#

Kütleçekim Dalgaları Saptandı: Einstein Son Sınavı da Geçti…

Bilim Dalları

ABD’de bilimciler, fizik dünyasında büyük yankılar uyandıracak bir keşfi açıklayarak, Einstein’ın genel görelilik kuramının öngördüğü kütleçekim dalgalarının ilk kez belirlendiğini ilan ettiler.

Günümüzden 1,3 milyar yıl önce iki karadeliğin birleşmesi sonucu uzaya yayılan dalgaların, ABD’de bu dalgaları saptamak için yıllardır çalıştırılan iki dedektör tarafından kesin biçimde saptandığı belirtildi.

Biri Washington eyaletindeki Hanford kenti yakınlarında, öteki de Louisiana eyaletindeki Livingston kenti civarında kurulu iki dev tesisten oluşan dedektör Lazer Girişimölçerli Kütleçekim Dalgası Gözlemevi (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – LIGO) adını taşıyor. 

GW 150914 olayı adı verilen birleşmede, biri Güneş’ten 29  kat, öteki de 36 kat büyük olan karadeliklerin birbirleri etrafında dolanarak birleşmeleri sonucu yayılan dalgaların, uzayı bir  nanometrenin (metrenin milyarda biri) milyar kere trilyonda biri (10-21) ölçeğinde, beş ay önce Dünya’dan geçtiği sırada da gezegenimizi de bir nanometrenin 100.000’de biri (ya da bir atom çekirdeğinin çapı kadar) genişletip sündürdüğü açıklandı.

İvmelenen elektrik yüklü bir parçacık elektromanyetik dalgalar yayarken, ivmelenen bir kütle de kütleçekim dalgaları yayıyor. Elektromanyetik dalgalar uzay-zaman dokusu içinden geçip giderken, kütleçekim dalgalarıysa uzay zamanı genleştirip sündürerek “dalgalandırıyor”.

Fizikçilere göre iki karadeliğin birleşmesi sonucu 62 Güneş kütlesinde, kendi çevresinde dönen tek bir karadelik oluştu. Karadeliklerin orijinal kütlelerinden arta kalan üç Güneş kütlesi karşılığı enerji de  kütleçekim dalgaları olarak her yönde uzaya dağıldı.

Birbirleri etrafında giderek daralan spiraller çizerek birleşmenin son aşamasına yaklaşan iki karadelikten birleşmeye saniyeler kala yayılmaya başlayan güçlü kütleçekim dalgaları hem frekansları, hem de genlikleri yükselen bir “cırıltı” biçimini alıp, birleşme anında tepe noktasına erişiyor.  Birleşmeyle ortaya çıkan yeni karadelik önce bozuk bir şekil alıyor; ancak, saniyenin çok küçük kesirlerinde bir zil gibi çınlayarak yeni kütleçekim dalgaları yayıyor. Sistem hızla enerji kaybettiğinden  çınlama karakteristik bir sinyalle sonlanıyor.Saniyeden daha küçük zaman aralıklarında meydana gelen bu süreçte ortaya çıkan kütleçekim  dalgaları, yeni (birleşik) karadeliğin kütlesi ve dönüşü hakkında bilgi sağlıyorlar.   

GW 150914 olayında da iki karadeliğin birbirlerine 210 kilometre kala yaymaya başladıkları kütleçekim dalgalarının, modeldeki bu seyri takip ettikleri belirlenmiş.

Kozmologların, dedektöre ulaşması beklenen kütleçekim dalgaları sinyallerinin frekanslarını temel alarak duyulabilir ses dalgaları biçiminde hazırladıkları bir çınlama ve sonlanma modelini, şu linkte dinleyebilirsiniz:

https://caltech.app.box.com/s/ta7y0m97lqemz99lj1oztvf3mr8758je/1/3517143543/29359315721/1

Kütleçekim dalgalarıyla gelen ek ikramiye

Kütleçekim dalgalarının ilk kez belirlenmesi, ünlü genel görelilik kuramını 100 yıl önce yayımlayan Einstein’ın bir başka öngörüsünün de kanıtlanmasını sağladı.

Einstein’ın kuramına göre kütleçekim dalgalarının ışık hızında gitmesi ve kütleçekimini taşıyan (ancak henüz dedektörlerde gözlenememiş) “graviton” adlı kuramsal parçacıkların da dolayısıyla kütlesiz olması gerekiyor. Ancak, kütleçekim dalgaları şimdiye kadar gözlenememiş olduğundan, öngörü kesin olarak doğrulanamamıştı.

Kütleçekim dalgası sinyalinin LIGO’nun (daha doğrusu duyarlılığı ve menzilinin artmasıyla aldığı yeni adıyla advanced [geliştirilmiş] LIGO anlamına gelen “aLIGO”nun) iki dedektörüne 0,007 saniye (saniyenin binde yedisi) farkla ulaşması, sinyalin ışık hızında yol aldığını gösterdi. Böylece kütleçekim dalgasının, Einstein’ın öngörüsüne uygun olarak ışık hızında yol aldığı ve onu taşıyan “graviton” adlı parçacığın da kütlesiz olduğu kanıtlanmış oldu.

Nasıl Saptandı?

Hanford ve Livingstone’da kurulu ikiz “aLIGO” tesislerinde lazer ışınları, birbirlerine dik açıyla L şeklinde birleşen, herbiri 4 km uzunlukta iki tünel içinde gidip geliyorlar. Her bir tünelin iki ucunda da “test kütlesi” adı verilen 40 kg ağırlığında, saf silisyumdan yapılı birer ayna asılı bulunuyor.

Tesislerde, 1064 nanometre dalga boyunda ve 200 W gücünde bir lazer demeti, bir demet bölücüye gönderiliyor ve böylece lazer demetinin yarısı tünellerden birine girerken, öteki yarısı da demet bölücüden yansıyarak öteki kola giriyor. Tüneller içinde ışık, demet bölücüye geri dönmeden önce aynalar arasında 400 kez gidip geliyor ve böylece ışığın almış oldığı yol gerçekte yaklaşık 1600 km’ye çıkıyor.

Yansımalardan sonra kollardaki ışıklar demet bölücüye geri dönerek birleşiyorlar. Bu ışığın bir kısmı demet bölücü tarafından bir ışık algılayıcısına gönderiliyor. Eğer ışık her iki kolda da tam olarak aynı mesafeyi katetmişse, yeniden birleşen demetler “yıkıcı girişim” denen olgu sonucu birbirlerini götürüyorlar ve algılayıcıda ışık görülmüyor.

Ama kütleçekim dalgası tünellerden birini hafifçe uzatıp diğerini büzmüşse, iki demet birbirini götüremiyor  ve ışık algılayıcısında bir girişim örüntüsü ortaya çıkıyor.

Bir kütleçekim dalgasının lazer ışınlarının frekanslarını etkilemesi halinde, lazerlerin kesişme noktalarında meydana gelen girişimin bir protonun genişliğinin 10.000’de biri kadar duyarlılıkta ölçümü sonucu dalganın boyutları ve  kaynağın özellikleri belirlenebiliyor.

Nobel bekleniyor

Keşfi bir basın toplantısıyla duyuran bilimciler, 14 Eylül 2015 tarihinde LIGO’nun otomatik sistemlerinin önce 35 Hz frekansla başlayan dalganın 0,25 saniye sonra 235 Hz’e ulaşarak sistemi terkettiğini açıkladılar. Işık hızında yol alan dalganın iki gözlemevine 0,007 saniye farkla ulaştığını, bunun da kütleçekim dalgaları için öngörülen ışık hızında yol alma parametresini karşıladığını kaydettiler.

Keşfin, Nobel Fizik Ödülü’nü getireceğine kesin gözüyle bakılıyor.

REFERENCES

  • 1. “Gravitational waves, Einstein’s ripples in spacetime, spotted for first time”, ScienceOnline, 11 Şubat 2016
  • 2. “LIGO detects first ever gravitational waves – from two merging black holes” PyysicsWorld, 11 Şubat 2016