Büyük Patlama Teorisi’nin Tarihi: Evren'in İlk Anını Nasıl Tespit Ettik?

Albert Einstein, 1915 yılında Genel Görelilik Teorisi’ni ortaya attığında denkleme “kozmolojik sabit” adı verilen bir sabit ekledi çünkü bu sabit olmadan evren durağan olarak kalmıyordu. 1924 yılında Edwin Hubble galaksilerin bizden uzaklaştığını keşfetti, üstelik bizden daha uzak olan galaksiler daha hızlı uzaklaşıyordu. Hubble, bu sonucu “Doppler Etkisi” adı verilen fizik fenomeni sonucu anlamıştı.

Aslında bu etkiye günlük hayattan aşinayız. Örneğin, kendinizi uzun bir yolun karşısında hayal edin. Bu yoldan bir motor geçsin. Motor size yaklaşırken sesi çok daha ince gelir ancak önünüzden geçtiği zaman sizden uzaklaşırken çok daha kalın gelmeye başlar. Bunun sebebi motordan çıkan ses dalgalarının size yaklaşırken daha kısa olması (dolayısıyla, frekansı daha yüksek) ancak motor sizden uzaklaşırken ses dalgalarının daha uzun olmasıdır (dolayısıyla, frekansı daha düşük).

Bu olgu sadece ses dalgaları için değil, her türlü dalga için geçerlidir. Işık da bir elektromanyetik dalga olması sebebiyle bu etkiye maruz kalabilir. Bu nedenle bizden uzaklaşan bir ışık kaynağının dalga boyunu daha uzun algılarız (bu nedenle, görülebilen ışık içerisinde en yüksek dalga boyuna sahip olan kırmızı renge atfen bu etkiye “kırmızıya kayma” denir). Aynı şekilde, bize yaklaşan bir ışık kaynağının dalga boyunu daha kısa algılarız (bu nedenle, görülebilen ışık içerisinde en düşük dalga boyuna sahip olan maviye atfen bu etkiye “maviye kayma” denir).

Hubble, uzak galaksilerden bize ulaşan ışığın frekansını ölçümleyerek bizden uzaklaşan galaksi kümelerinin ışık renginin kırmızıya kaydığını gözlemledi, bu da onların bizden uzaklaştığı anlamına geliyordu. Üstelik daha uzaktaki galaksiler daha çok kırmızıya kayıyordu. Bu etki 1912 yılında Vesto Slipher tarafından gösterilmiş olsa da, incelemeyi genişleten ve bu etkinin nedenini bulan kişi Edwin Hubble oldu. Evrenimiz genişliyordu. Albert Einstein, Hubble’ın gözlemlerini yaptığı Kaliforniya Eyaleti’nde bulunan Mount Wilson Gözlem Evi’ndeki teleskoptan baktığı zaman Hubble’ın haklı olduğunu gördü ve kozmolojik sabit için “hayatımdaki en büyük hata (the biggest blunder)” dedi ve Evren’in sandığı gibi durağan olmadığını kabul etti. 

1922 yılında Alexander Friedmann, kozmolojik sabit olmaksızın Genel Görelilik Teorisi’nin denklemlerini çözdüğünde Evren’in 3 olası geleceği olduğunu gösterdi. İlkinde kütleçekim Evren’in genişlemesini yenecek ve bir zaman sonra evren tekrar küçülmeye başlayıp Büyük Çöküş (Big Crunch) adı verilen olay meydana gelecekti. İkincisinde ise Evren sonsuza kadar genişleyecek ancak genişleme hızı gittikçe yavaşlayacaktı; bu nedenle Evren, gittikçe daha durağan bir hale gelecekti, tabii bu senaryonun gelişmesi için evrendeki madde yoğunluğunun çok kritik düzeyde olması gerekiyordu. Üçüncüsünde ise genişleme, kütle çekimi alt edip Evren sonsuza kadar sabit bir hız ile genişleyecekti.

1931 yılında bir papaz olmasının yanı sıra bir fizikçi olan Belçikalı Georges Lemaître zamanı geriye alırsak Evren’in gittikçe küçüleceğini ve Evren’deki her şeyin tek bir noktada sıkışması gerektiğini önerdi. Lemaître bu noktaya ilk atom (primeval atom) adını verdi. Böylece Büyük Patlama (Big Bang) fikri ilk kez ortaya atılmış oldu. Daha sonra George Gamow, bu teoriyi geliştirerek Evren’in ilk zamanlarının çok sıcak olması gerektiğini gösterdi. Bu teoriye göre evrenin ilk zamanlarında, günümüzün aksine, madde değil, ışınım (fotonlar) baskındı.

Ancak bazıları bu Büyük Patlama fikrine karşı çıkıyordu, onun yerine Sabit Durum Teorisi (Steady State Theory) adı verilen teoriyi savunuyorlardı. Bu teoriye göre genişleyen Evren’de madde yoğunluğunun değişmemesinin sebebi, Evren’de kendiliğinden maddenin yaratılmasıydı. Bunun yanı sıra bu teoriye göre Evren her zaman vardı ve var olacaktı.

Fakat 1950 yılında kaza eseri iki Amerikalı astronom olan Arno Penzias ve Robert Woodrow’un Kozmik Mikro Dalga Işıması’nı keşfetmesiyle Sabit Durum Teorisi, Büyük Patlama Teorisi’ne yenik düştü. Çünkü bu ışıma Büyük Patlama Teorisi’nin öngördüğü üzere Evren’in her yerinde aynı gözüküyordu. 

Kozmolojik sabit olmayan Friedmann Denklemleri’nde Evren’in şekli (dolayısıyla, içerisindeki madde yoğunluğu) ve geleceği birbiri ile bağlantılıdır. İngilizcede bu bağlantı, Density (Yoğunluk) <-> Destiny (Kader) olarak gösterilir. Eğer Evren kapalı ise Evren’in genişlemesi duracak ve bir süre sonra çökecekti. Evren düz ise çökmeyecek fakat genişlemesi gittikçe yavaşlayacaktı ve eğer Evren açık (bir at semerinin eğrisi gibi) ise genişleme sonsuza kadar sabit bir hızla devam edecekti. Her ne kadar Evren’in ilk zamanlarında ışınım baskın olduysa da bilim insanları günümüzde madde baskın bir Evren’de yaşadıklarına eminlerdi ve madde oranının Evren’in düz olması için gereken kritik değerin üstünde olduğu biliniyordu. Bu nedenle bilim insanları Evren’in kapalı olduğunu ve bir süre sonra çökeceğini tahmin ediyordu. Ancak 90’ların sonunda “Type IA” adındaki süper nova patlaması üzerine yapılan gözlemler, Evren’in sanılanın aksine gittikçe hızlanarak genişlediğini gösterdi. Bu sonucun ne kadar tuhaf olduğunu anlamak için elinize bir top alıp yukarı attığınızı hayal edin. Normalde bekleyeceğiniz şey topun gittikçe yavaşlayıp bir süre sonra tekrar aşağıya düşecek şekilde hızlanacağıdır, ancak beklenenin aksine top gittikçe daha da hızlanarak yukarı doğru gitmektedir.

Kozmologlar Evren’in bu şekilde genişlemesini hızlandıran şeye “karanlık enerji” adını verdi, üstelik evrenin %72’sinin karanlık enerji olduğu da hesaplandı. Daha sonra gök adalar üzerine yapılan gözlemlerde, onları bir arada tutmak için gereken kütle çekim kuvveti için gezegen ve yıldız miktarının yeterli olmadığı saptandı. O halde, yıldızları ve gezegenleri bir arada tutan başka bir güç daha olmalıydı. Işığı yansıtmayan ve kütlesi olan bu maddeye “karanlık madde” adı verildi ve Evren’in %26’sının karanlık maddeden oluştuğu hesaplandı. Bu sonuçlar fizikçileri büyük bir şaşkınlığa uğrattı çünkü eldeki teorilerin açıklayabildiği sadece evrenin %2’si idi. 2013’te Planck uydusunun yaptığı daha detaylı bir gözlem, Evren’imizin %68.3’ünün karanlık enerjiden, %26.8’inin karanlık maddeden ve %4.9’unun ise bildiğimiz maddeden (Standard Model’in açıkladığı) oluştuğunu gösterdi. 

Görüldüğü üzere, Evren’in %95.1’i halen bir sır ve Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi’nde Büyük Hadron Çarpıştırıcısında (Large Hadron Collider-LHC) yapılan deneylerle bilim insanları karanlık maddeye aday olabilecek parçacıkları görmeyi planlıyorlar.

Günümüzde Büyük Patlama Teorisi bilim insanlarının çoğunluğu tarafından kabul ediliyor ve halen Şişme Teorisi ile beraber, Evren’i ilk zamanlarından itibaren günümüze kadar açıklayan en iyi modellerden biri.

Büyük Patlama ile ilgili çok daha fazla bilgi için buradaki yazımızı okuyabilirsiniz. Büyük Patlama Teorisi'ne yönelik sorularınızın cevaplarını buradaki yazımızda bulabilirsiniz. Büyük Patlama'dan önce ne olduğuna dair bir yazımızı buradan okuyabilirsiniz.