Einstein, seneler evvel genel görelilik teorisinde kütle çekimine sahip nesnelerin uzay-zaman eğrisini bükeceğini öngörmüştü. Biraz açacak olursak, Einstein’a göre 4 boyutlu bir evrende yaşamaktayız; düzlemsel 3 boyut (uzay) ve bunlara ek olarak zaman. Uzay-zaman evreninde bu koordinatların hepsi eşdeğerdir. Herkesin bildiği gibi yerçekimi Newton’a göre, kütleler arası çekimden dolayıdır; düşen bir obje dünyaya ve dünya da o objeye kuvvet uygular. Einstein’a göre bu aslında uzay-zamanın bükülmesidir; büyük cisimler küçük cisimlere göre uzay-zamanı daha fazla büker. Yani, dünya uzay-zamanı büker ve obje bükülen uzay-zamanda yere doğru hareket eder.

Peki, bu kuram neden daha doğrudur? Aslında Newton’un yasası, Einstein’ın kuramının küçük kütleli cisimlerin etrafındaki uzaylar için yaklaşık halidir. Küçük kütleli cisimler için çalışan bu teori, kütlesiz bir cisim için çalışmamaktadır. Işık kütlesizdir, yani Newton’a göre yerçekiminden etkilenmemelidir. Ama Einstein’ın kuramı ışığın da kütle çekiminden etkileneceğini ortaya koyar. Yani ışık, yıldız ve gezegen gibi çok büyük cisimlerin etrafından geçerken, bu cisimlerin oluşturduğu kütleçekimsel dalgalar nedeniyle bükülür. Bu yüzdendir ki uzayda milyonlarca ışık yayan cismin birçoğu birbiri arkasında kalmasına rağmen hepsini gökyüzünde görebiliriz.

Birçoğumuz Einstein’ın kuramının seneler sonra kanıtlandığını duydu televizyonlarda. Peki, 1900’lü yılların başında ortaya atılan bu teori deneysel olarak nasıl gösterildi? Lazer İnterferometre Gravitasyonel-Dalga Gözlemevi’nde (LIGO) yapılan bir deneyle kanıtlandı her şey. LIGO deneyinde haritada gösterildiği gibi biri Hanford’da diğeri ise Lousiana’da bulunan iki detektör kullanıldı. Bunun sebebi ise aynı gözlemin iki farklı detektör ile yapılarak bütün çevresel faktörlerin ortadan kaldırılmasıydı.

Peki, bu detektörler nasıl çalışıyor? LIGO’da kullanılan aslında Michelson interferometresinin modifiye edilmiş halidir. İnterferometreler, ışığın girişim özelliğini kullanarak, küçük mesafelerin ölçülmesinde, maddelerin kırılma indekslerini belirlenmesinde, cisimlerin yüzey özelliklerinin test edilmesinde ve yıldızlarının yarıçapının hesaplanmasında kullanılır. Şekilde görüldüğü gibi lazer ve demet ayrıştırıcı (beam splitter) farklı yönde hareket eden iki ışık demeti oluşturur. Uzun tüpler (4 km) boyunca ilerleyen bu iki ışık demeti daha sonra aynalardan geri dönerek demet ayrıştırıcı tarafından birleştirilir ve fotodetektöre (detector) gönderilir. Eğer iki kol birbirine eşit uzaklıktaysa ışığın dalga özelliğinden dolayı toplam ışık ya sıfırlanır ya da iki kat daha parlak olur. Bunun sebebi de iki ışığın sönümlenmesi ya da yapıcı girişimidir (üst üste binmesi ile toplanması). Bu, belli bir aralıkla atılan büyüklükleri eşit iki taşın su yüzeyinde oluşturduğu dalgalar gibidir. Örneğin, yapıcı girişimde dalgaların minimum ve maksimum değerleri zamanda aynı noktada bulunurken, yıkıcı girişimde bu noktalar tamamen birbirlerinin tersidir. Yani eksiler artıları götürür ve toplam dalga sıfırlanır. Fakat tüpler farklı uzaklıklarda olursa ışıklardan biri demet ayrıştırıcıya daha geç gelmiş olur. Bu farklı girişim sıfır ila iki kat arasında bir değer alır.

LIGO’da bu girişim mantığı kullanılarak, kütleleri birbirinden farklı iki kara deliğin birleşmesinden kaynaklanan bir sinyal ölçülebildi. İki kara deliğin toplam kütlesi birleştiklerinde azalmış ve LIGO’da ölçülen sinyal ise bu kütle farkından meydana gelip bize kadar ulaşmış kütleçekimsel dalgalardır.

Kütleçekimsel dalgalar, evrendeki bir kütleçekimsel dalga kaynağının uzaydaki mesafeleri uzatıp kısaltarak ışık hızında yayılması olgusudur. LIGO’da bu uzayıp kısalmalar ölçülür ve evrende gerçekleşen olaylar yüksek hassasiyetle hesaplanabilir. Şekilde iki farklı LIGO verisi gösterilmekte. Her iki LIGO tüpünde uzay-zamanda 10-21 metre mertebelerinde değişimler gösterilmiştir. Eğer kütle çekimsel dalgalar olmasaydı, bu grafikte düz bir çizgi görmemiz gerekirdi (herhangi bir taş atılmamış durgun su yüzeyi gibi). Yani kütleçekimsel dalgaların varlığı artık deneysel olarak gösterilmiştir.

Aslında burada gözlemlenen olağanüstü bir olayın sonucudur. Kütlesi güneşin 29 ve 36 katı büyüklüğündeki iki kara deliğin, 1,3 milyar yıl önce çarpışması ve bu çarpışma sonucu oluşan yeni bir kara delik. Bu iki kara delik çarpışmadan önce birbirleri etrafında dönmüş ve çevrelerindeki uzay-zamanda dalgalanmalara sebep olmuşlardır. İki kara deliğin arasındaki uzaklık azaldıkça bu dalgaların şiddeti de o derece artmıştır. Birbirleri etrafında dönen bu kara delikler daha çok hızlanmış, çarpışmış ve yeni bir kara delik oluşturmuştur. LIGO’da gözlemlenen ise bu etkileşim sonucu ortaya çıkan üç güneş kütlesine eşdeğer enerjinin 1,3 milyar yıl sonra ufak bir kütleçekimsel dalga sinyali olarak algılanmasıdır.

Artık evren ile ilgili ışık ve elektromanyetik dalgalardan elde edilen bilgilere ek olarak kütleçekimsel dalgalar da evren ile ilgili birçok soruya yanıt bulmamıza yardım edecektir. Mesela, kara delikleri çarpışmadan, yıldızları süpernova halinde patlamadan önce kütleçekimsel dalgaların değişiminden anlayacağız. Bu keşif ile evren artık bize bir adım daha yakın.

Hazırlayan: Arif Engin Çetin

Düzenleyen: Baran Koç

Kaynakça

B. P. Abbott et al. Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, Phys. Rev. Lett. 116, 061102, 2016.

Jing Liu, et al. Gravitational Waves from Oscillons with Cuspy Potentials, Phys. Rev. Lett. 120, 031301

Görseller 
Ana Görsel: Shutterstock
https://www.skatelescope.org/challenging-einstein/,
https://www.quora.com/What-are-gravitational-waves-in-laymans-terms,
http://quantumwavepublishing.co.uk/gravity-timeline/,
http://akademikfizik.blogspot.com/2013/03/interferometre-nedir.html,
https://www.ligo.caltech.edu/WA/page/ligo-data
sitelerinden alınmıştır.