Büyük Patlama Sonrası Kozmik Enflasyonun İlk Doğrudan Kanıtı Keşfedildi!

Uyarı: Bu haberin yayınlanmasından 1 sene kadar sonra, 30 Ocak 2015'te yapılan bir açıklamada, bu habere konu olan verilerin kozmik toz parçalarından kaynaklı bir veri hatası olduğu açıklandı. Dolayısıyla bu bulguların, kozmik enflasyona dair doğrudan bir kanıt teşkil etmediği anlaşıldı.

***

Yaklaşık 14 milyar yıl önce bizlerin de içinde var olduğumuz Evren, Büyük Patlama adı verilen sıradışı bir olay sayesinde var oldu. Büyük Patlama'dan sonraki saniyenin çok çok küçük bir kısmında evren eksponansiyel (giderek hızlanan bir şekilde) genişledi; en iyi teleskoplarımızın bile göremeyeceği kadar uzaklara ulaştı.

Bu olayın detayları büyük oranda hipotezlerden ibaretti ve bu açıklamaların bazılarına doğrudan kanıtlar bulunmuyordu. Uzun yıllardır evrenin var oluşuna yönelik önemli adımlar atmış olsak da, halen keşfedemediğimiz sırlar bulunuyordu. Bunların başında ise, evrenin "kozmik enflasyon" denen, saniyenin akıl almaz derecede küçük bir kısmında meydana gelen, muhteşem hızdaki genişleme evresi geliyordu.

BICEP2 (Kozmik Galaksi Dışı Polarizasyon Artalan Görüntülemesi 2) isimli gruptan (deneyin ve gözlem aracının adı da BICEP2'dir) olan araştırmacılar bugün kozmik enflasyonun gerçekliğine dair ilk doğrudan kanıtı ortaya çıkardıklarını ilan ettiler.

Bulguları, uzay-zaman içerisindeki kütleçekimsel dalgaların ilk görüntülerini de içeriyor. Bu dalgalar, teorik düzeyde bugüne kadar hep "Büyük Patlama'nın ilk çalkantıları" olarak tanımlanmaktaydı; ancak varlıkları tespit edilememişti. Sonunda elde edilen bulgular, fizikçilerin "fiziğin kutsal kasesi" olarak da tanımladıkları bir şekilde, kuantum mekaniği ile genel görelilik arasında derin bir bağlantı olduğunu gösterdi. BICEP2 grubunun lideri, Harvard-Smithsonian Astrofizik Merkezi'nden John Kovac şöyle diyor:

Bu sinyalleri tespit etmek günümüzde kozmolojinin en önemli hedeflerinden biriydi. Sayısız insan tarafından yapılan sayısız çalışma bizi bu noktaya taşıdı.

"Oyun değiştirici" olan bu çalışmanın verileri BICEP2 teleskobunun kozmik mikrodalga artalan ışıması (KMAI) ile ilgili gözlemlerinden geldi. KMAI, Büyük Patlama'nın geride bıraktığı soluk izlerdir. Bu patlama sonrası kalıntıları içerisinde gözlenen ufacık dalgalanmalar, erken evrenin özellikleri hakkında ipuçları edinmemizi sağladı. Örneğin, evren içerisindeki ufak sıcaklık değişimleri, evrenin daha yoğun olduğu kısımlara işaret ediyor. Bu daha yoğun kısımlar, süreç içerisinde galaksileri ve galaktik kümelenmeleri oluşturdu.

KMAI bir tür ışık olduğu için, ışığın özelliklerini de taşıyor. Buna ışığın kutuplanma özelliği de dahil. Dünya üzerinde Güneş ışığı atmosfer tarafından saçılarak polarize hale gelir. Zaten polarize gözlükler de bu yüzden kullanılır, bu ışıldamayı azaltmaya yardımcı olur. Uzayda ise KMAI atomlar ve elektronlar sayesinde polarize olur. Caltech'de çalışan ve BICEP2 grubunun eş lideri olan Jamie Bock şöyle diyor:

Ekibimiz B-modu adı verilen özel bir polarizasyonu yakalamaya çalıştı. Bunlar antik ışık kalıntıları içerisinde kıvrımlanmayı temsil etmektedir.

Kütleçekimsel dalgalar uzay içerisinde hareket ederken onu sıkıştırırlar ve bu sıkıştırma nedeniyle KMAI içerisinde belli desenler yaratırlar. Kütleçekimsel dalgaların, tıpkı aminoasitlerde ve ışık dalgalarında gördüğümüz gibi bir "ellilik" olayı vardır. Birbirinin ayna görüntüsüne sahip 2 yapıda karşımıza çıkabilirler: sağ-elli polarizasyon ve sol-elli polarizasyon. Stanford Üniversitesi'nden, ekip eş liderlerinden Chao-Lin Kuo bunu şöyle izah ediyor:

Kıvrımlı B-modu desenleri kütleçekimsel dalgaların eşsiz bir imzasıdır, çünkü belirli bir polarizasyon durumuna (elliliğe) sahiptirler. Yakaladığımız bu fotoğraf, ilkin evren boyunca saçılmış kütleçekimsel dalgaların ilk doğrudan görüntüsüdür.

Ekip mekana bağlı bir ölçekte gökyüzünü 1-5 derece sınırlarında, yani dolunayın genişliğinin 2-10 katı genişliğinde taradılar. Bunu yapmak için Güney Kutbu'na gittiler ve soğuk, kuru ve sabit havadan faydalandılar. Kovac şöyle izah ediyor:

Güney Kutbu yerde olmanıza rağmen uzaya en fazla yaklaşabileceğiniz noktadır. Yeryüzündeki en kuru ve en açık noktalardan biridir. Büyük Patlama'dan artakalan silik mikrodalga ışımasını gözlemek için harikadır.

Birçok kozmoloğun düşündüğünün aksine, dikkate değer miktarda bir şiddete sahip B-modu polarizasyon görmüş olduklarına şaşırdılar. Ekip 3 yıldan uzun bir sürede verileri analiz etti ve olası tüm hataları elediler. Ayrıca galaksimizdeki tozların bu desenleri görmemize neden olma ihtimali üzerinde de durdular; ancak eldeki veriler bunun son derece düşük ihtimalli olduğunu gösterdi. Minnesota Üniversitesi'nden, ekibin eş liderlerinden Clem Pryke bunu şöyle anlatıyor:

Yaptığımız iş samanlıkta iğne aramak gibiydi. Ancak şaşırtıcı bir şekilde, samanlıkta adeta bir levye bulduk!

Bu dalgaların şiddeti çok kıymetli, çünkü bugüne kadar geliştirilen genişleme modellerinin büyük bir kısmını eliyor ve geçersiz kılıyor. Böylece fizikte yeni teorilerin önünü açıyor. Bu keşifle ilgili fikirleri kendisine sorulduğunda, araştırmada yer almayan, Harvard Üniversitesi teorisyeni Avi Loeb şöyle dedi:

Bu araştırma bazı çok temel sorularımıza dair bazı bilgiler veriyor: Neden varız? Evren nasıl başladı? Sonuçlar bu hızlı genişleme dönemi için hem çok açık kanıtlar sunuyor, hem de genişlemenin ne zaman meydana geldiği ve bu sürecin ne kadar güçlü olduğunu gösteriyor.

Johns Hopkins Üniversitesi'nden, araştırmada yer almayan fizikçilerden olan ve bu kütleçekimsel dalgaların teorik olarak var olması gerektiğini ilk defa 1977'de ileri süren Marc Kamionkowski şöyle diyor:

Bu devasa bir şey! Bu herhangi bir gün uyanıp da erken evrenle ilgili duyduğunuz yeni keşiflere benzemiyor. Bana kalırsa bu, Nobel Ödülü'nü alabildiğine hak eden bir tespit.

Fizikçilere göre böylesine yeri yerinden oynatacak bir bulgunun başka deneylerle de doğrulanması gerekiyor. Ancak bulguların ele alınışı ve analizi, sahada araştırmalar yürüten birçok fizikçi tarafından takdir edildi bile. BICEP2'nin elde ettiği verilerin fazlalığı, 5-sigma gibi istatistiki testleri başarıyla geçmesini sağlayabilecek düzeyde. Bu istatistiki testler, genellikle araştırmaların doğruluğunu işaret eden testlerdir. Hatta eldeki veriler o kadar net ve isabetli ki, araştırmacılar uzun bir süre boyunca ellerindeki verilerin hatalı olmasıyla ilgili senaryolar geliştirdiler; ancak hiçbirini doğrulayamadılar. Dolayısıyla eldeki verilerin gerçeği yansıtma olasılığı ezici düzeyde yüksek. Evrenin erken ve hızlı genişlemesini ilk olarak 1980 yılında iddia eden MIT profesörü Alan Guth şöyle diyor:

Yanlış olma ihtimali var; ancak eldeki verilere bakarak söyleyebilirim ki, bu imkansıza yakın. Bana göre ekip, analiz işini inanılmaz iyi başarmışlar.

BICEP2 araştırmacıları, beklediklerinden çok daha yüksek bir kütleçekimsel dalga oranı (r) buldular. Bu dalgalar, daha önce de izah edildiği gibi KMAI'nın maddenin yoğunluğunda yarattığı düzensizliklerden dolayı oluşuyor. Daha önceden Wilkinson Mikrodalga Anizotropi Probu (WMAP) aracılığıyla yapılan araştırmalara göre bu oranın değeri 0.11 olmalıydı. Ancak BICEP2'nin bulduğu değer 0.20 dolaylarında. Guth bu oranın önemini şöyle açıklıyor:

Her şey bu r değerine bağlı. Bu değerin değişmesi, çıkaracağımız sonuçları da oldukça değiştiriyor. Aslında, önceden elediğimiz bazı modeller, bu değer sayesinde şimdi yeniden desteklenmiş oluyor. Böylesine yüksek bir r değeri, evrenin erken genişleme evresinin birçok modelin tahmin ettiğinden çok daha önce başladığını gösteriyor: Büyük Patlama'dan saniyenin trilyon çarpı trilyon çarpı trilyonda biri kadar süre sonra...

Bu genişlemenin başlama zamanı da, fizikçilere evrenin genişlemeye başladığı bu dönemdeki bazı enerji ölçekleri hakkında bilgiler veriyor. BICEP2'nin r değeri, evrendeki kütleçekim kuvveti kenara koyulduğunda geriye kalan tüm kuvvetlerin enerji ölçeğini gösteriyor. Yani bu evrede elektromanyetik kuvvet, güçlü çekirdek kuvveti ve zayıf çekirdek kuvveti tek bir kuvvetti. Buna büyük birleşik teori adı veriliyor. BICEP2 sayesinde elde ettiğimiz veriler bu teorinin doğruluğunu arttırıyor ve bazı diğer genişleme modellerini eliyor. Kamionkowski şöyle sonlandırıyor:

Bir diğer deyişle, artık samanlıkta iğne aramak yerine, bir kum torbası içerisinde iğne arayacağız. Bu, işlerimizin çok daha kolaylaştığı anlamına geliyor. Büyük birleşik teori, 2012 yılında keşfedilen Higgs bozonu ile Higgs alanlarının etkileşimi gibi, keşfettiğimiz yeni alanların varlığını gösteriyor. Bu yeni alanlar da, daha ağır Higgs bozonlarının var olduğu anlamına geliyor. Ancak bu parçacıkları kütlesi o kadar fazladır ki, herhangi bir geleneksel parçacık hızlandırıcısında yaratılamaz ve gözlenemezler. Bu gözlemimiz sayesinde evrenin erken evrelerini bir laboratuvar gibi kullanabiliyoruz. Bu sayede, aksi takdirde enerji aralığına erişemeyeceğimiz yeni bir fizik sahasında çalışma fırsatına sahip oluyoruz.

Konu halen yeni açıklamalara gebe, bu sebeple önümüzdeki günlerde daha fazla bilgiler edinilmesi bekleniyor. Ancak şu anda bile bu yeni keşif sayesinde, fiziğin yeni bir döneme girdiği rahatlıkla söylenebilir.