Uzak Galaksiler Işık Hızından Hızlı Hareket Edebilir mi?

Eğer uzak Evren'i incelerseniz; milyonlarca, milyarlarca, hatta on milyarlarca ışık yılı uzakta galaksilere rastlayacaksınız. Ortalama olarak, galaksinin size olan uzaklığı arttıkça sizden uzaklaşma hızı da artacaktır. Galaksinin içerisinde mevcut olan yıldızların renklerine veya galaksinin kendisine özgü olan emilim (absorbsiyon) ve yayılım (emisyon) çizgilerine bakıldığında, yıldızlarının renklerinin sistematik olarak kırmızıya kaydığı görülür.

Sonuç olarak, bizden çok uzakta olan galaksilerden gelen ışıkları o kadar şiddetli şekilde kırmızıya kaymış olarak göreceğiz ki galaksinin uzaklaşma hızı; ışık hızına gittikçe yaklaşacak, ışık hızına ulaşacak ve hatta belli bir mesafeye ulaştıktan sonra, ışık hızını aşacak. Gözlemlerimiz, sizi Görelilik Teorisi, fizik ve Evren hakkında bildiğimiz her şeyi sorgulamaya itebilir; ancak gördüğünüz şey gerçek - bu kırmızıya kaymalar ve anlattıkları şey, tamamıyla gerçek: Uzak galaksiler, gerçekten de bizden ışık hızından hızlı uzaklaşıyor!^[1]

Twin Paradox

Işık Hızı Sınırını Doğru Anlamak...

Görelilik fikri pek çok insanın anladığını düşündüğü bir şey, ancak dikkatli olmak önemli; çünkü Einstein'in teorisini yanlış anlamak çok kolaydır. Evet, Evren'de nesneler için nihai bir hız olduğu doğru: "Işık hızı" denen bu hız, boşlukta 299.792.458 m/s. Sadece kütlesi olmayan tanecikler bu hızda hareket edebilir; gerçek bir kütlesi olan her şey bu hızdan daha küçük hızlarda hareket etmek zorundadır.^[1]

Ancak, "ışık hızıyla sınırlandırılmış olmak" hakkında konuştuğumuz zaman, hepimizin fark edemediği bir varsayım yapıyoruz: Uzay-zamanda bir başka nesneyle aynı olay içinde olup da hareket eden bir nesneden bahsediyoruz: Bu, onların aynı anda, uzayda aynı konumda oldukları anlamına geliyor. Eğer birbirinden farklı uzay-zaman koordinatlarına sahip iki nesnemiz varsa, kesinlikle göz ardı edemeyeceğimiz bir diğer faktör daha var.

NASA

Evren, Statik Değildir!

Anlık olarak bulunduğunuz uzay-zaman konumuna bağlı olarak gerçekleşen özel göreli harekete ek olarak, yalnızca Genel Görelilik açısından düşündüğünüzde ortaya çıkan bir etki: uzay-zamanın bükülmesi ve evrimi.

Özel Görelilik; bükülmemiş, statik boşluk ile ilgiliyken, gerçekte Evren içerisinde madde ve enerji bulunur. Madde ve enerjinin varlığı, uzay-zamanda bulunan nesnelerin statik ve stabil olamayacağı ve uzaydaki konumlarının uzay-zaman dokusu değiştikçe değişeceği anlamına gelir.

Bir yıldız veya kara delik gibi büyük bir kütlenin etrafında olduğumuzu varsayalım. Bu durumda uzay-zaman dokusu bükülecek ve bizler, kütleye doğru ivmelendiğimizi hissedeceğiz. Bu durum, uzay dokusuna göre bir hareketin olmadığı anlarda bile görülebilir. Uzay, adeta kendi akışıyla birlikte bütün nesneleri de sürükleyen bir nehir gibi davranır.

Kabaca tek tip bir maddeyle dolu bir Evren'de, özellikle büyük ölçekte, uzay-zamanda görülen değişiklikler, bütün Gözlenebilir Evren'de geçerlidir. Özellikle, homojen ve izotropik (bütün yönlerde aynı) bir Evren statik kalamaz, ya genişlemek ya da küçülmek zorundadır.

Alexander Friedmann 1922'de bu teoriyi işaret eden denklemleri bulduğunda fazla ilgi gösterilmemişti. Beş yıl sonra, Georges Lemaitre tamamen bağımsız olarak aynı sonuçları bulduğunda, çalışmalarını Albert Einstein'a gönderdi. Einstein, çalışmayı incelemiş ve bir hata bulamamıştı; fakat araştırmanın sonucunu şöyle diyerek reddetmişti:

Hesaplamalarınız doğru; ama fiziğiniz berbat!

Ancak Friedmann'ın fiziğinin "berbat" olması bir yana dursun; tam tersine, Evren'in sırlarını çözebilecek olan anahtardı!

Spektroskopi Sayesinde Galaksi Mesafelerini Hesaplayabiliriz!

Bu olaylarla eş zamanlı olarak, 1910-1920, astronomlar uzak nesneler hakkında iki kilit ölçümü yapabilecekleri teknik kapasiteye erişmişlerdi.

1. Spektroskopi tekniği yardımıyla bir nesneden gelen ışığı farklı dalga boylarına göre kıran astronomlar, belirli atomların varlığını kesin olarak saptayabiliyorlardı. Astronomlar, belirli dalga boylarında oluşan absorbsiyon ve emisyon çizgilerinin kayan sistematik değişiminden yola çıkarak uzak bir nesnenin toplam maviye veya kırmızıya kaymasını hesaplayabiliyorlardı.
2. Astronomlar, uzak bir nesnenin nesne hakkındaki karakteristik özelliklerini taşıyan belirli özelliklerini tanımlayarak o nesnenin uzaklığını anlayabiliyorlardı. Bu karakteristik özelliklere örnek olarak bir yıldızın karakteristik parlaklığı, bir galaksinin gerçek boyutu veya görünür parlaklığı gibi özellikler verilebilir.

Vesto Slipher (1917)

Bir Galaksi Ne Kadar Uzaksa, Bizden O Kadar Hızlı Uzaklaşır!

Bilim insanlarının 1920'li yılların sonuna doğru uygulamaya başladığı bu iki gözlem yöntemini kullanan bilim insanları, bir kural bulmuşlardı: Bu kurala göre, galaksinin uzaklığı arttıkça kızıla kayma oranının daha yüksek olduğu ölçülmüştü.

Özel olarak, ortaya çıkan fazladan kırmızı veya maviye kaymalar daima mesafeden bağımsızdır ve saniyede onlarca ile binlerce kilometre arasında değişen hızlara karşılık gelirler; ancak bundan daha hızlı değildirler. Ancak baktığınız galaksinin iki katı kadar uzaktaki galaksileri incelediğiniz zaman kızıla kayma miktarlarının da yakındakilere göre iki kat daha fazla olduğu görülür. Aradaki mesafenin on kat daha fazla olduğu senaryolarda kızıla kayma da on kat daha fazladır. Bu durum bakmak istediğimiz galaksinin uzaklığıyla orantılı olarak milyarlarca ışık yılı uzaktaki galaksilere kadar devam eder.

Robert P. Kirshner (Sağdaki grafik) ve Edwin Hubble (Soldaki grafik)

Hubble-Lemaitre Yasası Ne Söyler?

Görüldüğü üzere, ölçülen kızıla kayma ve uzaklık arasındaki ilişki, sıra dışı uzaklıklar için de görülmeye devam eder. Uzaklık-kızıla kayma ilişkisi, yakın dönemde Hubble-Lemaitre Yasası olarak değiştirilene kadar, uzun bir dönem boyunca Hubble Yasası olarak bilindi. Ancak Hubble konuyla ilgili çalışmasını yayınlayana kadar, hem Lemaitre hem de Howard Robertson tarafından birbirlerinden bağımsız olarak keşfedilmişti. Bulunan bu bağlantı, astronomi tarihinde keşfedilmiş en önemli deneysel bağlantılardan birisi oldu.

Bu bağlantı, her nesnenin karakteristik kırmızı veya maviye kayma oranını göz önünde bulundurarak her nesnenin kırmızıya(veya maviye) kaymasına ek iki nokta olduğu şeklinde yorumlandı:

1. Evren'in genel genişlemesinden kaynaklanan bileşen (yani kırmızıya kayma-mesafe ilişkisi), özellikle büyük mesafelerde kırmızıya kaymanın çoğundan sorumluydu.
2. Her galaksinin uzay boyunca kendi hareketinden kaynaklanan ve ana eğilim çizgisinde düzensizlikleri açıklayan bileşen, genişleyen uzay dokusuna göre özel göreli hareketten kaynaklanıyordu.

Cosmography of the Local Universe

Kırmızıya ve Maviye Kaymanın Farklı Versiyonları

Özel göreli hareketleri anlamak kolaydır. Bir dondurma kamyonunun sesinin dalga boyundaki kaymaya benzer şekilde, ışığın dalga boyunda bir kaymaya neden olurlar. Size doğru yaklaşan bir dondurma kamyonunun sesi sıkıştırılmış, daha yüksek perdeden olacaktır. Işık için bu durum maviye kaymaya benzetilebilir. Sizden uzaklaştığı durumda ise dalga tepeleri arasındaki mesafe artacaktır. Bu ise sesin daha düşük perdeden duyulmasına neden olacaktır, tıpkı kırmızıya kayma gibi.^[1]

Ancak uzayın genişlemesi özellikle geniş ölçekte düşünüldüğünde çok daha önemli bir rol daha oynar. Uzay dokusunu oyun hamuru ve galaksiler gibi kütlesel olarak yoğun nesneleri üzüm taneleri gibi hayal edecek olursanız, her bir üzüm tanesi yakınındaki diğer üzümlerden tüm yönlerde yavaşça uzaklaşıyor gibi gözükecektir. Üzüm taneleri oyun hamuruna göre hareket etmese de üzüm taneleri arasındaki uzaklık arttıkça birbirlerinden daha hızlı uzaklaşacaklardır. Oyun hamuru tam olarak uzay dokusu gibi genişleyecektir ve gözlemleyebileceğimiz tek şey, genel kızıla kayma olacaktır.

Eğer genişleme oranını hesaplayacak olursanız sonucunuzun birim uzaklık başına hız cinsinden ifade edildiğini göreceksiniz. Örneğin, kozmik mesafe merdiveni yardımıyla, 73 km/s/Mpc olan genişleme hızı olan $H_0$ değerini elde ederiz. (Bir Mpc veya "megaparsek", yaklaşık olarak 3,26 milyon ışık yılıdır). Kozmik mikrodalga arka plan ışıması veya büyük ölçekli yapıların özelliklerini kullanmak da az önceki sayıya yakın, ancak biraz daha küçük bir değer bulmamızı sağlar: 67 km/s/Mpc.

İki şekilde de bir galaksinin görünen hızının ışık hızını aştığı kritik bir uzaklık vardır. Bu mesafe 13 ile 15 milyar ışık yılı arasında değişir. Bunun dışında, galaksilerin ışık hızından hızlı olarak uzaklaştığı görülür; ancak bu, gerçekten ışık hızından daha hızlı bir hareket değildir, evrenin genişlemesinden kaynaklanır. Bu genişleme ise daha önce de bahsettiğimiz gibi uzak nesnelerden gelen ışığın kırmızıya kaymasına neden olur. Bu ilişkinin karmaşık detaylarını incelediğimizde "hareket" açıklamasının verilerle eşleşmediği sonucunu kesin olarak çıkarabiliriz.

Wikimedia

Galaksilerin Uzaklaşmasının Ana Nedeni

Evren, gerçekten de genişliyor ve bizim uzak gezegen veya galaksilerden ışığı bu kadar ciddi bir şekilde kırmızıya kaymış görmemizin nedeni, galaksilerin uzay içerisindeki hareketinden değil, genişleyen uzay dokusundan kaynaklanıyor. Aslında, galaksiler, uzay içerisinde görece olarak yavaş hızlarda hareket ediyorlar. Bu hızlar ise ışık hızının binde beşi ile yüzde biri arasında değişiyor.

Ancak genişleyen Evren'in inkar edilemez etkilerini görmek için çok da uzağa gitmenize gerek yok, sadece 100 milyon ışık yılı mesafeye bakmanız tamamıyla yeterli olacaktır. Evren, gözümüze ulaşmadan önce bu çok uzak ışığı genişletmeye ve germeye devam ederken, bize görülebilen en uzak gökadalar şimdiden 30 milyar ışık yılı uzaklıkta bulunuyor. Bizler, Hubble döneminden James Webb dönemine doğru ilerlerken, daha uzaktaki galaksileri de görebilmeyi umuyoruz. Ancak teknolojimiz ne kadar gelişirse gelişsin Evren'deki galaksilerin çoğu, ulaşabileceğimiz sınırların sonsuza dek ötesinde kalacaktır.

Ethan Siegel

Asla Erişemeyeceğimiz Galaksiler

Evren'deki belli bir uzaklığın ötesindeki bütün galaksiler, bizden ışık hızından daha yüksek hızlarda uzaklaşıyor gibi görünüyor. Bugün ışık hızında bir foton salsaydık, fotonumuz bu mesafenin ötesindeki hiçbir galaksiye ulaşamayacaktı. Bu, o galaksilerdeki olayların bizler tarafından hiçbir zaman görülemeyeceği anlamına geliyor. Ancak galaksilerin kendisi ışık hızında hareket ettiği için değil, daha önce de söylediğimiz gibi, uzay dokusunun kendisi genişlediği için...

Bu yazımızı okuduğunuz 7 dakika içerisinde Evren öylesine genişledi ki 15.000.000 yıldız daha o kritik eşiği geçti ve tamamen ulaşılamaz oldu. Bu gezegenler ancak kırmızıya kaymanın tamamen özel bir göreli açıklamasında ısrar edersek, ışıktan daha hızlı hareket ediyor gibi görünürler. Bu, özel göreliliğin doğrulandığı bir zamanda, pek zekice görünmüyor. Fakat bu, bizleri daha rahatsız edici bir sonuca götürüyor: Işık hızında bile gidebiliyor olsaydık, Gözlemlenebilir evrendeki 2 trilyon galaksinin yalnızca %3'ü şu anda erişebileceğimiz mesafededir.

Eğer Evren'in mümkün olan bütün kısımlarını keşfetmek istiyorsak, gecikmeye tahammülümüz olmamalı. Her geçen bir saniyeyle birlikte, zeki bir canlıyla karşılaşma ihtimalimiz sonsuza kadar kayboluyor.