İNOVASYON HER YERDE: Evrenin müziğini dinlemek

Lazer Enterferometre Kütlesel Çekim Dalgaları Gözlemevi (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) – LIGO

12.02.2016 tarihinde LIGO, Fransa’nın Ulusal Bilimsel Araştırmalar Merkezi ve İngiltere Bilim Kurulu’nun aynı anda yaptığı açıklama ile dünya, 1,3 milyar ışık yılı uzakta iki karadeliğin çarpışması ile oluşan kütle çekim dalgalarının 14 Eylül 2015'te dünyaya ulaştığını ve LIGO tarafından belirlendiğini öğrendi. Açıklama sırasında yakalanan dalgaların sesi de dinletildi.

Müfit Akyos

İnsanlık, tarihi boyunca ışığı kullanarak evreni gözlemledi, anlamaya çalıştı. Işıkla sınırlı astronomi biliminin sınırlarının genişletilmesi bilim insanlarının hep gündemlerinde oldu. İnsanlığa bu sınırın aşılması olanağını günümüzde kütle çekim dalgası (KÇD) astronomisi sağlamaktadır.

Evrendeki nesnelerin hareketlerinin oluşturduğu KÇD, evreni dolduran “madde” tarafından emilmediği ve yansıtılmadığı için ilk yaratıldıkları halleriyle gözlemlenebilir. Bu özellikleri nedeniyle dünya ile gözlemlendikleri nokta arasındaki bilinmeyenleri de taşırlar. KÇD’lerin ölçülebilmeleri sayesinde evrenin tarihiyle ilgili önceden olmadığı kadar eskilere gidebileceğiz. Gözlemlenen (yakalanan) her bir KÇD evrene açılan bir penceremiz anlamına gelmektedir.

Newton’un 5 Haziran 1687 de basılan
kitabında yerçekiminden ilk kez
söz edilmişti.

“Yükselen her şey düşer”, Newton’un bulduğu yerçekimi teorisini en iyi tanımlayan deyiş olmalı. Ayın dünyanın çevresinde bir yörüngede dönmesini sağlayan güçle elmanın yere düşmesini sağlayan güç aynıydı. Bu güç yerçekimiydi. Newton’un yerçekimi teorisine göre evrende her kütlenin kendi kütlesel çekim alanı vardı ve evrendeki bütün kütlelerle etkileşimli bir bütün oluşturmaktaydı. Bir kütle yer değiştirdiğinde evrendeki bütün kütle çekim alanı ve buna bağlı olarak da kütle çekim güçleri de anında değişmekteydi.

Üç boyutlu bir evrende yaşadığımızı varsaydığımız sürece bu teori doğruydu. Ancak bir boyut daha vardı; Einstein’ın tanımlamasıyla uzay-zaman. Einstein, evrendeki kütlelerin yer değiştirmesi dahil hiçbir bilginin yayılımının (iletişimin) ışıktan daha hızlı olamayacağını bunun ancak kütle çekim dalgalarıyla olabileceğini ve gözlenebileceğini yüz yıl önce (1916) ileri sürdü. Uzay-zamanda oluşan “bükülmenin” gözlenebileceği deneysel teknikler (Lazer Enterferometresi) ancak 2016’da gerçekleştirilebildi.

1,3 Milyar Yıl Önceden Gelen Dalgalar

12.02.2016 tarihinde Lazer Enterferometresi Kütlesel Çekim Dalgaları Gözlemevi (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) – LIGO, Fransa’nın Ulusal Bilimsel Araştırmalar Merkezi ve İngiltere Bilim Kurulu’nun aynı anda yaptığı açıklama ile dünya, 1,3 milyar ışık yılı uzakta iki karadeliğin çarpışması ile oluşan kütle çekim dalgalarının 14 Eylül 2015'te dünyaya ulaştığını ve LIGO tarafından belirlendiğini öğrendi. Açıklama sırasında yakalanan dalgaların sesi de dinletildi. 16 ülkeden bin kadar araştırmacının katıldığı aylar süren çalışma ile dalgaların doğrulanması ve hesaplanması yapıldı.

Dalgaların önce Livingston, Louisiana’daki detektöre, 7,1 milisaniye sonra da Hanford, Washington’daki dedektöre ulaştığı duyuruldu. Keşif aralarında 3 bin kilometre olan iki detektörün de aynı sonucu vermesiyle doğrulandı.

Çarpışan iki karadeliğin kütleleri toplamının, güneşin kütlesinden 65 kat daha büyük olduğu tahmin ediliyor. Çarpışmanın şiddeti ile 3 güneş ağırlığında bir kütlenin enerjiye dönüştüğü ve bu enerjinin de kütle çekim dalgaları halinde evrene yayıldığı hesaplanmış.

LIGO dedektörlerinin çalışması

KÇD’nin duyulması ses dalgalarına çevrilmesiyle olur. Nasıl ki radyo dalgaları onları yakalayan ve sese dönüştüren radyo olmaksızın duyulmazsa modern hassas detektörler de bir tür “kütle çekim dalga radyoları” olarak tanımlanabilirler.

KÇD’ler bir “madde” ile karşılaştıklarında bu nesneyi bir yönde sıkıştırırken (kısaltırken) buna dik yönde uzatırlar. Bu nedenle günümüz teknolojisinin uç noktasında tasarlanan KÇD detektörleri L şeklinde bir diğerine dik iki kol olarak inşa edilirler. İki kolda oluşan uzunluk değişiklikleri enterferometre kullanılarak ölçülür.

Bir lazer kaynağından çıkan ışın demeti iki kolun kesişme noktasındaki ayrıştırıcıda ikiye bölünür. Her bir kolun sonunda ve ayrıştırıcıya yakın bir noktada yer alan aynalar arasında ışın yansıyarak ileri geri hareket ederler. Kolların uzunluklarında bir değişiklik olmadığı sürece aynalar arasında gidip gelen ışınlar dalga özelliği nedeniyle birbirlerine geçerek sönümleneceklerdir. Bu durumda detektörde herhangi bir belirti olmayacaktır. Kollardan birinin çok küçük oranda değişmesi (protonun çapının (10^-15 metre), 10.000’de 1’i kadar) durumunda yansıyan ışınlar birbirlerini sönümlendiremeyeceğinden dedektörde görülebilecek ve ses dalgasına dönüştürülerek duyulması sağlanacaktır.

NSF’in finanse ettiği en büyük proje: LIGO’nun gelişimi

1970’li yıllarda başlayan LIGO’nun yapılabilirlik çalışmaları, 1972’de MIT’de yayımlanan bir kilometre boyutunda detektör ve ses kaynağının esasları konulu bir makaleye dayandırılmıştı. 1979’da National Science Foundation (A.B.D Ulusal Bilim Kurumu) – NSF’in, California Institute of Technology - Caltech ve Massachusetts Institute of Technology - MIT üniversitelerine lazer enterferometresi araştırma ve geliştirmesi için sağladığı finansmanla başlayan çalışmalar, Hanford, Washington ve Livingston, Louisiana’da iki tesisin kurulması ve 1999’da resmi açılışlarının yapılması ile sürdü. LIGO’ların inşasında Avustralya, Almanya ve Birleşik Krallık’tan (İngiltere) finansal destek alındı. 1997’de kurulan LIGO Bilimsel İşbirliği (LIGO Scientific Collaboration -LSC) ile uluslararası boyut kazandı. 2002’den itibaren kütle çekim dalgaları araştırmaları başladı.

2010 yılına kadar hiçbir kütle çekim dalgası gözlenemese de LIGO araştırmalarının ikinci aşamasında 2012-2014 yılları arasında LIGO donanımının bütünüyle yeniden tasarlanması için önemli deneyimler sağlanmış oldu. Böylece LIGO’nun enterferometrelerinin hassasiyeti 10 kat arttırıldı. Bu LIGO’nun kütle çekim dalgalarını 10 kat daha uzaktan ve 1.000 katı bir hacimde yer alan galaksileri dinlemesi anlamına geliyordu. Geliştirilmiş enterferometrelerle gözlemler Eylül 2015’de başladı.

LIGO, dünyaya yayılmış benzer gözlem merkezleriyle kurduğu işbirlikleriyle yakaladığı sinyalleri bağımsız kurumlarda doğrulatmakta ve birlikte çalışmaktadır.

Ulusal Araştırma Tesisleri

Kütle çekim dalgalarını araştırılması için oluşturulan yapı, aralarında 3.000 km. olan iki kütle çekim dalgası detektöründen (LIGO Hanford ve LIGO Livingston) ve iki araştırma merkezinden (Caltech ve MIT) oluşmaktadır. Her bir detektörde mühendis, teknisyen ve araştırmacı olarak yaklaşık 40’ar kişi çalışmaktadır. Ayrıca eğitim, tanıtım ve dışa açık faaliyetler de yapılmaktadır.

LIGO Bilimsel İşbirliği (LSC - LIGO Scientific Collaboration), kütle çekim dalgaları araştırmaları yapan uluslararası fizik enstitüleri ve araştırma gruplarından 900’den fazla biliminsanının ve 44.000 Einstein@Home faal kullanıcısının bilimsel işbirliği için bir araya geldikleri bir platformdur.

LIGO, UK Science and Technology Facilities Council, Max Planck Society, ve Australian Research Council’ın önemli katkılarıyla NSF tarafından finanse edilmektedir. Bugüne kadar 620 milyon dolar harcama ile NSF’in finanse ettiği en büyük projedir.

LIGO’nun Mühendislik Harikaları

En hassas: LIGO enterferometrelerindeki aynaları arasındaki mesafenin değişimi bir protonun çapının (10^-15 metre), 10.000’de 1’i kadar hassasiyetle(10^-19 metre) belirlenebilmektedir.

Dünyanın en geniş ikinci vakum hücresi: 10,000 m³ hacimdeki hücre, 11 Boeing 747-400 uçağının sığabileceği ya da 2,5 milyon futbol topunu şişirecek hacimde.

Çok yüksek vakum: LIGO vakum tüpünün içindeki basınç 10^-9 torr (bir atmosfer basıncın trilyonda biri). 10,000 m³hava 40 günde boşaltılıyor.

Yeryüzünün eğriliği: LIGO’nun 4’er km’lik kolları boyunca oluşan yeryüzü eğriliği 1 metreyi bulmaktadır. LIGO’nun hassas ölçümleri için vakum tüpünün yer aldığı bu kollarda zemin söz konusu eğriliği giderecek mükemmellikte büyük bir hassasiyetle düzeltilmiş ve betonlanmıştır.