Kütleçekimsel Dalgalar ve LIGO

Yazdır Kütleçekimsel Dalgalar ve LIGO

1915 yılında Einstein’ın yayınlamış olduğu “Genel GörelilikTeorisi”nde ivmeli hareketlilerin de zamanı algılama konusunda göreceli fikirlerde olduğunu gösterdi. Kısacası bu fikir ile kütle-çekimine sahip olan nesneler uzay-zaman eğrisini bükebiliyordu.

Bu fenomenin ispatı 29 Mayıs 1919 tarihindeki güneş tutulmasında gerçekleşti. 410 saniye süren bu tutulmanın 400 saniyesi bulutlar sebebiyle gözlemlenemiyordu, neyse ki Arthur Eddington (Cambridge Üniversitesi) geri kalan 10 saniyede bu ispatı elde etmesini sağlayan görüntüleri kayıt altına alabilmişti.  Bu görüntüde güneşin gelme açısı 1.61 saniye açı ile değişmişti ve bu Einstein’ın Genel Görelilik tezini doğrulayan ilk kanıt oldu.

Diğer bir kanıt ise Einstein halkasıdır (Einstein Ring veya Einstein-Chwolson Ring). Bu fenomende ise (genel göreliliğe dayanarak) kütle-çekim ışığın sapmasına sebep olmaktadır. Mesela bir galaksinin (G1) arkasında büyük bir galaksi (G2) olsun. Bizim bakış açımıza göre bu galaksi (G2) o galaksiyi (G1) kaplar şekilde bir halka çizer. Bu hesaplama da aşağıda belirtilen formül ile yapılır. Bu şekilde çapı hesaplayabiliyoruz.

G= Kütle-çekim sabiti, M= Merceğin kütlesi (yazıdaki galaksileri ele alırsak G1), c= ışık hızı, dL=Açısal çapın lenslere mesafesi, dS=Açısal çapın kaynağa mesafesi, dLS=Lensler (G1) ve kaynak (G2) arasındaki açısal çapın mesafesi. 

2016'nın Şubat ayında yapılan ve heyecan uyandıran LIGO gözlemi neyin ispatıydı? 1916 yılında Albert Einstein, kütle-çekiminin uzay-zamanda dalgalar şeklinde yayıldığını ve bu dalgaların ışık hızında ilerlediğini iddia etti. Bu dalgalanmalar evrendeki uzay-zamanı şekillendirdiğinden dolayı dalgaların etki alanındaki bölgelerde (uzay-zamanda) zamanın akışında değişim meydana geldiğini iddia ediyordu. Bu değişim de farklı açıdaki uzunluklarda birbirlerine göre değişim meydana getirmeliydi.

LIGO tam da bunu prensip alarak kütleçekimsel dalgaları keşfetti. Aslında kütleçekimsel dalgaların varlığı daha önceden biliniyordu; ancak doğrudan bir ispat LIGO verilerine kadar yapılamamıştı Kütleçekimsel dalgalar ilk kez 1970-80 yıllarında Joseph Taylor ve ekibi tarafından keşfedilmişti. Taylor ve Hulse bir nötron yıldızı etrafında dönen bir pulsar keşfetti. Daha sonra Taylor ve Weisberg pulsarın yörüngesinin yavaş bir şekilde küçüldüğünü fark etti. Pulsarın yörüngesinin küçülmesinin keşfi kütleçekimsel dalgaları hesaplanabilir kıldığından 1993’te Taylor ve Hulse Nobel Fizik Ödülü’nü aldı. 

LIGO’da bu keşfi birbirine dik iki silindirin uzunluklarını ölçerek yaptılar. Bu uzunluklar o derece birbirlerine eşitti ki (4 km) protonun çapının 10,000 de 1’i  hata payını bile kabul etmiyordu. Ayrıca LIGO, bilgisayar teknolojisi açısından da gelişmiş bir kurum. Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü (Caltech), bu laboratuvardan gelen verilerin 4.5 Petabyte'lık (4500 Terabyte) kısmını depolamış durumda. Her yıl yaklaşık 0.8 Petabyte yeni veriyi LIGO için depolamayı sürdürmektedir. Saniye başına 1 Byte sayacak olursak, 1 Petabyte a ulaşabilmemiz için 35.7 yıl beklememiz gerekirdi! Bu örnek, Petabyte’ın ne derece büyük bir boyut olduğunu göstermiş olacaktır - ki protonun çapının 10,000 de 1’i kadar aynı ölçeğe sahip uzunlukları ölçebilen bir kurum, hem de Petabyte’larca veriyi kucaklayıp ayıklayabilen bir kurum  LIGO. Bu laboratuvarlar tamamiyle bir mühendislik ve temel bilim harikasıdır. 

İnterferometre Nedir ve Nasıl Çalışır?

Bu mühendislik harikası nasıl çalışıyor ona bir göz atalım isterseniz. Bir önceki paragrafta "silindirler" diye anlattığımız şeyler aslında interferometredir. Bu interferometre 1887’de Michelson ve Morley’in yaptığı deneyin benzeridir. Michelson ve Morley bu aleti kullanarak Esir’in (Ether veya Aether) varlığını kanıtlamaya çalıştılar; ancak başarısız oldular. Bu da, bu teorinin terk edilmesine sebep oldu. Bu sebeple fizik tarihinin en önemli deneylerinden biriydi bu. Bu iki fizikçi aslında bu taslak ile farkında olmadan kütleçekimsel dalgaların resmi olan keşfine 125 yıl önce katkıda bulunmuş oldu.

Michelson ve Morley’in deney düzeneği

LIGO’nun kullandığı prensipte ekstra iki ayna kullanılmaktadır. Bu da ışığın daha uzun bir yol almasını sağlamakta ve bu sebeple Michelson modeline göre daha hassas ölçümler yapabilmektedir.

Bu düzenekte lazer demet ayrıştırıcısı (lazeri 90 derece yansıtabilecek ve aynı zamanda karşı tarafa da bölüştüren bir düzenek) tarafından iki farklı yöne ışınlar oluşturmakta. Her bir koldan geçen ışın aynalardan geri dönerek beam splitter tarafından birleştirilmekte ve fotodedöktöre gelmekte.  Fotodedektör de bu birleşimin parlaklığını ölçmekte. 

Eğer bu birleşimden hiç ışık çıkmıyorsa veya iki kat parlaklıkta ışık çıkıyorsa, ışığın dalga özelliğinden ötürü sönümlenme (destructive) veya katarlanma (constructive)  gerçekleşmiştir ki bu da iki kolun aynı uzunlukta olduğunu gösterir. İki tüp birbirine eşit olmadığı durumda  ise kollardan giden ışınlardan biri diğerine göre demet ayrıştırıcısında daha geç birleşmiş olur. Bu da girişim modelinde daha farklı bir sonuç oluşturur. Eğer parlaklık hiç yok ile  iki kat parlaklık arasındaysa bu kütle çekimsel dalgaları göstermiş olur. LIGO’da tüplerden birinin diğerine göre uzay-zamandaki uzunluğu 10-18 metre değişmişti bu da girişim modelinde anlaşılmıştı (Girişim modelinin sesini buradan duyabilirsiniz).

LIGO’nun gözlemlediği bu dalgaların kaynağı neydi? 

29 ve 36 Güneş ağırlığındaki iki karadeliğin 1.3 milyar yıl önceki çarpışmasıydı LIGO’nun gözlemlediği şey. İki karadeliğin çarpışmanın sonlarına doğru birbirlerine çok hızlı bir biçimde yaklaşırlar ve dalga yayarken enerji kaybederler. Bu iki karadelik daha sonra yaklaşık olarak ışık hızının yarısı kadar bir hız ile çarpışıp yeni bir karadelik oluşturur. LIGO’nun dedektörlerine gelen girişim modeli de bu 3 Güneş kütleli enerjinin kaybolmuş kısmıydı. Bu girişimi iki LIGO laboratuvarı da (Livingston, Louisana ve Hanford, Washington)  görüntüledi ve aynı sonuca ulaşıp birbirlerini doğruladılar.

Teşekkür: Bu yazıyı hazırlayan Çağıl Benibol'a teşekkür ederiz.

Kaynaklar ve İleri Okuma:

  1. Nature
  2. Scientific American
  3. LIGO - 1
  4. LIGO - 2
  5. Gravitational Wave (Wikipedia)
  6. General Relativity (Wikipedia) 
  7. Hyper Physics
  8. Earth Magazine
  9. Gökyüzü.org
  10. YouTube
6 Yorum