Kütle çekimi dalgalarıyla ölçüm yapmak

İspanya’daki Santiago de Compostela Üniversitesine bağlı Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) liderliğindeki araştırmacıların elde ettiği sonuçlar, evrendeki en ekstrem olaylardan birine dair yeni ipuçları sunuyor.

Sonuçlar Nature Astronomy dergisinde yayımlandı. Kütle çekimsel dalgalar, uzay-zaman dokusunda ışık hızıyla uzaklara doğru yayılan dalgalanmalar. Bu dalgalar kendi kaynakları hakkında bilgi taşıyor. Böylece ışık yaymayan olayları (örn. kara delik birleşmeleri) gözlemlememizi sağlarken; ışık yayan olaylara (örn. süpernovalar, nötron yıldızı birleşmeleri) dair de yepyeni bilgiler elde etmemize olanak tanıyorlar.

Einstein, kütle çekimsel dalgaların varlığını 1916’da öngörmüştü ama bu dalgalar o kadar zayıf ki onları tespit edebilmek için hem olağanüstü hassas dedektörler hem de kara delik birleşmesi, süpernova, Büyük Patlama gibi aşırı şiddetli astrofiziksel olaylar gerekiyor. Bu yüzden bu dalgaların tespit edilmesi yüz yıl sürdü.

Eylül 2015’te LIGO dedektörleri, yaklaşık 30 güneş kütlesi büyüklüğündeki iki kara deliğin birleşmesiyle yayılan GW150914 sinyalini kaydetti. O zamandan beri neredeyse 300 benzer olay kaydedildi. Bu sayede evrendeki kara delik popülasyonunu incelemeye ve kütle çekimini en şiddetli koşullarda test etmeye başladık. Kara delik birleşmelerinin en dramatik sonuçlarından biri de “geriye savrulma”. İki kara deliğin birleşmesiyle ortaya çıkan tek kara delik, farklı yönlere eşit olmayan biçimde kütle çekimsel dalgalar yayıyor. Bu dengesizlik, kalıntının adeta bir “tekme” yemesine ve bazen saniyede binlerce kilometre hızla fırlamasına neden oluyor. Bu hız, kara deliğin ev sahibi galaksisinden kaçmasına yol açabilecek kadar yüksek.

Kısa bir süre önce tam olarak kütle çekimsel dalgaların keşfinden on yıl sonra, Santiago de Compostela Üniversitesi, Pennsylvania State Üniversitesi ve Hong Kong Çin Üniversitesinden küçük bir araştırma ekibi, geri savrulan bir kara deliğin hızını ve yönünü ilk kez ölçtü. Ölçüm, farklı kütlelerdeki iki kara deliğin birleşmesinden doğan GW190412 olayı üzerinde yapıldı. GW190412, 2019’da Advanced LIGO ve Virgo dedektörlerinin üçüncü gözlem dönemi sırasında kaydedilmişti.

Savrulmanın ölçülmesi

Farklı yönlere yayılan kütle çekimsel dalgalar birbirinden epey farklı görünüyor. Bu sayede kaynağın etrafında tam olarak nerede olduğumuzu anlayabiliyoruz. Dolayısıyla, gözlemcinin geri savrulmaya göre konumuna bağlı olarak sinyaller belirgin şekilde değişiyor ve bu da bize savrulmanın yönünü (kaynağa ve Dünya’ya kıyasla) gösteriyor.

Ayrıca kaynağın kütlesine ve dönme hızına dair ölçümlere bakarak, genel görelilik sayesinde savrulma hızını hesaplayabiliyoruz. Böylece geri savrulmanın tüm özellikleri ortaya çıkarılabiliyor. IGFAE araştırmacısı ve çalışmanın baş yazarı Prof. Juan Calderon-Bustillo bunu bir müzik benzetmesiyle açıklıyor: “Kara delik birleşmeleri farklı sinyallerin süperpozisyonu gibidir. Bunu bir orkestrada birçok farklı enstrümanın çaldığı müziklerin birleşimine benzetebiliriz. Ama bu orkestranın bir özelliği var: Orkestranın çevresinde farklı noktalarda bulunan izleyiciler birbirinden farklı enstrüman kombinasyonları duyuyor, bu sayede orkestranın çevresinde nerede durduklarını anlayabiliyorlar.”

Ekip, GW190412 birleşmesiyle oluşan kara deliğin geri savrulma hızının saniyede 50 km’yi aştığını tespit etti. Yani bu geri savrulma, kara deliği bir küresel kümeden dışarı atmaya yetecek kadar güçlüydü. Savrulmanın Dünya’ya göre yönünü, sistemin yörüngesel açısal momentini ve ikili kara deliğin ayrım çizgisini de belirlediler. Calderon-Bustillo şöyle diyor: “Bu yöntemi 2018’de geliştirmiş ve mevcut dedektörlerimizle geri savrulma ölçümleri yapılabileceğini göstermiştik. Oysa diğer yöntemler, ancak on yıldan uzun süre sonra devreye girecek LISA gibi dedektörleri gerektiriyordu.”

“Ne yazık ki o dönemde Advanced LIGO ve Virgo henüz ‘farklı enstrümanlardan gelen müzik’ içeren bir sinyal tespit etmemişti, yani geri savrulma ölçümü yapabileceğimiz bir olay yoktu. Ama böyle bir tespitin yakında yapılacağından emindik. Sadece bir yıl sonra GW190412’nin tespit edilmesi, geri savrulmanın ölçülebileceğini fark etmek ve bunu gerçekten başarmak çok heyecan vericiydi.” Penn State’ten doktora sonrası araştırmacı Dr. Koustav Chandra ise şöyle diyor: “Astrofizikte nadiren karşılaşılan bir durum bu. Sadece bir şeyi tespit etmekle kalmıyor, milyarlarca ışık yılı uzaktaki bir cismin üç boyutlu hareketlerini yalnızca uzay-zaman dalgalanmalarını kullanarak yeniden inşa ediyoruz. Kütle çekimsel dalgaların neler yapabileceğinin olağanüstü bir göstergesi.”

Sırada ne var?

Kara delik geri savrulmasının yönünü ölçmek, kara delik birleşmelerini hem kütle çekimsel hem de elektromanyetik sinyallerle incelemenin önünü açabilir. Hong Kong Çin Üniversitesinden doktora öğrencisi ve makalenin ortak yazarı Samson Leong şöyle diyor:

“Yoğun ortamlarda gerçekleşen kara delik birleşmeleriyle oluşan kara delikler, aktif galaksi çekirdeği (AGN) gibi yoğun bir ortamdan geçerken elektromanyetik sinyaller (“flare” denilen parlamalar) üretebilir. Bu parlamaları tespit etmek mümkündür.” “Bu parlamaları görüp göremeyeceğimiz, geri savrulmanın Dünya’ya göre yönüne bağlı olduğu için geri savrulmanın ölçülmesi, gerçekten ikili kara delik birleşmesinden kaynaklanan kütle çekimsel-elektromanyetik sinyal çiftlerini tesadüfi sinyallerden ayırt etmemizi sağlayacak."

Yazar: Gaby Clark, Robert Egan