Genişleme Hızı Düşüyorsa Evren Nasıl Hızlanarak Genişliyor?

Evrende, bizim galaksimizle kütleçekimsel olarak bağlı olmayan herhangi bir galaksiye baktığınızda, galaksimizin gelecekte başına ne geleceğini zaten biliyoruz. Samanyolu, Andromeda ve yaklaşık 60 küçük galaksiden oluşan yerel grup, bizimle kütleçekimsel olarak bağlı olan tek sistemdir. Eğer bir galaksiyi, parçası olduğu kütleçekimsel yapının (örneğin bir galaksi çifti, grup veya küme) bir parçası olarak düşünürsek bu yapının tamamı bizden uzaklaşmaktadır. Bu uzaklaşma, ışığın sistematik olarak daha uzun dalga boylarına kaymasına, yani kozmik bir kırmızıya kaymaya neden olur. Bir galaksi ne kadar uzaktaysa ortalama olarak kırmızıya kayması da o kadar büyüktür. Bu durum, evrenin genişlemekte olduğunu göstermektedir.

Ayrıca çok uzun kozmik zaman aralıklarında gözlem yapacak olsaydınız bu galaksinin bizden uzaklaşma hızının arttığını fark ederdiniz. Zaman geçtikçe bu galaksinin ışığı daha fazla kırmızıya kayar, bu da evrenin yalnızca genişlemediğini, aynı zamanda hızlandığını gösterir. Kütleçekimsel olarak bize bağlı olmayan herhangi bir galaksinin gözlemlenen hızı zamanla artar ve sonunda ışık hızıyla bile erişilemez hale gelir. Ancak evrenin genişleme hızını, genelde Hubble sabiti dediğimiz oranı, ölçseydik bu hızın zamanla artmak yerine aslında azaldığını görürdük.

Peki hızlanan bir evrende bu nasıl mümkün olur?

Forbes

Farkına varmamız gereken ilk şey, yerçekimi teorimizde -Einstein'ın genel görelilik teorisi- evrenimizdeki madde ve enerji ile uzay-zamanın davranış şekli arasında muazzam güçlü bir ilişki olduğudur. Mevcut madde ve enerjinin varlığı, miktarı ve türleri uzay-zamanın zaman içinde nasıl eğrildiğini ve geliştiğini belirler ve bu eğri uzay-zamana, maddeye ve enerjiye nasıl hareket edeceğini söyler.

Einstein’ın teorisi son derece karmaşıktır. Genel Görelilik’teki ilk tam çözümün bulunması aylar sürdü ve bu, içinde dönmeyen ve yüksüz bir noktasal kütlenin bulunduğu bir evren içindi. Aradan 100 yıldan fazla zaman geçmiş olmasına rağmen, hâlâ yalnızca yaklaşık iki düzine tam çözüm bilinmektedir.

Neyse ki, bunlardan biri, her yerde eşit miktarda madde, radyasyon ve aklınıza gelebilecek diğer enerji türleriyle eşit şekilde dolu bir evren içindir. Evrene baktığımızda ve ölçüm yaptığımızda, en büyük kozmik ölçeklerde gördüğümüz şeyin bu tanıma uyduğunu fark ediyoruz.

Forbes

Her yerde aynı miktarda maddeyle dolu bir evren, en erken dönemlerden (kozmik mikrodalga arka planında izlerini gördüğümüz) günümüze (galaksileri ve kuasarları sayabildiğimiz) kadar, tam olarak sahip olduğumuz şey gibi görünüyor. Ve eğer bu, yaşadığınız evren ise bulunduğumuz uzay-zamanı tanımlayan özel bir çözüm vardır: Friedmann Lemaître Robertson Walker uzay-zamanı.

Bu uzay-zamanın bize anlattıkları gerçekten dikkate değer. Denklemin bir tarafında, var olabilecek tüm enerji türlerini görürüz:

• Normal madde
• Antimadde
• Karanlık madde
• Nötrinolar
• Radyasyon (örneğin fotonlar)
• Karanlık enerji
• Uzaysal eğrilik ve diğer hayal edebileceğimiz diğer her şey.

Peki ya diğer tarafta? Hızla fark ettiğimiz şey, uzay dokusunun zamanla nasıl değiştiğini ifade eden bir şeydi: ya genişliyor ya da daralıyordu. Bunun hangisinin doğru olduğunu ise ancak gözlemlerle anlayabiliriz.

Bazıları tarafından evrendeki en önemli denklem olarak adlandırılan bu tek denklem, bize evrenin zaman içinde nasıl evrildiğini anlatır. Bunun ne anlama geldiğini bir düşünün: Evrenin genişleme veya daralma hızı, içindeki tüm madde ve enerjinin -tüm farklı biçimleriyle- toplamına doğrudan bağlıdır.

Biz bunu ölçmeden önce, yaygın varsayım, evrenin ne genişlediği ne de daraldığı, statik olduğu yönündeydi. Einstein, denklemlerinin maddeyle dolu bir evrenin yerçekimsel çöküşe karşı kararsız olacağını fark ettiğinde, yerçekimi kuvvetini tam olarak dengelemek için bir kozmolojik sabit ekledi; evrenin Büyük Çöküş ile içine çökmesini engellemek için düşünebildiği tek yol buydu.

Bazıları (Lemaître dahil) tarafından kendisine doğrudan işaret edildiğinde bile, Einstein, evrenin statik olmaktan başka bir şey olabileceği fikriyle alay etti. Einstein, Lemaître’nin çalışmasına cevaben “Hesaplamalarınız doğru, ama fiziğiniz iğrenç!” diye yazmıştır. Yine de Hubble’ın önemli gözlemleri geldiğinde, sonuçlar tartışmasızdı: Evren gerçekten genişliyordu ve statik bir çözümle tamamen tutarsızdı.

Forbes

Genişleyen bir evren, geçmişte daha küçük olan ve gelecekte daha büyük hacimleri kaplayacak şekilde büyüyen bir evrendir. Aynı zamanda geçmişte daha sıcaktır çünkü radyasyon, dalga boyunun boyutuyla tanımlanır. Evren genişledikçe bu genişleme galaksiler arası uzayda seyahat eden fotonların dalga boylarını uzatır ve bu uzama, evrenin soğuma miktarıyla ilişkilidir. Ayrıca evren geçmişte daha tekdüze bir yapıya sahiptir; kütleçekiminin etkisi altında, başlangıçtaki küçük yoğunluk farklılıkları bugün gözlemlediğimiz büyük ölçekli yapıya dönüşmüştür.

Elbette asıl soru, evrenin genişleme hızının zaman içinde nasıl değiştiğidir. Bu, evrende mevcut olan farklı enerji türlerine bağlıdır. Evrenin hacmi, içinde ne bulunduğuna bakılmaksızın büyümeye devam eder ancak büyüme hızı, evrenin hangi enerji türleriyle dolu olduğuna bağlı olarak değişir.

Şimdi, bu konuyu bazı örneklerle daha ayrıntılı inceleyelim.

Forbes

Eğer %100 maddeden oluşan bir evrenimiz olsaydı ve başka hiçbir şey içermeseydi, genişleme hızı zamanın yaklaşık ~$t⅔$ oranında artardı. Evrenin yaşını iki katına çıkardığınızda, boyutunuz (üç boyutun her birinde) %59 oranında büyürken hacminiz kabaca dört katına çıkardı.

Eğer tamamen radyasyondan oluşan bir evrenimiz olsaydı ve yine başka hiçbir şey içermeseydi, genişleme hızı zamanın yaklaşık ~$t½$oranında artardı. Evrenin yaşını iki katına çıkardığınızda, boyutunuz her bir boyutta %41 oranında büyürken hacim orijinal değerinin yaklaşık 2,8 katına çıkardı.

Eğer karanlık enerjiyle dolu bir evreniniz olsaydı -ve karanlık enerjinin gerçekten kozmolojik bir sabit olduğunu varsayarsak- evren, zamanla bir kuvvet yasasına göre değil, üstel bir şekilde genişlerdi. Bu durumda genişleme, yaklaşık ~$eHt$ oranında gerçekleşirdi; burada H, zamanın herhangi bir anındaki genişleme oranını ifade eder.

Görsel: Forbes, Görseli çeviren: Fatma Nur İnakçı

Neden bu üç durum birbirinden bu kadar farklı? En iyi düşünme şekli, hepsini aynı evrenden başlamış gibi düşünmektir. Hepsi aynı başlangıç genişleme hızına, aynı başlangıç hacmine ve bu hacim içinde aynı toplam enerji miktarına sahiptir.

Peki, genişlemeye başladıklarında ne olur?

• Maddeyle dolu bir evren seyrelir; hacim genişledikçe yoğunluğu düşer ve kütle (dolayısıyla $E=mc²$ nedeniyle enerji) sabit kalır. Enerji yoğunluğu düştükçe genişleme hızı da azalır.
• Radyasyonla dolu bir evren daha hızlı seyrelir; hacim genişledikçe yoğunluğu düşer, ancak her bir foton da kozmolojik kırmızıya kayma nedeniyle enerji kaybeder. Bu nedenle radyasyonla dolu bir evrenin enerji yoğunluğu, maddeyle dolu bir evrenden daha hızlı düşer ve genişleme hızı da buna bağlı olarak daha hızlı azalır.
• Ancak karanlık enerjiyle (bir kozmolojik sabit) dolu bir evren seyrelmez. Enerji yoğunluğu sabit kalır. Bu, kozmolojik sabitin tanımıdır. Evrenin hacmi genişledikçe toplam enerji miktarı artar ve genişleme hızı sabit kalır.

Görsel: Forbes, Görseli çeviren: Fatma Nur İnakçı

Eğer bu evrenlerin her birinde aynı noktada bulunduğunuzu ve evrenin içinde sizin bulunduğunuz noktadan farklı bir noktayı temsil eden yalnızca bir başka galaksi olduğunu hayal ederseniz bu galaksinin zamanla sizden uzaklaştığını gözlemleyebilirsiniz. Mesafesinin zamanla nasıl değiştiğini ölçebilir ve kırmızıya kaymasının (uzaklaşma hızına karşılık gelen) zamanla nasıl değiştiğini belirleyebilirsiniz.

• Maddeyle dolu evrende diğer galaksi zamanla sizden giderek daha uzaklaşır ancak bu süreçte sizden daha yavaş bir şekilde uzaklaşır. Kütleçekim genişlemeye karşı koymaya çalışır; tamamen durduramaz ama yavaşlatmayı başarır. Sadece maddeden oluşan bir evrende genişleme hızı düşmeye devam eder ve sonunda sıfıra yaklaşır.
• Radyasyonla dolu evrende diğer galaksi yine zamanla giderek daha uzaklaşır, ancak yalnızca daha yavaş bir şekilde uzaklaşmakla kalmaz, aynı zamanda bu yavaşlama maddeye dayalı durumdan daha hızlı gerçekleşir. Genişleme hızı yine sıfıra asimptotik olarak yaklaşır, ancak uzak galaksi daha yakın kalır ve madde dolu versiyondakinden daha yavaş uzaklaşır.
• Karanlık enerjiyle dolu evrende ise diğer galaksi giderek uzaklaşır ve bunu artan bir hızla yapar. Başlangıç mesafesinin iki katı uzaklıkta olduğunda, şimdi iki katı hızla uzaklaşıyor görünür. Mesafe 10 katına çıktığında ise uzaklaşma hızı 10 katına çıkar. Genişleme hızı sabit olmasına rağmen, herhangi bir galaksi bizden uzaklaştıkça zamanla hızı artar.

(Eğer merak ediyorsanız, bir sınır durumu vardır: yalnızca eğriliğin genişlemeyi belirlediği boş bir evren. Bu evrende diğer galaksi giderek uzaklaşır ancak uzaklaşma hızı sabit kalır.)

Forbes

Bugünkü genişleme hızı yaklaşık olarak 70 km/s/Mpc’dir. Bu garip birimlere bir bakalım! Genişleme hızı, kozmik mesafe ile biriken bir hızdır (70 km/s), ve bu mesafe birimi Mpc (megaparsek), yaklaşık 3.26 milyon ışık yılına denk gelir. Örneğin, bir nesne 10 Mpc uzaktaysa, yaklaşık 700 km/s $700km/s$hızla uzaklaşır; 1.000 Mpc uzaktaysa, 70.000 km/s hızla uzaklaşır.

Evrende madde ya da radyasyon baskın olduğunda, genişleme hızı zamanla azalır. Yani, bir galaksi daha uzaklaşsa bile, genişleme hızı mesafenin artış yüzdesinden daha hızlı bir şekilde yavaşlar. Ancak, karanlık enerji baskın bir evrende genişleme hızı sabittir. Bu durumda bir galaksi daha uzaklaştıkça, daha hızlı bir şekilde uzaklaşmaya devam eder.

Bugün evrenimizin enerji içeriğinin en büyük katkıları madde (%32) ve karanlık enerjiden (%68) gelir. Madde oranı zamanla azalırken, karanlık enerji oranı sabit kalır. Bu iki etken bir arada çalıştığı için genişleme hızı azalmaya devam eder ve sonunda yaklaşık 45-50 km/s/Mpc değerine ulaşır. Ancak, uzak galaksiler bizden uzaklaştıkça hızları artmaya devam eder. Bu süreç, 13.8 milyar yıllık evren tarihimizde son 6 milyar yıldır yaşanıyor. Yani, genişleme hızı azalırken, uzak galaksilerin hızlarındaki artış (veya ivmelenme) hâlâ devam ediyor.

Görsel: Forbes, Görseli çeviren: Fatma Nur İnakçı

Bu konuyu anlamanın temel anahtarı şudur: Evren genişlerken iki farklı şeyi ölçebiliriz. Birincisi, genişleme hızını ölçebiliriz. Bu, bir galaksi bizden her megaparsek uzaklaştığında, ne kadar hızlı hareket ettiğini bize söyler. Genişleme hızı, yani birim mesafe başına hız, evrendeki birim hacimde bulunan enerji miktarına bağlı olarak zamanla değişir. Evren genişledikçe, belirli bir hacimdeki karanlık enerjinin miktarı sabit kalır, ancak madde ve enerji yoğunlukları azalır. Bu nedenle genişleme hızı da azalır.

Ancak bir uzak galaksinin uzaklaşma hızını da ölçebilirsiniz. Karanlık enerjinin baskın olduğu bir evrende bu hız zamanla artar: bir ivmelenme. Genişleme hızı azalarak sabit (ama pozitif) bir değere yaklaşırken, uzaklaşma hızı artmaya devam eder ve genişleyen uzayın sonsuzluğuna doğru ivmelenir. Bu iki durum aynı anda gerçektir: Evren hızlanıyor ve genişleme hızı çok yavaş bir şekilde azalıyor. Ve nihayet, bunun nasıl gerçekleştiğini tam olarak anlamış oldunuz.