LIGO Gözlemevi ve Kütleçekimsel Dalgaların İspatı

Evren 380.000 yaşına gelinceye dek opaktı, yani ışık yoktu ta ki kozmik mikrodalga arkaplan ışımasına kadar. Pekala doğası gereği bilinmezlikten hoşlanmayan ve her şeyi merak eden insanoğlu 380.000 yıllık bir karanlıkla nasıl baş edecek? 

Işığın olmadığı ve evrenin başlangıcını da kapsayan bu süreci aydınlatmak için yakın zamanda ispatlanan kütleçekimsel dalgaları kullanabiliriz. Kütleçekimsel dalgalar, Einstein’ın Görelilik Teorisi’nde ifade ettiği üzere uzayzamanda cisimlerin kütlelerinden dolayı meydana getirdikleri bir çeşit dalgalanmadır. Einstein'ın kendisi bile bu dalgaların ispatlanamayacağını düşünüyordu çünkü kütleçekimsel dalgalar kaynaktan uzaklaştıkça küçülüyor, ölçümü o zamanki şartlar kapsamında imkansız görünüyordu.

Kütleçekim Dalgaları 

İki kütle arasında çoğumuzun düşündüğü gibi fiili bir kuvvet yoktur. Yani örneğin Güneş ile Dünya düz bir çizgi üzerinde birbirlerini çekmez. Güneş kütlesinin büyüklüğünden ve ivmeli hareketinden dolayı uzayzamanı büker ve Dünya, bu bükülme sayesinde Güneş’in yörüngesinde ilerler. 

Az önce bahsettiğimiz gibi Einstein’a göre bu bükülme uzayzamanda dalgalanmalar meydana getirmekteydi. Ancak bu dalgalanmaların hesaplanması için bir asır geçmesi gerekti. 

Joseph Weber, kütleçekimsel dalgaları bulmak için gerçek bir girişimde bulunan ilk kişiydi. 1969 yılında geliştirdiği Weber Çubukları (yer çekimi dalga dedektörleri) ile kütleçekimsel dalgaları bulduğuna dair kanıtlar içeren makaleler yayınladı. Bu deneyler birkaç kişi tarafından tekrarlanmış olsa da genel itibariyle kabul görmedi ve Weber hak ettiği gibi takdir edilmedi.

Kütleçekimsel dalgalar için dolaylı bir kanıt olarak Taylor-Hulse pulsar çifti gösterilebilir. 1970-80 yılları arasında keşfedilen pulsarlar birbirleri etrafında dönerken yörüngeleri gittikçe küçülüyordu. Bu küçülme; kütleçekimsel dalgaları hesaplanabilir kıldığından 1993 yılında Russell Hulse ve Joseph Taylor’a Nobel Fizik Ödülü kazandırmıştır. 

Matematiksel hesaplamalar ve dolaylı keşiflere rağmen kütleçekimsel dalgaların varlığına dair kesin bir delil bulunamamıştı. Uzun yıllar boyunca doğrudan tespit için bir ortam kurulması pek çok bilim insanı tarafından desteklenmedi. LIGO projesi onaylanıp gerekli finansman sağlanıncaya dek pek çok çaba harcanması gerekti. Sonunda Barry Barish başta olmak üzere birçok bilim insanın çabası sonucunda LIGO gerekli fonu elde etti ve kurulumuna başlandı. 2002-2010 yılları arasında herhangi bir şekilde kütleçekimsel dalgaların varlığını ispatlayamayan LIGO, tarihler 2015 Eylül’ünü gösterdiğinde nihayet Dünya’mızdan 1.3 milyar ışık yılı ötede iki karadeliğin birleşmesi sonucu oluşan kütleçekimsel dalgaları algılamayı başardı. 

LIGO Neyi Keşfetti?

LIGO’nun; Einstein’ın, varlığından 100 yıl önce bahsettiği ancak 2015 senesine dek kesin olarak ispatı yapılamayan kütleçekimsel dalgaları tespit ettiğinden kısaca söz ettik.

Peki bu kütleçekimsel dalgalar nasıl oluştu?

LIGO'nun Türkçe açılımı Lazer İnterferometre Kütleçekim Dalga Gözlemevi’dir. Kurulumu için yıllarca mücadele verilen LIGO, 1.3 milyar yıl önce (o zamanlar Dünya’daki yaşam tek hücreliden çok hücreliye geçiş aşamasındaydı) biri Güneş kütlesinin 29 katı diğeri de 36 katı olan iki karadeliğin birleşmesi sonucu açığa çıkan 3 Güneş kütleli enerjinin, kütleçekimsel dalgalar halinde uzaya yayılmasını ve nihayetinde Dünya’ya ulaşmasını tespit etti.

LIGO Çalışma Prensibi

LIGO'nun yaptığı keşif üzerine biraz konuştuktan sonra şimdi de çalışma prensibi hakkında neler bildiğimize bir göz atalım:

LIGO, 2 adet 4 km'lik koldan oluşan bir lazer interferometredir. Lazer kaynağından çıkan ışın güç arttırıcı aynadan geçerek ışını iki parçaya bölebilen "ışın ayırıcı"ya ulaşır. Işın ayırıcı sayesinde iki kola ayrılan ışınlar kolların sonundaki aynalara çarpıp geri yansır. Işın ayırıcı tarafından bu kez birleştirilen ışınlar fotodedektöre çarpar. Fotodedektörün görevi bu birleşmenin parlaklığı ölçmektedir. Eğer dedektör maksimum parlaklık(katarlanma) veya karanlık(sönümleme) tespit ederse bu, iki koldan gelen ışınların aynı mesafeyi aldığı diğer bir deyişle kolların uzunluğunda herhangi bir değişim olmadığı manasına gelir. Halbuki kolların uzunluğunda bir değişim olsaydı bu, uzayzamanda bir (kütleçekimsel)dalgalanma meydana gelmesi demek olurdu.

Bu mantıkla hareket edilerek LIGO'nun kollarında değişim olduğu takdirde bunun sebebinin kütleçekimsel dalgalar olduğunu söyleyebiliriz. Ancak bu kollar oldukça hassas ölçüm yapmaktadır. Zamanında Einstein kütleçekimsel dalgaların varlığının ispatlanmasının neredeyse imkansız olduğunu ifade etmişti. Bunun nedeni yukarıda belirttiğimiz üzere bu dalgaların kaynaktan uzaklaştıkça inanılmaz derecede küçülmesiydi, öyle ki atomaltı boyutta ölçülecek kadar. Bu denli küçük hassasiyetle hissedilen kütleçekimsel dalgaları, LIGO'nun bulunduğu alandaki diğer etmenlerden(gürültü, trafik, yer sarsıntıları) ayırt edebilmek için yoğun bir şekilde data analiz tekniği kullanılmaktadır. Ayrıca LIGO, CERN'den sonra dünyadaki en güçlü vakum sistemine sahiptir.

Hata payını azaltmak ve ölçümlerin sonuçlarından emin olmak için LIGO, ABD'de; Livingston, Lousiana ve Hanford, Washington olmak üzere iki farklı konumda inşa edilmiştir. Bu iki gözlemevinde yapılan ölçümlerin karşılaştırılması sonucu ise kütleçekimsel dalgaların ışık hızında hareket ettiği ispatlanmıştır. Tüm bu çalışmalar ve ispatlar sonucu LIGO kurulumuna yıllarını veren Barry Barish, Rainer Weiss ve Kip Thorne 2017 yılında Nobel Fizik Ödülü'ne layık görülmüştür. Biz de bilime merak saran ve evren hakkında daha çok şey öğrenmek için çabalayan insanlar olarak, bu bilim insanlarına ve çok daha fazlasına teşekkür ediyoruz.