Genel görelilikte, gezegenler veya yıldızlar gibi iki büyük kütleli cisim arasındaki çekim kuvvetleri uzayzamanın eğriliğinden kaynaklanır ve buna da büyük kütleli cisimlerin varlığı neden olur. Kütleçekim dalgaları, evrendeki en şiddetli ve enerjik fiziksel süreçlerin neden olduğu uzayzaman eğriliğindeki bozunmalardır.
Genel görelilikteki yaygın bir benzetme, kütleçekiminin bir lastik levhayı büken ağırlıklar gibi olmasıdır; daha küçük kütleler, daha büyük kütlelerin neden olduğu girintilere düşer ve buna kütleçekim etkisi denir. Bu benzetmedeki kütleçekim dalgası lastik levhadaki "dalgalanmalardır" ve su yüzeyindeki dalgalar gibi dışa doğru yayılırlar.
Adeta Bir Stres Yayıyla Oynamak Gibi
Kütleçekim dalgalarının nasıl çalıştığını kavramak için ellerinizin arasında bir stres yayı tuttuğunuzu düşünün. Bu yaya baktığınızda, bir dalga başlatabilecek iki farklı yol olduğunu göreceksiniz. Birincisi en bilinen yoldur; yayı alıp bir tarafını kaldırabilir ve bir uçtan diğerine kavisli bir dalganın oluştuğunu izleyebilirsiniz, ancak kütleçekim dalgalarının çalışma şekli tam olarak bu değil.
Kütleçekim dalgaları daha çok uzayzaman boyunca yayılan boyuna dalgalara benzer. Stres yayını tutar ve bir elinizi kısa bir süre diğerine yakınlaştırırsanız farklı bir dalga türünün oluştuğunu görürsünüz. Bu dalga hareket ederken yayın halkalarını sıkıştırır ve uzatır. Kütleçekim dalgasını görselleştirmenin en iyi yolu bu.
Kütleçekim dalgaları ışık hızında hareket eder ve içindeki her şeyle birlikte uzayzamanı sıkıştırır ve uzatır. Bu sürece kendi gezegenimiz Dünya da dahil. Bir kütleçekim dalgası Dünya'dan geçerken biz de sıkışır ve uzarız.
Kaybolan enerji nereye gidiyor?
Kütleçekim dalgalarını tespit etmedeki engel çok küçük olmalarıdır. Eylül 2015'te keşfedilen iki kara delik arasındaki büyüleyici bir çarpışma, uzayzamanda bir protondan bin kat daha küçük bir sıkıştırma yaratmıştır. Albert Einstein'ın kendisi bu etkiyi "pratikte kaybolan bir değere sahip" diyerek tanımladı.
Kütleçekim dalgalarına yönelik yapılan ilk çalışmalar dalgaların kendilerini değil, dalgaların yarattığı enerjiyi tespit etmeye odaklandı. 1974 yılında Russell Hulse ve Joseph Taylor adlı iki gökbilimci iki nötron yıldızından oluşan bir ikili yıldız sistemi keşfetti. Bu nötron yıldızlarından biri, ilk kez Jocelyn Bell tarafından keşfedilen ve mükemmel aralıklarla radyo emisyonu titreşimleri yayan aynı tür garip bir yıldız olan pulsardı.
Hulse ve Taylor bu sistemi yıllarca inceleyerek, bu iki yıldızın ikili yörüngesinin yavaşça bozunduğunu ve iki nötron yıldızının giderek daha da yakınlaştığını fark ettiler. Çünkü bu bozunma sistemin enerjisini kaybettiği anlamına geliyordu ve bozunma genel göreliliğin öngörülerini mükemmel şekilde karşılıyordu: Kayıp enerji büyük olasılıkla kütleçekim dalgaları tarafından taşınıyordu.
Alüminyum çubuklarla deneyler
Bazı bilim insanları hâlâ gerçek parlamayı tespit etmeye kararlıydı. Bu kararlı bilim insanlarından biri Joseph Weber'di. 1960'larda kütleçekim dalgalarının konuşulduğu bir konferansın sonrasında Weber büyük alüminyum çubuklar kullanarak deneyler yaptı. Bu çubuklardan birinin içinden geçen bir kütleçekim dalgasının onu bir yönde sıkıştıracağını, başka bir yönde uzatacağını ve çekiçle vurulmuş bir diyapazon gibi çınlamasını sağlayacağını düşünmüştü.
Dikkatle dizayn edilmiş çubuklar yaptı, çubukları bu çınlamayı haber verecek olan dedektörlerle donattı ve birbirinden çok uzaklara konumlandırdı: Biri Maryland Üniversitesi'ndeki laboratuvarında, diğeri 13 km ötedeki bir golf sahasında ve üçüncüsü de yüzlerce km uzakta Chicago'daki Argonne Laboratuvarı'nda.
Çubuklar anında sık sık ve zaman zaman eşzamanlı olarak çınlamaya başladı ve Weber coşkuyla eşzamanlı çınlamaların kütleçekimsel dalgalardan kaynaklandığını duyurdu. Ne yazık ki, diğer ekipler de Weber'in sonuçlarını test etmeye çalıştılar ama başaramadılar.
Kütleçekim Dalgalarının Tespit Edilmesi
Teste merak duyan fizikçiler arasında MIT'deki küçük bir grup yüksek lisans öğrencisi de vardı. Onlar da genel görelilik üzerine çalışmaya yeni başlamışlardı ve bu çubukların çalışma sistemine dair kafaları karışıktı, bu yüzden sorularını profesörleri Rai Weiss'a yönelttiler. 1967'de genel görelilik dersi vermesi istenen Weiss, aslında genel görelilik hakkında fazla bir şey bilmediğini itiraf etmemiş, aksine deneysel kütleçekimsel testlerini elinden geldiğince çabuk öğrenerek öğrencilerinin önüne çıkmaya çalışmıştır.
Öğrenciler Weber'den ilginç çınlayan çubuk fikrini açıklamasını isteyince Weiss bir hafta sonu üzerinde kafa yordu ve bir düşünce deneyiyle sınıfa giriş yaptı. Katı bir çubuk hayal etmek yerine, deneyi en temel ilkelere getirdi. O da şuydu: Kütleçekimsel dalgaların uzayzamanı nasıl etkilediği ve bu etkinin Dünya'daki laboratuvarlar tarafından nasıl tespit edilebileceği.
Kütleçekim Dalgası Dedektörleri
Weiss'ın hayali deneyi, inanılmayacak derecede basit bir ilkeye dayanarak günümüzdeki kütleçekimsel dalga dedektörlerine dönüşmüştür. Birbirine dik açıyla yerleştirilmiş uzun iki dik koldan oluşan ve ışının yarısı her koldan aşağı gönderilecek şekilde bölünen, güçlü bir lazer barındıran merkezi bir binaya bağlı bir dedektör hayal edin.
İki kol tam olarak aynı uzunluktadır, bu nedenle normal bir günde iki lazer ışınının her biri kollar boyunca ilerleyecek, uçlara yerleştirilen aynalardan yansıyacak ve geri dönerek tam olarak aynı mesafeyi kat edecek ve tam olarak aynı zamanda binaya varacaktır. Binanın içinde iki lazer ışınının eşzamanlı varışı birbiriyle aynı fazda olacak ve olağan dışı hiçbir şey göstermeyen boş bir sinyal üretecektir.
Şimdi, bir kütleçekim dalgası geldiğinde aynı şeyi yaptığınızı, uzayzamanı gittiği yönde sıkıştırdığınızı ve sonuç olarak dedektörün bir kolunu sıkıştırdığınızı hayal edin. Şimdi, her iki kol boyunca lazerler gönderirseniz, merkez binaya faz dışı olarak geri döneceklerdir. Kütleçekim dalgasının gözlemevinin iki kolu üzerinde yaratacağı farklı etkiler nedeniyle lazerlerden biri diğerinden biraz daha kısa bir yolculuk yapmıştır. Sonuç, tespit edebileceğimiz bir sinyalin üretilmesidir.
Kütleçekim Dalgaları ve Nasıl Tespit Edildikleri Hakkında Sık Sorulanlar
Kütleçekim dalgaları nasıl çalışır?
Kütleçekim dalgaları uzayzaman boyunca hareket eden sıkıştırılmış dalgalar olarak düşünülmelidir. Kütleçekim dalgalarının nasıl çalıştığını göstermek için, bir kişi bir stres yayını tutabilir ve bir elini diğerine yaklaştırarak yayın halklarının içinden geçerken sıkışmasına ve uzamasına neden olabilir.
Kütleçekim dalgaları nedir?
Uzayzaman dokusundaki yoğunluk dalgalarına kütleçekim dalgaları deniyor. Işık hızında hareket eden kütleçekim dalgaları uzayzamanı, içindeki her şeyle birlikte, hatta kendi gezegenimizle birlikte sıkıştırıp uzatır.
Joseph Weber kütleçekim dalgalarını nasıl tespit etti?
Joseph Weber devasa alüminyum çubuklar üretti ve kütleçekim dalgalarını tespit etmek için bunları dedektörlerle donattı. Daha sonra bu çubukları birbirinden çok uzağa yerleştirdi. Çubuklardan birinden geçen bir kütleçekim dalgasının onu sıkıştırıp uzatabileceğini ve bir diyapazon gibi çınlamasını sağlayabileceğini hayal etti.
Kütleçekim dalgalarının kaynakları nelerdir?
Kütleçekim dalgaları, ikili kara delikler, ikili nötron yıldızları ve süpernovalar gibi büyük nesnelerin ivmelenmesiyle üretilebilir. Ayrıca erken evrendeki kozmik enflasyon tarafından da üretilirler.
Kütleçekim dalgalarının tespit edilmesiyle ilgili teknik zorluklar nelerdir?
Yerçekimi dalgalarını tespit etmenin temel zorluklarından biri sinyali gürültüden ayırmaktır. İnterferometreler sismik gürültü, termal gürültü ve kuantum gürültüsü de dahil olmak üzere çok çeşitli titreşimlere duyarlıdır. Bir başka zorluk da yerçekimi dalgalarını elektromanyetik radyasyon ve enstrümantal artefaktlar gibi diğer sinyal türlerinden ayırmaktır.
Kütleçekim dalgalarının keşfinin astrofizik için sonuçları nelerdir?
Kütleçekim dalgalarının keşfi evrene yeni bir pencere açarak kara deliklerin ve nötron yıldızlarının birleşmesi gibi en şiddetli ve enerjik olayları incelememize olanak sağladı. Ayrıca Einstein'ın genel görelilik teorisini doğruladı ve yerçekiminin özelliklerini test etmek için yeni bir yol sağladı.
Kütleçekimsel dalga astronomisinin geleceği nedir?
Kütleçekimsel dalga astronomisinin geleceği, süper kütleli kara delik birleşmeleri gibi kaynaklardan gelen daha düşük frekanslı kütleçekimsel dalgaları tespit edebilecek olan Lazer İnterferometre Uzay Anteni (LISA) gibi daha gelişmiş dedektörlerin inşası ile çok umut vericidir. Kütleçekim dalgaları ayrıca nötron yıldızlarının özelliklerini ve evrenin erken dönemlerini incelemek için de kullanılacak.
LIGO tarafından yapılan bazı önemli keşifler nelerdi?
Kütleçekim dalgalarının ilk doğrudan tespiti Eylül 2015'te LIGO tarafından yapıldı ve Einstein'ın genel görelilik teorisinin öngörülerini doğruladı. O zamandan bu yana LIGO, birleşen kara deliklerden ve birleşen nötron yıldızlarından gelen yerçekimi dalgalarının sayısız tespitini yaparak bu nesnelerin özelliklerine ilişkin yeni bilgiler sağladı.
LIGO ne kadar hassastır?
LIGO şimdiye kadar yapılmış en hassas yerçekimsel dalga dedektörüdür. İnterferometre kollarının ucundaki aynalar arasındaki mesafede, bir protonun yaklaşık 1/1000'i büyüklüğündeki bir mesafeye kadar olan küçük değişiklikleri tespit edebilmektedir.
LIGO'nun temel prensibi nedir?
LIGO, kütleçekim dalgalarının neden olduğu uzayzamandaki küçük bozulmaları tespit etmek için dört kilometre uzunluğunda kollara sahip iki adet dik, L şeklinde lazer interferometre kullanır. Bir yerçekimi dalgası dedektörden geçtiğinde, kolların uzunluğunu çok az değiştirerek lazer ışığında girişim desenlerine neden olur.
Kaynaklar:
