Evren, sessiz bir şekilde titreşiyor. Bu titreşim, ışığın büküldüğü, zamanın yavaşladığı, kütlelerin birbirini çağırıp sarıldığı o ünlü teoriyle birlikte, 1915 yılında Albert Einstein’ın kaleminden taştı. Genel görelilik, kütleçekimi bir kuvvet olarak değil, uzay-zamanın kendisinin eğriliği olarak tanımladı. Bir yıldız etrafında dönen bir gezegen bile, bu dokuyu saran bir dalga atar; ama bu dalgalar çoğu zaman, bir insan saçının uçundan çok daha ince bir bozulma olarak kalır. Yüz yıl boyunca Einstein’ın tahminine dair yalnızca dolaylı kanıtlar bulundu. Karadelik birleşmesiyle doğan bu kozmik sarsıntıların, doğrudan duyunca, insanlık evrenin en derin yapısının bir sesini duydu.
Uzay-Zamanın Dokusundaki Titreşim: Einstein’ın 1916 Rüyadan Tahmini
Einstein, teorisinin doğurduğu bu dalgaları ilk kez 1916’da, kendi makalesinde öne sürdü. Ona göre, ivme alan kütleler, etraflarındaki uzay-zaman dokusuna dalga şeklinde yayılır; bu dalga da ışık hızıyla ilerler. Ancak Einstein, bu buluşun doğrudan ölçülmesinin o çağda imkânsız olduğunu biletti. Bir karadelik birleşmesinin yarattığı bozulma, kolları kilometrelerce boyutundaki bir aleti, proton çapının on binde biri kadar — hatta daha da küçük — bir mesafede sıkıştırır ve gerer. Yüzyıllık bir sessizlik, 2015’e kadar uzaydı.
Bu tahmin, aslında Einstein’ın kendi şüpheyle de zenginleşmişti. Fizikçi Subrahmanyan Chandrasekhar’ın, iki karadelik birbirine çarpacağı fikrini 1960’larda ortaya attığında Einstein bile buna inanmamıştı. “İki karadelik çarpışıp tek bir karadelik oluşturursa, o zaman uzay-zamanın kendisi dalga atar” fikri, o dönemde çürük bir spekülasyon olarak görüldü. Einstein, bu olasılığı, kendi kuramının bir sonucundan çok, “bir olasılığı” olarak not düşmüştü. Yüz yılın sonundaki bu sessizlik, tahminin ne kadar cesur olduğunu gösteriyordu.
LIGO: Proton Çapının On Binde Biri Kadar Bir Sapmayı Duymak
2015’in 14 Eylül’ünde, ABD’nin Louisiana eyaletinde, bir lazer ışını iki kilometrelik kolu boyunca seyahat ederken, evrenin kendisi onu titretti. Bu olay, tarihe GW150914 olarak geçti. LIGO, “Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory” (Lazer Girişimölçer Kütleçekimsel Dalga Gözlemleyicisi) adını taşıyan, iki kolu da 4 kilometre uzunluğunda olan devasa bir girişimölçer ağıydı. Kolların biri kuzey-güney, diğeri doğu-batı yönünde yerleşmişti ve her ikisi de bir L-shaped yapı oluşturuyordu.
Girişimölçer, iki koldaki lazer ışınlarını bir noktada birleştirerek, ışığın iki yol arasında oluşabilecek yol farkını sayar. Eğer iki koldaki mesafe tam olarak eşitse, ışınlar birbirini yok eder — bu “yok oluşum girişimi” (destructive interference) olarak adlandırılır. Kütleçekimsel dalga geçtiğinde ise kolların biri uzar, diğeri kısalır; ışığın birinde bir tam dalga boyundan daha kısa, diğerinde daha uzun bir yol katetmesi sağlanır. Bu da girişim desenini değiştirir ve lazer ışığında görülebilir bir parlama farkı yaratır.
Burada söz konusu olan, insanın duyabileceği en küçük mesafe değişimidir. GW150914 olayında, iki karadelik yaklaşık 200 ışın yılı uzaklıktaydı ve birleşme sırasında güneş kütlesinin üçten birine denk gelen enerji kütleçekimsel dalgaya dönüştü. Bu enerji, gözlemciye ulaşana kadar 4 kilometrelik kolları, yaklaşık 10^-18 metre — proton çapının on binde biri kadar — bir bozulmada değiştirdi. Bir insan saçının çapı, yaklaşık 50.000 mikrometre iken, bu sapma, saçın uçundan çok daha küçük bir ölçeğe iniyordu. İnsanlık, böylece evrenin en uzak köşelerinde gerçekleşen bir patlamanın, kendi laboratuvarındaki milimetrik bir uzay-zaman bozulmasını ölçmeyi başardı.
GW150914: İki Karadelik Dansının Sonu
LIGO’nun ilk sinyali, iki karadelikin birbirine spiral şeklinde yaklaşmasıyla başladı. Sinyalde “chirp” adı verilen, artan frekans ve artan genlik taşıyan bir iz vardı. Karadelikler birbirine yaklaştıkça, kütleçekimsel dalga frekansı yükseldi ve genlik arttı — çünkü orbit hızları ışık hızına yaklaşırken daha hızlı dönmeye başladılar. Son anlarda, saniyede 100.000 dolanım hızına ulaşan bu çift, son kararlı yörüngeye girmeden önce “inspiro-merger” adını verdiği bir evrede titredi.
Birleşme anından sonra, iki karadelik tek bir, daha büyük bir karadelik oluşturdu. Bu süreçte, yaklaşık 3 güneş kütlesinin enerjisi — E=mc² denklemiyle — saf enerjiye, yani kütleçekimsel dalgaya dönüştü. Bu enerji, kısa sürede galaksilerin bir ömür boyu yakabileceği miktardan daha fazlaydı. Sinyal, yaklaşık 0,2 saniye sürdü; ama bu yarım saniye, insanlığın evreni dinlemeye başladığının ilk notuydu.
LIGO’nun iki kolu, aynı anda neredeyse aynı şekilde titreşti. Bu, rastlantısal gürültü olma ihtimalini eledi ve bulguyu güçlü bir şekilde doğruladı. 2016 yılının 11 Şubat’ında, Einstein’ın tahmininden tam yüz yıl sonra bu tespit dünyaya duyuruldu. Bu bulgu, fizikçilere 2017 Nobel Fizik Ödülü’nü getirdi.
GW170817: Nötron Yıldızlarının Dansı
2017’nin 17 Ağustos’unda ise, LIGO ve Virgo gözlemleyicileri, önceki olaydan çok daha farklı bir ses duydular. Bu kez titreşim, karadelikten değil, iki nötron yıldızının birleşmesinden geliyordu. Olaya GW170817 denildi. Bu kez sinyal, yaklaşık 130 milyon ışın yılı uzaklıktaydı; yani ışık, evrenin gençliğinde bu olayı terk etmişti ve bugün gözlemciye ulaşmaktaydı.
Nötron yıldızları, evrenin en yoğun maddesel nesnelerindendir. Bir nötron yıldızı, güneş kütlesinin yaklaşık 1,4 katına denk gelen kütleyi, yalnızca yaklaşık 20 kilometre çapında bir küreye sıkıştırır. Bu kadar yoğun bir ortamda, atom çekirdeklerinin boyutundaki yoğunluk, maddeyi neredeyse sıvı bir çekirdeğe benzer bir duruma indirger. İki böyle nesne birbirine spiral şeklinde yaklaşırken, kütleçekimsel dalga sinyali, karadelik olayından çok daha uzun sürdü — çünkü nötron yıldızları, karadelikler kadar küçük olmadığı için daha uzun bir dans sergiledi.
Gama Işını Patlaması: Işık ve Dalga Aynı Anda
GW170817’in en çarpıcı yanı, kütleçekimsel dalga sinyalinden tam 1,7 saniye sonra, aynı yönde bir gama ışını patlaması (GRB 170817A) tespit edilmesiydi. Bu, fizikteki en büyük eşzamanlı gözlemlerden biriydi. Işık hızıyla ilerleyen kütleçekimsel dalga ve ışık hızıyla ilerleyen fotonların, neredeyse aynı anda, neredeyse aynı yöne ulaştığı görülmesi, kütleçekiminin yayılma hızının ışık hızına eşit olduğunu muazzam bir doğrulukla kanıtladı.
Bu eşzamanlılık, Einstein’ın kütleçekiminin yayılma hızı sorusuna dair yüzyıllardır süregelen belirsizliği çözdü. Bazı alternatif kütleçekim teorileri, bu hızın ışık hızından farklı olabileceğini öne sürmüştü. GW170817, bu hızların birbirinden en fazla yaklaşık bir bilyarda biri kadar farklı olabileceğini gösterdi. Evrenin iki en temel habercisi — kütleçekimsel dalga ve elektromanyetik ışık — aynı anda, aynı yöne yol alıyordu. Bu, gözlemsel kozmolojinin en güçlü kısıtlamalarından birini sağladı.
Gama ışını patlaması, iki nötron yıldızının birleşmesinin ardından, birleşmiş sistemin dışarıya attığı malzemenin hızla genişlemesinden ve ısınmasından kaynaklanan bir jet (akışkan) ile açıklanır. Bu jet, patlamadan çok daha sonra, optik ve
