FacebookTwitter

Kütleçekim Dalgaları

By

Share On GoogleShare On FacebookShare On Twitter

Albert Einstein’ın 1915 yılında ortaya attığı genel görelilik kuramı bir kez daha doğrulandı.
Bu kuram iki kara deliğin birbiri etrafında dönerek birleşmesi sırasında kütleçekim dalgaları yayacağını öngörüyordu.
ABD’deki LIGO (Lazer İnterferometre Yerçekimi Dalgası Gözlemevi) detektörlerinin kütleleri Güneş’in kütlesinin
29 ve 36 katı olan iki kara deliğin birleşmesinden doğan kütleçekim dalgalarını gözlemlediği
11 Şubat 2016’ta, Türkiye saatiyle 17:30’da düzenlenen bir basın toplantısıyla dünyaya duyuruldu.

Kütleçekimi

İngiliz fizikçi Isaac Newton’un elmayı Dünya’ya düşüren kuvvetle, Dünya’yı Güneş’e bağlı tutan kuvvetin aynı olduğunu anlaması fizikte büyük bir gelişmedir. Newton’a göre kütlesi olan her cisim birbirini kütleleriyle doğru orantılı bir şekilde çeker. Bu gözlem, bize uzak olan gökcisimlerinin de her zaman fizik yasalarına göre hareket ettiği düşüncesini destekledi.
Böylece insanoğlunun eli, gücünün yetmediği uzaklıklara kadar uzanmış oldu. Newton’dan yaklaşık 230 yıl sonra Albert Einstein genel görelilik kuramını ortaya atarak fizikte bir devrim yarattı. Einstein’a göre her cisim kütlesiyle orantılı
olarak uzay-zamanı büker ve diğer cisimler de bu bükülmüş uzay-zaman içinde hareket ederek kütleçekimini hisseder. Yani uzay-zaman, cisimlerin birbirlerini çekmesi için bir aracı vazifesi görür. Tabii her kuram gibi genel görelilik kuramının da
deneysel olarak doğrulanması gerekiyordu. Bunun için genel görelilik kuramının Newton fiziğine ne gibi değişiklikler getirdiğini görelim:

1) Işığın kütleçekimi altında bükülmesi,

2) Ağır cisimlerin yakınında zamanın yavaş akması,

3) Merkür’ün yörüngesinde küçük bir sapma,

4) Kara delikler,

5) Kütleçekim dalgaları.

Işığın bükülmesi Arthur Eddington adlı İngiliz astrofizikçi tarafından 1919 yılındaki tam Güneş tutulmasında gözlemlendi. Güneş tutulurken ona yakın bir yıldızın nerede görüleceği incelendi, genel görelilik kuramının öngördüğü sapma miktarı saptandı ve genel görelilik kuramının tahminleri deneyle doğrulandı. Işığın bükülmesi günümüz astrofiziğinde teleskoplarla rahatça görülebilen bir olgudur. Dünyamızın etrafında otuz dokuz GPS navigasyon uydusu var.

Işığın galaksi tarafından bükülmesiyle oluşan çembersel çizgiler

Işığın galaksi tarafından bükülmesiyle oluşan çembersel çizgiler

Bunlar sayesinde yeni bir yerin adresini kolaylıkla bulabiliyoruz. Fakat bu uydular Dünya’nın biraz dışındalar, dolayısıyla orada zaman daha hızlı akıyor. Bu nedenle de o uyduların üzerindeki elektronik çipler Dünya’dakinden biraz daha hızlı çalışıyor. Uydu üzerindeki yazılım genel görelilik kuramının zamanın hızlı akma etkisini hesaba katarak çalışıyor. Eğer genel görelilik kuramının bu
etkisi dikkate alınmasaydı konumumuzu tam olarak bulamaz ve bir mahalle öteye giderdik. Genel görelilik kuramının bir diğer öngörüsü olan kütleçekim dalgalarıysa bir sonraki kısmın konusunu oluşturuyor.

Genel görelilik kuramının başka bir tahmini olan kara delikler uzun süre matematiksel

Samanyolu Gökadasının merkezindeki 3,8 milyon Güneş kütleli kara deliğin etrafında dönen yıldızların yörüngeleri. Andrea Ghez ve UCLA’deki ekibi tarafından KECK teleskopları kullanılarak elde edilmiştir.

Samanyolu Gökadasının merkezindeki 3,8 milyon Güneş kütleli kara deliğin etrafında
dönen yıldızların yörüngeleri. Andrea Ghez ve UCLA’deki ekibi tarafından KECK
teleskopları kullanılarak elde edilmiştir.

spekülasyon olarak kaldı. İnsanlar bu çözümlerin gerçekliğinden uzun süre
emin olamadı. Fakat Samanyolu Gökada’sının merkezinde kütlesi Güneş’inkinin
3,8 milyon katı olan bir cisim bulundu. Cisimden ne görünür ışık ne de X-ışını geliyordu:
Tamamen karanlıktı. Öte yandan bu kadar kütlenin bu kadar küçük bir yere
nasıl sığdırılacağına bilinen fizik bir açıklama getiremiyordu. Dolayısıyla bilim insanları
bunun bir kara delik olduğuna hükmetti. Şimdilerde astrofizikçiler kütlesi
yeterince büyük her gökadanın merkezinde devasa bir kara delik bulunduğunu
düşünüyor.

Newton fiziğine göre gezegenler eliptik

Merkür’ün yörüngesinin mükemmel bir elipsten sapma biçimi. Şekilde uzaklıklar etkinin daha iyi anlaşılması için büyütülmüştür.

Merkür’ün yörüngesinin mükemmel bir elipsten sapma biçimi.
Şekilde uzaklıklar etkinin daha iyi anlaşılması için büyütülmüştür

yörüngelerde hareket eder. Fakat astronomların1900’lü yılların ortalarındaki gözlemleri Merkür’ün yörüngesinin mükemmel bir elipsten saptığını gösteriyordu. Bu o zamanlar için gizemli bir şeydi. Albert Einstein oluşturduğu genel görelilik denklemlerinin bu
sapmayı gerektiği gibi öngördüğünü anladığında çok rahatlamakta haklıydı. Genel görelilik kuramının bir tahmini daha böylece doğrulanmış oluyordu.

LIGO’nun optik parçaları üzerinde çalışan teknisyenler. Her detektörde 4 kilometre boyunca uzanan ve L şeklindeki kollara verilen lazer ışını iki kola ayrılarak ileri geri gider. İnterferometrenin kollarının iki ucuna mutlak hassaslıkla yerleştirilen aynaların konumlarını ölçmek için lazer ışınları kullanılır. Einstein’ın genel görelilik kuramına göre detektörün içinden bir kütleçekim dalgası geçtiğinde aynalar arası uzaklık değişecek ve bilim insanları bunu görebilecek.

LIGO’nun optik parçaları üzerinde çalışan teknisyenler. Her detektörde 4 kilometre boyunca uzanan ve L şeklindeki kollara verilen lazer ışını iki kola ayrılarak ileri geri gider. İnterferometrenin kollarının iki ucuna mutlak
hassaslıkla yerleştirilen aynaların konumlarını ölçmek için lazer ışınları kullanılır. Einstein’ın genel görelilik kuramına göre detektörün içinden bir kütleçekim dalgası geçtiğinde aynalar arası uzaklık değişecek ve bilim insanları bunu görebilecek.

 

 

 

 

Vakum sistemini çalıştırıp kanalı kapatmadan önce, LIGO teknisyeni interferometrenin aynalarına ışık tutarak inceleme yapıyor. LIGO’nun istenen şekilde çalışması için optik yüzeylerde herhangi bir kirlilik bulunmaması gerekiyor.

Vakum sistemini çalıştırıp kanalı kapatmadan önce, LIGO teknisyeni
interferometrenin aynalarına ışık tutarak inceleme yapıyor. LIGO’nun istenen şekilde çalışması için optik yüzeylerde herhangi bir kirlilik bulunmaması gerekiyor.

 

 

 

 

 

 

 

 

Kütleçekim Dalgaları

Uzay-zamanın cisimlerin kütleçekimini hissedebilmesi
için bir ortam olduğundan bahsetmiştik.
Elektromanyetik kurama göre ivmelenen elektrik
yükleri ışık yayar. Benzer bir şekilde, genel görelilik
kuramına göre ivmelenen cisimler de kütleçekim
dalgaları yayar. Mesela birbiri etrafında dönen
iki kara delik uzay-zamanda dalgalanmalar yaratır.
Bu dalgalar uzayda geçtikleri yeri gerer ya da sıkıştırır.
Kütleçekim dalgası bir yerden geçerken önce bir
yönü sıkıştırır diğerini gerer, daha sonra bir yönü gerer
diğerini sıkıştırır. Kütleçekim dalgaları başka cisimler
tarafından saçılmaz ya da emilmez, yani bozulmadan
milyonlarca yıl kalabilir.

Birbiri etrafında dönen iki cismin oluşturduğu kütleçekim dalgaları uzayzamanı dalgalandırıyor.

Birbiri etrafında dönen iki cismin oluşturduğu kütleçekim dalgaları uzay-zamanı dalgalandırıyor.

 

Kütleçekim Detektörü Merkezleri Hanford, Washington’da ve Livingston, Louisiana’daki ikiz LIGO detektörleri ve Almanya’daki GEO600 detektörleri halen çalışıyor. İtalya’daki VIRGO ve Japonya’daki KAGRA detektörleri bir yenileme çalışmasından geçiyor ve sırasıyla 2016’da ve 2018’de çalışmaya başlayacakları öngörülüyor. Hindistan’da altıncı bir detektörün yapılması planlanıyor. Dünya’da daha fazla kütleçekim detektörü olması, bilim insanlarının kütleçekim dalgalarının nereden geldiğini daha büyük bir hassasiyetle öğrenmesini sağlayacak.

Kütleçekim Detektörü Merkezleri
Hanford, Washington’da ve Livingston, Louisiana’daki ikiz LIGO detektörleri ve Almanya’daki GEO600 detektörleri halen çalışıyor. İtalya’daki VIRGO ve Japonya’daki KAGRA detektörleri bir yenileme çalışmasından geçiyor ve sırasıyla 2016’da ve 2018’de çalışmaya başlayacakları öngörülüyor. Hindistan’da altıncı bir detektörün yapılması planlanıyor. Dünya’da daha fazla kütleçekim detektörü olması,
bilim insanlarının kütleçekim dalgalarının nereden geldiğini daha büyük bir hassasiyetle öğrenmesini sağlayacak.

Kütleçekim dalgalarının dolaylı olarak gözlemlenmesi 1982 yılında oldu. Birbiri etrafında dönen iki nötron yıldızı kütleçekim
dalgaları yayarak enerjilerinin bir kısmını kaybeder. Bu nedenle yörüngeleri gittikçe küçülür. Bunu keşfeden ve sonuçların
genel görelilik kuramıyla mükemmel uyumlu olduğunu gösteren bilim insanları 1993 yılında Nobel Ödülü’ne layık görüldü.
LIGO (Lazer İnterferometre Yerçekimi Dalgası Gözlemevi) 1,3 milyar yıl önce kütleleri Güneş’in kütlesinin 29 ve 36 katı
olan iki kara deliğin birleşmesi sonucu oluşan kütleçekim dalgalarını gözlemledi. Toplam kütlenin Güneş’in kütlesi 3 katı
kadar olan kısmı kütleçekim dalgalarına enerji verdi. Araştırmacılar L şeklindeki uzun tüneller boyunca lazer ışıkları yollayarak uzay-zamanın dokusundaki dalgalanmaları saptamaya çalışıyordu. Dalgaların izi, interferometre denilen aletlerle
ölçülebilen, büyüklüğü bir atomdan çok daha küçük değişimlerde arandı. İlk gözlem, Dünya’ya bir milyar ışık yılı uzaklıkta
iki kara deliğin çarpışması sırasında, ABD’nin Washington ve Louisiana eyaletlerindeki iki ayrı LIGO tarafından 14 Eylül
2015’te, 13:51’de yapıldı. İnterferometreler bir milyar yıldan daha uzun bir süre önce yaşanan bir olayı kaydetti. Livingstone’daki dedektörün sinyali Hanford’daki dedektörden 7 milisaniye önce kaydetmesinden yola çıkılarak kara deliklerin güney yarıkürede olduğu sonucuna varıldı. Böylece kütleçekim dalgaları ilk defa doğrudan gözlemlenmiş oldu. Sonuç 11 Şubat 2016’da Türkiye saatiyle 17:30’da düzenlenen bir basın toplantısıyla dünyaya duyuruldu.

Kütleçekim Dalgalarının Geldiği Yer 14 Eylül 2015 tarihinde LIGO detektörleri tarafından algılanan kütleçekim dalgalarının geldiği düşünülen noktalar resim üzerinde, göğün güney yarıküresinde işaretlenmiş. Farklı renkler sinyallerin o bölgeden gelme ihtimaline karşılık geliyor. Sinyalin mor bölgeden gelme ihtimali %90, içteki sarı bölgeden gelme ihtimaliyse %10.

Kütleçekim Dalgalarının Geldiği Yer
14 Eylül 2015 tarihinde LIGO detektörleri tarafından algılanan kütleçekim dalgalarının geldiği düşünülen noktalar resim üzerinde, göğün güney yarıküresinde işaretlenmiş. Farklı renkler sinyallerin o bölgeden gelme ihtimaline karşılık geliyor. Sinyalin mor bölgeden gelme ihtimali %90, içteki sarı bölgeden gelme ihtimaliyse %10.

Bu keşif uzay araştırmaları için yeni bir dönemin başlangıcı anlamına geliyor. Işık kullanılarak yapılan astronomi Büyük Patlama’dan ancak yaklaşık
400 bin sene sonrasını görebiliyor, çünkü daha önce
yayılan ışınlar madde tarafından emildiği için bize ulaşamıyordu. Ondan daha önce evrende ne olup
bittiği optik astronominin kapsamı dışında kalıyor. Fakat kütleçekim dalgaları maddenin içinden emilmeden geçebildiği için kütleçekim dedektörleri optik
astronomi sınırlarını aşacak. Kütleçekim dalgalarının gözlemlenmesi Büyük Patlama’dan başlayarak uzayın pek çok sırrını çözmekte faydalı olabilecek ve evrenle ilişkimizi değiştirebilecek bir keşif. Artık kütleçekim astronomisinin doğduğunu rahatlıkla söyleyebiliriz.

 

 

 

 

 

 

Kütleçekim dalgaları: Einstein tahmin etmişti! KutleCekimDalgaları Grafiği

Bu grafikler Livingston, Lousiana ve Hanford, Washington’daki
LIGO detektörleri tarafından tespit edilen sinyalleri gösteriyor. Sinyaller kütleleri Güneş’in kütlesinin 29 ve 36 katı olan iki karadeliğin birleşmesinden kaynaklanıyor ve 1,3 milyar ışık yılı uzaktan geliyor. Üstteki iki grafik Hanford ve Livingston detektörleri tarafından elde edilen verileri genel görelilik kuramının tahminleriyle beraber gösteriyor. Zaman yatay eksen boyunca, uzama oranı dikey eksen boyunca gözlemlenmiş. Uzama oranı, dalga geçtiğinde mesafelerin hangi oranda değiştiğini belirtiyor. Grafiklerin gösterdiği üzere, LIGO verileri Einstein’ın tahminleriyle örtüşüyor. En alttaki grafikse Hanford ve Livingston’daki detektörlerden elde edilen verileri üst üste göstererek karşılaştırıyor. Sinyaller sinyalin Hanford detektörüne 7 milisaniye sonra geldiği ve iki etektörün yönelimlerindeki farklılıklar da göz önüne alınarak uyumlu hale getirildi. Grafiğin gösterdiği üzere iki detektörde aynı olaya tanıklık etmiş. Bu da gözlemi doğruluyor.

 

 

 

 

Nasıl Çalışır?

Girişimölçer (İnterferometre)

Girişim ışığın dalga doğasından kaynaklanan temel özelliklerinden biridir. Işığın bu temel özelliği,
günümüz teknolojisi ve mühendisliği ile birleşince kütleçekim dalgalarının gözlemlendiği LIGO deneyinde
olduğu gibi evrenin sırlarının bir anahtarına dönüşüyor.

 

Girişim

İki dalga karşılaşıp üst üste bindiğinde üçüncü bir dalga ortaya çıkar.Girişim Ölçer -4
Süperpozisyon adı verilen bu süreçte ortaya çıkan dalganın deseni ve enerjisi ilk dalgalara bağlıdır. Dalga tepeleri ve çukurları üst üste
bindiğinde ortaya çıkan desene “yapıcı girişim”, karşılaştığında
ortaya çıkan desene ise “yok edici girişim” denir.

 

Young Çift Yarık Deneyi

19. yüzyılın başında ışığın dalga mı yoksa tanecik mi olduğu tartışılırken bu deney dalga taraftarlarına çok önemli bir dayanak sağlamıştır. Çünkü ışık eğer tanecik olsaydı iki yarığın arasının ekrandaki iGirişim Ölçer -3zdüşümünün karanlık olması gerekirdi.
Oysa parlak ve karanlık çizgilerden oluşan desenin en parlak çizgisi ortadaydı. Bu da ancak ışığın dalga doğasıyla açıklanabiliyordu. Bu deney düzeneği aynı zamanda basit bir girişimölçerdi. Örneğin yarıklardan birinin önüne yerleştirilen şeffaf bir cisim dalgaların yarısının perdeye varış süresini değiştirerek girişim deseninin de değişmesine
neden olur. Bu değişim miktarı ve şeffaf cismin kırınım indeksi kullanılarak cismin kalınlığı çok hassas bir şekilde hesaplanabilir.

 

 

 

 

 

 

Girişim Ölçer -2

Lazer kullanılarak tasarlanan bu düzenekte sarı renkle gösterilen ve lazerden çıkan ışık yarı geçirgen bir aynaya düşürülür. Işığın yarısı yansırken (yeşil) yarısı da aynadan geçerek (mavi) iki kola ayrılır. Işık her iki kolda da aynı uzaklığa yerleştirilmiş aynalarla geri yansıtılır. Tekrar yarı geçirgen aynadan geçen ışınlar ekranda aynı noktaya düşürülerek bir girişim deseni oluşturur. Bu kollardan biri referans olarak alınır. Ölçüm diğer kolla yapılarak girişim desenindeki farklılık gözlemlenir

Michelson-Morley Deneyi

Esirin varlığına dair kanıt bulamayarak tarihe geçen Michelson-Morley deneyinde
kullanılan düzenek de bir girişimölçerdi.
Işığın yayıldığı bir ortam olup olmadığını anlamak üzere tasarlanan deney,
Einstein’ın görelik kuramı için de bir sıçrama taşı olmuştur.
Günümüzde kullanılan girişimölçerler
nm (milimetrenin milyonda 1’i)
düzeyindeki ölçümleri yaklaşık milyonda bir
hatayla yapabilir.

 

 

 

Girişim Ölçer -1

 

LIGO Deneyi

• LIGO kısaltmasının açılımının Türkçe karşılığı Kütleçekim Dalgaları Lazer Girişimölçer Gözlemevi’dir.
• LIGO’da referans koluyla ölçüm kolu arasındaki fark kütleçekim dalgalarının geçişinden kaynaklanır.
• Büyük kütleli cisimlerin uzayda etkileşmesi sonucu uzay-zamanın bükülmesiyle ortaya çıkan kütleçekim dalgaları ışık hızıyla yayılır.
• Kütleçekim dalgaları içinden geçtikleri uzayı sıkıştırıp esnetir. Bu etki sadece atomaltı seviyede ölçülebilecek kadar küçüktür.
• İki LIGO deneyinin arası yaklaşık 3000 km’dir.
Yani kütleçekim dalgaları bir deneyden diğerine yaklaşık 10 milisaniyede ulaşır.
Bu fark sayesinde araştırmacılar dalgaların kaynağını bulabiliyor.

 

 

Bilim ve Teknik  Mart 2016

Furkan Semih Dündar