Kütleçekim Kilidi Nedir? Ay'ın Neden Hep Aynı Yüzünü Görüyoruz?

Kütleçekim kilidi (veya "senkronize dönüş"), bir gök cisminin yörüngesindeki dönüş hızının, kendi etrafındaki dönüş hızıyla aynı (veya neredeyse aynı) olması sonucu, yörüngesinde dolaştığı cisme hep aynı yüzünü göstermesi olayıdır. Örneğin B cismi, A cisminin yörüngesinde kütleçekim kilidi altında dönüyorsa, A'dan B'ye bakıldığında, B'nin her zaman aynı yüzü görünecektir ve bir yüz her zaman arkada kalıp, A'dan bakanlara görünmez olacaktır. Ancak B'den A'ya bakan biri, A'nın kendi etrafında farklı bir hızda dönüyor olmasından ötürü her yüzü görebilirler.

Bu kilitlenme olayı iki cisimden sadece küçük olanı etkileyebileceği gibi (yukarıdaki örnekte B cismi), eğer iki cismin kütlesi birbirine yakın veya eşitse, iki cismi aynı anda etkileyebilir. Yani A ve B isimli gök cisimleri örneğimizde, A'dan B'ye bakan kişi B'nin hep aynı yüzünü görürken, B'den A'ya bakan kişi de A'nın hep aynı yüzünü görecektir.

Kütleçekim kilidinin en bilindik örneği Dünya ile Ay arasındaki olsa da bu fiziksel olgu evrenseldir ve Güneş Sistemi'ndeki birçok gezegen-uydu ikilisinde görülür (muhtemelen Güneş Sistemi dışında da yaygın bir özelliktir).

Dünya ve Ay Arasında Kütleçekim Kilidi

Bunu anlayabilmek için, Dünya ve Ay'ı gözünüzün önünde canlandırabilirsiniz. Şimdi de Ay'ın, kendi ekseninde dönmeden, sadece Dünya'nın etrafında hareket ettiğini hayal edin (aşağıda, sağ taraftaki durum). Bu durumda, Ay'ın her tarafını görme şansımız olurdu; çünkü Dünya etrafında döndükçe farklı tarafları bize görünür hâle gelirdi. Benzer şekilde, kendi etrafında hiç dönmemek yerine, şu anki dönüş hızının 2 katı hızda dönerek Dünya etrafında turlasaydı da 360 derecelik görüntüsüne sahip olurduk. Ama Ay kendi etrafında ve Dünya etrafında öyle bir hızda dönüyor ki, onun her zaman aynı yüzünü görüyoruz (aşağıda, sol taraftaki durum).

Wikimedia

İşte buna neden olan şey, kütleçekim kilidi olgusudur. Örneğin, Ay'ın Dünya etrafında 1 tam turu da, kendi etrafında 1 tam turu da 27 gün sürer, bu da onun yalnızca tek bir yüzünü görmemize yol açar. Her ne kadar herhangi bir anda Ay'ın %50 kadarı görünür olsa da, hiçbir gök cisminin yörüngesi kusursuz olmadığı ve bazı yalpalamalar ("librasyonlar") ve paralaks etkisi bulunduğu için, Dünya'dan Ay'a yönelik yapılan yer gözlemlerinde Ay'ın sadece %50'sini değil, toplamda %59 kadarını görebilmekteyiz.

Kütleçekim kilidi nedeniyle Ay'ın hatalı bir şekilde "karanlık yüzü" (İng: "dark side of the Moon") şeklinde isimlendirilen, bizden uzak tarafa bakan, dolayısıyla göremediğimiz yüzü, 1959 yılında Sovyetler Birliği tarafından gönderilen Lunar 3 uzay aracından önce hiç görülmemişti. Ancak sonradan Ay'ın arka tarafına gönderilen gözlem araçları sayesinde artık Ay'ın 360 derecelik, tam bir haritasına sahibiz.

Kütleçekim Kilidinin Oluşum Süreci

Bu durum, başından beri geçerli değildi elbette. Ay'ın daha yeni oluştuğu dönemde, kendi ekseninde ve gezegenimiz etrafındaki dönüşünün Dünya'yla hiç uyumlu olmadığından neredeyse eminiz; ancak hangisinin daha hızlı hareket ettiğini henüz bilmiyoruz. Bu kilit, aşağıda izah edeceğimiz süreç sonucunda, Ay'ın oluşmasından sonraki 1.000 yıl kadar kısa bir süre içinde oldu.

Aralarında bulunan kısa mesafe, Dünya'nın devasa kütleçekiminin etkisiyle Ay'ın şeklinin "bozulmasına" ve biraz ovalleşmesine yol açtı; böylece kusursuz bir küre değil de, yassılaşmış bir küremsi (elipsoid) olmasına neden oldu. Örneğin aşağıdaki görselde yeşil olan elipsoidin Ay olduğunu düşünürsek, Dünya ekranın sağ veya sol tarafında hayal edilebilir. Görülebileceği gibi Ay, Dünya'nın olduğu yönde uzamıştır. İşte bu uzamaya gelgit çıkıntısı denir (gelgitler, kütleçekim kuvveti kaynaklı esnemelerdir).^[1] Bu çıkıntılar astronomik ölçekte oldukça küçüktür; ancak yine de Ay nedeniyle Dünya yüzeyi 40 santimetre kadar yükselmektedir!^[2]

Wikimedia

Kırmızı çizgi, Ay'ın ana eksenidir. Ay'ın kendi etrafındaki dönüşüne bağlı olarak bu eksenden sapma olur. Ancak bu sapma her yaşandığında, kütçekim etkisinin gelgit çıkıntıları üzerine daha fazla etki etmesinden ötürü, Ay'ın şeklini düzeltici bir tork (dönme momenti) oluşur. İşte bu tork, küçük cismin dönüşünü senkronizasyon noktasına dek, yani kütleçekim kilidi oluşana dek yavaşlatmaktadır.

Bu süreç, şöyle yaşanır: Henüz Ay Dünya ile kütleçekim kilidine girmemişken, bu gelgit çıkıntıları yörünge hareketi nedeniyle yüzey boyunca yer değiştirir. Her durumda iki çıkıntıdan biri, Dünya'ya daha yakın olacaktır.

Ancak Ay'ın jeolojisi (yani Ay'ı oluşturan malzeme), üzerine binen ve şeklini değiştirmeye çalışan kuvvete direnç gösterecektir. Ne var ki bu direncin şekli düzeltmesi anlık olarak yaşanmaz, belli bir süre alır. İşte bu süre zarfında çıkıntılar, Ay'ın dönme hızı nedeniyle çoktan yer değiştirmişlerdir. Yukarıdaki görselde Ay ile Dünya arasındaki ana ekseni gösteren kırmızı çizgiye, görselde olduğu gibi yukarıdan bakacak olursak, çıkıntıların görseldeki gibi ana eksenden kaymış olduğunu görürdük.

İşte bu kaymadan doğan kütleçekim farkı, her zaman düzeltici bir rol oynamaktadır: Eğer Ay'ın kendi etrafındaki dönüşü, Dünya etrafındaki dönüşünden daha hızlıysa, gelgit çıkıntıları ana eksende (Ay'ın dönme yönünde) öne geçmiş olurdu ve dolayısıyla torkun etkisi yavaşlatma yönünde olurdu. Ancak Ay'ın kendi etrafındaki dönüşü Dünya etrafındaki dönüşünden daha yavaşsa, bu çıkıntılar ana eksende geride kalmış olurdu ve bu defa tork, Ay'ın dönüşünü hızlandırıcı bir etkiye sahip olurdu. Böylece tork, her zaman kütleçekim kilidine zorlayan bir etkiye sahip olurdu.

Bu arada bu yassılaşma Ay'ın iki tarafında da olsa da, bu çıkıntılardan sadece 1 tanesi Dünya'ya daha yakın olduğu için, o çıkıntı üzerindeki kuvvet, arka taraftaki çıkıntıya göre daha büyük olacaktır. Zaten bu kuvvetler farkının birbirini götürüp de net olarak sıfır tork uygulamak yerine, bir miktar net tork uygulaması bundandır.

Elbette, Dünya-Ay sisteminin (veya herhangi iki gök cisminin) toplam açısal momentumu korunmak zorundadır. Dolayısıyla Ay daha hızlıysa ve sonradan yavaşladıysa, rotasyonel açısal momentum kaybediyor demektir. Bunu dengelemek için, Ay'ın yörüngesel açısal momentumu artar ve buna bağlı olarak Ay, Dünya'dan uzaklaşır. Eğer tork, Ay'ı hızlandıracak şekilde çalışıyorsa, bu defa Ay bu momentum değişimini dengelemek için Dünya'ya yaklaşırdı.

Wikimedia

Yörünge Değişimleri

Günümüzde Ay'ın Dünya'dan uzaklaşmasının nedeni de kütleçekim kilidinin etkisidir; ancak bu torkun kendi yavaşlatıcı etkisi değildir, çünkü Ay ile Dünya sistemi çoktan kütleçekim kilidi dengesi haline ulaşmıştır. Ancak bu kütleçekim kilidinin sürdürülebilmesi için Dünya, Ay'a bir miktar enerji kaybetmektedir ve bu enerji, Ay'ın her yıl 3.78 santimetre civarında Dünya'dan uzaklaşmasına neden olmaktadır. Bu konuda daha fazla bilgiyi buradan alabilirsiniz.

Büyük Cismin Kilitlenmesi

Elbette tıpkı Dünya'nın Ay'ı etkilemesi gibi, Ay da Dünya'yı etkilemektedir. Şu anda Ay'dan Dünya'ya bakan biri, Dünya'nın her yüzünü görebilir; çünkü Dünya kendi etrafında, Ay'ın Dünya etrafında (dolayısıyla Dünya'nın Ay etrafında) dönüşünden çok daha hızlı dönmektedir: "Dünya, Ay etrafında" 1 kez dönene kadar kendi etrafında 27 kez dönmektedir.

Yukarıda öğrendiklerimiz ışığında, Ay'ın Dünya üzerindeki gelgit etkisinin bu farkı azaltacak yönde işleyeceğini görebilirsiniz. Yani Ay, Dünya'yı giderek yavaşlatmaya çalışmaktadır. Bu yavaşlamanın etkisini jeolojik kayıtta ölçmemiz mümkündür.^[3] Bu etkileşime bağlı olarak Dünya'nın kendi etrafındaki dönüşü, son 4.5 milyar yıl içinde, 6 saat gibi oldukça yüksek bir hızdan, bugün aşina olduğumuz 24 saate kadar uzamıştır ve her yüzyılda 2.3 milisaniye civarında yavaşlamaya devam etmektedir.^[4]

Eğer yeterince süre tanınacak olursa, Dünya da Ay ile kütleçekim kilidine girecektir ve böylece Ay'dan Dünya'ya bakan biri de Dünya'nın hep aynı yüzünü görecektir. Ne var ki bu olana kadar Güneş çoktan bir kızıl deve dönüşüp Dünya'yı yok edeceği için, Dünya'nın Ay kütleçekim kilidine girdiği bir günü hiçbir zaman göremeyeceğiz.

Kütleçekim Kilidine Diğer Örnekler

İkili Kütleçekim Kilidi: Plüton ve Charon

Ancak bu şekilde uydusuyla kütleçekim kilidine girmiş bir cismi Güneş Sistemi'mizde bile görebiliyoruz: Cüce gezegen Plüton ve uydusu Charon!

Bu iki cismin her ikisi de benzer büyüklükte olduğundan ve birbirlerine daha yakın olduklarından, iki gök cismi de birbirine kütleçekimsel olarak kilitlenmiş durumdadır. Yani ikisi de birbirinin tek bir yüzünü görebilmektedir.^[5]

Güneş ve Mars?

Bir süre öncesine kadar Merkür'ün dönüş hızının da Güneş'le uyumlu olduğu düşünülüyordu; çünkü ne zaman gözlemlenecek durumda olsa aynı tarafın göründüğü sanılıyordu. 1965'te yapılan radar gözlemleri ise Merkür'ün 3:2 dönüş rezonansına sahip olduğunu, yani Güneş'in etrafında her iki dönüşünde kendi ekseninde üçüncü dönüşünü tamamladığını gösterdi.

Space

Evren'in Her Yerindeki Kütleçekim Kilidi!

Bilim insanları, evrendeki birçok ikili yıldızların kütleçekimsel olarak birbirleriyle ''kilitlenmiş'' olması gerektiğini tahmin ediyorlar. Yani bu örnekler, Güneş Sistemimizle sınırlanmıyor.

Tau Boötis'in bu konuda sıra dışı bir örnek olduğu söylenebilir: bizden yaklaşık 51 ışık yılı uzakta olan bu yıldız, bir gezegen tarafından ''kilitlenmiş'' durumdadır. Keşfedilen yaklaşık bin ötegezegenden bazılarının yıldızlarına kilitlenmiş olduğuna dair kanıtlar da mevcuttur. Zarmina, gezegenimizden 20,5 ışık yılı uzaklıkta, Gliese 581 sisteminde bulunduğu düşünülen bir ötegezegendir. Suyu ve yaşamı barındırma olasılığı yüksek olan ve Dünya'ya çok benzediği söylenen bu ötegezegenin de dönüş hızı kendi yıldızına uyum sağlamış durumdadır.

Senkronize Yörünge

Kütleçekim kilidi ile benzer olan, sıkça birbirine karıştırılan ama aynı olmayan bir diğer kavram ise senkronize yörünge kavramıdır. Bu yörünge, bir cismin bir gezegen etrafındaki dönüşünün, o gezegenin kendi etrafındaki dönüş hızıyla aynı olduğu noktadır.

Bu tanım kütleçekim kilidinin tanımıyla benzer olsa da, aynı olmadığına (hatta oldukça farklı şeylere işaret ettiğine) dikkat etmek önemlidir: Ay, Dünya ile kütleçekim kilidi hâlindedir; ancak senkronize bir yörüngede değildir.^[6] Çünkü Ay'ın kendi etrafındaki 1 tam tur dönüşü, Dünya'nın kendi etrafındaki 1 tam tur dönüşüyle aynı hızda yaşanmaz. Ay, kendi etrafında 1 tam tur atana kadar, Dünya kendi etrafında 27 tur atar. Buna bağlı olarak Ay, Dünya'da hep farklı noktalardan doğar ve batar. Dolayısıyla bir noktada durup Ay'ın doğup battığı noktaları takip etseydik, her gece birazcık kaydığını görürdük.

Yine de senkronize yörüngeler, yapay uydular (özellikle de telekomünikasyon ve gözlem uyduları) için müthiş önemlidir. Eğer herhangi bir coğrafyayı veya bir gezegen/uydu üzerindeki tek bir bölgeyi sürekli olarak gözlemek (örneğin telekomünikasyon amacıyla bunu isteyebilirsiniz) ama gök cisminin dönüş hızını yakalamak için yakıt tüketmek istemiyorsanız, jeo-durgun yörünge (İng: "geostationary orbit") adı verilen bir yörüngede bulunmanız gerekmektedir. Bu yörünge, uydunuzun gezegen etrafındaki dönüşünün, gezegenin dönüşüyle aynı hızda olacağı oluşturacağı noktadır.

Bu mesafeyi bulmak için, aşağıdaki formül kullanılır:

$R_{\text{S.Y.}}=\sqrt[3]{\frac{G(m_2)T^2}{4{\pi }^2}}$

Burada $G=6.674\times 10^{-11}{m}^3\cdot k{g}^{-1}\cdot s^{-2}$ olarak verilen evrensel kütleçekim sabitidir. $m_2$, etrafındaki jeo-durgun yörüngeyi bulmak istediğiniz cismin kütlesidir. $T$, aynı gök cisminin kendi etrafındaki rotasyon periyodudur.

Örneğin Dünya için $m_2=5.97237\times 10^{24}kg$, rotasyon periyodu ise 0.99726968 gündür. Bu sayıları yerine koyacak olursanız, Dünya'nın jeo-durgun yörüngesinin 35.786 kilometre uzakta olduğu görülür. Ay ise Dünya'dan 384.400 kilometre uzaktadır. Görülebileceği üzere Ay, Dünya'nın jeo-durgun yörüngesinden çok daha uzaktadır. Bu, kütleçekim kilidi altında olması için bir engel teşkil etmez. Ay'ın görünmeyen bir tarafının olması, jeo-durgun yörüngeden değil, kütleçekim kilidinden kaynaklanmaktadır.

Bu kafa karışıklığının bir nedeni, "senkronize yörünge" ile "senkronize rotasyon" terimlerinin benzerliğidir. Senkronize yörünge, jeo-durgun yörünge gibi yörüngelere işaret etmek için kullanılırken, senkronize rotasyon kütleçekim kilidinin diğer ismidir.

Sonuç

Görülebileceği gibi kütleçekim kilidi, gezegensel astronominin en önemli olgularından biridir. Hatta bir zamanlar kütleçekim kilidinin, gezegenler üzerinde herhangi bir yaşam olasılığını ortadan kaldıracak kadar uç iklimlere yol açtığı da düşünülüyordu.

Fakat bilim insanları, atmosferin ve rüzgarların bu etkileri azaltarak ılıman iklimlerin ve yaşamın olmasını sağlayacağını gördüler. Bu konuda yapılan çalışmalar, atmosferin ısıyı gece tarafına taşıyabileceğini, bu sayede bu durumun görüldüğü gezegenlerde havanın donup kaybolmadığını göstermiştir. Dolayısıyla araştırmacıların kütleçekim kilidinin gezegenlerdeki yaşamı tehdit ettiği konusundaki endişeleri azalmış durumdadır. Hatta Washington Üniversitesi'nde astronom olan Rory Barnes, NASA'nın keşfedeceği potansiyel olarak yaşanabilir gezegenlerin büyük ihtimalle bu durumda olabileceğini söylemektedir.

Kütleçekim kilidinin ve dinamiklerinin daha iyi anladıkça, gezegen ve uyduların birbiriyle ve hatta yıldızlarıyla ilişkisini daha da iyi anlayacağız.