Işıkta Doppler Etkisi: Kırmızıya Kayma Nedir? Maviye Kayma Nedir? Uzak Mesafeler Kat Eden Işık, Neden Renk Değiştirir?

Kırmızıya kayma, uzaydaki yıldızlar veya galaksiler gibi nesnelerden saçılan ışığın, bize ulaşana dek daha uzun, dolayısıyla daha kırmızı renklere karşılık gelen dalga boylarına kaymasına verilen isimdir. Maviye kayma ise, bir kaynaktan çıkan ışığın, kat ettiği mesafe boyunca yolun daralmasına bağlı olarak daha kısa, yani daha mavi dalga boylarına kaymasıdır. Kızıla kayma kavramı, evrenin genişlemesini gösteren önemli bir ipucudur.

Görünür ışık, gökkuşağına bakan herkesin fark edebileceği bir renk tayfından ("spektrum") oluşur. Bir nesne bizden uzaklaştığında, ondan saçılan ışığın dalga boyu uzar ve ışık, spektrumun kırmızı ucuna kayar. Bir nesne bize yaklaşırsa, ışığın dalga boyu kısalır ve ışık, spektrumun mavi ucuna kayar.

Bunu daha net bir şekilde düşünmek için, bir polis arabasının yolda yanınızdan hızla geçerken polis sirenini dinlediğinizi hayal edebilirsiniz. Avrupa Uzay Ajansı şöyle açıklıyor:

Herkes, yaklaşan bir polis sireninin sesinin artan perdesine ve araba geçip giderken bu ses perdesinin nasıl keskin bir şekilde azaldığına tanıklık etmiştir. Bu etki, ses dalgalarının dinleyiciye yaklaştıkça dinleyicinin kulağına birbirlerine yakınlaşarak ve kaynak uzaklaştıkça birbirlerinden uzaklaşarak ulaşmasının bir sonucudur.

Ses ve Işık

Bu etki, ilk olarak 19. yüzyılda Christian Andreas Doppler tarafından tanımlanmıştır ve "Doppler Etkisi" olarak adlandırılmıştır. Ayrıca ışık da dalga boyları olarak açığa çıktığından, bu dalga boyları ilişkili oldukları pozisyona ve objelere bağlı olarak genişleyebilir ve daralabilir. Bununla birlikte, Avrupa Uzay Ajansı'nın da belirttiği gibi, biz bunu günlük hayatta fark edemeyiz; çünkü ışık ses hızından yaklaşık bir milyon kat kadar daha hızlı bir şekilde yayılır.

Amerikalı gök bilimci Edwin Hubble (Hubble Uzay Teleskopu'na adını veren kişi), kırmızıya kaymayı tanımlayan ve bunu evrenin genişlemesi ile ilişkilendiren ilk kişidir. NASA'nın belirttiğine göre Hubble'ın 1929'da ortaya koyduğu çalışmalar, gözlemlediği neredeyse tüm galaksilerin bizden uzaklaştığını göstermektedir. NASA, şöyle anlatıyor:

Bu fenomen, galaksi spektrumlarının kırmızıya kayması olarak açığa çıkar. Bu kırmızıya kayma; soluk, muhtemelen daha uzaktaki galaksiler için daha belirgin olarak gözükmektedir. Dolayısıyla, Dünya'dan çok uzaktaki bir galaksi daha hızlı uzaklaşmaktadır.

Galaksiler Dünya'dan uzaklaşır; çünkü evrenin kendisi genişlemektedir. Galaksiler hareket halinde olduğundan, evren büyüdükçe bir kırmızıya kayma fenomeni meydana gelmektedir. Burada anlaşılması gereken kritik bir nokta, galaksilerin kendilerinin birbirinden uzaklaşması değil, galaksi kümelerinin birbirinden uzaklaşmasıdır. Aynı küme içerisinde yer alan Andromeda ile Samanyolu galaksileri birbiriyle 4.5 milyar yıl içinde çarpışacak şekilde yakınlaşırken, daha uzak galaksiler Samanyolu'ndan giderek uzaklaşmaktadır.

Kırmızıya kayma ve maviye kayma terimleri, radyo dalgaları, kızılötesi, ultraviyole, X ışınları ve gama ışınları dahil olmak üzere elektromanyetik spektrumun herhangi bir bölümü için geçerlidir. Dolayısıyla radyo dalgaları spektrumun ultraviyole kısmına kaydırılırsa, bu dalgaların maviye veya daha yüksek frekanslara kaydığı tanımı yapılır. Gama ışınlarının radyo dalgalarına kayması daha düşük frekansa geçiş veya kırmızıya kayma anlamına gelir.

Bir nesnenin kırmızıya kayması, spektrumdaki soğurma veya emisyon çizgileri incelenerek ölçülür. Bu çizgiler her öge için özeldir ve her zaman aynı boşluk değerine sahiptir. Uzaydaki bir nesne bize yaklaştığında veya bizden uzaklaştığında, çizgiler nesne hareket etmiyorsa (bize göre) asıl olduklarından farklı dalga boylarında bulunabilir.

Kırmızıya kayma, ışığın dalga boyundaki değişikliğin, kaynak hareket etmiyorken ışığın sahip olacağı dalga boyuna bölünmesi olarak tanımlanır ve bu dinlenme dalga boyu olarak adlandırılır.

Üç Çeşit Kırmızıya Kayma

Evrende en az üç çeşit kırmızıya kayma meydana gelir:

• evrenin genişlemesiyle,
• galaksilerin birbirlerine göre hareketiyle,
• bir galaksinin içindeki muazzam miktarda maddeden dolayı ışık kaydığında meydana gelen "kütleçekimsel kırmızıya kayma" ile.

Günümüzde, cisimler bizden uzaklaşıyorlarsa, onlardan gelen ışığın da Doppler Etkisi'nden ötürü kırmızıya kayabileceğini biliriz. Bu sebeple, galaksilerden gelen ışığın kırmızıya kaymasına bakarak, bu galaksilerin bizden uzaklaştığını ileri süreriz. 

Ancak kırmızıya kayma, uzayın kendi genişlemesinden de kaynaklanabilir! Yani aslında uzay genişler, galaksiler uzay içerisinde hareket ederek bizden uzaklaşmazlar. İlk tür kırmızıya kayma Özel Görelilik Teorisi'nin bir özelliğidir ve uzaydaki cisimlerin hareketinden kaynaklanır. İkinci tür ise Genel Görelilik Teorisi'nin bir özelliğidir, uzayın genişlemesinden kaynaklanır.

İki etki de uzak galaksilerden gelen ışığın kırmızıya kaymasına neden olduğundan, bir kırmızıya kayma olayının relatif hareketten değil de, kozmik genişlemeden kaynaklandığını nereden bileceğiz? 

Eğer ki kırmızıya kayma, cisimlerin birbirine göre hareketinden kaynaklanıyorsa, uzak galaksilerden gelen ışık, galaksiyi terk ederken kırmızıya kayar; dolayısıyla ışık bize ulaştığında aynı zamanda soluk da olur. Eğer ki kırmızıya kayma kozmik genişlemeden kaynaklanıyorsa, ışık o uzak galaksiyi kırmızıya kayma gerçekleşmeden terk eder, dolayısıyla soluklaşmaz. Ancak sonradan, uzayın genişlemesinden ötürü kırmızıya kayarak bize ulaşır. Bu da, uzaktaki süpernovalardan gelen ışıkların parlaklığını birbiriyle kıyaslayarak şiddet-kırmızıya kayma ilişkisi olarak bilinen değeri hesaplayabilirsiniz. Araştırdığımız zaman gördüğümüz şey, bu ilişkinin kozmik genişlemeyle harika bir şekilde uyumlu olduğudur. Bu değer, göreceli hareket modeliyle tamamen uyumsuzdur.

Kırmızıya Kaymanın 3. Yolu

Son kırmızıya kayma, üçü arasından en düşük olanıdır; ancak 2011'de bilim insanları onu evren ölçeğinde tanımlayabildiler. Gök bilimciler, Sloan Dijital Gökyüzü Araştırması olarak bilinen geniş bir kataloğun istatiksel bir analizini yaptılar ve kütleçekimsel kırmızıya kaymanın, Einstein'ın genel görelilik teorisine tam olarak paralel gerçekleştiğini fark ettiler.^[1] O zamanlar Kopenhag Üniversitesi astrofizikçisi olan Radek Wojtak şöyle anlatıyor:

Küme kütlelerinin bağımsız ölçümlerine sahibiz, böylece genel göreliliğe dayalı kütleçekimsel kırmızıya kayma beklentisinin ne olduğunu hesaplayabiliriz. Bu etkinin ölçümlerine tam olarak uyuyor.

Kütleçekimsel kırmızıya kaymanın ilk tespiti 1959'da bilim insanlarının Dünya merkezli bir laboratuvardan yayılan gama ışını dalgalarında meydana geldiğin tespit ettiklerinde yapıldı. 2011'den önce, Güneş'te ve Güneş'in yakınlarındaki beyaz cüce gezegenlerde veya Güneş büyüklüğündeki yıldızların yaşamlarının sonlarına doğru nükleer füzyonu durdurduklarında arda kalan ölü yıldızlarda da bulundu.

Kırmızıya Kaymanın Dikkate Değer Kullanımları

Kırmızıya kayma, gök bilimcilerin uzaktaki nesnelerin mesafelerini karşılaştırmasına yardımcı olur. 2011'de bilim insanları şimdiye kadar karşılaşılan en uzak nesneyi tespit ettiklerini açıkladılar: patlayan bir yıldızdan çıkan GRB 090429B adlı gama ışını patlaması. Bilim insanları, patlamanın 13,14 milyar yıl önce gerçekleştiğini tahmin ediyordu. Daha kolay bir karşılaştırma için Büyük Patlama'nın 13,8 milyar yıl önce gerçekleştiği söylenebilir. Bilim insanları, bu kırmızıya kayma miktarını belirlemek için spektral çizgilerin durgun haldeki ve gözlenen versiyonları arasındaki farka bakarlar. Buna bağlı olarak kırmızıya kayma miktarı ($z$) şöyle hesaplanır:

$z=\frac{{\lambda }_{\text{go¨zlenen}}-{\lambda }_{\text{durgun}}}{{\lambda }_{\text{durgun}}}$

Buradan yola çıkarak, kırmızıya kayma miktarı ile ışığın teleskobumuza ulaşana dek geçen süreyi ve gözlemi yaptığımız anda cismin bizden ne kadar uzak olduğunu aşağıdaki gibi bir tabloyla belirleyebiliriz:^[2]

Bilinen en uzak gök ada GN-z11'dir. 2016 yılında Hubble Uzay Teleskopu, bu gök adanın Büyük Patlama'dan sadece birkaç yüz milyon yıl sonra var olduğunu belirledi. Bilim insanları gök adanın ışığının evrenin genişlemesinden ne kadar etkilendiğini görmek için GN-z11'in kırmızıya kaymasını ölçtüler. GN-z11'in kırmızıya kayması 11,1'di. Bu, EGSY8p7 galaksisinde ölçülen 8.68'lik bir sonraki en yüksek kırmızıya kayma değerinden çok daha yüksekti.

Bilim insanları evrenin büyük ölçekte nasıl yapılandığını ölçmek için kırmızıya kaymayı kullanabilir. Bunun bir örneği, evrende bilinen en büyük cisimlerden birisi olan Hercules-Corona Borealis Great Wall'dır; ışığın bu yapının üzerinden geçmesi yaklaşık 10 milyar yıl sürmektedir. Sloan Dijital Gökyüzü Araştırması, birkaç milyon nesnenin kırmızıya kaymalarını ölçmeye çalışan, devam eden bir kırmızıya kayma projesidir. İlk kırmızıya kayma araştırması, ilk veri toplamasını 1982'de tamamlayan Cfa RedShift Araştırması'dır.

Yeni ortaya çıkan bir araştırma alanı, büyük bir cisim hızlandığında veya yavaşlatıldığında meydana gelen ve uzay-zamanda bozulmalara sebep olan yerçekimi dalgalarından kırmızıya kayma bilgisinin nasıl elde edileceği ile ilgilenir. Einstein ilk olarak 1916'da yerçekimi dalgalarının varlığını öne sürmüştür ve Lazer İnterferometre Yerçekimi-Dalga Gözlemevi (LIGO) bunları ilk olarak 2016'da tespit etmiştir. Physical Review X dergisindeki 2014 tarihli bir makaleye göre yerçekimi dalgaları kırmızıya kaymış kütlelerini gösteren bir sinyal içerdiklerinden, kırmızıya kaymalarını elde etmek için bazı hesaplamalar ve tahminler gerekir.^[3]