Bugün yer çekiminin nasıl çalıştığını anladık ama neden çalıştığını hâlâ bilmiyoruz
Yerçekiminin ne olduğunu biliyorsunuz sanıyorsunuz? Yeniden düşünün. Yeni araştırmalar, bu en gizemli kuvvet hakkında ne kadar az şey bildiğimizi ortaya koyuyor.
Aylar boyunca söylentiler dolaşıyordu. Dünyanın dört bir yanındaki çay salonlarında spekülasyonlar yapılıyordu. Ve 2015'in sonlarına doğru bir noktada, Teorik Kozmoloji Merkezi'nde Teorik Fizik Öğretim Üyesi Dr. Ulrich Sperhake, bunun sadece bir test ise duymuş olacağını fark etmeye başladı. Bu da söylentilerin doğru olduğu anlamına geliyordu. "Futbol takımımın FA Kupasını kazanmasını izlemek gibiydi. Olay gerçekleştiğinde nöbet tutan kişi için, kupa ve Wimbledon'ı bir arada kazanmak gibi olmalıydı!" diyor. "Şimdi ise daha çok şöyle düşünüyorum: 'Vay canına. Bu gözlemsel fizikte yeni bir dönem. Bu ne sıklıkta olur ki?'"
Böyle bir hayat boyu yaşanacak heyecanın nedeni neydi? Basitçe, Louisiana'da bir monitörden yayılan, bir saniyeden kısa süren uzatılmış bir cıvıltı sesi, ardından yedi milisaniye sonra kırsal Washington'da duyulan başka bir özdeş cıvıltı. Dünyanın dört bir yanındaki bilim insanlarının, Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory ile çalışan Cambridge araştırmacıları da dahil olmak üzere, 1,2 milyar ışık yılı uzaklıkta bulunan, akıl almaz büyüklükte iki kara deliğin birbirleri etrafında döndüğünü, saniyede 30'dan 250'ye hızlandığını ve ardından çarpışarak devasa bir kara delik oluşturduğunu dinlemelerini sağlayan yirmi milisaniyelik veri. Çarpma, uzay-zamanda bir dalgalanma - yerçekimi dalgası - yarattı.
Bulguları - "ikili" kara deliğin ilk kez tespiti, yerçekimi dalgalarının varlığının kanıtı ve Einstein'ın 1916'da öngördüğü uzay-zaman sürekliliğinde bir dalgalanma - yerçekimi anlayışımızda yeni bir kapı açıyor. Ve bu önemlidir, çünkü çoğumuz Newton ve elmayı biliyor olsak da, yerçekimi büyük kozmik gizem olarak kalmaktadır. Matematiksel olarak ilk tarif edilen kuvvet olmasına rağmen (Isaac Newton tarafından 1687'de), nasıl çalıştığını hala bilmiyoruz - en iyi modern açıklama genel görelilik teorisidir. Ne yaptığını biliyoruz, ama ne olduğunu bilmiyoruz. Bu nedenle Cambridge araştırmacıları, yerçekiminin doğası hakkında daha fazla bilgi edinmeyi amaçlayan bir dizi büyük proje üzerinde çalışıyor.
Temel bir kuvvet
Ancak başlangıç olarak, bildiklerimizi söyleyelim. İlk olarak, Newton'un kütleçekim yasası bize evrendeki herhangi iki cismin birbirine bir çekim kuvveti uyguladığını söyler. İki cismin kütlesi ne kadar büyük ve aralarındaki mesafe ne kadar kısa olursa, birbirlerine uyguladıkları yerçekimi kuvvetlerinin çekim gücü o kadar güçlü olur.
Yerçekiminin birkaç cisimli karmaşık bir sistemde çalışabileceğini de biliyoruz. Örneğin, Güneş tüm gezegenlere yerçekimi uygular ve her gezegen de Güneş'e (ve diğer tüm gezegenlere) bir yerçekimi kuvveti uygular. Kara deliklerin yerçekiminin o kadar güçlü olduğunu ki ışığın çekiminden kaçamayacağını ve yerçekimi alanlarının o kadar güçlü olduğunu ki birbirleriyle çarpıştığında yerçekimi dalgaları ürettiklerini biliyoruz.
Bu nedenle, evrenin Standart Modeli'nde yerçekimi, temel kuvvetlerden biri (elektromanyetizma, zayıf nükleer kuvvet ve güçlü nükleer kuvvet ile birlikte) olarak tanımlanır. Bununla birlikte, Einstein'ın görelilik teorisi bize yerçekiminin sadece bir kuvvetten daha fazlası olduğunu söyler: uzay-zaman sürekliliğinde bir eğriliktir. Başka bir deyişle, uzay hiçbir şey değil, bir şeydir, yani uzay bir cismin kütlesi etrafında eğilmelidir.
Çekici bir kuvvet
Ancak yerçekiminin gerçekte ne olduğu konusunda - cevaplar burada bitiyor. Bu nedenle Dr. Sperhake, kara delikler çarpıştığında neler olduğunu çok merak ediyor. "[Yerçekimi] dalgalarının bulunması, elektromanyetizma çalışılarak açıkça tanımlanamayan olayları gözlemleyebileceğimiz anlamına gelir, çünkü kara delikte bulunmaz. Ancak yerçekimi dalgaları bize bu bilgiyi verebilir.
"Çalışmam, bunun genel görelilik ve en iyi tahmin parametrelerimizle uyumlu olup olmadığını görmek için veri akışına bakmayı içeriyor. Bunu yapmak için diğer yerçekimi teorilerinde yerçekimi dalgası sistemlerini anlamalıyız."
Astronomi Profesörü Richard McMahon, yerçekiminin evrenin uzak kenarlarında nasıl ve ne ölçüde sapma gösterdiğini belirlemeye odaklanıyor. Ekibi, gökyüzünü yerçekimsel mercekli kuasarlar için tarar - ışığı kuasar ve gözlemci arasında bulunan madde (örneğin bir galaksi kümesi) tarafından büyütülen ve bozulan kuasarlar.
"Yerçekiminin gizemi, çekici bir kuvvet olmasıdır - diğer üç ana kuvvete kıyasla aslında çok zayıftır, ancak diğerleri hem pozitif hem de negatif olabilir ve birbirini götürebilirken, yerçekimi çekicidir ve bu nedenle kümülatiftir, iptal edilecek bir yolu yoktur. Kuasarları keşfederek ve arka plan kaynaklarının göreli mesafelerini ölçerek, yerçekimi kuvvetinin değişip değişmediğini öğrenebiliriz."
Kara delikler
Profesör Andy Fabian, kara deliklerin yerçekimini anlamak için anahtar olabileceğine katılıyor. Astronomi Enstitüsü'ndeki ekibi, Avrupa Uzay Ajansı'nın XMM-Newton ve NASA'nın Chandra ve NuSTAR teleskopları da dahil olmak üzere büyük uzay tabanlı gözlemevlerine erişimle teorik modellemeyi birleştirerek, yerçekimi tarafından desteklenen en yüksek enerjili süreçlerden bazılarını araştırıyor. Araştırma grubu son zamanlarda önemli keşifler yaptı. "Kara delikler, yerçekiminin evrenin tamamının bir bölümünü kapattığı en uç nesnelerdir," diyor. "En yoğun radyasyonu ve parlaklığı tamamen siyah olan bir şeye bitişik olarak görmemiz ilginç. Kara deliklerin kütlesini ve dönüşünü ölçerek, çevrelerini nasıl etkilediklerini görebiliriz. Bir galaksinin merkezindeki süper kütleli bir kara delik tarafından salınan enerji, merkezdeki kara delik galaksinin sadece bir milyarda biri büyüklüğünde olsa bile, gazı galaksiden dışarı iter. Dünya büyüklüğünde bir hacmi kontrol eden bir portakal gibidir.
"Geçen yıl, XMM-Newton ile şimdiye kadar gördüğümüz en hızlı rüzgarlardan birini salarken bir kara deliğe uzun süre baktık. Kara delikler çevredeki malzemeden beslenir ve bazen çok fazla gaz tüketir, bu daha sonra ultra hızlı bir rüzgar olarak salınır. Madde ışık hızının dörtte biri hızla dışarı akar ve hızının ve bileşiminin zamanla ne kadar hızlı değiştiğini takip edebildik.
"Böyle bir şey olduğunda bir öngörü anıdır. Herkes farklı veri kümelerine bakıyor ve biri başlangıçta demir çizgisinde dış akışı fark edebilir, sonra bir başkası 'Silikon çizgisinde görebiliyorum' der. Bu, böyle bir nesnede dış akışı ilk kez görmemiz değildi, ancak ilk kez parlaklığına göre değiştiği gözlemlendi. Bunun nedeni, yoğun radyasyonun maddenin tamamen iyonlaşmasına ve şeffaf hale gelmesine neden olması veya geometrik bir etki olması olabilir. Ancak bu, gözlemlenen Doppler kaymaları, yerçekimi kırmızıya kaymaları, zaman gecikmeleri ve X-ışını verilerindeki güçlü yerçekiminin diğer işaretleri (hepsi kara deliğe çok yakın bir yerden kaynaklanıyor) ile birlikte, daha önce hiç sahip olmadığımız muazzam bir bilgi artışı sağlıyor. Bununla, bir kara deliğe akan maddenin nasıl bu kadar çok enerji saldığını ve daha sonra bu maddenin bir kısmının çok hızlı madde akışlarını nasıl güçlendirdiğini daha iyi anlayabiliriz. Çalışacağımız çok yeni bilgimiz var."
Kozmik mikrodalga arka planı
Cavendish Laboratuvarı'nda Astrofizik ve Kozmoloji Profesörü Anthony Lasenby, ESA'nın uzay tabanlı gözlemevi Planck tarafından üretilen verileri kullanarak kozmik mikrodalga arka planını (CMB) - tüm evreni dolduran Büyük Patlama'dan kalma artık elektromanyetik radyasyonu - gözlemliyor.
Profesör Lasenby, "Planck tarafından şimdiye kadar ortaya çıkarılan veriler bize kozmosun en kesin ve nicel anlayışımızı sağlıyor" diyor. "Fizikte ana sorun, yerçekimini kuantum mekaniğinin temel kuvvetleriyle (elektromanyetizma ve zayıf ve güçlü nükleer kuvvetler) nasıl uzlaştırmanız gerektiğidir. CMB'nin gözlemlenmesi, örneğin modifiye edilmiş yerçekimi teorilerinden gelen tahminleri test etmemizi sağlayarak bunu yapmamıza yardımcı olur.
"Orada ne kadar karanlık enerji olduğunun anlaşılması, CMB'nin yerçekimini anlamaya katkısının büyük odağıdır" diye ekliyor Profesör Lasenby. "Planck'tan gelen veriler size ne kadar karanlık enerji olduğunu söyleyebilir, ancak yine de ne olduğunu bilmiyoruz. Karanlık enerjinin özelliklerinin zamanla değişip değişmediğini kısıtlamak için Planck verilerinin diğer kozmolojik verilerle birleştirilmesi, doğasını belirlemede hayati önem taşıyacaktır."
Yerçekimi ve kuantum mekaniği arasındaki bu çatışma, Hollandalı Profesör Erik Verlinde'in yerçekiminin temel bir kuvvet değil, sadece diğer kuantum kuvvetlerinin bir yan ürünü olan ortaya çıkan bir fenomen olduğunu ve karanlık maddeye atfedilen kara delikler etrafındaki yerçekiminin aslında karanlık enerjinin bir etkisi olduğunu teorileştirmesiyle son zamanlarda manşetlere taşındı.
Teori, Einstein'ın görelilik teorisi hakkında ciddi şüpheler yaratacaktı - ancak destekçileri kadar karşıtları da var.
Sismik atılım
Bununla birlikte, birçok bilim insanı, yakın zamandaki keşiflerin bize bazı cevaplar ve yerçekimi hakkında daha iyi bir anlayış getireceğine inanıyor - büyük olasılıkla önümüzdeki beş ila on yıl içinde.
Profesör McMahon, "Yerçekimi dalgaları ve kuasarlar çok fazla veri getirecek ve çok daha hassas ekipmanlara sahip olacağız ki yakında büyük bir sürpriz almazsak şapkamı yerim" diyor. "En kötü durumda bile, zaten bildiklerimizi doğrulamak için çok daha fazla veriye sahip olacağız."
Profesör Fabian emin değil. "Einstein'ın genel görelilik ve yerçekimi teorisi hala uygun görünüyor - ki bu, 100 yıl sonra daha da dikkat çekici hale getiriyor. Yanlış olduğunu kanıtlayan bir şey görmek harika olurdu, ancak şimdiye kadarki tüm kanıtlarımız doğru olduğunu gösteriyor."
Dr. Sperhake başka bir sismik atılım görmek isterdi. "Olası muhteşem bir dönüm noktası, Einstein'ın teorisini değiştirme ihtiyacına işaret eden somut bir işaret olurdu. Bir teorisyenin bakış açısından, genel göreliliğin ötesine işaret eden böyle bir imza görmek harika olurdu - ancak bunun çok olası olduğunu düşünmüyorum."
Ve eğer bir tane bulurlarsa? "Bu yine de Einstein'ın yanlış olduğu anlamına gelmez - tıpkı Einstein'ın teorisi Newton'ı yanlış yapmadığı gibi. Ay inişi Newton'un teorisiyle hesaplandı," diye belirtiyor. "Yeni keşifler teoride sadece değişikliklere neden olacaktır." Ve yerçekimi - şimdilik, en azından, yerçekimi bir gizem olarak kalıyor.
Cavendish Astrofiziği, Astronomi Enstitüsü, Teorik Kozmoloji Merkezi ve Uygulamalı Matematik ve Teorik Fizik Bölümü hakkında daha fazla bilgi edinin.
Cambridge araştırmasını destekleme hakkında daha fazla bilgi edinin.
Yazan: Peter Taylor Whiffen
Resim: La Tigre
Hikaye tasarımı: Sarah Collins
Bu makale ilk olarak CAM - Cambridge Mezunlar Dergisi, 82. sayısında yayınlandı.