İvmelenen Evren:
Süpernovalardan Karanlık Enerjiye
2011
Nobel Fizik Ödülü
E
dwin Hubble’ın 1920’lerde evre-nin genişlediğini ortaya koyan gözlemleriyle statik bir evrende sabit bir konuma sahip olma güvencemizi yitirdik. Aslında Büyük Patlama’dan beri genişleyerek yol alan evrenin genişleme hızının, frene basılmış bir araba gibi gide-rek azaldığı tahmin ediliyordu. Çünkü ci-simleri bir arada tutan kütleçekimi evren-de fren işlevi görüyordu. Evrenin genişle-me hızındaki azalmayı tespit etgenişle-mek kolay değildi. Sonunda 1a Tipi süpernovaların bu iş için kullanılabileceği ortaya çıktı. Sa-ul Perlmutter başkanlığındaki Süpernova Kozmoloji Projesi ekibi ve Adam Riess’in kilit rol oynadığı Brian Schmidt başkan-lığındaki Yüksek-z Süpernova araştırma ekibi, evrenin genişleme hızının azaldı-ğını kanıtlamak için yola çıkmıştı. Ancak her iki ekibin de 1998 yılında birbirlerin-den birkaç hafta arayla yaptıkları açıkla-ma aynıydı: Evrenin genişleme hızı bek-lenenin aksine giderek artıyordu. Frene basılıyorsa evren yavaşlayacak ve sonun-da duracaktı. Peki sürekli gaza basılıyor-sa ne olacaktı? Evrenin kaderini beklen-medik bir şekilde değiştiren çalışmala-rı nedeniyle Perlmutter, Schmidt ve Ri-ess 2011 yılı Nobel Fizik Ödülü’ne layık görüldü. Zira bu gözlemler, uzay-zamana gömülü ve evreni bir arada tutmaya çalı-şan kütleçekiminden daha etkili başka bir enerjinin varlığına da işaret ediyordu. Ka-ranlık enerji denilen bu enerji evrenimi-zin halen çözemediğimiz en büyük bil-mecelerinden.Edwin Hubble 1920’lerde Samanyolu dışındaki gökadaları gözlüyor ve bir mu-mun bizden uzaklaştıkça sönükleşmesi
gibi, gökadaların da bizden uzaklaştıkça sönükleşecekleri olgusundan yola çıka-rak ne kadar uzak olduklarını tespit et-meye çalışıyordu. Ancak değişik şekil-de ve büyüklükte oldukları için, gökada-ları standart mumlar gibi düşünüp par-laklıklarından yola çıkarak hesap yap-mak kolay değildi. Hubble, Henrietta Leavitt’in sefeit denen, kalp gibi atan yıl-dızlar için kullandığı hesapları kullandı. Daha parlak yıldızların kalp atışlarının daha uzun sürdüğünü bulan Leavitt bu bilgiden hareketle sefeitlerin parlaklıkla-rını hesaplayabiliyordu. Parlaklık ve pe-riyot arasındaki ilişkiyi 46 gökadaya uy-gulayan Hubble gökadaların uzaklıkları-nı hesapladı. Bu sırada gökadalardan ge-len ışığı incelediğinde ışığın frekansının düştüğünü -kırmızıya kaydığını- göz-lemledi. Üstelik kırmızıya kayma mik-tarı gökadanın uzaklıyla doğru orantı-lı idi. Bu gözlem Hubble ve bir çok ku-ramcıya göre evrenin genişlediğine ka-nıttı. Bizim ile diğer gökadalar arasın-daki uzay-zaman genişlerken, arada se-yahat eden ışığın dalga boyu da geriliyor ve kırmızıya kayıyordu. Dalga ne kadar çok gerilirse o kadar çok kırmıza kayı-yordu. Daha uzaktaki gökadalardan ge-len ışığın kırmıza daha çok kayması ise daha uzak gökadaların bizden daha hız-lı uzaklaştığının göstergesi olarak kabul edildi. Hubble’ın deneysel olarak buldu-ğu bu sonucu 1927’de George Lemaitre de kuramsal olarak öngörmüştü.
Ancak kütleçekimin sadece çekici bir kuvvet olarak yer aldığı genel göreli-lik kuramına göre, genişleme evrendeki madde ve enerji yoğunluğuna bağlı ola-rak azalmalı idi. Yani evren genişliyor ol-sa da, genişleme ivmesi zamanla azalma-lıydı. Bu seneki Nobel Fizik Ödülü’nün sahipleri 1990’larda projelerine evrenin genişleme hızındaki yavaşlamayı tes-pit etmek için başlamışlardı. Ancak söz konusu evrenin büyüklüğü olunca, gök-bilimcilerin milyarlarca ışık yılı ötesi-ne ulaşması gerekiyordu ve kozmik öl-çüt olarak sefeitler kullanılamazdı. Zira bu uzaklıkta artık görülemiyorlardı. Bir-birinden çok farklı gökadalarla kalibras-yon yapmak zor olduğu için gökadaları
ölçüt olarak kullanmak da imkânsızdı. Fritz Zwicky ile yaptığı çalışmalarla bili-nen Walter Baade ilk defa 1938’de süper-nova patlamalarının kozmik genişleme-nin miktarını tespit etmek için kullanı-labileceğini söyledi. O zamana kadar en parlak oldukları anda gözlenen süper-novalar karşılaştırıldığında, parlaklıkla-rının aynı olduğu görüldü. Üstelik sü-pernova patlamaları çok çok uzakta ol-salar da dünyamızdaki ve uzaydaki güç-lü teleskoplarla görülebiliyordu. Bir tek süpernova bir gökada kadar ışık yayabi-liyordu. Gözlemlenen süpernova sayısı arttıkça, aralarında farklılıkların olduğu görüldü ve 1980’lerde sınıflandırmaya gidildi. Hidrojen içermeyen süpernova-lar 1. Tip süpernovasüpernova-lar osüpernova-larak adlandırıl-dı. Kendi içerisinde ikiye ayrılan 1. Tip
süpernovalardan tayfında iyonize olmuş silikon elementine rastlananlar 1a Tipi, rastlanmayanlar ise 1b Tipi olarak ta-nımlanıyor. Görünür evrende her daki-kada bir tane 1. Tip süpernova patlama-sı olurken, her bir gökada da her bin yıl-da birkaç süpernova patlaması meyyıl-dana geliyor. Gökbilimciler de standart mum olarak kullanabilecekleri 1a Tipi süper-novaların peşine düşüyor.
2011 Nobel Fizik ödülü 1990’lardaki süpernova gözlemleriyle evrenimizin genişleme hızının arttığını keşfeden bilim insanlarına verildi. Sağda ödülün yarısının sahibi olan Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’ndan Saul Perlmutter. Perlmutter Süpernova Kozmoloji Projesi ekibinin başkanıydı. Ödülün diğer yarısı ise Avustralya Ulusal Üniversitesi’nden Yüksek-z süpernova araştırma ekibinin başkanı Brian P. Schmidt (ortada) ve araştırmada kilit rol oynayan Johns Hopkins Üniversitesi’nden Adam G. Riess (solda) arasında paylaşıldı.
Dalga boyu
Evren genişlerken uzay-zamanla birlikte gerilen ışık dalgası
Işık dalgası Johan Jarnestad / İ sv eç Kr aliy et B ilimler A kademisi
Bilim ve Teknik Kasım 2011
İvmelenen Evren: Süpernovalardan Karanlık Enerjiye 2011 Nobel Fizik Ödülü
Nobel Ödülü sahiplerinden Saul Perl-mutter Phyiscs World dergisinde yayım-lanan 2003 tarihli makalesinde, süper-nova gözlemlenmesindeki zorluklara da değiniyor. Her şeyden önce süpernova patlamaları rastgele, bir orada bir burada gerçekleştiği için gökbilimciler teleskop-larıyla gökyüzünün hangi bölgesini tara-maları gerektiğini bilmiyor. Perlmutter, başlangıçta neyin ve nerenin incelenece-ği bilinmeyen bir araştırma projesi için mali fon sağlamak amacıyla araştırma teklifi yazmanın ne kadar zor olduğunu belirtiyor. İkinci olarak da süpernovayı kozmik genişlemenin ölçütü olarak kul-lanabilmek için süpernovayı, patlaması-nın hemen ardından, parlaklığın doru-ğa ulaştığı anda yakalamak gerektiğini söylüyor. Tabii bir de en az bunlar kadar önemli olan veri analizinde karşılaşılan teknik zorluklar var. Biz teknik detayla-rı bir kenara bırakıp kısaca analizin yön-tem ve aşamalarından bahsedelim.
Süpernova en parlak anında yakalan-dıktan sonraki birkaç hafta içinde tek-rar tektek-rar gözleniyor ve parlaklığında-ki değişimin grafiği elde ediliyor. Süper-nova avcıları gökyüzünün belli bir
kesi-tini birkaç hafta süresince izleme ve farklı zamanda çekilen görüntüleri karşı-laştırma yolunu izliyor. Bir görüntüde olmayan ancak bir diğer görüntüde aynı piksele denk gelen nokta-da beliren ışık, uzaklarnokta-daki bir gökadadaki süpernova-yı gösteriyor. 1988’de Hans Nørgaard-Nielsen başkan-lığındaki Danimarkalı ekip iki senelik yoğun çalışma-nın ardından sadece bir ta-ne 1a Tipi süpernova bula-biliyor. Bu durum çok ümit verici olması da 1a Tipi sü-pernovaların kozmik ge-nişlemeyi anlamada kulla-nılabilme ihtimalinin doğ-ması araştırmacıları motive ediyor. Yine o yıllarda Sa-ul Perlmutter’in de bSa-ulun- bulun-duğu Kaliforniya Berkeley Üniversitesi’nden Richard Muller’ın gru-bu Anglo-Avustralya Gözlemevi’nin te-leskobuna geniş alan kamerası yerleşti-rerek süpernova gözlemlerine başlıyor. Brian Schmidt başkanlığındaki Yüksek-z sü-pernova araştırma ekibi ise 1994’te kuru-luyor. Aynı teleskobu kullanan iki ekip, 1a Tipi süpernovayı tespit edince önce parlaklığını kullanarak süpernova pat-lamasının meydana geldiği gökadanın uzaklığını hesaplıyor. Analizin birinci aşaması olan uzaklık hesabında en zorlu
kısım, parlaklık için kalibrasyonun doğ-ru yapılması. Araştırmanın ikinci aşa-masında her bir gökada için kırmızıya kayma miktarı hesaplanıyor ve bu mik-tar zaman bilgisine dönüştürülüyor. Bu bilgi ışığın gökadadan bize kadar olan seyahatinin ne kadar sürdüğünü, bura-dan da evrenin ne kadar genişlediğini gösteriyor. Süpernovanın parlaklığının zamana göre grafiği çizildiğinde araş-tırmacılar süpernovaların olması gere-kenden daha az parlak olduğunu görü-yor. Demek ki süpernovalar “giderek ya-vaşlayan genişleme” kuramının doğur-duğu beklentiden daha fazla yol kat et-miş. Brian Schmidt’in ekibinde yer alan Adam Griess, evrenin genişleme hızının grafikteki gibi azalması için evrendeki kütlenin ne olması gerektiğini hesapla-yan bir bilgisayar programı yazıyor. So-nuç negatif çıkıyor. Evrendeki kütle sıfır-dan az olamayacağına göre evren yavaş-layarak değil hızlanarak genişliyor, eksi işareti ivmenin azalan değil artan yönde olduğunu gösteriyor.
Bu sonuç hayli şaşırtıcıydı. Hızla yuka-rı attığınız bir top nasıl kütleçekim etkisiy-le yavaşlıyorsa evrenin genişetkisiy-lemesi de küt-leçekim etkisiyle azalmalıydı. Ancak göz-lenen durum, yeryüzünden atılan bir to-pun yavaşlamak yerine daha da hızlana-rak gökyüzüne ilerlemesi gibi bir durum-du. Bu alışılmadık durum belki de yanlış
Süpernova
Süpernova
Kütleçekim
Gökada Karanlık enerji
Büyük patlama İvme azalıyor İvme artıyor
Evren yüzde 100 80 60 40 20 0 madde karanlık madde karanlık enerji
14 milyar yıl önce 5 milyar yıl önce şimdiki zaman
Johan Jarnestad / İ sv eç Kr aliy et B ilimler A kademisi
Bilim ve Teknik Kasım 2011
<<< yorumlanıyordu. Bilim insanları ilk
ola-rak kozmik tozun etkisinden şüphe etti-ler. Belki de gözlenen süpernovalar ile bi-zim aramızdaki uzay boşluğunda bilinen-den çok daha fazla kozmik toz vardı ve bu toz süpernovaları daha az parlak gör-memize neden oluyordu. Belki de Büyük Patlama’ya yakın bir zamanda meydana gelen süpernova patlamalarının kimyasal içeriği daha farklı idi. Neyse ki bu olası se-naryoların doğru olup olmadığını belirle-mek için yöntemler vardı. Bu olasılıkların parlaklığı azaltma etkisinin, kırmıza kay-ma miktarıyla artkay-ması bekleniyordu. An-cak evrenin genişlemesi aynı ivme ile ger-çekleşmemiş, evren önce kütleçekim et-kisiyle yavaşlamış sonra da hızlanmış ise, yavaşlama döneminden kalan süperno-valar kozmik toz senaryosunda olduğun-dan daha parlak olmalıydı. Gökbilimcile-rin 10 milyar yıl öncesine ait süpernovala-rın çok daha parlak olduğunu gözlemele-ri hem evrenin tagözlemele-rihine ışık tuttu hem de kozmik toz iddiasına son verdi. Perlmut-ter ve meslektaşları 2000 yılına kadar göz-lemledikleri 12 kadar süpernovanın, 2002 yılında Adam Riess başkanlığında kuru-lan bir diğer ekip ise 25 süpernovanın bil-gisini kullanarak kozmik toz hipotezini çürüttü. Gözlemler evrenimizin 5 milyar yıl önce, yaklaşık olarak Güneş sistemimi-zin oluşmaya başladığı dönemde vites de-ğiştirdiğini, yavaşlayarak genişlerken bir-den hızlanarak genişlemeye başladığını ortaya koydu. Zaten evren sürekli hızlana-rak genişlemiş olsaydı kozmik madde bir araya gelip yıldızları, gökadaları oluştur-madan dağılırdı.
Evrenin genişleme nedeni:
Karanlık enerji
Genişlemenin yavaşlayıp hızlanma-sı iki kuvvet arahızlanma-sında bir güç gösterisi. Bu kuvvetlerden biri evrendeki maddeyi bir arada tutmaya çalışan kütleçekimi, diğe-ri ise karanlık enerji denilen itme kuvve-ti. Neyin bu itme kuvvetini doğurduğu, karanlık enerjinin ne olduğu henüz bilin-miyor. Einstein’ın statik bir evren mode-li elde etmek amacıyla kütleçekim kuvve-tini dengelemek için genel görelilik
denk-lemlerine eklediği kozmolojik sabit, şim-dilerde evrenin ivmeli genişlemesini açık-lamak için kullanılıyor. Karanlık enerjinin en olası adayı olarak gösterilen kozmolo-jik sabit, uzay-zaman boşluğunu (vaku-mu) dolduran enerji olarak düşünüldü-ğü için aynı zamanda parçacık fiziğinin de konusu.
Kuantum mekaniğindeki belirsizlik il-kesine göre, vakum sürekli olarak, çok kü-çük zaman aralıklarında parçacık/karşı-parçacık çiftlerinin yaratılıp yok oluşu-na sahne oluyor. Yani yeni parçacıkların meydana gelip kaybolmasıyla vakumun enerji yoğunluğu da hızlı bir şekilde çoğa-lıp azalıyor. Peki vakumun enerjisinin yo-ğunluğu, çok geniş bir zaman dilimi göz
önüne alındığında, Einstein’ın kozmolo-jik sabiti gibi sabit mi yoksa zamanla de-ğişiyor mu? Bu sorunun henüz ne kuram-sal ne de deneysel bir yanıtı var. Bu arada, karanlık enerji diye bir şey yok, genel gö-relilik kuramı yeni baştan ele alınıp değiş-tirilmeli, diyenler de var. Ancak yanıt ev-renin kaderiyle yakından ilintili. Evrende-ki madde yoğunluğunun başlangıçta çok yüksek olması nedeniyle kütleçekim etki-sinin baskın çıkarak genişlemeyi yavaşlat-tığı, ancak evren genişledikçe madde yo-ğunluğunun azaldığı ve bu sefer de va-kumda niteliği bilinmeyen itici kuvvetin baskın hale gelip evrenin genişleme hızı-nı artırdığı söyleniyor.
Gökbilimsel verilerin öngördüğü va-kum enerjisinin yoğunluğu, parçacık fi-ziğinin standart modelinin öngördüğün-den 10120 kat daha büyük. Bilinen atomal-tı parçacıkların sayısının ikiye katlandı-ğı ve daha fazla parçacıkatlandı-ğın vakum ener-jisine katkı sağladığı süpersimetrik par-çacık modelleriyle bile, gökbilimsel göz-lemleri açıklamak için gerekli olan vakum enerjisi yoğunluğuna ulaşılamıyor. Parça-cık fiziğinin fazladan uzay boyutlarını içe-ren kuramlarının, bildiğimiz alanların dı-şında cevher denen ve uzay-zamanı kapla-yan başka bir alan olduğunu öngören ku-ramların her biri, karanlık enerjiye fark-lı bir açıklama getiriyor. Her bir kuram-da, karanlık enerji yoğunluğu ve evrenin yavaşlayarak genişleme aşamasından son-ra hızlanason-rak genişlemeye geçiş anı fark-lı. Karanlık enerji yoğunluğunun zaman-la değiştiğini öngören kuramzaman-lara göre bu geçiş anı evrenin tarihinin çok daha erken bir dönemine denk geliyor. Son süperno-va gözlemleri ise karanlık enerji yoğunlu-ğunun sabit olduğunu ya da ufak değişik-lik gösterdiğini söyleyen kuramları des-teklerken, bu değerlerin büyük değişiklik gösterdiğini söyleyen kuramları yarış dı-şı bıraktı.
Kaynaklar
Perlmutter, S., “Supernovae, Dark Energy, and the Accelerating Universe”, Physics World, s. 54-59, Nisan 2003.
Riess, A. G., Turner, M. S., “From Slow Down to Speed Up”, Scientific American, s. 62-67, Şubat 2004.
İsveç Kraliyet Bilimler Akademisi Fizik Sınıfı,
2011 Nobel Fizik Ödülü için Bilimsel Bilgi: İvmelenen Evren:
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/ laureates/2011/sciback_fy_en_11.pdf
Büyük yırtılma Sabit karanlık enerji Büyük çöküş Gelecek Şimdiki zaman Büyük patlama Evrenin genişleme hızının arttığı dönem Evrenin genişleme hızının azaldığı dönem Evr enin ölç eği
% 73 Karanlık Enerji % 23 Karanlık Madde
% 3,6 Kozmik Toz % 0,4 Yıldızlar, gezegenler, vb.
1998 yılında süpernova gözlemleri ev-renin ivmelenerek genişlediğini gös-teriyordu. Daha sonraki yıllarda daha da ötedeki süpernova gözlemleri ev-renimizin 5 milyar yıl önce, yaklaşık Güneş sistemimizin oluşmaya başla-dığı dönemde, vites değiştirdiğini yani yavaşlayarak genişlerken birden hızla-narak genişlemeye başladığını ortaya koydu. Bu vites değişikliğinin tam ola-rak hangi anda gerçekleştiği hem ev-renimizin kaderine hem de karanlık enerji bilmecesine ışık tutacak.
