Ayrım Duyarlılığı Sınırı

Bu cümlenin sonundaki soru işaretinde bulunan noktayı fark edebiliyor musunuz? Peki ya ekrandan birkaç metre uzaklaşırsanız yine görebilecek misiniz? Muhtemelen hayır; çünkü insan gözünün nokta boyutundaki bir cismi en kaliteli şekilde görebilmesi için cisim ile arasında bir metreden daha fazla mesafe olmaması gerekiyor. Buna “ayrım duyarlılığı (resolution)” adı veriliyor. Göz gibi optik bir sistem için en iyi ayırma duyarlılığı, kabaca göze ulaşan ışığın dalga boyu ve ışığın içinden geçtiği cismin açıklığının boyutu tarafından belirleniyor.

Ayırma duyarlılığı astronomide de aynı şekilde işler. Bu aslında neden gitgide büyük teleskoplar yaptığımızı açıklıyor: Çünkü büyük teleskoplar hem daha fazla ışık toplayıp daha uzaklara bakmamızı sağlıyor, hem de büyük teleskoplar için daha yüksek açıklık prensipte çok daha iyi görüntü anlamına geliyor. Ancak yayınlanan yeni bir çalışma, evrenin aslında son derece önemli bir ayrım duyarlılığı sınırına (resolution limit) sahip olduğunu gösteriyor. Yani ne kadar büyük teleskoplar inşa edersek edelim, doğanın bu sınırından dolayı uzak galaksileri asla düşündüğümüz kadar açık seçik ve net göremeyebiliriz. Ya da başka bir deyişle, uzak gök cisimlerinin "mükemmel" görüntülerini asla elde edemeyebiliriz.

James Webb Teleskobu'nun dev birincil aynası
James Webb Teleskobu'nun dev birincil aynası.

Dünya’da bulunan Very Large Telescope (VLT – Çok Büyük Teleskop) ya da Keck Teleskobu gibi en büyük teleskoplar 10 metre çapında aynalara sahipler. Ayrıca şu anda 30-40 metre ayna çapına sahip Aşırı Büyük Teleskoplar (Extremely Large Telescopes) olarak adlandırılan yeni teleskopların üretilmesi adına planlar yürütülüyor. Ancak bir sorun var: Eğer bir kaynaktan bize gelmekte olan ışık -mum ışığı, sokak lambası ya da yıldız ışığı olabilir- yolculuğunda küçük bir sapmaya dahi maruz kalırsa, ne kadar büyük bir teleskop kullandığımızın önemi kalmaksızın teoride mümkün gözüken en yüksek kalitedeki görüntüye asla ulaşamıyoruz.

Işığın bizimle oyun oynadığını biliyoruz. Daha önce bir havuza baktığınızda havuzun dibindeki fayansların dalgalanıp hareket ediyor gibi göründüğünü fark ettiniz mi? Peki ya su dolu bir bardağa dik bir çubuk attığınızda çubuğun kırılmış gibi göründüğünü? Bunun gibi uzaydan teleskoplarımıza ulaşmaya çalışan ışık türbülanslı atmosferimizden geçmek zorunda ve bu durum astronomlar için ciddi sorunlara yol açıyor. Tıpkı mükemmele yakın bir düzen ve paralellikte ilerlemekte olan okyanus dalgalarının su altındaki bir batıkla çarpışmalarında olduğu gibi atmosfer de dalgaların yayılımına zaman zaman engel oluyor. Özellikle ışık gibi elektromanyetik dalgalar açısından da bu, astronomlarca elde edilen fotoğrafların bulanık olması demek. Bu sorunun bir şekilde çözümünü bulamazsak bir teleskopla teoride mümkün gözüken maksimum ayrım duyarlılığına asla ulaşamayacağız. Teleskopları atmosfer dışına yerleştirmek belki bir çözüm olabilir ama bu çok maliyetli. Uyarlanabilir Optikler (Adaptive Optics) de bir başka çözüm ama bu da teknik açıdan çok zorlayıcı.

Kuantum Köpüğü

Uluslararası Astronomi Birliği Genel Kurulu'nun bu yıl sunduğu bir çalışma, uzayın doğası hakkında kuantum fiziğini kullanarak bir öngörüde bulunuyor. Çalışma, uzay-zamanın, kuantum ölçeklerindeki doğasının önemli bir ayrım duyarlılığı sınırına sahip olabileceğini gösteriyor. Bu da ne yazık ki gelecekte teleskoplarımızın uzak galaksileri gözlemleme kaliteleri hakkında endişelenmemiz için bir sebep bulabileceğimiz anlamına geliyor.

Fikir şöyle devam ediyor: Kuantum kuramına göre en küçük ölçeklerde -Planck uzunluğu olarak bilinen 10-35 m ölçeğinde- uzay, "köpüklü" (foamy) olarak tanımlanır. Kuantum fiziği, evrenin bu küçük ölçeklerde parçacık fiziği deneylerinde de sürekli olarak gözlemlenen ve devamlı var olup kaybolan sanal parçacıklar ile dolu olduğunu söyler. Bununla birlikte zamanın en kısa anında ortaya çıkıp kaybolan bu parçacıklar, enerjiye ve Einstein'ın ünlü denklemi E=mc^2 dolayısıyla kütleye sahiptirler.

Ne kadar küçük olduğunun önemi olmaksızın herhangi bir kütle uzay-zamanı büker. Bu Einstein'ın kütle çekimi betimlemesidir. Bunun doğadaki en heyecan verici örneği büyük kümeler tarafından kütle çekimsel merceklenme etkisine maruz kalan uzak galaksilerdir. Işık parçacıklarının böylesine "köpüklü" bir uzay-zamanda seyahat etmeleri ışığın bizim kalın ve türbülanslı atmosferimizden geçmelerine benzer şekilde bükülmesine sebep olur. Elbette bu etki ihmal edilebilecek kadar küçüktür. Ancak uzak galaksiden yayılan bir foton evrende oldukça uzun bir yolculuk yapmak zorundadır. Bu yolculuk sırasında ise uzay-zamanın "köpüklü" doğası nedeniyle sayısız küçük bükülme birbiri üzerine toplanabilir. Şu an ise bu toplanma etkisinin en büyük teleskoplarla elde ettiğimiz en yüksek kalitedeki görüntüler hesaba katıldığında küçük olduğu düşünülüyor. Yine de ayrım duyarlılığı sınırı hipotezi doğruysa, bahsi geçen "kozmik bulanıklık" gelecekteki yeni nesil teleskoplar ile çok daha fark edilir hale gelebilir. Bu yeni nesil teleskoplara, 2018'de gözlemlere başlaması planlanan Hubble Uzay Teleskobu'nun halefi James Webb Teleskobu'da dahil.

Kütleçekimsel merceklenme örneği. Bize doğru gelmekte olan ışık, yolundaki bir galaksi nedeniyle bükülüyor ve bu görüntü oluşuyor.
Kütle çekimsel merceklenme örneği. Bize doğru gelmekte olan ışık, yolundaki bir galaksi kümesi nedeniyle bükülüyor ve bu görüntü oluşuyor. Pratik olarak bu daha uzaktaki galaksileri gözlemlememizi sağlarken, aynı zamanda bazı noktalarda görüntüyü bozarak gözlemi olumsuz etkileyebiliyor.

Bununla birlikte bugüne kadar modern fiziğin en büyük ideallerinden biri olan Einstein'ın kütle çekimi ile kuantum mekaniğini birleştirme konusunda kabul gören herhangi bir teori yok. Bu yüzden ayrım duyarlılığı sınırını hemen bütünüyle kabullenmek hatalı olur. Çünkü Einstein'ın kütle çekim kuramı ile kuantum kuramını birleştiren nihai bir kuram, modern fizikteki diğer pek çok sorun kadar ayrım duyarlılığı sınırının da çözümü olabilir. Öte yandan ayrım duyarlılığı sınırını hiçbir şekilde aşamayacak olsak bile, bu sadece uzak galaksilerin detaylı yapıları üzerine çalışan astrofizikçilerin baş belası olur.

Konudan çıkarabileceğimiz en etkileyici sonuç ise Dünya'da ya da uzayda ne kadar büyük teleskoplar yaptığımızın önemi kalmaksızın, kuantum ölçeklerde ortaya çıkıp evrenin ötesinde doğanın bir ayrım duyarlılığı sınırının bulunması ve bu sınırın kozmik ölçeklerde tezahür ediyor olmasıdır. Kim bilir belki de evren, doğanın bazı gizlerini bizden sonsuza kadar saklamıştır.

Çeviren ve Geliştiren: Kemal Cihat Toprakçı

Kaynakça:

  1. http://phys.org/news/2015-11-universe-resolution-limitwhy-view-distant.html
  2. http://arxiv.org/pdf/1510.04996.pdf
  3. http://theconversation.com/the-universes-resolution-limit-why-we-may-never-have-a-perfect-view-of-distant-galaxies-50993

Kemal Cihat Toprakçı

Akdeniz Üniversitesi İngiliz Dili ve Edebiyatı lisans öğrencisidir. Karaman doğumlu olup, bilime ve özellikle astronomiye küçük yaşlardan beri ilgi duyan yazar bugüne kadar Türkiye'nin pek çok bilim - astronomi platformunda yönetici, yazar veya editör olarak görev almış, bu platformlarda popüler bilim yazıları yayınlamıştır.

Kemal Cihat Toprakçı 12 makale yazdıKemal Cihat Toprakçı tarafından yazılan tüm makaleleri gör