Gravitasyon dalgaları: yıldızların dili

Daha önce Cern deneyinde olduğu gibi (bkz. “Tanrı Parçacığı neden bu kadar önemli?”), dünyayı ayağa kaldıran gravitasyon veya yerçekimi dalgalarının keşfiyle ilgili en anlaşılır bilgiyi yine Der Spiegel dergisinde buldum. İki hafta yayınlanan başmakalede, sürecin tarihsel gelişimi, elde edilen bulguların önemi ve geleceğe yönelik çalışmalar, olabildiğince yalın ve anlaşılır bir şekilde aktarılmış. En azından kendi adıma, ölçümlerin nasıl yapıldığını ve neden bu kadar heyecan uyandırdıklarını daha iyi anlamış bulunuyorum. Ancak bundan da öte, nefes kesen uzay biliminin ardında ne denli yorucu ve bezdirici çalışma süreçlerinin olduğu ve ne kadar büyük bir titizlik ve sabır gerektirdiklerinin çarpıcı bir örneğiyle karşılaşıyorsunuz. Sürece dâhil olan ülkeler ve geliştirdikleri işbirliği ise, bilim ve teknolojinin önümüzdeki yüzyılda yerkürenin hangi bölgelerinde etkin olacağının göstergesi gibi.

Zuhal Nakay

Der Spiegel 7/2016

KOZMİK DİNLEME HAREKÂTI

Astronomi: Bilim insanları ilk defa iki kara deliğin çarpışmasından meydana gelen ve uzay zamanındaki minnacık çöküklerden oluşan gravitasyon dalgalarını ölçmeyi başardılar. Bu görkemli olay evreni sarstı - ve bizim uzay anlayışımızı da.

Hannover, 14 Eylül 2015, yağmurlu bir Pazartesi. Albert Einstein Enstitüsü’nde 33 yaşındaki İtalyan fizikçi Marco Drago bilgisayarının başında oturuyor. 12’ye birkaç dakika kala ekranına bir mail düşüyor.  Dragon açıp okuyor ve şaşkına dönüyor. Çünkü maili yollayan bir insan değil, Max Planck araştırmacılarının da yapımında katkıda bulunduğu, Ligo (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) adlı çok karmaşık bir ölçüm aleti.

Drago’nun ilk aklına gelen ölçüm hatası oluyor, çünkü maildeki veriler fazla mükemmel gözüküyor. Çok, çok uzakta bir siyah deliğin diğerini yuttuğunu ve bu kozmik dev olayın Ligo detektöründe “gözle görülebilir” veriler bıraktığı anlaşılıyor. Kendi kendine, bunun gerçek gibi durduğunu düşünüyor.

Öncelikle detektörün doğru çalışıp çalışmadığını kontrol ediyor. Geçen yıllar boyunca milyonlar harcanarak daha iyi ve hassas hale getirildi. Daha yeni devreye sokulmuştu ve 14 Eylül’de henüz deneme evresindeydi, resmi ölçümler dört gün sonra başlayacaktı. Çalışır çalışmaz hedefi on ikiden vurması mümkün müydü?

Drago, Amerikalı meslektaşı 37 yaşındaki Andy Lundgren’e danışıyor. O da beş sene öncesinde olduğu gibi, yine birilerinin kendilerine tuzak kurduğuna inanıyor. O zaman yangın tatbikatı benzeri bir şekilde deneme verileri iletilmiş, ancak araştırmacılarının bundan ancak aylar sonra haberi olmuştu.

Lundgren, Amerika’yı arayıp birilerin yine aletle oynayıp oynamadığını öğrenmek istiyor, ancak orada saatler çoktan gece yarsını geçmiş durumda. Kimseyi bulamıyor. Saat 13’e doğru Drago tüm Ligo araştırma konsorsiyumuna, yani dünya çapındaki binden fazla bilim insanına, bir bildiri maili yolluyor. Kendi deyimiyle bu kariyerinin en heyecanlı anı oluyor.

Bundan beş ay sonra ise Washington, Londra, Paris, Moskova, Pisa ve Hannover’deki Ligo araştırmacılar hep beraber dünya medyasının karşısına çıkıyor. Paylaştıkları ise onlara belki daha bu yıl fizikte Nobel ödülünü getirebilecek olan olağanüstü bir bilgi.

Bilim insanlarının anlattıklarına göre Hanford ve Livingston’daki detektörler, birbirlerinden bağımsız olarak, sadece gravitasyon dalgalarının oluşturabileceği bir sinyali yakalamışlar. Tüm olay sadece yarım saniye sürmüş, ancak bu süre astronomi dünyasını tümüyle değiştirmek için yeterli olmuştur. Bu bulgu, bilimin büyük keşiflerinden biri olarak görülmekte ve haklı olarak aya ayak basılmasıyla eşdeğer tutulmaktadır.

Detektörün bu kısa süreli yanıp sönmesi, bugüne kadar onlara kapalı olan bir dünyanın kapılarını açtığı için bilim insanlarını bu kadar mest etmektedir. Washington’daki basın bildirisinde Ligo direktörü David Reitze, “Evren bizimle ilk defa konuştu” diyerek özetliyorlar duygularını. Evrenden gelen haber, güney yarım kürenin üzerindeki yıldız gökyüzünün uzağındaki bir galaksisinde, 1.3 milyar yıl önce meydana gelen bu görkemli olayın detaylarını vermektedir.

İki adet kara delik, biri 28 güneş ağırlığında diğer ise ondan yedi güneş kütlesi daha ağır olarak, gittikçe yakınlaşan şekilde birbirlerinin etrafında dönmektedirler. Bu iki ağır sıklet, aralarında sadece birkaç yüz kilometre kalacak şekilde birbirlerine yaklaşmakta ve hızları saniyede 200 bin kilometreyi bulmaktadır. Bu iki devin birbirine değmesiyle birbirini yutması bir oluyor. Saniyenin sekizde biri kadar yeni oluşum titreşmekte sonrasında ise yeni şekline dönüşüp, 62 güneş kütlesi ağırlığındaki bir kara delik olarak o zamandan beri uzayda ilerlemektedir.

Tüm bunlar saniyenin küçük bir diliminde meydana gelmiştir, ancak bu kısa süre üç güneş kütlesinin saf enerjiye dönüşmesi için yetmiştir; bu görülebilen evrendeki tüm yıldızlarının parlamasından 50 kat daha fazladır.

Ligo araştırmacıları işte bu devasa enerji püskürmesinin ekosunu yakalamayı başardılar. Bu yeni bir pencerenin açılması anlamına gelmektedir, çünkü bugüne kadar astronomi ışığın ve diğer elektromanyetik ışınımların gözlemlemesi üzerine kuruluydu. Ancak evrenin %99’nun karanlık oluşu, bu gölge dünyası bilinen teleskoplar için görülmez kılıyor.

Bu karanlık dünyanın en görkemli objeleri kuşkusuz ki kara deliklerdir. Kendi ağırlıklarını taşıyamayacak kadar çok maddenin birikmesinden oluşuyorlar. Bu öylesine büyük bir ağırlık ki, ışık bile kaçamayıp emiliyor; “kara/siyah” ise “görülmeyenden” başka bir şey değildir. Ancak gravitasyon teleskopuyla bu gizemli madde emmicileri yakalanabiliyor.

Bu, uzay fizikçileri yeni bir duyu kanalının açılması anlamına gelmektedir. Araştırmacılar bunu aniden duymaya başlayabilen bir sağırla kıyaslıyorlar. Kurşuni bir sessizliğe bürünmüş olan bir dünyada birden bire yaprakların hışırdamaya, kuşların cıvıldamaya ve rüzgârın esmeye başlaması gibi.

Hannover’deki Max Planck araştırmacıları gururla bu büyük keşifte katkılarının olduğundan bahsediyorlar. Karsten Danzmann’a göre Almanya, gravitasyon dalgaları araştırmalarının ana yurdu gibi. Neticede bundan yüzyıl önce Albert Einstein Berlin’de, genel izafiyet teorisinin yayılma denklemlerinde bu dalgaların varlığını öngörmüştü: Her hızlandırılan kütle, sudaki gemiye benzer şekilde, evrende ışık hızıyla ilerleyen ve uzay zaman yapısında çökükler şeklinde yer alan dalgalar yaymaktadır. Güneşin etrafında dönen dünya örneğin durmaksızın yerçekimi dalgaları yaymaktadır. Bir roketin önünden de gravitasyon sinyalleri yayılmaktadır. Sadece yumruğunu sallayan bile, evreni sarsmaktadır.

Ancak Einstein bu dalgaların hiçbir zaman ölçülemeyeceğinden emindi. Çünkü uzay zamanı aşırı katı ve onu bükebilmek çok büyük enerji gerektiriyor. Yıldızların çarpışması dahi mekân ve zamanda sadece hafif bir kırpışmaya neden oluyor. Bir de aradaki mesafe milyonlarca ışık yılıyla ölçülüyorsa, bu dalgalar dünya gezegenine ulaştıklarında gülünç derecede küçük bir etki yaratıyorlar. Son ölçülen dalganın etkisi örneğin, Berlin ile Paris arasındaki mesafeyi sadece bir atom çekirdeği çapı ölçüsünde kısaltacak kadar küçüktü. Bu yüzden Einstein’ın bu dalgaların ispat edilemeyeceğine inanması doğaldı.

Tüm bunlara rağmen 70’li yıllarda Massachusetts Institute of Technology fizikçisi Rainer Weiss bu ölçüm tekniği macerasına atılmaya karar verdi. Kendisi günümüze kadar geçerli olan gravitasyon dalgaları detektörlerinin prensibini oluşturmuştur. İki adet lazer ışını, dik açılı düzenlenen alet kollarından geçmektedir: 1- Lazer ışını yarı geçirgen bir ayna tarafından bölünmektedir. 2- Her iki lazer ışını da tünellerden devam etmekte ve tünellerin sonunda yer alan aynalar tarafından geri ışınlanmaktadır. 3- Geri dönen ışınlar üst üste getirilmekte ve birbirleriyle karşılaştırılmaktadır.

Detektör, normal olarak geri dönen ışınların birbirlerini tam olarak yok edecek şekilde ayarlanmıştır. Bu durumda da yanmaz. Ancak iki ışından birinde gravitasyon dalgalarının yayılma hızı değişiklik gösterirse, ışınlar birbirlerini tümüyle yok etmemekte ve bu değişikliği gösteren bir desen yanmaktadır (bkz. Detektör). 

Almanya’da ise Max Planck araştırmacısı Heinz Billing ilk olarak böyle bir aleti yapmaya karar vermiş. Günümüzde 101 yaşında sağır ve neredeyse kör olan bu bilim insanı, ilk yerçekimi dalgaları ölçülene kadar hayatta kalacağım demiş. Dergi artık huzur içinde ölebileceği notunu düşmüş.

Billing’in 40 yıl önce inşa ettiği ölçme aletinin kol uzunluğu sadece üç metreyken, 1990’da bunun bin misli uzunluğu için finansman sağlayabilmiş gibi gözüküyordu. Ancak Billing ve halefi Danzmann, Almanya’nın birleşmesinin kurbanı oldular. Büyük projelere finansman ayrılamadı. Bunun yerine Amerikalılar dev Liga detektörünü kurdular. Diğer tüneller ise İtalya ve Japonya’da inşa edildi.

Almanya fikir babası olma rolüyle yetinmek zorunda kaldı. Danzmann ve meslektaşları ise Hannover yakınlarındaki bir tarlada iki adet hendek kazdı ve içine GEO600’yı, yani Amerikan dev detektörün bir nevi minyatürünü yerleştirdiler. Orada yeni ölçüm ve lazer teknikleri denediler ve aletin hassasiyetini arttırmaya çalıştılar.

Gravitasyon dalgalarını ölçen detektörünün hassasiyeti zor bir konu: Arazide mevsimlere ve gelgitlere bağlı olarak, sürekli tektonik hareketler oluşmaktadır. Her geçen servis arabası, hatta bulutlar bile deneyin yerçekimini etkilemektedirler. Bu yüzden 2002 yılında ilk verileri beklemek, biraz fazla iyimser kaçıyordu. O sıralar Ligo devreye sokuldu. Dokuz sene boyunca araştırmacılar uzayı dinlemeye koyuldular, ancak hiçbir sonuç elde edemediler.

2011 yılında Ligo fizikçileri sonuç vermeyen sinir bozucu çalışmalarını sonlandırdılar. Deney borularının çekirdeğini boşalttılar ve aletlerini sıfırdan yeniden kurdular; bu defa on katı daha hassas bir ölçüm kapasitesiyle. Danzmann’ın gururla belirttiğine göre, aynaların konumu ve optik tasarımda GEO600 temel alınmış. Geçen senenin Eylül ayında ise hazırlıklar tamamlanmıştı: Lazer ve ayna ayarlanmıştı, düzenli araştırmalar başlayacaktı, ancak Marco Drago’nun Hannover’deki sinyali sürpriz yaptı.

Max Planck araştırmacısı Allen’e göre, verilere sadece bakmak bile iki kara deliğin çarpışmasının söz konusu olduğun anlamak için yeterliydi. Meslektaşı Danzmann’a göre ise olanlar gerçek olamayacak kadar güzeldi.

Bu sansasyonel bilgiyi dünya kamuoyuyla paylaşmak için neden bu kadar beklediler? Her şeyden önce emin olmak ve daha önce “Biceps 2” güney kutbu teleskopunda olduğu gibi, galaktik toz bulutları yanılgısına düşmemek için. Öncelikle tüm ölçümler donduruldu, kimse aletlere yaklaştırılmadı. Araştırmacılar değişmeyen şartlar altında ölçmelere devam edip, yeterince büyük veri tabanı oluşturmak istedi.

Ardından uzun süreli veri analizleri yapıldı, bilimsel metinler oluşturuldu ve uzmanların değerlendirmesi beklendi. Bu süre içersinde araştırmacılara konuyu ailelerine dahi açmaları yasaklandı. Ancak bu sıkı konuşma yasağı bile, büyük keşiften sadece on bir gün sonra twitter’da ilk söylentilerin yer almasına engel olamadı.

Ocak’ta Ligo ilk ölçüm kampanyasını bitirdi. Bunun yeni sürprizlere gebe olabileceği konusunda bilim insanları ketum davranıyorlar, analizler tümüyle sonuçlanınca ilgili bilgiyi vermeyi düşündüklerini belirtiyorlar.

Bundan sonra ise süper novaları keşfetmeyi umuyorlar. Bir yıldızın ömrü devasa bir patlamayla sona erdiğinde, sadece bütün bir galaksiyi ışınlayabilen bir şimşek oluşmuyor, ölen yıldız aynı zamanda kuvvetli gravitasyon dalgaları da oluşturuyor. Ancak uzun yıllara dayanan gözlemler, böylesi olayların bir yüzyılda ancak iki defa meydana geldiğini gösteriyor.

Yine de tüm bu olasılıkların içersinde Ligo araştırmacılarının 14 Eylül’de tanık oldukları kara deliklerin çarpışması, en çekici olanıdır. Doğa fenomenleri içersinde bu ışık ve madde emmicilerin hep ayrı bir yeri olmuştur. Çünkü modern fiziğin iki büyük teorik oluşumunun, yani izafiyet teorisi ile kuantum fiziğinin birbirine değdiği büyülü sınırda yer almaktadırlar.

Yerçekimi araştırmacısı Allen’e göre, yapılan keşif bu yüzden çok önemli: “Aslında iki Nobel ödülünü birden hak ediyor. Birincisi gravitasyon dalgalarının kanıtı olduğundan, ikincisi ise ilk defa iki kara deliğin çarpışmasını gözlemlediğimiz için.”

Birbirinin etrafında dönen iki devin sunduğu konser ise sıra dışı. Önce tekdüze ve çok derin bir gravitasyon homurtusu oluşurken, birbirlerine yaklaştıkça daha tiz ve yoğun bir hal alıyor.

ABD detektörlerinin duyma penceresinde homurtu sesi sondan sadece saliseler önce kayıyor. O sırada iki kara delik saniyede 17 defa birbirinin etrafında dönüyor. Ondan sonrası ise çok hızlı gerçekleşiyor: Bir düzine defa daha gittikçe çılgınlaşan bir şekilde birbirlerinin etrafında dönerken, homurtu görkemli bir glissandoya dönüşüp bitiveriyor.

Bu kısacık cızırtıdan bu kadar çok bilgi elde edilmesi şaşırtıyor. Sesin kısıldığı nokta örneğin birbirine çarpan iki objenin büyüklüğünü veriyor. Sinyalin yoğunluğu ise çarpışmanın hangi mesafede olduğuna dair bilgi veriyor. Şu andaki veriler bile sansasyonel: Bu ana kadar 20, 30 veya 60 güneş kütlesine eşdeğer kara deliklerin varlığı bile bilinmiyordu.

Allen göre yakın bir gelecekte kozmik dinleme harekâtında yeni bir hamle başlayacak: Eylül’de Ligo detektörlerinin yeni ölçü kampanyası başlayacak, o zamana kadar tam hassasiyete erişmiş olacaklar. Görülebilen evrenin sınırlarına varan çarpışmalar dahi detektörlerde iz bırakacak.

Bunun dışında Pisa yakınlarındaki Cascina’daki kardeş detektör Virga da devreye girecek. Üç adet enstrüman aynı anda evreni dinlemeye başlayınca, en ufak oluşum bile tespit edilebilecek. Bilgisayarlar şüpheli bir sinyali yakaladıkları an, gökyüzündeki koordinatları otomatikman büyük optik teleskoplardan birine yollayacaklar. Bunlar da söz konusu bölgeyi tarayabilecekler. Ancak astronomların gözleriyle kulakları aynı anda iletişime geçebildiğinde, araştırmacılar gökyüzündeki operayı bütün ihtişamıyla izleyebilecek hale gelecekler.

Dahası da var: Fizikçiler gravitasyon yüzyılındaki bir sonraki adım olarak, Lisa Pathfinder uydusunu uzaya yollayacaklar. Dünyadan 1.5 milyon kilometre ötede bu uydu altın ve platinden oluşan iki deney maddesini, lazer yardımıyla milimetrenin milyarda biri kesinlikte uzaya yerleştirecek.

Lisa-Pathfinder uzayda böylesi ölçümlerin olabileceğini ispatlamaya çalışacak. Ancak bu alet gravitasyon dalgalarını kaydedememektedir. Bunu ancak halefi olan “eLisa-Interferometer” başaracaktır. Bu alet uzayda Ligo’ya benzer çalışacak, ancak kol uzunluğu dört değil dört milyon kilometre olacak.

Konu bu misyona gelince, Danzmann kendinden geçiyor. Bu aletin duyma kabiliyeti o kadar keskinleştirilecekmiş ki, sadece tekil görkemli çarpışmalar değil, gravitasyon gökyüzünün tüm arka sesleri de kaydedilecekmiş. “Ligo gece, Lisa gündüz gökyüzünü dinleyecek”, diyor Danzmann.

Ancak biraz sabır göstermek zorunda. Esa planına göre, eLisa misyonunun başlangıç tarihi olarak 2034 belirlenmiş. Bu Danzmann’ın biraz canının sıkıyor. “Şu anda 61 yaşındayım ve 120 olmak niyetindeyim. Bundan ötürü gravitasyon dalgaları fiziğinin yeni dönemini göreceğime dair umut doluyum - dümende olmasam dahi.”

Kaynak: Der Spiegel 7/2016, “Kosmischer Lauschangriff”

Çeviri: Zuhal Nakay / Y. Mimar