Evrenin, Her Yana Yayılmış, Galaksiler Boyunca Uzanan Kütleçekim Dalgalarıyla "Uğuldadığı" Keşfedildi!

Son zamanlarda yapılan bir çalışmada astronomlar, evrende çok zayıf bir uğultunun varlığını tespit ettiler. Bugün duyurulan keşif, uzay-zamandaki oldukça büyük dalgaların uzayı sürekli olarak sıkıştırdığını ve uzayın şeklini değiştirdiğini gösteriyor. Bu kütleçekim dalgaları, ilk olarak 2015 yılında Lazer İnterferometre Kütleçekim Dalgası Gözlemevi deneyinde toplanan ve karadelik çarpışmalarından gelen yankıların yakın akrabaları. Ancak deneyde toplanan dalgalar saniyede birkaç yüz kez titrerken, yeni keşfedilen kütleçekim dalgalarının tek bir tanesinin ışık hızında geçişi yıllar hatta on yıllar alabilir.

Bu yeni keşif, bize evreni inceleyebilmemiz için yeni bir pencere açıyor. Bu pencere, Güneş'in milyonlarca katı kütleye sahip kara deliklerin kozmik dönme hareketlerine dair fenomeni veya daha da ilginç ve hala ispatlanamamış olan "Gökyüzü Hayaletlerini" (İng: "Celestial Specter") anlamamızı sağlayabilir. Cenevre Üniversitesi ve CERN'de görev alan teorik fizikçi Chiara Caprini buluş hakkında şunları söylüyor:

Bu harika bir buluş! Evreni gözlemlemenin yeni bir dönemine girmiş bulunuyoruz.

Araştırmanın sonuçları; ABD, Avrupa, Avustralya ve Çin merkezli dört ekip tarafından on yıldan uzun bir süredir sürdürülen çalışmalara dayanıyor. 28 Haziran 2023'te gerçekleştirilen koordine bir veri yayınında ekip, pulsar adı verilen nesnelerin muazzam derecede düzenli (nabzı andıran) vuruşlarında gerçekleşen değişiklikleri izleyerek tespit edilen kütleçekim dalgalarının arka plan "uğultusuna" dair kanıtları kamuya sundu.

Uzun dalga boyuna sahip kütleçekim dalgaları kozmik çevremizden geçerken etrafımızdaki uzay-zamanı değiştirirler, bu da bir pulsarın kalp atışlarının bize varış zamanını değiştirir. Araştırmacılar bekledikleri sinyali almak için onlarca yıl boyunca onlarca farklı pulsardaki nabızların varış zamanlarının korelasyonlarını haritaladılar. Vanderbilt Üniversitesi'nde astrofizikçi ve Kuzey Amerika Nanohertz Kütleçekim Dalgaları Gözlemevi olarak bilinen ekibin başkanı olan Stephen Taylor, bekledikleri sinyali aldıklarında hissettiklerini şöyle anlatıyor:

İlk gördüğümde midemde kelebekler uçuşmaya başladı. Sonunda bu konuyu konuşabileceğimiz için çok heyecanlıydım.

Söz konusu kütleçekim dalgaları büyük ihtimalle birleşen galaksilerin içinde birbirinin etrafında dönen süper kütleli karadelik çiftlerinden yayılıyor. Ancak bulduğumuz şey kozmik sicimler denen enerji döngülerinden kaynaklanan uzay-zamandaki kırılmalar gibi egzotik bir şey de olabilir. Çalışmaya dahil olmayan bilim insanları da bu keşfi takdir ediyor. Madrid Özerk Üniversitesi'nden teorik kozmolog Juan García-Bellido şunları söylüyor:

Arka plan kütleçekim dalgaları önermesinin bir izini bulmak büyüleyici. Kesinlikle Nobel Ödülü'ne değer bir çalışma!

Galaksi Boyutlarında Bir Anten!

Bu keşfin hikayesi, iki farklı şekilde anlatılabilir. Hikayelerin ilki, elbette Albert Einstein ile başlıyor. 1915'te öne sürdüğü Genel Görelilik Teorisi, evrenin yıldızları ve kara delikleri barındıran bir uzay-zaman denizi olduğunu iddia ediyordu. Bu teoriye göre yıldızlar gibi nesnelerin hareketleri uzay-zaman denizinde dalgalanmalara, yani kütleçekim dalgalarına sebep oluyordu.

Hikâyenin başlangıcı sayılabilecek bir diğer noktaysa 1967'de Kuzey İrlanda, Lorgan'da Jocelyn Bell isimli bir yüksek lisans öğrencisinin uzayda her saniye tekrar eden bir sinyal tespit etmesiydi. Bell ve başka astronomlar daha sonra bu sinyallerin ölü yıldızların hızla dönen çekirdeklerinden geldiğini fark ettiler ve sinyallerin kaynaklarını "pulsar" olarak isimlendirdiler. Bugün bazı pulsarların saniyede yüzlerce, hatta binlerce kez radyo dalgaları yayabilecek hızda döndüğünü biliyoruz.

Pulsarların bir kronometre kadar düzenli atışlara sahip olması, onları kozmik zaman ölçümü için harika araçlar haline getirir. 1983'te ABD'li astronomlar Ron Hellings ve George Downs, pulsarların kullanılabileceği başka bir alan daha önerdi: Kütleçekim dalgaları uzay-zamanı sıkıştırıp esnetiyorsa bu durum pulsarların radyo dalgalarının bize varış zamanını da değiştirmeliydi.

Bu amaca ulaşmak için yapılması gereken, farklı pulsar çiftlerini inceleyerek zaman gecikmelerini karşılaştırmaktır. Milwaukee, Wisconsin Üniversitesi'nde astrofizikçi ve NANOGrav'ın Kütleçekim Dalgası Algılama Çalışma Grubu başkanı olan Sarah Vigeland, bu konuda şöyle söylüyor:

İki pulsar birbirine yakınsa, zaman bakımından ikisi de önden veya geriden gelecektir. Ancak birbirlerinden uzaklaştıkça senkronizasyonları bozulur, yine de bu bozulma öngörülebilir bir şekilde gerçekleşir.

Bu dalgalanmaları yakalamak için NANOGrav gibi pulsar zamanlama dizileri, uzun yıllar boyunca birçok pulsarı gözlemleyen birden fazla radyo teleskobu kullanır. Bu projeler, LIGO ve dünyanın diğer gözlemevlerinin kozmik kuzenleridir; hepsi ilgili iki uçlarındaki küçük değişikliklere bakarak kütleçekim dalgalarını tespit etmeye çalışır.

LIGO'nun iki kolu 4'er kilometre uzunluğunda olsa da pulsar zamanlama dizileri, pulsarla Dünya arasındaki mesafeyi etkin bir şekilde kullanarak çok daha uzun (yüzlerce veya binlerce ışık yılı uzunluğunda) bir kol daha oluşturuyor. Taylor bu konuda şunu söylüyor:

Burada yaptığımız şey, tüm evreni kullanarak dev bir kütleçekim dalgası anteni oluşturmaktı.

Bu muazzam uzunluk, pulsar zamanlama dizilerinin farklı aralıklardaki kütleçekim dalgalarına karşı duyarlı olmasını sağlıyor. LIGO, yıldız boyutlarında kara deliklerin birbiriyle birleşmeden önce saniyede onlarca veya yüzlerce kez birbirinin etrafında dönmesiyle oluşabilen yüksek frekanslı kütleçekim dalgalarını tespit edebilirken pulsar zamanlama dizileri yıllar veya on yıllar içinde gerçekleşen süreçlere duyarlıdır. Bu nedenle pulsar zamanlama dizileri onlarca yıllık verilere ihtiyaç duyar; sonuçta tek bir dalganın geçmesi 10 yıl sürüyorsa birkaç aylık bir gözlemle bu dalgayı tespit edemezsiniz.

28 Haziran'da verilerini paylaşan 4 gruptan sonuçlarından en emin olan ekip NANOGrav ekibi. Bu proje 2007'de başladı ve çoğunlukla Batı Virginia'daki Green Bank Telescope'u kullanıyordu. Ne yazık ki bu teleskop 2020'nin sonlarında, NANOGrav'in 15 yıllık veri toplama dönemi bitmek üzereyken yıkıldı. Taylor, "Arecibo'nun yasını hala tutuyoruz." diyor.

Dünya'nın başka bölgelerinde başlatılan farklı pulsar dizileme projeleri de mevcut. Dördü birlikte Uluslararası Pulsar Zamanlama Dizisi'ni oluşturan ekipler henüz birleştirilmiş bir veri analizi yapmadı. Avustralya'daki Ulusal Bilimsel ve Endüstriyel Araştırma Organizasyonunda astronom ve ülkenin Parkes Pulsar Zamanlama Dizisi ekibinin bir parçası olan Andrew Zic, "Diğer ekiplerle beraber hareket etmeye hazırız." diyor.

NANOGrav, 2020'de 12,5 yıllık gözlemlerden elde edilen ön verileri yayınlamıştı. Bu veriler yaklaşık 45 pulsarın nabzını etkileyen kütleçekim dalgalarına dair belirsiz bir ipucu barındırıyordu.

Şimdi, birkaç yıllık daha verinin ve yaklaşık 25 farklı kaynaktan gelen verilerin de eklenmesiyle daha belirgin bir fikir edinebiliyoruz. Araştırmacılar, verilerde Hellings-Downs eğrisi adı verilen ve gördükleri şeyin kütleçekim dalgası arka planı olduğundan emin olmalarını sağlayan belirli bir model tespit ettiler. Ulusal Radyo Astronomi Gözlemevinde astronom ve NANOGrav'ın kurucu üyesi olan Scott Ransom, bu konuda şöyle söylüyor:

İki yüz nanosaniyelik zaman sapmaları görüyoruz. Bunlar kütleçekim dalgalarının arkalarında bıraktığı izler.

6 teleskopla 25 yıldan uzun süre içerisinde 25 pulsarı gözlemleyen Avrupa takımı da benzer sapmalar görse de sonuçlarından bu kadar emin değil. Jodrell Bank Astrofizik Merkezi'nde astrofizikçi ve Avrupa ekibinin bir parçası olan Michael Keith, "Amerikan ekibi bulguları konusunda epey özgüvenli." diyor.

Avustralya ekibi 18 yıldan uzun süre içinde 35 pulsarı gözlemlerken Çin ekibi sadece üç yıldan biraz fazla bir sürede 57 pulsar gözlemledi.

Süper Kütleli Dans

Peki bu kütleçekim dalgalarını oluşturan ne? Dalgaların kaynağı, büyük ihtimalle kütleleri Güneş'in milyonlarca, hatta belki de milyarlarca katı kütleye sahip süper kütleli karadelikler. Bu karadelikler, bizim galaksimiz olan Samanyolu gibi büyük gökadaların merkezinde bulunur. Bazen gerçekleşen iki galaksinin çarpışması durumunda galaksilerin merkezlerindeki süper kütleli karadelikler de birbirlerinin yörüngesinde yavaşça dönmeye ve uzay-zamanı altüst etmeye başlayabilirler. Keith bu konuda şöyle söylüyor:

Simetrik olmayan ve dönen bir kütle, kurşun kalem kadar küçük bir şey olsa bile kütleçekim dalgaları yaratır.

Süper kütleli kara delikler gibi büyük ölçekte nesnelerin böyle bir dönüş yapmasıyla oluşan kütleçekim dalgalarının uğultusu, dalgalar uzaya yayıldıkça algılanabilir hale gelir.

NANOGrav henüz tekil kütleçekim dalgası kaynaklarını seçemiyor. Ancak ekip, tüm düşük frekanslı kütleçekim dalgalarının birlikte oluşturduğu arka plan uğultusuna dair bir kanıt buldu. Bu durum kalabalık bir limanda aşağı yukarı gidip gelen bir şamandıra gibi düşünülebilir; bu şamandıraya bakarak tek bir teknenin hareketi ayırt edilemez, ancak sudan geçen bazı büyük nesneler olduğu anlaşılabilir.

Ancak arka plan uğultusunun olası tek açıklaması süper kütleli karadelikler değil. Başka bir olası kaynak da kozmik sicimler. Varlığı 1970'lerde tahmin edilen bu nesneler, aslında evrenin genişlemesine neden olan uzay zamandaki çatlaklardır. Bu çatlaklar sürekli dönerken kütleçekim dalgaları yayabilirler. King's College London ve CERN'de çalışan ve kozmik sicim açıklamasını savunan teorik fizikçi John Ellis, bu konuyu şöyle açıklıyor:

Kozmik sicimler fikri, (parçacık fiziğindeki) Standart Modelin bir uzantısıdır. Bu fikirde modeldeki nokta benzeri parçacıklara ek olarak, evren boyunca uzanan enerji sicimleri de bulunabilir. Bu enerji sicimleri hareket edebilir ve çarpışabilir, sonunda da kütleçekim dalgaları yayarak çökecek olan sicim döngüleri oluştururlar.

Bu fikir kulağa biraz uçuk gelse de NANOGrav ve diğer ekiplerin verileri kozmik sicim fikriyle örtüşüyor. Milwaukee Wisconsin Üniversitesi'nden bir astrofizikçi olan Patrick Brady, bu konuda şöyle söylüyor:

Sürekli hareket ediyorlar ve zaman zaman bir kırbaç gibi keskin sesler çıkararak kütleçekim dalgaları yayıyorlar.

Eğer pulsar zamanlama dizileri, yeni verilerinde de tekil kaynaklar bulamazsa bu, Standart Modelin ötesinde egzotik bir fiziğe işaret edebilir. Ellis "Kozmik sicimler, çok daha yumuşak sinyaller verirdi" diyor.

Her ne kadar dalgaların kaynağının sicimler ve diğer egzotik fenomenler olmadığına emin olamasak da şimdilik tercih edilen açıklama kaynağın süper kütleli kara delikler olduğu yönünde. Ransom bu konuda şöyle söylüyor:

Basitçe yaklaşacak olursak, galaksilerin birbiriyle birleştiğini ve neredeyse tüm galaksilerin süper kütleli karadeliklere sahip olduğunu biliyoruz. Bu nedenle gördüğümüz sinyalin süper kütleli karadeliklerden geldiğini düşünüyoruz. Ama tabii ki yanılıyor da olabiliriz.

Bir dizi süper kütleli karadeliğin keşfi, astrofizikteki bazı soruların yanıtlanmasına yardımcı olabilirdi. Örneğin, yörüngede dönen iki süper kütleli karadelik birbirine yaklaşırsa ne olur? Süper kütleli kara deliklerin, daha küçük kara deliklerin yaptığı gibi birleşmek yerine sonsuza dek birbirlerinin etrafında döndüğünü düşünmek için geçerli nedenlerimiz var. Caprini bu konuda şunları söylüyor:

Buna son parsek problemi deniyor ve henüz çözülmemiş bir problem. Ancak pulsar zamanlama dizileri bu anlarda karadeliklerden yayılan kütleçekim dalgaları algılıyorsa bu, birbirlerinin etrafında dönmek yerine birleştikleri anlamına geliyor.

Bir dizi süper kütleli karadeliğin varlığı, evrendeki galaktik evrimi anlamamız açısından çok önemli olabilir. Caprini bu konuda ise şunları iletmiş:

Böyle bir durum, bazı galaksilerin merkezinde yalnız olmayan devasa kara deliklerin olduğu anlamına gelir. Ve böylece biz de evrenin tarihi boyunca galaksilerin nasıl ve hangi hızlarda çarpıştığını inceleyebiliriz.

Ancak böyle bir araştırma yapmak, aynı zamanda tekil süper kütleli karadelik çiftlerinin keşfini de gerektireceğinden henüz mümkün değil. Ancak araştırmacılar, farklı ekiplerden gelen veri setlerini birleştirdikçe ve önümüzdeki birkaç yıl içinde daha fazla gözlem yaptıkça, tekil dalga kaynakları ortaya çıkmaya başlayabilir ve bu, astronomların uzay ve zamanda ikili süper kütleli karadelikleri keşfetmesine izin verebilir. West Virginia Üniversitesi'nde astrofizikçi ve NANOGrav'ın kurucu üyelerinden biri olan Maura McLaughlin, bu konuda şöyle söylüyor:

Bu mümkün olursa, belirli bir doğrultuda (belirli) bir kütleye sahip süper kütleli bir kara delik çifti var diyebileceğiz. Ayrıca böylece galaksi birleşmeleri hakkında da birçok şey öğreneceğiz.

Kesin olan şu ki, bu projeler gökbilimcilere kozmosu incelemek için tamamen yeni bir araç sağlıyor. Brady, kütleçekim dalgası astronomisinin yükselişini "Galileo'nun teleskobunu gökyüzüne ilk doğrultuşuna" benzetiyor. Artık evreni uzay-zamandaki dalgalanmalardan oluşan bir arka planın kapladığını biliyoruz. Kütleçekim dalgalarından oluşan bir okyanus bizim onu keşfetmemizi bekliyor.