Kozmoloji: Genel Görelilik Teorisinin Gözlemsel Testleri

Einstein 1915 yılında genel görelilik teorisini ortaya attıktan sonra, teorinin test edilebilmesi için aynı zamanda üç öneride de bulundu: Merkür'ün günberi noktasının yaptığı presesyon hareketi, çekimsel alanda hareket eden ışığın sapıncı ve çekimsel kırmızıya kayma. Merkür'ün durumu o zamanlarda da biliniyordu ve bunlar kısa sürede doğrulandı. Aynı zamanda bugün bu yöntemlere ek, çeşitli yöntemlerle de görelilik teorisini test edebiliyoruz.

Merkür'ün Günberi Noktasının Presesyonu

Diğer gezegenlerin aksine Merkür, ilginç bir yörünge hareketine sahipti. O zamanlar Newton mekaniği ile yörünge hareketleri gayet başarılı bir şekilde açıklanabiliyordu, lakin Merkür'ün bu garip hareketini açıklamak o kadar kolay değildi. Çünkü denklemler, normal koşullarda böyle bir hareket olmasını mümkün kılmıyordu. Belki de henüz fark edilememiş başka bir gezegen, Merkür'ün yörüngesinde değişimlere sebep oluyordu diye düşünüldü. Bu gezegenin bulunması çok kolaydı, fakat ortada bir gezegen yoktu. Yörüngenin yaptığı bu kayma hareketini Einstein'ın göreliliği kusursuz bir biçimde açıklıyordu. Çünkü bu hareket sebep olan şey, cisimlerin birbirine uyguladığı çekim değil, bükülen uzay-zamanda yaptıkları hareketti ve böylesi bir fizikte, böyle bir yörünge hareketi öngörülebiliyordu. Hatta diğer gezegenler de bu hareketi yapıyordu, yalnızca bu durum Merkür'de daha barizdi. Gözlemler, teorinin öngördüğü kayma miktarını kusursuz bir biçimde örtüşüyordu.

Figür 1: Merkür'ün günberi noktasının kayması
Figür 1: Merkür'ün günberi noktasının kayması

Çekimsel Alanda Işığın Sapıncı

Eğer cisimler uzay-zamanı büküyorsa ve cisimler yine bu bükülen uzay-zamanda hareket etmek zorundalarsa; ışık, çekimsel bir alandan geçerken yönünü değiştirmelidir ve bu ölçülebilir. Nitekim Eddington 1919 yılında, bir Güneş tutulması sırasında arka plan yıldızlarının görüntüde ne kadar yer değiştirdiklerini inceledi. Böylece ışıklarının, Güneş'in oluşturduğu çekimsel alan tarafından saptırılıp saptırılmadığını görebilecekti. Sonuçlar, gerçekten de ışığın bir sapınca uğradığını gösteriyordu. Üstelik miktar da, tam olarak teorinin öngördüğü miktardı.

Bugün bu olaydan faydalanarak, gökada kümelerinin, arkaplanlarında kalan cisimlerin görüntülerini merceklemesinden faydalanarak, kümenin kütlesi gibi önemli ölçümler yapabiliyoruz. Bu sebeple çekimsel merceklenme, güncel ve önemli bir çalışma alanı. Aynı zamanda eğer teorinin küçük mertebelerde kaçırdığı bir detay varsa, teknolojinin de gelişmesiyle bunun da sınanmasına imkan tanıyacak harika bir araç konumunda.

Figür 2: Eddington'ın 1919 yılında Güneş tutulması sırasında çektiği fotoğraflardan biri.
Figür 2: Eddington'ın 1919 yılında Güneş tutulması sırasında çektiği fotoğraflardan biri.

Çekimsel Kırmızıya Kayma

Çekimsel bir alandan (yani herhangi bir cismin yüzeyinden) bir foton fırlatıldığını düşünelim. Foton, çekimsel alandan kurtulduğu sırada, enerjisinin bir kısmını buraya harcar. Enerjisinin azalması, dalga boyunun kırmızıya kayması demektir. Yani farz edelim ki güçlü bir çekimsel alandan mavi bir foton bırakılıyor. Dışarıdaki bir gözlemci bu fotonu kırmızı olarak görebilir. Çünkü yolculuğa mavi bir şekilde (daha yüksek enerjili bir şekilde) başlayan foton, enerjisini bir miktar kaybederek, yoluna kırmızı (daha düşük enerjili bir şekilde) devam etmiştir. Bu durum da pek ala ölçülebilir ve 1971 yılında Greenstein tarafından Sirius B yıldızında ölçülmüştür.

Radar Yankılanması

Uzayda yer alan bir uyduya gönderilen sinyalin gidiş geliş süresi düz bir uzay için kolaylıkla hesaplanabilir. Yapılan denemeler, gelen-giden sinyal arasında bir zaman farkı oluştuğunu göstermiştir. Bu durum, çekimsel etkiler sebebiyle arada kalan uzay-zamanın bükülmesiyle açıklanabilir. Daha ilginç bir deneme, çok hassas iki saatten birini yüksek bir zirveye çıkarıp, diğerini deniz seviyesinde bırakarak yapılabilir. Deniz seviyesine yakın olan, çekimsel alandan daha çok etkilendiği için, zaman onun için çok az bir miktar da olsa daha yavaş akacaktır. Her ne kadar bu miktar karadelik gibi sıkışık cisimler için oldukça fazla olabilse de; Dünya için bu değer, milyar yıllık yaşı süresinde çekirdek bölgesinin, yüzeyinden yalnızca 2.5 yıl daha yaşlı olduğunu söyler.

Çekimsel Dalgalar

Einstein'ın genel göreliliğinden tam 100 sene sonra, varlığını öngördüğü çekimsel dalgalar gözlemsel olarak 2015 yılında doğrulandı. Biri 39 Güneş kütleli, diğeri 29 Güneş kütleli olan iki karadeliğin birleşmesi sonucunda, 62 Güneş kütleli bir karadelik ortaya çıktı. Geriye kalan 3 Güneş kütlesi ise, çekimsel dalga olarak ortama yayıldı ve Dünya'ya ulaştı. Bize ulaşan bu dalga, bir atom çekirdeğinden daha küçük bir ölçekte Dünya'nın büzülüp genişlemesine neden oldu ve bu dalga, LIGO tarafından tespit edildi. Teori, böylesi dalgaları öngörüyordu ve teknolojinin gelişmesiyle bu ilk defa 2015 yılında mümkün oldu. Böylelikle görelilik teorisi bir kez daha doğrulanmış oldu.


Ögetay Kayalı

Referanslar

1. Uggerhøj, U. I., Mikkelsen, R. E., & Faye, J. (2016). The young centre of the Earth. European Journal of Physics, 37(3), 35602. https://doi.org/10.1088/0143-0807/37/3/035602
2. Abbott, B. P., Abbott, R., Abbott, T. D., Abernathy, M. R., Acernese, F., Ackley, K., … Zweizig, J. (2016). Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger. Physical Review Letters, 116(6), 61102. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.061102
3. Hetherington, N. S., "Sirius B and the gravitational redshift - an historical review", Quarterly Journal Royal Astronomical Society, vol. 21, Sept. 1980, p. 246-252.

4. Coles, P., & Lucchin, F. (2002). Cosmology: The Origin and Evolution of Cosmic Structure. Wiley.
5. Clemence, G. M. (1947). The Relativity Effect in Planetary Motions. Reviews of Modern Physics, 19(4), 361–364. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.19.361
6. Kılınç C., Ege Üniversitesi Astronomi ve Uzay Bilimleri, Galaksiler ve Kozmoloji ders notları.

Ögetay Kayalı

Astronom. Özel ilgi alanı teorik kozmoloji, özellikle Einstein'ın görelilik kuramının modifiye edilmesi (modified gravity) üzerine uğraşıyor. Bunların yanında ender bulduğu zaman aralıklarında kafasına esince programlama, 3B modelleme, makineler, tasarım, fotoğrafçılık, resim ve satranç ile de ilgileniyor.

Ögetay Kayalı 120 makale yazdıÖgetay Kayalı tarafından yazılan tüm makaleleri gör