Ödülü'nü paylaştı; Guth ve Linde 2012'de Breakthrough Ödülü'nü almıştı.

Öngörüler ve gözlemler

Şişme kuramı bazı genel öngörüler yapar ve bunların çoğu gözlemlerle uyuşur:

• Düz evren: Gözlemler evrenin uzamsal olarak neredeyse düz olduğunu gösteriyor. 2000-2001'deki BOOMERanG deneyi bunu ilk kez güçlü biçimde ortaya koydu.
• Neredeyse ölçekten bağımsız dalgalanmalar: Şişme, yoğunluk farklarının her ölçekte neredeyse eşit güçte, ama tam eşit değil, olmasını öngörür. Bu özelliği ölçen "skaler tayf indeksi" Planck verilerine göre ns = 0,968 ± 0,006'dır; yani 1'e çok yakın ama 1'den küçüktür, tam da şişmenin beklediği gibi.
• Gauss dağılımlı dalgalanmalar: Sıcaklık farklarının istatistiksel dağılımı Gauss dağılımına uyar.
• İlksel kütleçekim dalgaları: Şişmenin uzay-zamanda kütleçekim dalgaları üretmesi ve bunların KMA'nın kutuplanmasında "B-kipi" adı verilen bir iz bırakması beklenir. Bu iz henüz bulunamadı.

BICEP2 olayı

Mart 2014'te Güney Kutbu'ndaki BICEP2 teleskobunun ekibi, KMA'da ilksel kütleçekim dalgalarının izini bulduğunu açıkladı ve bu dalgaların gücünü ölçen tensör-skaler oranını (r) 0,15 ile 0,27 arasında verdi. Haber şişmenin "kanıtlandığı" başlıklarıyla dünyaya yayıldı. Ancak Planck verileriyle yapılan analizler, sinyalin büyük ölçüde Samanyolu'ndaki tozdan kaynaklandığını gösterdi. 2018'e gelindiğinde veriler r için yüzde 95 güvenle 0,06 ya da daha düşük bir üst sınır veriyordu. Bu sonuç şişmesiz bir evrenle de, hâlâ geçerli olan pek çok şişme modeliyle de uyumludur.

Ebedî şişme ve çoklu evren

Pek çok şişme modelinde şişme her yerde aynı anda bitmez. Kuantum dalgalanmaları bazı bölgelerin daha hızlı şişmesine yol açar ve şişme, sonsuza dek sürerken arada "kabarcık evrenler" üretir. Buna ebedî şişme denir. Guth'a göre "çoklu evrene yol açmayan şişme modelleri kurmak zordur". Bu sonuç, şişmeyi "Çoklu evren" fikrine bağlar ve aynı zamanda kurama yöneltilen en sert eleştirilerin kaynağıdır. Guth 2007'de şişmenin geleceğe doğru genellikle ebedî olduğunu ama geçmişe doğru ebedî olmadığını yazdı; yani şişmenin de bir başlangıcı olmalıdır.

Eleştiriler

Şişme kuramının güçlü eleştirmenleri de vardır. Roger Penrose 1986'dan beri, şişmenin kendisinin son derece özel başlangıç koşulları gerektirdiğini ve bu yüzden çözdüğünü iddia ettiği sorunu çözmediğini savunuyor. Kuramın öncülerinden Paul Steinhardt ise zamanla en sesli eleştirmenlerinden biri hâline geldi: ona göre ebedî şişme her şeyin bir yerde gerçekleştiği bir çoklu evren ürettiği için kuram sınanamaz hâle gelir. Şişiren alanın bilinen hiçbir fiziksel alana karşılık gelmemesi ve enerji eğrisinin neredeyse her veriye uydurulabilecek kadar esnek olması da sık dile getirilen itirazlardır. Bu tartışmanın ayrıntısı ve Guth, Linde gibi savunucuların yanıtları "Şişme kuramına yöneltilen eleştiriler" sayfasında.

Bugün nerede duruyor?

Şişme, ufuk ve düzlük sorunlarına zarif bir çözüm sunan, KMA'daki dalgalanmaların istatistiksel özelliklerini başarıyla öngören ve bu yüzden kozmologların çoğunluğunca benimsenen bir kuramdır. Ancak şişiren alanın kimliği bilinmiyor, doğrudan bir "şişme izi" (ilksel B-kipleri) bulunamadı ve bazı bilim insanları kuramın bilimsel durumunu sorguluyor. KMA kutuplanmasını daha hassas ölçen yeni deneyler, tensör-skaler oranı daha da aşağı çekerek ya da bir sinyal bularak tartışmada belirleyici olabilir.

Kısaca

• Şişme, evrenin ilk anlarında uzayın son derece kısa sürede üstel biçimde genişlediğini öne sürer.
• Alan Guth 1979'da fikre ulaştı ve 1981'de yayımladı; Starobinsky, Linde, Albrecht ve Steinhardt kuramı geliştirdi.
• Ufuk, düzlük ve manyetik tek kutup sorunlarını çözer; galaksilerin tohumlarını açıklar.
• Düz evren, ns ≈ 0,968 ve Gauss dağılımlı dalgalanmalar gözlemlerle uyuşuyor.
• İlksel kütleçekim dalgaları bulunamadı; 2014'teki BICEP2 iddiası tozla açıklandı.
• Ebedî şişme ve sınanabilirlik konusunda ciddi eleştiriler var.

Kaynaklar: Wikipedia — Inflation (cosmology), Wikipedia — Eternal inflation, Wikipedia — Cosmic microwave background, Wikipedia — Big Bang, NASA — Universe overview