Kozmoloji: Hubble Sabiti

Hubble 1929'da, evrene dair algılarımızı önemli ölçüde değiştirecek, oldukça şaşırtıcı bir gözlemde bulundu. Bu gözlemini, "Ekstragalaktik bulutsular arasındaki uzaklık ve dikine hız ilişkisi" adıyla yazdığı bir makalede yayınladı. Daha basit bir deyişle, gök cisimlerinin uzaklıkları ile uzaklaşma hızları arasındaki bağlantıyı inceliyordu. Bulduğu sonuçlar ise inanılmazdı. Bir galaksi bizden ne kadar uzaktaysa, bununla orantılı olarak daha hızlı uzaklaşıyordu. Ne kadar uzak, o kadar hızlı...

Bu durumun fiziksel bir yorumu olmalıydı, çünkü eğer evrende cisimler birbirinden bir şekilde uzaklaşıyorsa, bu rastgele bir şekilde olmalıdır. Yani çok uzak bir galaksi, bize yaklaşabilmelidir ya da çok yakın olan uzaklaşabilmelidir. Fakat durum böyle değildi. Bariz bir şekilde uzaklık arttıkça, uzaklaşma hızı da artıyordu. Bu da arada itici bir etmen olduğu anlamına gelir. Hubble, bu gözlemiyle, genişleyen evren modelinin ilk gözlemsel sonuçlarını ortaya koymuş oldu. Bugün, uzak galaksilerin bizden daha da uzaklaşmasının sebebinin, aradaki evrenin genişlemesi sebebiyle olduğunu biliyoruz.

uniform_expansion_universe

Evrenin genişlemesini, bir balonun şişmesi gibi düşünebilirsiniz. Balon üzerinde yer alan noktalar (galaksiler), balon şiştikçe birbirinden uzaklaşacaktır.

Hubble Sabiti

Hubble'ın incelediği bu uzaklık-uzaklaşma hızı ilişkisi, evrene dair bir yorum getirmekle kalmadı, aynı zamanda yeni bir parametrenin de tanınmasını sağladı. Hubble, bu ilişkiyi grafiğe döktüğünde, bunu bir doğru ile temsil edebileceğini gördü.

Hubble'ın 1929 yılında yayınladığı makalesindeki, uzaklık (distance) - uzaklaşma hızı (dikine hız-radial velocity) grafiğinin kendisi.
Hubble'ın 1929'da yayınladığı makalesindeki, uzaklık (distance) - uzaklaşma hızı (dikine hız-radial velocity) grafiğinin kendisi.

Bu durum, matematiksel olarak, bir doğru denklemi olduğu anlamına gelir. Böylelikle bir cismin bizden uzaklaşma hızını ölçebiliyorsak, bize olan uzaklığını; bize olan uzaklığını biliyorsak da, bizden olan uzaklaşma hızını bulabiliriz. Fakat bu durum bize, yalnızca evrenin genişlemesinden ötürü olan hızı verir, cismin uzaydaki hızını değil. Gerçek bir durumda, cismin hızı da ölçtüğümüz hızına dahil olacağı için, sağlıklı bir ölçüm yapmak o kadar basit değildir. Cismin uzaklaşma hızı v, uzaklığı D ise, bunlar arasında aşağıdaki gibi bir ilişki vardır.

v = H0 x d

Burada H0, bugün bizim Hubble Sabiti olarak adlandırdığımız parametredir. Buradaki sabit ifadesi, zaman içerisinde sabit olmasını değil, bir doğrultu boyunca sabit olmasını ifade ediyor. Aslında "sabiti" yerine "parametresi" kelimesi daha uygun olabilir, fakat genel bir kullanım olarak bu şekilde ifade ediyor. Sabit olmaması durumu ise biraz daha karmaşık bir konu olduğu için ona burada değinmeyeceğiz. Şimdilik, kısa zaman aralıklarında bunu sabit olarak kabul edebileceğimizi bilmemiz yeterli.

Hubble Sabitinin Değeri

Hubble, ölçümlerinde yaptığı kalibrasyon hataları sebebiyle bu değeri, günümüzde bildiğimiz değerinden oldukça farklı ölçtü. Onun bulduğu değer, 1 Mpc (1 megaparsek yaklaşık 3.2 milyon ışık yılı) için, saniyede 500 kilometre idi. Fiziksel gösterim olarak 500 km s-1 Mpc-1. Bunun ardından Allan Sandage, Hubble'ın bulduğu sonuçtan 29 yıl sonra 1958'de, "Ekstragalaktik Uzaklık Ölçeğinde Mevcut Problemler" başlığıyla yayınladığı makalesinde bu değeri, günümüzde de yaklaşık olarak doğru olan 75 km s-1 Mpc-1 değerine çekmeyi başardı. Belirtmek isteriz ki Sandage, kozmolojiye çok ciddi katkılarda bulunmuş değerli bir bilim insanıydı ve onun bu başarısı kesinlikle takdire değer.

Hubble sabitini 1958 yılında bugüne yakın değeriyle belirleyen Allan Sandage (1926-2010)
Hubble Sabiti'ni 1958'de bugüne yakın değeriyle belirleyen Allan Sandage (1926-2010).

Günümüzde, özellikle son yıllarda fırlattığımız uydularla, gelişen teknoloji sayesinde hataları aza indirmeye başladık. Hatırlayın, her ölçüm, beraberinde bir hata payını da barındırır. Burada her ne kadar göz kalabalığı yapmasını istemediğimiz için hata aralıklarını belirtmiyor olsak da, bu hesapların hepsi belirli bir artı-eksi aralığa sahiptir. Günümüzde bu oran, oldukça aşağıya çekilmiş durumda.

2006'da Chandra uydusunun katkılarıyla Hubble Sabiti 77.6+14.9-12.5 km s-1 Mpc-1 olarak ölçüldü. Buradaki artı-eksi ifadesine dikkat edin. Bu demektir ki, yaptığımız ölçümlerde hata payını hesaba kattığımızda Hubble Sabiti, 92.5 ile 65.1 arasında değişebilir. Bu çok ciddi bir hata aralığıdır. Fakat çok kısa sürede bu açığı kapattık. Chandra'nın peşine WMAP ve Planck uydularının atılmasıyla bu değer, 2015'de Planck'ın sonuçlarıyla birlikte, 70.4+1.3-1.4 km s-1 Mpc -1 olarak duyuruldu. Böylelikle, hala tam olarak tatmin olmuş olmasak da, hata aralığını oldukça aza indirgemiş olduk.

Kırmızıya Kayma

Hubble'ın yayınındaki ilişki; uzaklık ve dikine hız (uzaklaşma hızı) arasındaydı. Fakat uzaklıklar çok büyük olunca, biz artık dikine hız kavramını kullanmayız. Uzaklaşmakta olan bir cisim, tayfında (elektromanyetik spektrumunda) kırmızıya kayma dediğimiz bir olayı bize gösterir. Cismin tayfında gördüğümüz tüm soğurma ve salma çizgileri, tayf üzerinde komple kırmızı yöne doğru kayarlar. Bu kayma miktarı, doğrudan bize cismin uzaklaşma hızını verir. Bu şekilde ifade etmesi daha pratik olduğundan, bugün kırmızıya kayma parametresini (z ile gösterilir) kullanmayı tercih ediyoruz.

Kırmızıya ve maviye kayma. Ortada, laboratuvarda bir cisim üzerinde gözlediğimiz, tayftaki soğurma çizgileri görülüyor. Eğer bu cisim bizden uzaklaşıyorsa bu çizgiler olması gerekenden daha kırmızıya ötelenmiş şekilde görünür(üstte). Bu durumda cisim bizden uzaklaşıyordur. Eğer cisim yakınlaşıyorsa, çizgiler maviye kayar, bu da cismin yakınlaştığı anlamına gelir.
Tayf üzerinde kırmızıya ve maviye kayma

Yukarıdaki şekilde, kırmızıya kayma olayının nasıl tespit edildiğini görüyoruz. Laboratuvarda, bir cismin tayfını aldığımızda, tayf üzerinde ortadaki gibi soğurma çizgileri görünür. Bu çizgiler elementlere özgüdür, yani bir nevi elementlerin parmak izidir. Aynı çizgileri gök cisimlerinde de görürüz ve bu çizgiler daima aynı noktalarda (dalga boylarında) bulunmalıdır. Fakat cismin uzaklaşıp yakınlaşmasına bağlı olarak bu çizgiler kırmızıya ya da maviye doğru kayabilir (ötelenir). Eğer maviye kayma söz konusuysa cisim yakınlaşıyor, kırmızıya kayıyor ise uzaklaşıyordur.

Fizikte z parametresini, tayftaki çizginin laboratuvarda gözlenen dalga boyu λ0 ve gök cisminde aynı çizginin ölçüldüğü dalga boyu λg cinsinden aşağıdaki şekilde ifade ederiz.

z=λg0-1

Bu durumda kırmızıya kayan bir cismin dalga boyu büyüyeceğinden λg, λ0'dan daha büyük olur ve z parametresi pozitif bir değer alır. Eğer gözlenen dalga boyu ile laboratuvar dalga boyu aynı ise, cisim hiçbir kırmızıya kayma göstermiyordur yani z=0'dır.

Maviye Kayan Galaksiler

Uzaktaki galaksiler bizden daha hızlı uzaklaştığından bahsettik, bunun evrenin genişlemesinden kaynaklandığından da... Fakat aynı zamanda cisimlerin, evrenin genişlemesinden kaynaklanmayan kendi hızları da vardır. Yani aradaki evren genişlemiyor olsaydı da, bir şekilde bize ya yakınlaşacak ya da uzaklaşacaklardı. Ölçtüğümüz hız, aslında bu iki hızın toplamını barındırır.

Bize yakınlaşmakta olan Andromeda Gökadası (M31).
Bize yakınlaşmakta olan Andromeda Galaksisi (M31).

Doğal olarak hem maviye kayan (yakınlaşan) hem de kırmızıya kayan (uzaklaşan) galaksiler bulunur. Fakat, uzaklık arttıkça, kırmızıya kayma da ciddi oranda artacağı için, cismin kendi hızı artık bunun içerisinde kaybolacak kadar ufak kalır. Dolayısıyla çok uzakta olup da maviye kayan galaksi görmeyiz. Maviye kayanlar, bizim içerisinde bulunduğumuz galaksi kümesi içerisinde, kütle çekimsel olarak bize bağlı galaksilerde görünür. Bunlardan en bilineni, birkaç milyar yıl sonra bize çok yaklaşıp bizimle birleşecek olan Andromeda Galaksisi'dir.

Konu hakkında detaylı teknik bilgi için: Evrenin Gözlemsel Özellikleri

Ögetay Kayalı

Referanslar
1. E. Hubble, A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae, PNAS Journal, (1929).
2. A. Sandage, Current Problems in the Extragalactic Distance Scale, The Astrophysical Journal, (1958)
3. Planck Collaboration, Planck 2013 results. I. Overview of products and scienti c results, arXiv:1303.5062

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