EvrenAstronomiKozmolojiPopüler Bilim

Kozmoloji – 12: 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 genel görelilik teorisi 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, genel görelilik teorisinin 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

Genel görelilikte, eğer cisimler uzay-zamanı büküyorsa ve cisimler yine bu bükülen uzay-zamanda hareket etmek zorundalarsa; ışık, çekimsel bir alandan geçerken yönünü değiştirmelidir ve bu ölçülebilirdir. 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. Bu gözlem genel görelilik teorisini doğrulayan ilk güçlü keşif oldu.

Bugün bu olaydan faydalanarak, galaksi kümelerinin, arkaplanlarında kalan cisimlerin görüntülerini merceklemesinden faydalanarak, kümenin kütlesi gibi önemli ölçümler yapabiliyoruz. Bu sebeple çekimsel merceklenme, hala 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.

Genel görelilik test gözlem
Figür 2: Eddington’ın 1919 yılında Güneş tutulması sırasında çektiği fotoğraflardan biri.

Kütle Çekimsel Kırmızıya Kayma

Çekimsel bir alandan (yani herhangi bir cismin yüzeyinden) bir foton fırlatıldığını düşünelim. Foton, kütle çekimsel alandan kurtulduğu sırada, enerjisinin bir kısmını buraya harcar. Enerjisinin azalması, dalga boyunun kırmızıya kayması demektir. Yani farz edelim ki güçlü bir kütle 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 ölçülebilirdir ve ilk olarak 1971 yılında Greenstein tarafından Sirius B yıldızında ölçülmüştür. Bu da genel görelilik teorisinin önemli sonuçlarından birini doğrulamaktadır.

Radar Yankılanması (Zaman Farkı)

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, kütle çekimsel etkiler sebebiyle arada kalan uzay-zamanın bükülmesiyle genel görelilik teorisi tarafından 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 kara delik 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.

Genel Görelilikte Çekimsel Dalgalar

Einstein’ın genel görelilik teorisinden 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 kara delik 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 genel görelilik teorisi bir kez daha doğrulanmış oldu.


Bu konular hakkında biraz daha teknik detay merak ediyorsanız: Evrenin Gözlemsel Özellikleri

Kozmoloji konularını detaylı olarak ele aldığımız başlıklara yazı dizilerimize giderek ya da aşağıdaki bağlantılardan ulaşabilirsiniz.

1. Kozmoloji – 0: Kozmoloji (Evren Bilimi) Nedir?
2. Kozmoloji – 1: Evrenin İlk Üç Dakikası
3. Kozmoloji – 2: Kozmolojik İlke – Homojenlik ve İzotropi
4. Kozmoloji – 3: Robertson-Walker Metriği
5. Kozmoloji – 4: Kozmik Uzaklık Merdiveni
6. Kozmoloji – 5: Evrenin Geometrisi
7. Kozmoloji – 6: Evrenin Yoğunluğu
8. Kozmoloji – 7: Evrenin Yaşı
9. Kozmoloji – 8: Hubble Sabiti
10. Kozmoloji – 9: Son Saçılma Yüzeyi ve Foton Ayrışması
11. Kozmoloji – 10: Kozmik Mikrodalga Arkaplan Işınımı (CMBR)
12. Kozmoloji – 11: CMB Kuvvet Tayfı
13. Kozmoloji – 12: Genel Görelilik Teorisinin Gözlemsel Testleri
14. Kozmoloji – 13: Kozmolojik Parametreler ve Belirlenme Yöntemleri
15. Kozmoloji – 14: Gökada Dönme Eğrisi
16. Kozmoloji – 15: Çekimsel Merceklenme
17. Kozmoloji – 16: Aktif Galaksi Çekirdeği (AGN)


Hazırlayan: 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

Rasyonalist kurucu, editör ve kıdemli yazar. NASA'nın APOD platformunda görevli olmak üzere, Michigan Tech. Üniversitesinde araştırma görevlisi olarak Astrofizik üzerine doktora yapmaktadır. Ege Üni. Astronomi ve Uzay Bilimleri Bölümünden birincilikle mezun olduktan sonra bir yıl kozmoloji üzerine yüksek lisans, ardından bir yıl da İzmir Uluslararası Biyotıp ve Genom Merkezinde Moleküler Biyoloji ve Genetik üzerine yüksek lisans yapmıştır.

Bir cevap yazın

Başa dön tuşu
Bilim dünyasındaki önemli gelişmelerden haberdar olmak için haftalık/aylık bültenimize abone olun.
Devam ederek gizlilik politikasını kabul etmiş olursunuz.