Evren’in Sesi: Evrenin Arka Plan Uğultusunu Duyabiliriz
Her süpernova, nötron yıldızları ya da kara delikler arasındaki her birleşme, hatta hızla dönen yalnız nötron yıldızları bile kütleçekim dalgalarının kaynağı olabilir ya da olmalıdır.
Olay 13,8 milyar yıl önceki Büyük Patlama’nın ardından uzayın hızla şişmesi, kendi kütleçekim dalgaları çağlayanını üretmiş olmalıdır.
Gölete atılan bir taş gibi, bu büyük olaylar uzay-zaman dokusunda yankılanan dalgacıklar göndermelidir – uzayın zayıf genişlemeleri ve daralmaları, tam olarak zamanlanmış sinyallerde tutarsızlıklar olarak bizim için tespit edilebilir.
Bu sinyal karışımı bir araya gelerek kütleçekim dalgası arka planı olarak bilinen rastgele ya da ‘stokastik’ bir vızıltı oluşturur ve kütleçekim dalgası astronomisinde muhtemelen en çok aranan tespitlerden biridir.
Uzay araştırmalarında yeni sınır
Tıpkı kozmik mikrodalga arka planının keşfinin daha önce yaptığı gibi (ve yapmaya devam ediyor), kütleçekim dalgası arka planının bulunmasının Evren ve evrimi hakkındaki anlayışımızı tamamen değiştireceği düşünülüyor.
Avustralya Ulusal Üniversitesi ve ARC Kütleçekim Dalgası Keşfi Mükemmeliyet Merkezi’nden teorik fizikçi Susan Scott, “Kütleçekimsel radyasyonun stokastik arka planını tespit etmek, astrofiziksel kaynak popülasyonları ve çok erken Evren’deki süreçler hakkında başka hiçbir yolla erişilemeyen zengin bilgiler sağlayabilir” diyor.
“Örneğin elektromanyetik radyasyon, son saçılma zamanından (Büyük Patlama’dan yaklaşık 400.000 yıl sonra) daha önce Evren’in bir resmini sunmaz. Ancak kütleçekim dalgaları bize Büyük Patlama’dan sadece ∼10-32 saniye sonra, enflasyonun başlangıcına kadar bilgi verebilir.”
Kütleçekim dalgası arka planının önemini anlamak için, Büyük Patlama’nın bir başka kalıntısı olan kozmik mikrodalga arka planı veya CMB’den biraz bahsetmeliyiz.
Evrenimiz tıkırdamaya ve uzay soğumaya başladıktan dakikalar sonra, her şey olan köpüren köpük, iyonize plazma şeklinde atom altı parçacıklardan oluşan opak bir çorbaya dönüştü.
Bununla birlikte ortaya çıkan herhangi bir radyasyon dağıldı ve daha uzak mesafelere ulaşmasını engelledi. Bu atomaltı parçacıklar, Yeniden Birleşme Çağı olarak bilinen bir dönemde atomlar halinde yeniden birleşene kadar, ışık Evren’de ve çağlar boyunca serbestçe hareket edebildi.
İlk ışık parlaması Büyük Patlama’dan yaklaşık 380.000 yıl sonra uzayda patladı ve takip eden milyarlarca yıl içinde Evren büyüdükçe bu ışık her köşeye sürüklendi. Bugün hala etrafımızda. Bu radyasyon son derece zayıftır ancak özellikle mikrodalga dalga boylarında tespit edilebilir. Bu CMB’dir, evrendeki ilk ışıktır.
Anizotropi olarak adlandırılan bu ışıktaki düzensizlikler, bu ilk ışığın temsil ettiği küçük sıcaklık dalgalanmalarından kaynaklanmaktadır. Keşfinin ne kadar olağanüstü olduğunu abartmak zordur: CMB, Evren’in erken dönemlerine dair elimizdeki tek sondalardan biridir.
Kütleçekimsel dalga arka planının keşfi bu başarının muhteşem bir kopyası olacaktır.
“Scott, “Kütleçekim dalgası arka planının tespit ve analizinin, kozmik mikrodalga arka planının ve anizotropilerinin gözlemlenmesinin öncülük ettiği şekilde, Evren anlayışımızda devrim yaratmasını bekliyoruz” diyor.
Patlama-çatlamanın ötesindeki vızıltı
Kütleçekim dalgalarının ilk tespiti kısa bir süre önce, 2015 yılında yapıldı.
Yaklaşık 1,4 milyar yıl önce çarpışan iki kara delik, ışık hızında yayılan dalgalar gönderdi; Dünya‘da, uzay-zamanın bu genişleme ve daralmaları çok zayıf bir şekilde, onlarca yıldır böyle bir olayı tespit etmek için tasarlanan ve rafine edilen bir cihazı tetikledi.
Bu birkaç nedenden ötürü muazzam bir tespitti. Bize kara deliklerin varlığını ilk kez doğrudan doğruladı.
Kütleçekim dalgalarının gerçek olduğuna dair Genel Görelilik Teorisi tarafından 100 yıl önce yapılan bir öngörüyü doğruladı.
Ve bilim insanlarının yıllardır üzerinde çalıştığı bu aracın, yerçekimsel dalga interferometresinin, kara deliklere ilişkin anlayışımızda devrim yaratacağı anlamına geliyordu.
Ve öyle de oldu. LIGO ve Virgo interferometreleri bugüne kadar yaklaşık 100 yerçekimsel dalga olayı tespit etti: verilerde belirgin bir sinyal üretecek kadar güçlü olanlar.
Bu interferometreler birkaç kilometre uzunluğundaki özel tünellerde parlayan lazerler kullanmaktadır. Bu lazerler, yerçekimi dalgaları tarafından üretilen uzay-zamanın gerilmesi ve sıkışmasından etkilenerek, bilim insanlarının sinyalleri üreten kompakt nesnelerin özelliklerini çıkarabilecekleri bir girişim deseni oluşturur.
Ancak yerçekimsel dalga arka planı farklı bir canavar.
Scott, “Astrofiziksel arka plan, birçok zayıf, bağımsız ve çözülmemiş astrofiziksel kaynağın karışık gürültüsü tarafından üretilir” diyor.
“Yer tabanlı kütleçekimsel dalga dedektörlerimiz LIGO ve Virgo, bir çift kara deliğin onlarca bireysel birleşmesinden gelen kütleçekimsel dalgaları zaten tespit etti, ancak yıldız kütleli ikili kara delik birleşmelerinden kaynaklanan astrofiziksel arka planın, bu mevcut dedektör nesli için GWB’nin önemli bir kaynağı olması bekleniyor. Tek tek çözümlenemeyen bu birleşmelerin çok sayıda olduğunu ve birlikte dedektörlerde rastgele bir gürültü uğultusu ürettiklerini biliyoruz.”
Evrende ikili kara deliklerin çarpışma oranı bilinmemektedir, ancak bunları tespit edebilme oranımız bize bir tahmin yapabileceğimiz bir temel sağlar.
Bilim insanları bunun dakikada bir birleşme ile saatte birkaç birleşme arasında olduğuna ve her birinin tespit edilebilir sinyalinin saniyenin sadece bir kısmı kadar sürdüğüne inanıyor. Bu bireysel, rastgele sinyaller muhtemelen tespit edilemeyecek kadar zayıf olacaktır, ancak bir araya gelerek statik bir arka plan gürültüsü oluşturacaktır; astrofizikçiler bunu patlamış mısır sesine benzetmektedir.
Bu, LIGO ve Virgo interferometreleri gibi aletlerle bulmayı bekleyebileceğimiz stokastik bir kütleçekim dalgası sinyalinin kaynağı olacaktır. Bu aletler şu anda bakım ve hazırlık aşamasındadır ve Mart 2023’te yeni bir gözlem çalışmasında üçüncü bir gözlemevi olan Japonya’daki KAGRA’ya katılacaktır. Patlamış mısır GWB’sinin bu işbirliği tarafından tespit edilmesi ihtimal dışı değildir.
Yine de kütleçekim dalgası kitindeki tek araçlar bunlar değil. Diğer araçlar da yerçekimsel dalga arka planının diğer kaynaklarını tespit edebilecek. Hâlâ 15 yıl uzakta olan bu araçlardan biri, 2037’de fırlatılacak olan Lazer İnterferometre Uzay Anteni (LISA).
LIGO ve Virgo ile aynı teknolojiye dayanıyor, ancak 2,5 milyon kilometre uzunluğunda “kolları” var. LIGO ve Virgo’dan çok daha düşük frekanslı bir rejimde çalışacak ve bu nedenle farklı türde kütleçekimsel dalga olaylarını tespit edecektir.
Scott ScienceAlert’e “GWB her zaman patlamış mısır benzeri değildir” diyor.
“Aynı zamanda, bir partideki arka plan konuşmalarına benzer bir karışıklık gürültüsü üreten, zaman içinde üst üste binen bireysel deterministik sinyallerden de oluşabilir. Karışıklık gürültüsüne bir örnek, kompakt beyaz cüce ikililerinin galaktik popülasyonu tarafından üretilen yerçekimsel radyasyondur. Bu, LISA için önemli bir karışıklık gürültüsü kaynağı olacaktır. Bu durumda, stokastik sinyal o kadar güçlüdür ki, aynı frekans bandındaki diğer zayıf yerçekimsel dalga sinyallerini tespit etmeye çalışırken ek bir gürültü kaynağı olarak hareket ederek ön plana çıkar.”
LISA teorik olarak Büyük Patlama’dan hemen sonraki kozmik enflasyon ya da kozmik sicimler – enflasyonun sonunda evrende oluşmuş olabilecek ve yerçekimi dalgaları yoluyla enerji kaybeden teorik çatlaklar – gibi yerçekimi dalgası arka planının kozmolojik kaynaklarını da tespit edebilir.
Kozmosun nabzını zamanlamak
Bilim insanlarının yerçekimsel dalga arka planının ipuçlarını aramak için üzerinde çalıştıkları devasa, galaktik ölçekli bir yerçekimsel dalga gözlemevi de var: pulsar zamanlama dizileri. Pulsarlar bir tür nötron yıldızıdır, bir zamanlar büyük kütleli olan yıldızların muhteşem bir süpernova ile ölmüş ve geride sadece yoğun bir çekirdek bırakmış kalıntılarıdır.
Pulsarlar öyle bir şekilde dönerler ki kutuplarından çıkan radyo emisyon ışınları kozmik bir deniz feneri gibi Dünya’yı süpürür; bazıları bunu inanılmaz derecede hassas aralıklarla yapar ki bu da navigasyon gibi bir dizi uygulama için yararlıdır.
Ancak uzay-zamanın gerilmesi ve sıkışması, teorik olarak, pulsar flaşlarının zamanlamasında küçük düzensizlikler üretmelidir.
Zamanlamada küçük tutarsızlıklar gösteren bir pulsar pek bir şey ifade etmeyebilir, ancak bir grup pulsar birbiriyle ilişkili zamanlama tutarsızlıkları gösterirse, bu, süper kütleli kara deliklerden esinlenerek üretilen kütleçekim dalgalarının göstergesi olabilir.
Bilim insanları pulsar zamanlama dizilerinde yerçekimsel dalga arka planının bu kaynağına dair kışkırtıcı ipuçları buldular, ancak henüz durumun böyle olup olmadığını belirlemek için yeterli veriye sahip değiliz.
Kütleçekim dalgası arka planının tespitine çok yakın duruyoruz: Evrendeki kara deliklerin davranışını ortaya koyan astrofiziksel arka plan; ve kozmolojik arka plan – CMB’de görülen kuantum dalgalanmaları, enflasyon, Büyük Patlama’nın kendisi.
Scott, bunun beyaz balina olduğunu söylüyor: arka planı gürültülü bütünü oluşturan ayrı kaynaklara ayırmanın zor işinden sonra göreceğimiz beyaz balina.
“Astrofiziksel olarak üretilen bir arka planın tespitinden elde edilecek zengin bilgiyi dört gözle beklerken, Büyük Patlama’dan gelen kütleçekim dalgalarının gözlemlenmesi gerçekten de kütleçekim dalgası astronomisinin nihai hedefidir” diyor.
“Bu ikili kara delik ön planını ortadan kaldırarak, Einstein Teleskobu ve Kozmik Kaşif gibi önerilen üçüncü nesil yer tabanlı dedektörler, 5 yıllık gözlemlerle kozmolojik olarak üretilen bir arka plana duyarlı olabilir ve böylece önemli kozmolojik gözlemlerin yapılabileceği alana girebilir.”
Bu yazı Astrafizik.com tarafından Türkçeye aktarılmış olup yazının aslı sciencealert.com sitesine aittir, orijinaline mümkün olduğunca sadık kalmak koşuluyla dilimize çevirilmis olsa da editoryal tarafından katkılarda bulunulmuştur. Bu sebeple Astrafizik.com içerik izinlerine tabidir. Astrafizik.com referans gösterilmek koşuluyla 3. tarafların kullanımına izin verilmiştir.
