Kütleçekimsel dalga arka planının keşfi bilim insanlarını heyecanlandırdı

Kuzey Amerika Nanohertz Kütleçekim Dalgaları Gözlemevi (NANOGrav) 28 Haziran Perşembe günü, 15 yıllık araştırmayı temsil eden tarihi bir buluş olan düşük frekanslı kütleçekim dalgalarının tespit edildiğini açıkladı. Ancak bu, insanlığın yerçekimsel dalgaları ilk kez tespit edişi değil. Bilim insanları, Lazer İnterferometre Kütleçekim Dalgası Gözlemevi (LIGO) gibi tesisleri kullanarak uzayın dokusundaki bu dalgalanmaları tespit ediyor 2015’ten beri.

Peki, bunu akılda tutarak, neden bu sadece bir başka – tartışmasız etkileyici – tespit değil? yerçekimsel dalgalar? Bu sorunun yanıtı birbiriyle bağlantılı üç nitelikte yatıyor: Kütleçekim dalgalarının frekansı, dalga boyu ve periyodu ve bunların bilim insanlarına, onları uzayda ilk dalgalandıran nesneler ve olaylar hakkında söyledikleri.

Yerçekimi dalgaları nedir?

Albert Einstein’ın 1915 tarihli yerçekimi teorisi olan genel görelilik, kütlesi olan nesnelerin uzay ve zamanın dokusu üzerinde bir bükülme etkisine sahip olduğunu – “uzay-zaman” olarak birleştirilir – ve yerçekiminin bu bükülmeden kaynaklandığını öngörür. Genel görelilik aynı zamanda cisimler hızlandığında uzay-zamanda dalgalanmalar, yerçekimi dalgaları dediğimiz bir tür yerçekimi radyasyonu yaratmaları gerektiğini öne sürer. Bu etki, hızlanma süper kütleli kara delikler ve nötron yıldızları gibi büyük nesneleri içerdiğinde önemli hale gelir.

Yerçekimi dalgaları, elektromanyetik radyasyon gibi, yüksek frekanslı yerçekimi dalgalarının, yüksek frekanslı ışık gibi, daha kısa dalga boylarına sahip olduğu ve daha enerjik olduğu, düşük frekanslı yerçekimi dalgalarının ise daha uzun dalga boylarına sahip olduğu ve daha az enerjik olduğu bir dizi frekansta gelir. Düşük frekanslı uzun dalga yerçekimi dalgaları da uzun periyotlara sahiptir, yani dalganın belirli bir noktadan geçen bir tepe noktası ile o noktadan geçen bir sonraki tepe noktası arasında geçen süre.

Tüm yerçekimi dalgaları eşit yaratılmamıştır

Keşif 28 Haziran’da duyuruldu ve düşük frekanslı kütleçekim dalgalarının ilk tespiti oldu. Bu düşük frekanslı yerçekimi dalgalarının kaynağının, evrenin çok erken dönemlerindeki süper kütleli kara delik ikilileri olduğuna inanılıyor. Bunu bir orkestra olarak düşünün. LIGO, çarpışma ve birleşme gibi şiddetli olaylardan kaynaklanan sembollerin dramatik tek “çarpışmasını” duyabilir. Düşük frekanslı yerçekimsel dalga sinyali NANOGrav’ın duyduğu ise kemanların yumuşak arka plan armonisine benzer.

Bu sinyalin gücü, evrenin erken dönemlerinde yüz binlerce hatta milyonlarca süper kütleli kara delik ikilisinden oluşan bir kütleçekim dalgası orkestrasının var olduğuna işaret etmektedir.

NANOGrav ile çalışan yaklaşık 190 bilim insanından biri olan Ulusal Radyo Astronomi Gözlemevi (NRAO) astronomu Scott Ransom Space.com’a yaptığı açıklamada, “Bu bulgu, galaksilerin ve merkezlerindeki kara deliklerin zamanla nasıl birleştiğini ve büyüdüğünü incelememizi sağlayacak yerçekimsel evrende yeni bir düşük frekanslı pencere açıyor” dedi.

Kara delikler ve nötron yıldızları birbirlerinin etrafında dönerken düşük frekanslı yerçekimsel dalgaların sürekli ve sabit akışı, uzayzamanın hafifçe vurulmuş bir çan gibi çalmasına neden olur. Yayıldıkça yerçekimsel dalgalar açısal momentumu taşır (spin) ve bu da kara deliklerin birbirine yaklaşmasına neden olur.

Yörüngedeki cisimler ne kadar yakınsa, yerçekimi dalgalarını o kadar hızlı yayarlar ve bu yerçekimi radyasyonunun frekansı o kadar yüksek olur; ayrıca ne kadar yakınlarsa, açısal momentumlarını o kadar hızlı kaybederler ve çarpışıp birleşene kadar birlikte o kadar hızlı spiral çizerler. Bu şiddetli çarpışma, yüksek frekanslı kütleçekim dalgalarını uzaya doğru gönderir.

Ayrıca, uzay-zamandaki bu zayıf dalgalanmalar için daha egzotik olası açıklamalar da vardır. Bu sinyalin bir kısmı, bu erken kara delik çiftlerinden bile önce gelen ve Büyük Patlama’dan ve evrenin kendisinin kökeninden kaynaklanan bir yerçekimsel dalga arka planı olabilir.

NANOGrav neden LIGO ve LISA’nın yapamadığını yapabilir (ve tam tersi)

Tıpkı elektromanyetik spektrumdaki farklı ışık frekanslarını görmek için farklı teleskoplar gerektiği gibi, yerçekimine dayalı bu radyasyon spektrumunun farklı frekanslarını “duymak” için de farklı yerçekimsel dalga dedektörleri gerekir.

LIGO gibi tesisler kara delikler, nötron yıldızları ve hatta ikisi arasındaki karışık birleşmeler arasındaki çarpışmaların neden olduğu daha yüksek frekanslı yerçekimi dalgalarını tespit etmede çok başarılı olmuştur, ancak daha düşük frekanslı yerçekimi dalgaları kaçamak olmuştur.

Bunun nedeni, kütleçekim dalgalarının etkisinin zaten çok küçük olmasıdır. NANOGrav tahmini uzay-zaman üzerindeki etkisi 1,000,000,000,000,000’da bir kadar küçüktür!

Ne kadar hassas olursa olsun, LIGO ve diğer yer tabanlı kütleçekimsel dalga gözlemevleri düşük frekanslı yerçekimi dalgalarını yakalayamaz.. Yakında kurulacak olan uzay tabanlı yerçekimi dalgası dedektörü Lazer İnterferometre Uzay Anteni (LISA) bile sinyalleri yakalayamayacaktır.

LIGO ve diğer yer tabanlı dedektörlerin duyabildiği yerçekimi dalgalarının dalga boyları yaklaşık binlerce mil, yaklaşık Dünya büyüklüğünde, periyotları milisaniyeden saniyeye. LISA milyonlarca ila milyarlarca mil büyüklüğündeki dalga boylarını kapsayacaktır; Dünya’dan Güneş’e olan mesafeyi veya Dünya ile Plüton arasındaki mesafeyi düşünün. Bu yerçekimsel dalgaların periyotları saniyelerden saatlere kadar sürmektedir.

NANOGrav’ın duymak için tasarlandığı yerçekimi dalgaları nanoHertz frekanslarındadır ve dalga boyları trilyonlarca mil ölçeğindeBu da onları ışık yılı uzunluğunda yapıyor. Ve NANOGrav’a göreBu nanoHertz kütleçekim dalgaları aylar, yıllar ve hatta on yıllar süren periyotlara sahip olabilir.

Bu tespitin yapılabilmesi için gökbilimcilerin tüm galaksi büyüklüğünde bir kütleçekim dalgası antenine ve bir “kozmik saat” ağından oluşan inanılmaz derecede hassas bir zaman ölçme yöntemine ihtiyaçları vardı. İşte NANOGrav burada devreye giriyor.

Düşük frekanslı dalgalar NanoGrav tarafından nasıl yakalandı?

Via üç radyo gözlemevi, Porto Riko’daki Arecibo Gözlemevi, Batı Virginia’daki Green Bank Teleskobu ve New Mexico’daki Very Large Array’i yok eden NanoGrav, 68 pulsarlar Samanyolu içinde tüm galaksi büyüklüğünde devasa bir yerçekimsel dalga antenine dönüştü. Bu eşsiz ve hassas yerçekimsel dalga detektörüne pulsar zamanlama dizisi adı verilir.

Her şey gibi nötron yıldızları, pulsarlar oluşur Büyük yıldızlar nükleer füzyon için yakıtlarını tükettiklerinde ve bu süreçte üretilen enerjinin dışa doğru “itilmesi” sona erdiğinde. Bunun sonucunda bu yıldızların çekirdeği kendi yerçekimleri altında çöker ve dış katmanları bir süpernova patlamasıyla havaya uçar.

Yıldız çekirdeğinin genişliği o kadar küçülür ki, nötron yıldızlarının kütlesi Güneş’in kütlesi civarındadır ve Dünya’daki ortalama bir şehirden daha geniş olmayan bir cisme sıkışmış yıldızımızın kütlesinin iki katına kadar çıkabilir. Açısal momentumun korunumu nedeniyle, çapın küçülmesi aynı zamanda yıldız kalıntısının dönüşünün “hızlanmasına” neden olur ve bazı nötron yıldızları saniyede 700 kez kadar hızlı döner! Bunu bir artistik patinajcının dönüşünü artırmak için kollarını içeri çekmesi gibi düşünün, sadece tamamen farklı bir ölçekte!

Yıldız çekirdeklerinin çökmesinin bir başka sonucu daha vardır; orijinal yıldızın manyetik alanı da ezilir. Manyetik alan çizgileri birbirine yaklaştığında, bu manyetik alanın gücünü artırır oluşurlar.

Sonuç olarak nötron yıldızları, dünyanın en büyük güçlü manyetik alanlar bilinen evrende. Bu manyetik alanlar parçacıkları pulsarların kutuplarına yönlendirerek her bir kutuptan neredeyse ışık hızında jetler halinde dışarı püskürtülmelerini sağlar. Pulsarlar “açılıp kapanıyor” gibi görünürler – bu nedenle astronomlar başlangıçta onların zonklayan yıldızlar olduğuna inanmışlardır – ancak bu, bu jetlerin yarattığı ışığın inanılmaz derecede hassas düzenli aralıklarla bize doğru dönmesinin sonucudur. Bu da pulsarların bir mükemmel bir zamanlama cihazı.

Kütleçekim dalgaları içinden geçerken uzayzamanın sıkışması ve gerilmesi, atarcaların zamanlaması üzerinde fark edilebilir bir etkiye sahip olmalı, ya onları yavaşlatmalı ya da geçerken hızlandırmalıdır. Bu da pulsarlardan gelen ışığın varış süresinde çok küçük bir farka neden olur. Çünkü etki küçüktür, pulsar zamanlama dizileri yıllarca izlenmesi gereken çok sayıda geniş dağılımlı pulsardan oluşması gerekir.

NANOGrav için sabır, pulsarlar üzerindeki bu etkinin şimdi düşük frekanslı sinyal yerçekimi dalgalarından bir işaret ortaya çıkarmasıyla sonuç verdi.

Ransom, “Temel olarak Dünya, ışık yılı uzunluğundaki kütleçekim dalgaları üzerinde -birazcık- sallanıyor” dedi. “Ve biz bunu Samanyolu’nun bizim bölümümüze dağılmış neredeyse 70 milisaniyelik pulsarlardan oluşan bir dizi kullanarak gördük.”

Bu keşfin önemli olmasının nedeni, daha önce araştırmadığımız kaynaklardan gelen yerçekimsel dalgaları tespit etmiş olmamızdır. Bu, erken evrenin süper kütleli kara delik ikilileriyle dolu olduğunu ortaya çıkardı.

Bu önemli, çünkü bilim insanları artık galaksilerin hepsinin olmasa da çoğunun kalbinde süper kütleli bir kara delik olduğunu bilseler de, bu kozmik devlerin nasıl büyüdüğünden henüz emin değiller. Önerilen mekanizmalardan biri bir dizi birleşme daha sonra daha büyük ve daha büyük kara delik ikili çiftleri arasında.

Bu düşük frekanslı kütleçekim dalgası sinyali, bunun evrenin erken dönemlerinde nasıl gerçekleşmiş olabileceğini anlamanın bir yolunu göstererek, Güneş’in milyonlarca hatta milyarlarca katı kütleye sahip bazı süper kütleli kara deliklere yol açıyor.

Ayrıca, bu kara delikler muhtemelen birleşmeleriyle sonuçlanan sarmal ölüm dansına teslim edildikleri için galaksilerin çarpışmasıylaBu kara delik ikili birleşme sürecinin daha iyi anlaşılması, galaksilerin nasıl büyüdüğünün ve evrenin bir bütün olarak nasıl evrimleştiğinin daha iyi anlaşılması anlamına geliyor.

Ayrıca küçük bir parçanın Samanyolu büyüklüğündeki bu pulsar zamanlama dizisinin topladığı kütleçekim dalgası sinyalinin büyük bir kısmı, Büyük Patlama sırasında zamanın başlangıcında yaratılan kütleçekim dalgalarından gelmektedir; bu dalgaların dalga boyları Samanyolu’nun büyüklüğünden – yaklaşık 100.000 ışık yılı – Başak Süper Kümesi’nin büyüklüğüne – yaklaşık 100 milyon ışık yılı – kadar değişmektedir.

“Bu heyecan verici. NANOGrav tarafından bildirilen kanıtlar, kütleçekim dalgası gözlemlerinin evrene yepyeni bir pencere açtığını bir kez daha gösteriyor.” Çalışmada yer almayan KU Leuven, kozmolog ve uzun süredir Spethen Hawking ile işbirliği yapan Thomas Hertog Space’e şunları söyledi. “Önümüzdeki yıllarda ve on yıllarda, gezegenimizden geçen kütleçekim dalgalarının uğultusunu dinleyerek evrenin tüm tarihini ayrıntılı bir şekilde bir araya getireceğiz. Gerçekten de heyecan verici zamanlar!”

Gelecekle ilgili olarak Ransom, NANOGrav’ın şimdi kuzey yarımkürede hassas bir radyo teleskobu arayacağını açıkladı. Aralık 2020’de çöken Arecibo teleskobu. Bu bulunana kadar işbirliği, düşük frekanslı yerçekimsel dalga sinyallerinin kaynağını bulmak için verileri diğer pulsar zamanlama dizileriyle karşılaştıracak.

“Devam eden gözlemlerle, bu kütleçekimsel dalga arka planının üzerinde saf tonlar olarak bireysel kaynakları görmeye başlamalıyız. Bu kaynaklar elektromanyetik dalgalarla da tespit edilip incelenebilir – yeni bir tür ekstragalaktik çoklu-mesajcı astronomisi.” “Bu gelişme beni çok heyecanlandırıyor! Bunun üzerinde 15 yılı aşkın bir süredir çalışıyoruz ve ben pek sabırlı bir insan değilim!”