2017 NOBEL FİZİK ÖDÜLÜ

LIGO (The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) Adlı Dedektörle Kütleçekimsel Dalgaların Gözlemlenmesi

14 eylül 2015 tarihinde Amerika’da bulunan LIGO dedektörleri ilk defa kütleçekim dalgaları ile uzayın titreştiğini tespit ettiler. Bu sinyal dünyaya ulaştığında son derece zayıf olsa da bunları tespit etmek ve gözlemlemek, Astrofizik dalında halihazırda bir devrim niteliğindedir. Kütleçekim dalgaları, uzayın en şiddetli olaylarını izlemenin ve bilgimizin sınırlarını test etmenin yepyeni bir yoludur.

 Şu anda gözlemlenen bu kütleçekim dalgaları, binlerce milyon yıl öncesinden iki kara delik arasındaki şiddetli bir çarpışmadan meydana gelmiştir. Albert Einstein haklıydı. Kütleçekim dalgalarının onun genel görelilik teorisi tarafından öngörülmesinin ardından bir yüzyıl geçti ve kendisinin bu dalgaların tespit edilip edilemeyeceği konusunda her zaman tereddütleri vardı.

LIGO (the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), 20’den fazla ülkede 1000’den fazla araştırmacının katıldığı ortak bir projedir. Birlikte yaklaşık 50 yıllık bir vizyon gerçekleştirildi. 2017 Nobel fizik ödülü, bu her biri hevesli, heyecanlı ve kendini adayıp, kararlı çalışan tüm araştırmacıların çok değerli bir çalışmasının sonucudur. Bu çalışmanın öncülerinden Rainer Weiss ve Kip S. Thorne, ile birlikte bilim insanı ve projenin tamamlanmasında başı çeken Barry C. Barish, 40 yıldan fazla süren kütleçekim dalgalarının gözlenmesi için ortaya koyulan çabayı bir sonuca bağlayıp, nihayetinde de başarıyla gerçekleştirdiler.

Uluslararası araştırma grubunun hesaplamalarının tamamlanmasından yaklaşık 5 ay öncesinden itibaren söylentiler dolaşmaya başlamasına rağmen, onlar bulgularını 11 Şubat 2016 tarihine kadar açıklamaya cesaret edemediler. LIGO araştırmacıları, ilk keşifleriyle birkaç kayıt yaptılar; kütleçekimi dalgalarının ilk gözlemlenmesinin yanısıra, olayların tüm gidişatı, 30-60 adet güneş kütleleri arasındaki orta boyutlu karadelikler içerdiği ve birleşebileceğini de gösteren ilk göstergeydi. Kısa bir süreliğine, çarpışan karadeliklerin kütleçekim radyasyonu, görünür, gözlemlenebilir evrendeki tüm yıldızların biriken ışığından kat be kat daha güçlüydü.

Uzay-Zaman Titreşir

Tamamen karanlıktı ama tamamen durgun da değildi. İki kara deliğin çarpışmasından yayılan titreşim, tüm uzay ve zamanı salladı. Tıpkı suya atılan bir taşın yarattığı dalgalar gibi, çarpışmanın etkisinden oluşan kütleçekim dalgaları da kozmosa yayıldı ve bize ulaşması da zaman aldı. Bu dalgalar olabildiğince en hızlı şekilde; ışık hızında haraket etmesine rağmen, dünyaya ulaşması binlerce milyon yıldan fazla bir zaman almıştır. 14 Eylül 2015 yılında saat 11:51’de Amerika’nın ikiz LIGO’ların bulunduğu laboratuvardaki ışık örüntüsündeki (kalıbı) çok hafif titreşim, Dünya’dan çok uzak ve uzun zaman önce,1.3 milyar ışık yılı uzaklıktaki olayı açığa çıkardı.

LIGO, diğer sıradan teleskoplar gibi, uzaydan gelen ışık ve diğer elektromanyetik radyasyonu tespit eden bir teleskop değildir. LIGO, kütleçekim dalgalarını dinleyen bir cihazdır ve kütleçekim dalgaları, ses dalgaları şeklinde değil, uzay-zamanda kendiliğinden titreşse bile, onların frekansı insan kulağının duyabileceği frekansa eşittir.

Albert Einstein’in yüzyıl önce anlattığı gibi, fizikçiler,onlarca yıldır, evreni titreştiren bu kütleçekim dalgalarını tespit etmeye çalışmaktaydılar. Einstein, uzay ve zamanın şekillenebileceğini ve birleşik 4 boyutlu uzay ve zamanın, bir kütle hızlandığında her dem yaratılmış kütleçekim dalgaları ile titreştiğini açıklamıştı. Bu tıpkı, tek ayak üzerinde dönen bir buz patencinin döndüğünde ya da uzaklarda bir yıldızın patladığında ya da bir çift karadeliğin birbirinin etrafında dönmeye başladığında olduğu gibi..

Kütleçekim dalgaları gibi, kara delikler de Einstein’ın genel görelilik kuramıyla 1915 yılından beri anlatılmakta ve tarif edilmektedir. Çoğu araştırmacı, 50 yıldan uzun bir zamandan beri kara deliklerin, sadece Einstein’ın denklemlerine çözüm olarak var olduklarına ve aslında uzayda bir yerde gerçek anlamda olmadıklarına inanırlar. Görelilik teorisi,kütleçekimini, uzay-zamanın bükülmesi olarak açıklar. Kütleçekimi ne kadar güçlüyse, bükülme de o denli büyük olur ve böylelikle de karadelikler oluşur. Kara delikler uzay-zamandaki en tuhaf nesnelerdir; hiç birşey hattâ ışık bile onlardan kaçamaz ve bu nedenle de fizikte sürekli bir gizem kaynağıdır.

Kütleçekim dalgaları, daha önceleri düşünülmeyen bir şeyi gözlemeleme umudunu ortaya çıkarır. Uzun zamandır uzay-zamanın gizemlerinin çözülüp çözülmeyeceği belirsizdi. Albert Einstein, yıllarca, kütleçekim dalgalarını ölçmenin hiç bir zaman mümkün olmayacağını düşündü ve dalgaların gerçek mi yoksa matematiksel bir illüzyon mu olduğuna karar veremiyordu. Onun çağındaki meslektaşı Arthur Eddington daha da şüpheciydi ve kütleçekim dalgalarının “düşünce hızı”nda yayılarak açığa çıktığından şüphelenmekteydi.

Kütleçekim dalgaları, aslında ölçümlerle enerji taşıdıkları ve bu yüzden de prensipte hesaplanabilir olduklarının tespit edilmesi ile 1950’lerin sonlarına doğru kabul edilmeye başlandı. 1970’lerde Amerikalı gökbilimci Joseph Taylor ve Russell Hulse, bir radyo teleskobu kullanarak gözlemleri ile doğrudan bir çift kanıta ulaştılar. Onlar yıldızların artan bir hızla birbirlerinin etrafında döndüklerini ve bunu yaparken de enerji kaybedip, birbirlerine yaklaştıklarını gösterdiler. Kaybolan enerji miktarı, kütleçekim dalgaları hesaplamalarına karşılık gelmekteydi. Bundan dolayı, Joseph Taylor ve Russell Hulse, 1993 yılında Fizik Dalında Nobel Ödülüne layık görüldüler.

Ancak,kütleçekim dalgalarının doğrudan kanıtlarını tespit etmek için dalgaların doğrudan gözlemlenmesi gerekmektedir. Fakat uzay-zaman sabittir ve öyle kolay değişmese de genlikleri çok küçüktür. Bu genliği tespit etmek; bir saç telinin çapını ölçmedeki hassasiyete eşdeğer bir hassasiyetle, on ışık yılı uzaklıktaki bir yıldızla olan mesafenin ölçülmesi kadar hassas bir ölçüm gerektirir. Ayrıca, tüm evren kütleçekim dalgaları ile sürekli titreşiyor olsa da, patlama olayları galaksimizde çok nadir meydana gelir. Bu yüzden daha uzağa bakmalıyız…

Kütleçekim Dalgaları Geçmişi Açığa Çıkarır

Artık bugün gerçekleşti: Kütleçekim dalgaları LIGO’ya yakalandı. Evrenin ilk varoluşundan bu yana, yaradılışlarından beri birbirlerinin etrafında dönen iki kara delik nihayet çarpıştı. Bu çarpışmadaki her bir döngü, kütleçekim dalgaları formunda uzağa daha uzağa uzay-zaman bozucu bir spiral şeklinde uzaya yayıldı.

Dalgalar,kara deliklerin birbirlerine daha da yakınlaşmasına neden olacak şekilde enerji yaydılar. Sarmal hareketleri onları birbirine ne kadar çok yaklaştırırsa, karadelikler de o kadar hızlı dönerek, milyonlarca yıldır hızlanarak devam eden bir dansa daha fazla enerji gönderirler ve en sonunda saniyenin çok küçük bir kısmında, kara deliklerin ufukları birbirlerine dokunur ve karadelikler neredeyse ışık hızında kaçınılmaz sonlarına doğru dönerek ilerler. Birleştiklerinde de ardlarında dramatik başlangıcın görülür bir izi olmayan tek dönüşlü bir delik bırakarak,tüm titreşimler kaybolmaya başlar.

Ancak bu birleşmenin izleri tamamen kaybolmaz (izleri uzay-zamanın dalgaları içinde kalır) Ritmik olarak uzayı genişleten ve sıkıştıran kütleçekim dalgalarının, mesajları değiştikçe tonu da değişir. Sadece kuvvetli olanları değil de tüm dalgaları duyabilsek, o zaman tüm evrenin, tıpkı bir ormanda öten kuşların sesleriyle dolu orman gibi, burasının gürültülü, şurasının da daha az sese sahip bir müzikle dolu olduğunu duyabileceğiz. İki karadeliğin birbirine doğru hız kazanarak sonuçta kaotik bir çarpışma yaşamasından milyarlarca yıl sonra, şiddeti gittikçe artan ve daha sonra hiç bir tonun duyulmadığı bir sessizlik açığa çıkmıştır.

Şimdi ise uzaydan sadece son bir kaç cızırtı duyulabiliyor. Peki,neden bu kadar sessizler? Sebebi; kaynaklarının çok uzak olması ve tıpkı ışık dalgaları gibi,kütleçekim dalgalarının da mesafeyle zayıflıyor olması. Dolayısıyla, kütleçekim dalgaları dünyaya ulaştığındakü güçleri belirgin şekilde zayıflmıştı—LIGO dedektörünün, Dünya’dan geçtiğinde yakalaması gereken, uzay-zaman dokusundaki genişleme, atom çekirdeğinden binlerce kez daha küçüktü.

LIGO – Devasa Bir İnterferometre(Girişimölçer)

50 yılı aşkın süredir bu konuda araştırmacıların kurduğu hayalin gerçekleşmesi ve başarıya ulaşılması o kadar kolay olmadı; çok uzun, çetrefelli ve bu araştırmaya katılan araştırmacılar için bazen de oldukça zordu. Kütleçekim dalgalarını yakalamak için yapılan ilk dedektörlerden bir tanesi, belirli bir frekanstaki dalgalara duyarlı bir diyapazon-ayarlama, ses çatalına benziyordu. Washington’daki Maryland Üniversitesi’nden Joseph Weber, ilk dedektörü 1960’lı yıllarda kurdu. Ancak, o yıllarda pek çok insan, kütleçekim dalgalarının ve hattâ karadeliklerin bile varlığından şüphe etmekteydiler. Dolayısıyla, 1970’lerde Weber, bu final sesleri duyduğunu iddia ettiğinde bu bir sansasyona yol açtı. Hiç kimse daha sonra Weber’in ulaştığı sonuçları tekrarlayamadı ve dolayısyla Weber’in gözlemleri “yanlış alarm” olarak kabul edildi.

Yaygın şüpheciliğe rağmen, hem Kip Thorne, hem de Rainer Weiss 1970’lerin ortalarında, kütleçekim dalgalarının tespit edileceğine ve evren hakkındaki bildiklerimize bir devrim yapabileceklerine çok kuvvetli bir şekilde inanmışlardı. Rainer Weiss, ölçümlerini bozabilecek, arkaplandaki sesin muhtemel kaynağını çoktan analiz etmişti bile. Kendisi ayrıca, bu gürültüyü giderecek bir lazer tabanlı interferometre dedektörü de tasarladı.

Rainer Weiss dedektörlerini Cambridge’deki MIT Üniversitesi’nde geliştirirken, Kip Thorne da ilk prototiplerini Glasgow, İskoçya’da kuran Ronald Drever ile çalışmaya başladı ve daha sonra Drever, Los Angeles’taki Caltech Üniversitesi’ne giderek, Thorne’a katıldı. Weiss, Thorne ve Drever, bu konudaki gelişmelere uzun yıllar öncülük edecek üçlü bir ekip oldular. Ancak, Drever, ana projenin dışında çalışma yaparak, Mart 2017’de İskoçya’da evindeki vefatından önce ilk keşfini de gerçekleştirdi.

Weber’in diyapazon-ayarlama,ses çatalı dizaynı yerine, Weiss, Thorne ve Drever başka bir cihaz geliştirdiler. Bu lazer tabanlı bir interferometre (girişimölçer) idi. Prensip uzun zamandar beri bilinmektedir: Bir interferometre (girişimölçer), bir L şeklini oluşturan iki koldan oluşur. L’nin ucunda ve köşesinde, bu sofistike cihaza çok büyük aynalar yerleştirilir.Buradan geçen kütleçekim dalgası, interferometre’nin kollarını farklı şekilde etkiler— bir kol sıkştığında, diğer kol gerilir, genişler.

Aynalar arasından geçen lazer ışını kolların uzunluğundaki değişmi ölçer.Hiç bir şey olmazsa, lazerden gelen ışık demetleri, L köşesinde bir araya geldiklerini, birbirlerini yok ederler. Ancak, interferometrenin kollarından herhangi birinin  uzunluğu değişirse, bu ışığın farklı mesafelerde ilerlediği anlamına gelir ve böylelikle de ışık dalgaları senkronizasyonunu kaybeder ve ışıkların yoğunluğu, ışın demetinin buluştuğu yerde değişir.

Bu fikir çok basitti ancak şeytan ayrıntıda gizliydi ve bunu fark etmeleri de 40 yıllarını alır. Büyük ölçekli cihazların atomun çekirdeğinden de daha küçük boyutlardaki mikroskobik değişiklikleri ölçmeleri gerekmekte olduğu için şu planı yaparlar; iki tane interferometre kurarlar ve her birinin uzunluğu 4 kol boyundadır ki böylelikle lazer ışın demetleri pek çok kere seke bilir ve böylelikle de ışığın yolunu uzatarak ve uzay-zamanda çok ufak genişlemeleri tespit etme şansını yükseltebilir. LIGO, Amerika’nın kuzaybatısında, Washington, Hanford’un dışına yerleştirilmiştir, diğeri de güneyde üçbin kilometre uzaklıkta Louisiana, Livingston’ın bataklıklarında bir yere inşa edilmiştir.

Kütleçekim dalgalarını arkaplandaki tüm gürültü-seslerden ayrıt edebilmek için şimdiye kadarki en hassas aletin geliştirilmesi yıllar alır. Bu karmaşık analiz ve gelişmiş teori gerektirmekteydi ve bu konunun ve teorinin uzmanı da Kip Thorne’du. Ancak, ustaca cihazların yapılması için,yaratıcı mühendislik ve işçiliğin en üst seviyede kullanılması gerekir ve Rainer Weiss’in da bu konuda öncü katkıları olmuştur. Lazer ışığının ve dalga boyu ve yoğunluğu mümkün olduğunca dengeli olmalı ve ışın demetleri asılmış aynalara hassas bir şekilde  vurmalıdır. Bu aynalar,yakınlarındaki ağaçlardan yapraklar düştüğünde, ya da bir çocuk koştuğunda veya uzaktaki bir yoldan bir kamyon, tır geçtiğinde neredeyse hiç sarsılmamalıdır. Aynı zamanda, bu asılı aynalar, kütleçekim dalgalarının geçişi ile birlikte sallınmak için de serbest olmalıdırlar. Kuantum efektleri ile birlilkte aynaların yüzeyindeki atomların ısıl hareketi de kompanse edilmelidir. Daha önce elde edilmiş olanın ötesinde, yeni lazer teknolojisi geliştirmek,ve yeni malzemelerin icatı ile birlikte devasa vakum tüpleri, sismik izolasyon ve diğer hayati teknolojileri de inşa etmek gerekmekteydi.

Dolayısıyla, böyle bir projeyi küçük bir ölçekte yürütmek artık mümkün gözükmemekteydi ve yeni bir yaklaşım gerekmekteydi. 1994 yılında Barry Barish’in LIGO’nun başında olduğu dönemde, yaklaşık 40 kişiden oluşan küçük araştırma grubunu binden fazla katılımcının yer aldığı büyük ölçekte uluslararası bir işbirliğine dönüştürüldü. Gerekli olacak uzmanlıklar araştırılıp, bir çok ülkeden çok sayıda araştırma grubunu çalışmaya dahil edildi.Gerçekleşmesi imkânsız gözüken hayâl, ancak büyük bilimlerin ortak çabaları sayesinde gerçekleşebilirdi.

Sinyal Hemen Geldi

Eylül 2015’de, LIGO, bir kaç yıllık bir geliştirmeden sonra yeniden çalışmaya hazır hale geliyordu. Şimdi, on kat daha güçlü lazerler, 40 kilo ağırlığındaki aynalar, son derece gelişmiş ses filtreleme ve dünyanın en büyük vakum sistemlerinden biriyle donanan bu cihaz resmi olarak çalışmaya başlamasından bir kaç gün önce bir dalga sinyali yakaladı. Dalga ilk olarak Livingston tesisinden geçti ve 7 milisaniye sonra (ışık hızında ilerledi) 3000 kilometre uzaklıktaki Hanford’da tespit edildi.

Bilgisayara dayalı bir sistemden gelen mesaj, 14 Eylül 2015’te sabahın erken saatlerinde gönderildi. Amerika’da herkes uyuyordu ancak Almanya’daki Hannover’da saat 11:51 idi ve Max Planck Enstitüsü, Kütleçekim Fiziği Bölümündeki genç fizikçi Marco Drago, öğlen yemeğine hazırlanıyordu. Gördüğü eğriler, çoğu kez gördüklerine benzese de kütleçekim dalgalarını gören ilk kişi olabilir miydi? Ya da bu yanlış bir alarm mıydı?, yalızca birkaç kişinin bildiği testlerden bir tanesi miydi?

Dalganın formu tam olarak tahmin edildiği gibiydi ve bu bir test değildi. Her şey mükemmel şekilde uyuyordu.Şimdi 80’lerinde olan bu öncü bilim insanları ve onların LIGO ile çalışan meslektaşları, nihayet hayallerindeki müziği duyabiliyorlardı ve buna bir türlü inanamıyorlardı ve ertesi yılın Şubat ayına kadar da bu konuda kendi aileleri de dahil kimseye bir açıklama yapılmadı.

GW 150914 olarak adlandırılarak iyi bir şekilde korunan bu sır, tüm beklentileri karşılamaktaydı. Birbirleri etrafında dönen iki gök cisminden gelen dalga, simülasyonlarla karşılaştırıldığı zaman, bu cisimlerin Güneşten 29 ve 36 kat daha kütleli oldukları ve birleşmeden önce 200 km mesafe içinde birbirleri etrafında döndükleri ortaya çıkmaktaydı. Evrende bu kadar ufak alanda böyle kütlelere sahip olan şeye teorik olarak kara delik denmekteydi.

Modeller birleşmenin çok büyük boyutta patlamaya sebep olduğunu işaret etmektedir. Araştırmacılar, birleşme sonucunda oluşan kara deliğin 62 Güneş kütlesinde olduğunu ve saniyenin onda biri kadarki bir sürede birleştiklerini ve bu birleşmeden ortaya çıkan enerji parlamasının, 3 güneş kütlesine eşit bir yerçekimsel dalga formunda olduğunu dile getirdiler.

Bu GW (Kütleçekim Dalgası) 150914’u kısa süre içinde evrendeki en güçlü nesne yaptı. Sinyal ayrıca bu şiddetli olayın uzayda nerede meydana geldiğini de gösteriyordu; güney gökyüzünde 1.3 milyar yıl uzaklıktaydı. Bu da şu anlama geliyordu; bu çarpışma 1.3 milyar yıl önce olduğunda dünyada tek hücreli yaşamdan çok hücreli yaşama adım atılmaya başlanmıştı.

LIGO ile ilk keşiften bu yana iki benzer olay daha yaşandı. İtalya, Pisa dışındaki Avrupa kardeş kruluşu VIRGO, Ağustos 2017’de LIGO’ya katıldı ve ortak keşiflerini 27 Eylül’de ilân ettiler. Her üç dedektörde de 14 Ağustos 2017 tarihinde aynı kozmik kütleçekim dalgaları gözlemlendi. Bu dalgalar 1.8 milyar yıl önce çarpışan iki orta boy karadelikten yayılmaktaydı.

Dedektörler şimdilerde evrenin 4 kere sallandığını tespit ettiler ve bu konuda daha pek çok keşif yapılması bekleniyor. Hindistan ve Japonya da yeni kütleçekim dalgaları gözlemevleri kurmakta. Pek çok deney birbirinden uzakta ve farklı yerlerde gerçekleştiğinden ve gerçekleşeceğinden, araştırmacılar, sinyallerin nereden geldiklerini daha net bir şekilde tespit edebilecekler ve etmeliler de. Kütleçekim dalgalarının gözlemleri, daha sonra optik teleskoplar, X-ışını teleskopları veya diğer teleskop türleri kullanılarak yapılan çalışmalarla da izlenebilir.

Şimdiye kadar, kozmik ışınlar veya nötrinolar gibi elektromanyetik radyasyon ve parçacıkların her çeşidi, evrene dair bilgiler vermektedir. Kütleçekim dalgaları, uzay-zaman bozulmalarının doğrudan ifadeleridir. Bu, tamamen yeni ve farklı görünmeyen dünyaların bize açılmasını sağlamakta. Kütleçekim dalgalarını yakalayıp, onların mesajlarını yorumlamayı başaranları keşfedilecek çok şey beklemekte…

Çeviren : AylinER
https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2017/popular-physicsprize2017.pdf?utm_source=twitter&utm_medium=social&utm_campaign=twitter_tweet

Check Also

Beyin Nöronlarında Genlerin Düzenlenmesi

Bilim adamları beyin nöronlarında insanın genetiğini tam olarak düzeltip değiştirebilmenin yolunu buldular. Özet: Araştırmacılar, nöronlardaki ...