Yıldızlararası bir senfoni

Bilim insanları, neredeyse 20 yıldır süper kütleli karadeliklerin tetiklediğini düşündükleri gravitasyonel dalgaların arka planını arıyor. Böyle bir arka plan, Albert Einstein’dan bu yana teorize edilmiş ve gök bilimciler tarafından araştırılmış olsa da dalgaların sinyalleri yaklaşık 15 yıllık zaman ölçeğinde doğrulanabildi. Ve nihayet 29 Haziran Çarşamba günü, âdeta uçsuz bucaksız uzay-zaman okyanusunun dalga sesleri duyabildik.

Bu keşfin iki öyküsü var: İlki, Albert Einstein’ın 1915 yılında genel görelelik teorisiyle başlıyor. Teoriye göre evrenin üzerinde karadelikler, yıldızlar ve dünya gibi nesnelerin içinde yüzdüğü bir uzay-zaman dokusu bulunuyor. Uzay-zaman dokusu, üzerine farklı kütlelerde toplar bırakılmış gergin haldeki bir kumaşa benzetilebilir. Topun kütlesi ne kadar büyükse kumaş üzerinde neden olduğu çukur ve kırışıklık o denli büyük olacaktır. Yani bir yıldız, uzay-zamanı dünyamızdan daha çok büker. Bir karadelik ise bir yıldızdan kat be kat daha fazla bükülmeye yol açmaktadır. Bu nesnelerin hareketleri ise uzay zaman kumaşında binlerce ışık yılı boyunda dalgalara yol açıyor. Öykülerin ikincisi ise 1967 yılında Kuzey İrlanda’da, Lugan’da Jocelyn Bell Burnell adında bir yüksek lisans öğrencisinin uzaydan gelen olağan dışı bir sinyali fark etmesiyle başlıyor. Bell, uzayda her saniye tıpkı bir saat gibi tekrarlanan sinyaller tespit etti. Kendisi ve diğer gök bilimciler, daha sonra bu sinyalleri “Pulsarlar” olarak isimlendirdiler.

“Kozmik Deniz Fenerleri” ya da “Atarcalar” olarak Türkçeleştirebileceğimiz Pulsarlar, saniyede 700 kadar dönüşe ulaşabilen ve düzenli aralıklarda çevresini radyasyon atımlarıyla tarayabilen nötron yıldızlarıdır. Periyodik atımları her dönüşte dünyamıza ulaşırken, onları muazzam derecede hassas saatlere dönüştürüyor. Peki bu tik takları kullanarak, uzay-zaman dokusunda galaksimize ulaşan dalgalanmaları tespit edebilir miyiz?

Amerika ve Kanada’dan 190 bilim insanı, NANAOGrav isimli çalışma grubunda tam da bu yöntemi kullanarak galaksi boyunda bir dedektör yapmayı başardılar. 15 yıl boyunca düzinelerce Pulsar kullanarak kütleçekimsel dalgalanmaları, “interferometri” adı verilen çalışma prensibini kullanarak tespit ettiler.

Pulsarlardan çıkan dalgalar, evrenin uçsuz bucaklığında giderek enerji kaybederken, oldukça silikleşmiş bir halde dünyamıza ulaşırlar. Bu dalgalar öylesine küçüktür ki bizim fiziksel olarak hissetmemiz ya da sıradan yöntemlerle ölçmemiz mümkün değildir. Bu yüzden interferometri yöntemini esas alan hassas cetvellere ihtiyacımız vardır. İnterferometri, aynı kaynaktan çıkan elektromanyetik dalgaları ikiye ayıran, ardından tekrar birleştirerek dalgaların aldığı mesafeyi ölçen bir sistemdir. Tek bir ışın ikiye ayrılıp iki ayrı koldan birleşme noktasına gönderildiğinde, varışlarındaki gecikmelerden yola çıkarak hat boyunca uzay-zaman dokusunda değişen fiziksel koşullar hakkında bilgi edinmemizi sağlar.

MIT tarafından işletilen LIGO gibi devasa interferometre tesislerinde, “kütleçekimsel radyasyon” olarak bilinen gravitasyonel dalgaların ölçümü, dünyanın en temel güçlerinden biri olan kütleçekimine dair sahip olduğumuz teorileri doğrulamakla kalmıyor; aynı zamanda astronomlara kozmosa bakmanın yepyeniyollarını sunuyor. Her biri bilim insanlarına, Galilei teleskobunu ilk kez gökyüzüne çevirdiği gecedeki gibi tarihi anlar yaşatıyor.

Albert Einstein, genel görelelik ile kütlenin uzay-zaman üzerindeki etkisini teoride tanımlarken, LIGO bundan daha da ileriye giderek hızlanan iki büyük kütleli cismin uzay-zamanı bozup dalgalanmasına ve çevresine dalgalar göndermesine neden olacağını söylüyor. Uzay-zamanda dalgalar, kozmos boyunca her yöne doğru ışık hızında -ki bu da kütleçekim hızıdır- taşınırken dalgalara kodlanmış kaynak hakkında bilgi taşır. Bu doğrultuda dalgaların frekansı, onları oluşturan nesnelerin kütlesine ve olayın ne kadar uzakta gerçekleştiğine bağlı olarak değişir. Gravitasyonel dalgalar sayesinde karadeliklerin kendi aralarındaki dansını ve kalplerinde yer aldıkları galaksilerin sandığımızdan çok daha fazla sıklıkta çarpıştığını öğrenmiş bulunmaktayız. Bu dalgalanmaları yakalamak ve Pulsarları gözlemlemek için NANOGrav gibi Pulsar zamanlama dizileri, uzun yıllar boyunca birden fazla radyo teleskobu kullanıyor. Bu teleskoplar, LIGO’nun iki kolunun uzunlukları arasındaki küçük değişimleri analiz ederek kütleçekimsel dalgaları tespit eden gözlemevlerinin kozmik versiyonlarıdır.

LIGO’nun kollarının her biri dört kilometre uzunluğunda olsa da NANOGravpulsar zamanlama dizileri, dünyadan her Pulsara olan mesafeyi yüzlerce veya binlerce ışık yılı uzunluğunda galaksi boyunda kollarla etkili bir şekilde kullanıyor. Eğer gravitasyonel dalgalar, uzay-zamanı bir yönde esnetir ya da sıkıştırırsa ışınlar birbirleriyle etkileşime girecek ve çıkış sinyalindeki değişimlere bağlı olarak etkisinde kaldıkları dalgaların özellikleri hakkında bilgi sağlayacaklardır.

NANOGrav ve LIGO tarafından tespit edilen dalgaları birbirinden ayıran en büyük şey, dalga boylarıdır. Bunu bir perspektife oturtmak gerekirse LIGO’nun tespit ettiği gravitasyonel dalgalar, binlerce kilometre uzunluğunda dalga boylarını ifade etmekte ve milisaniyeden saniyeye kadar frekansa sahiptir. Buna karşın NANOGrav tarafından tespit edilen dalgalar trilyonlarca kilometre ölçeğinde dalga boyuna sahipken, LIGO’ya kıyasla saniyeler yerine yıllar ölçeğinde frekansa sahiptir. Bu yüzden NANOGrav araştırmacıları, araştırma bulguları için 15 yıllık veri setlerinden yararlanmıştır.

Bunu bir örnekle açıklamak gerekirse dünyamızı uzay-zaman okyanusunda yüzen küçük bir kayığa benzetebiliriz. Okyanusun hafif dalgaları kayığı bir sağa bir sola sallıyor. Fakat bir gün anlıyoruz ki kayığımızı sallayan uzaklardaki bir tsunami dalgasının bize ulaşan son kalıntıları. Bunun farkına varmamız yıllar alıyor. Tüm bunlar olurken hayatımıza normal bir şeklide devam ediyoruz ama bu evren ölçeğinde son derece büyük bir olay.

Evrenimizde yayılan gravitasyonel dalgaların yayılma şekli, tıpkı ses dalgalarına benziyor. Ancak hava gibi bir ortamın bulunmadığı uzay boşluğunda ses olmaz. Bu nedenle dalgaları kulağımızla duyamayız. Fakat bu dalgalar dünyadan tespit edildiğinde, özel frekanslarını özel seslere dönüştürebiliyoruz.

Galaksimiz, uzayın derinliklerinde bir müzik kutusu gibi titriyor. Sessizliği tik taklarıyla bozan Pulsarlar, keyifli bir orkestra kuruyor. Evren bu kozmik senfoniyle dolup taşarken, yıldızlar arasında süzülen ışık huzmeleri karadeliklerin dansını izliyor.