AstroNotlar’dan, merhaba! Geçtiğimiz hafta, 2 Eylül’de yayınlanan bilimsel bir makale bizlere yine akılları karıştıran cinsten bir bilgi verdi. Bilim insanları, en büyük kara deliğin oluşumuna dair kütleçekim dalgalarının algılandığını söyledi. Tahmin edebileceğimiz gibi bu haftaki konumuz karadelikler ve kütleçekimsel dalgalar. Öncelikle gündemdeki bu makaleyi özetlemekle başlayalım.
2 Eylül’de yayınlanan makale aslında GW190521 isimli kütleçekimsel dalganın algılanması üzerine kurulu bir makaledir. Kaynağın adından başlamak gerekirse; GW, Gravitational Wave’in kısaltması, 190521 ise aslında dalganın algılandığı tarihtir. Böylesi tarihi ve ender rastlanan olayları, gerçekleştikleri veya gözlemlendikleri tarihin bir tür kısaltması ile isimlendirmek, astronomide sık rastlanabilecek bir durumdur. İlk iki hane yıl, sonraki iki hane ay, son iki hane de günü temsil etmektedir. Bu örnekte de kütleçekimsel dalga, aslında 21 Mayıs 2019’da algılanmış diyebilmekteyiz.
Peki kütleçekimsel dalgaları algılayan bu dedektörler nasıl çalışıyor? Bu cihazların hepsi de, girişimölçer adı verilen optik bir yöntem ile çalışmaktadır. Mantığı, bir lazer ışınının kütleçekimsel dalgadan etkilenmesi ve bu etkinin ölçülmesi temeline dayanır. Bir kütleçekimsel dalga geçtiği zaman, uzay dokusunda bir dalgalanma olur ve Girişimölçer tabanlı kütleçekimsel dalga gözlemevleri de uzaydaki bu dalgalanmanın etkisini lazer ışığı ile algılamayı hedefler. Kütleçekimsel dalganın etkisi, lazer ışığının parlaklığının zamanla değişmesine neden olur ve lazerde gözlemlenen değişimlere bakarak buna neden olan kütleçekimsel dalgaların kaynağı hakkında bir fikir sahibi olabiliriz. Fakat asıl sorun lazerdeki bu etkinin aşırı derecede ufak olmasındadır.
Kütleçekimsel dalgalar her ne kadar ilk olarak 1905 yılında Henri Poincaré tarafından öne sürülse de, en iddalı ve sağlam dayanakları olarak öngörüler 1916 yılında Einstein tarafından yapılmıştır. Einstein, yayınladığı makalede “gravitationswellen” adından bahseder ve biz bu terime İngilizce’de “gravitational wave”, Türkçe’de “kütleçekimsel dalga” adını vermekteyiz.
Peki biz bu kütleçekimsel dalgaları doğrudan gözlemleyebildik mi, yoksa varlığını sadece teorik olarak mı bilmekteyiz?
Kütleçekimsel dalgaların ilk doğrudan gözlemi 14 Eylül 2015’te gerçekleşti ve bu nedenle de adı GW150914. LIGO ve Virgo İşbirlikleri’nin duyurduğu bu gözlemin, sırasıyla 36 ve 29 Güneş kütlesine sahip iki karadeliğin birleşmesiyle oluştuğu sonucuna varıldı. Dünya’dan 140 milyon ışık yılından biraz fazla bir uzaklıktaki bir gökadada, bir karadelik çifti birleşmişti. Bu aynı zamanda ilk defa bir karadelik birleşmesi gözlemi olarak da tarihe geçti. Hem bir yıldızın sahip olabileceği miktarda kütleye sahip olup, (yani yıldızıl kütlelerde karadeliklerin varlığı) hem de bunların birleşmesi için evrenin yaşı veya daha fazla zaman geçmesi gerekmediği bu sayede teyit edilmiş oldu.
Öncesinde, kütleçekimsel dalgaların varlığı ancak pulsar çiftlerinde dolaylı olarak teyit edilebiliyordu. Tabii 50 yıldan uzun süredir beklenilen bu gözlem büyük yankı uyandırmış oldu, çünkü her ne kadar teorisini kurmuş olsa da Einstein bile bunların gözlemlenebileceğinden şüpheliydi.
Ölçülmeye çalışılan sinyal o kadar ufaktır ki, yoldan geçen bir araba bile sinyali kirletebilir. Dalgaların zayıf olmasına ek olarak, gürültünün de ortadan kaldırılması gereklidir. O nedenle bu tür dedektörler genellikle yer altına, dünyevi araç ve aletlerin etkisinden olabildiğince uzağa kurulur. Yine de, örneğin 2002 yılından beri çalışmakta olan LIGO’nun ilk kütleçekimsel dalga sinyalini algılaması 2015 yılında gerçekleşti. Yani on yıldan fazla süre hassasiyet iyileştirmesi üzerinde çalışıldı. LIGO’nun 2021’de maksimum hassasiyete erişmesi planlanıyor ama bu sırada Virgo bunu başardı bile. Bu nedenle artık kütleçekimsel dalga dedektörlerin sayısının artmasından istifade ederek, bir gözlemin doğruluğunu teyit için birden fazla dedektörde algılanmış olup olmadığına bakılıyor. Bugün üzerinde konuştuğumuz GW190521 ise birbirinin ikizi sayılabilecek kadar benzer iki dedektörde birden, hem ABD’deki 4 km uzunluğundaki LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) hem de İtalya’daki 3 km uzunluğundaki Virgo ile algılanmış; yani gayet güvenilir bir bilgi diyebilmekteyiz.
Şu anda üç büyük kütleçekimsel dalga dedektörü mevcuttur. Bunların ikisi Amerika’da, Lazer Girişimölçer Kütleçekimsel Dalga Gözlemevi’ne (LIGO) aittir. Diğeri ise İtalya, Tuscany’deki “Avrupa Virgo Projesi”dir. Bunların dışında yapılmakta olan yeni dedektörler de vardır. Örneğin Japonya’da “Kamioka Kütleçekimsel Dalga Dedektörü” ya da kısa adıyla “KAGRA”nın yakın zamanda çalışır hale gelmesi planlanmaktadır. Bu sırada Hindistan da boş durmuyor, batı bölgesinde, Hingoli civarında bir yerde bir LIGO dedektörü kurulmakta ve “LIGO-India”nın da 2025’te aktif hale gelmesi planlanmaktadır. Bunlara ek olarak, uzay teleskoplarının da devreye alınması planların içerisinde yer almakta. Örneğin ESA’nın geliştirdiği kütleçekimsel uzay teleskobu olan “Lazer Girişimölçer Uzay Anteni”, ya da kısa adıyla “LISA”, yakın zamanda kütleçekimsel dalga gözlemevlerinin merkez üssü haline gelebilir. Üçlü bir uzay aracı takımı ile eşkenar üçgen şeklinde, kenar uzunluğu 2,5 milyon kilometre civarında bir dedektör oluşturulması planlanmaktadır. Bu büyüklükte bir dedektörle gökadaların merkezindeki alçak frekanslı kütleçekimsel dalgaları bile algılamak mümkün olabilir. Bu proje için ESA, 2015 yılında “LISA Pathfinder” adında bir test görevi gerçekleştirerek başarılı sonuçlar elde etti. LISA projesinin tamamının 2030’ların ortalarına doğru fırlatılması şimdiden planlanmış durumdadır.
Yeniden haberimize dönecek olursak; GW190521’in kaynağı nerede? Bu dalgalar bize ne kadar öteden geliyor? Bu tarz soruların cevabı için elde edilen verilere bakıldığında, kaynağın bizden yaklaşık 5 gigaparsek kadar ötemizde olduğu sonucuna ulaşılmakta. Yani muhtemelen evren, şimdikinin henüz yarısı kadar yaşındayken gerçekleşmiş bu olayın, uzayın yapısında oluşturmuş olduğu kütleçekimsel dalgaları bize ancak ulaştı. Şimdiye kadar algıladığımız en uzakta gerçekleşmiş astronomik olaylardan biri budur!
Peki bu kütleçekimsel dalgalara neden olan şey nedir? Sinyallere bakılırsa iki karadeliğin birleşerek süper kütleli bir karadelik oluşturmuş olduğu sonucuna varılmaktadır. Algılanan kütleçekimsel dalgalar bize, sırasıyla 66 ve 85 Güneş kütlesine sahip iki karadeliğin birleşerek 142 güneş kütleli bir karadelik oluşturduğunu söylüyor. Bu da şimdiye dek gözlemlenen en yüksek kütleli karadelik ünvanını alıyor. Teorik olarak daha yüksek kütleli, hatta “supermassive” dediğiniz “aşırı kütleli” karadeliklerin varlığını biliyoruz. Örneğin gökadamızın merkezindeki karadeliğin kütlesinin, Güneş kütlesinin yaklaşık 4,5 milyon katı olduğu gibi; ama bunlar dolaylı gözlemlerden vardığımız sonuçlardır. Böylesi doğrudan gözlemlerden elde edilmemişlerdir, o nedenle bu gözlemin böylesi bir önemi de mevcuttur.
Bu haberin çok ses getirmesinin nedenlerinden biri de, en yüksek kütleli karadeliğe dair ipuçları içermesi ve tabii ki bilim dünyasında hala yeni sayılabilecek bir şey olan kütleçekimsel dalgaların algılanmasıdır. Fakat işin bir de beklenmedik ve garip olarak nitelendirilen bir yönü vardır. Karadeliklerin kütlelerini grafiğe aktardığımız zaman kütle boşluğu anlamına gelen “Mass gap” dediğimiz bir şey vardır: Karadeliklerin küçük kütleli ve büyük kütleli olanlarını biliyoruz ama orta kütleli karadelikler ortada yok, o nedenle de orta kütleli karadeliklerin olması gerektiği yerde grafiklerde bir boşluk olur ve bu boşluğa “kütle boşluğu” denir. Daha doğrusu “denirdi”, çünkü artık bu orta kütleli karadeliklerin algılanması ile, o boşluğun dolması yolunda da ilk adımlar atılmış oldu.
Peki 66 Güneş kütlesi ile 85 Güneş kütlesi bir araya gelince 151 güneş kütlesinde bir cisim oluşması beklenmez mi? Burada ne oluyor da sonuç 142 güneş kütlesi oluyor? Söz konusu karadelikler olunca, beklenmez. Bu büyük çarpışma, ya da daha doğrusu “birleşme” ile büyük bir miktar madde enerjiye dönüşür, yani bu gözlemsel örneğe bakacak olursak, yaklaşık 9 Güneş kütlesi kadar bir maddeden bahsedilmektedir.
Bu bileşimdeki karadeliklerden biri olan 85 Güneş kütleli karadeliğin, yıldız evriminin son aşamalarına dair sahip olduğumuz bilgilere göre var olmaması gerekir. Çünkü bu kütlede bir karadelik oluşturacak bir yıldız ölüm senaryosu henüz elimizde bulunmamaktadır. Yıldızlar yaşamlarının sonuna geldiklerinde, kütleleri 10 güneş kütlesi civarındaysa bir süpernova patlaması gerçekleştirirler ve arkalarında bir karadelik bırakırlar. Ancak çekirdek kütlesi güneşinkinin 65 katı civarında olan yıldızlar, kendilerini tamamen yok ederler ve geride hiçbir şey bırakmazlar. Çekirdek kütlesi 135 güneş kütlesinin üzerindeki yıldızlar ise bu parçalanma olayını atlayıp, doğrudan çökerek karadelik oluştururlar. Bu durumda 65-135 güneş kütlesi aralığındaki karadeliklerin mevcut olmaması gerekir. Hatta kimi bilim insanları bunun imkansızlığına o kadar emin ki iddiaya bile girmişlerdir.
Herkes teorik olarak bunun oluşamayacağından bu kadar eminse, nasıl böyle bir şey oluşmuş olabilir? Bununla ilgili iki ana fikir bulunmaktadır. Birincisi, belki daha küçük kütleli karadeliklerin birleşerek bu orta kütlelileri oluşturduğu yönündedir. Bu olay gökadanın merkezi veya küresel kümeler gibi yoğun yerlerde gerçekleşebilir. İkincisi de, orta kütleli bir yıldızın başka orta kütleli bir yıldızla birleşerek, yine patlamak olmaksızın böylesi orta kütleli bir karadeliğe dönüştüğü bir senaryodur. Ortaya çıkan bu orta kütleli karadelik de, yaklaşık 60 güneş kütleli, kütlesi yıldız kütlesi civarındaki karadelikler ile tüm gökadaların merkezinde bulunan aşırı kütleli karadelikler arasındaki eksik parçayı oluşturur.
Kütleçekimsel dalgaların uzay-zaman dokusundaki etkisini doğrudan çıplak gözle göremiyoruz, peki duymamız mümkün olabilir mi? Şimdi bu kütleçekimsel dalga sinyallerinin sese dönüşmüş halini dinleyelim. Birinci ses kaydını, alçak frekansta ve kısa bir süre duyacaksınız ve sadece 1 saniye. Bu sinyal 11 Hz’te başladı ve GW 190521’in en olası parametre setine göre üretilmiş bir sinyaldir. İkincisi ise yaklaşık 5 saniye sürecek, burada yörünge düzlemindeki daralmanın etkisi taklit edilmeye çalışılmış ve duyulabilir hale gelmesi için de 200 kat güçlendirilmiştir.
Einstein’ın matematiksel hesaplamaları aşırı kütleli cisimlerin ivmelenmesinin, kütleçekimsel dalgalar gibi uzay-zaman dokusunu etkileyebilecek türden sonuçları olabileceğini öngörüyordu. Nedir peki bu cisimler; örneğin birbiri etrafında dolanan nötron yıldızları, karadelikler veya bunların çarpışmaları! Her ne kadar bunlar gözlemlenebilir desek de tabii ki şiddeti azaldıkça sinyal zayıflar ve Dünya’dan gözlemlenmesi de o kadar zor hale gelir.
astronotlar.org@gmail.com e-posta adresimize konuştuğumuz içeriklere dair düşüncelerinizi belirtebilir, değinmemizi istediğiniz konuları yazabilir, bir kitap, link veya bilgi paylaşımında bulunabilirsiniz. Sosyal medya hesaplarımızı Instagram ve Twitter’dan “astro_notlar” olarak takibe almayı unutmayın! Facebook’tan vazgeçmem diyenler ise bizi AstroNotlar sayfasında bulabilirler. Gelecek hafta görüşünceye dek, gökyüzüne iyi bakın, hoşçakalın!
E-posta: astronotlar.org@gmail.com
Facebook: facebook.com/astronotlar.org
Instagram: instagram.com/astro_notlar
Twitter: twitter.com/astro_notlar
Anchor: anchor.fm/astronotlar
KAYNAKLAR VE GÖRSELLER
https://www.ligo.caltech.edu/page/gravitational-waves
https://www.ligo.org/detections/GW190521.php
https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20200902
https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.125.101102
http://articles.adsabs.harvard.edu/cgi-bin/get_file?pdfs/SPAW./1916/1916SPAW…….688E.pdf