Einstein’ın 1915 yılında geliştirdiği genel görelilik teorisinin en önemli öngörülerinden biri kütleçekim dalgalarının varlığıydı. Elektromanyetik dalgalara da benzetilebilecek olan bu dalgaların önemli bir farkı bulunmakta. Bunlar, elektromanyetik bir dalga gibi uzayzamanda ilerleyen dalgalar değil, uzayzamanın kendisinin dalgalanmaları. Örneğin kütleçekim dalgaları geçtikleri yerlerde bir yöndeki uzunlukları kısaltırken diğer bir yöndeki uzunlukları artırıyor.

1916’da yine Einstein tarafından fark edilen bu teorik öngörünün gözlemlerle doğrulanması için yaklaşık 100 yıl geçmesi gerekmişti. 2015 yılında LIGO ve Virgo araştırma grupları kütleçekim dalgalarını doğrudan gözlemlediklerini duyurdular. Çığır açıcı nitelikteki bu gözlem, kütleçekimsel dalga astronomisi alanının doğuşu oldu ve bu ilk buluşun ardından pek çok başka kütleçekim dalgası da gözlemlendi. Artık kütleçekim dalgaları bu dalgaların kaynaklarına dair bilgi toplamak için kullanılan bir araç aynı zamanda.

2015’te yapılan gözlem dünya üzerine kurulu dedektör sistemleri ile gerçekleşmişti. Bu sistemler birkaç kilometre boyutunda lazer interferometrelerinden oluşuyor ve gözlemlenen dalga da birkaç bin kilometrelik bir dalga boyuna sahipti.

Geçtiğimiz hafta duyurulan gözlem ise çok farklı nitelikteki kütleçekim dalgaları ile ilişkili. Bu dalgalar, 2015’te gözlemlenen dalga gibi tek bir kara delik çiftinin birleşmesinden değil, muhtemelen milyonlarca birleşmeden çıkan dalgaların bir araya gelmesinden kaynaklanıyor ve uzayda bir kütleçekim dalgası arka planı oluşturuyor. Ayrıca bu dalgalar, 2015’tekine kıyasla çok daha düşük bir frekansa sahip. Bu ise dalga boylarının çok daha büyük olduğu anlamına geliyor. Boyları onlarca ışık yılı uzunluğunda olabilen bu dalgalar dolayısıyla 2015’teki dalgalardan kabaca bir trilyon kat daha uzunlar. Böylesi uzunluktaki dalgaları gözlemleyebilmek elbette dünya üzerindeki birkaç kilometrelik dedektörlerle mümkün değil.

Bu nitelikteki dalgaların gözlemlenebilmesi, bilim insanlarının Samanyolu galaksisini bir dedektör gibi kullanmasıyla mümkün oldu. Onlarca pulsardan oluşan ve pulsar zamanlama dizisi adı verilen sistemler Samanyolu’ndan geçen kütleçekim dalgalarını gözlemlemek için kullanıldı.

Düşük frekanslı kütleçekim dalgaları nasıl gözlemlendi?

Pulsar, çok güçlü manyetik alanlara sahip ve kendi ekseni etrafında yüksek hızlarda dönen nötron yıldızlarına verilen isim. Bu dönüş hareketi, pulsarların manyetik kutuplarından elektromanyetik radyasyon yaymasına neden olur ve bu radyasyon sadece ışınlar dünyaya yöneldiğinde dünyadan gözlemlenebilir. Bu nedenle, tıpkı bir deniz fenerinin yaydığı ışık gibi, dünyadan bakıldığında pulsarlar düzenli aralıklarla elektromanyetik radyasyon yayıyor gibi gözükür.

Pulsarların dönüş hareketleri oldukça düzenli olduğu için, dünyaya yönelen ışınlar da son derece düzenli aralıklarla ulaşır. Özellikle, milisaniye pulsarı ismi verilen ve kendi etraflarında dönüşleri 10 milisaniyeden daha kısa süren pulsarların dönüşleri dış etkenlerden çok az etkilenir ve bunlardan ulaşan ışınların aralıkları atomik saatlerle karşılaştırılabilecek düzenliliktedir. Bu nedenle, kütleçekim dalgalarının bu aralıklarda yaratacağı küçük oynamalar bu dalgaların tespitinde kullanılabilir.

Şekil 1: Bir pulsardan (P) dünyaya (D) yönelen elektromanyetik ışınlar bir kütleçekim dalgası (KD) ile  karşılaştıklarında, kütleçekim dalgasının uzunlukları kısaltması ya da artırmasına bağlı olarak ışınların dünyaya ulaşma aralıkları uzar ya da kısalır. Bu oynamalar dünyadan ölçülebilir, fakat bu oynamaların bir kütleçekim dalgasından kaynaklandığının doğrulanması için pek çok pulsardan gelen sinyallerin birbiri ile karşılaştırılması gerekir. Böylesi onlarca pulsardan oluşabilen sistemlere pulsar zamanlama dizisi adı verilmektedir.

Bu oynamalar bilim insanları tarafından ölçülebilir olmakla birlikte, bunların bir kütleçekim dalgasından kaynaklandığının doğrulanması pek çok pulsardan gelen sinyallerin karşılaştırılmasını gerektirir. Bu şekilde çok sayıda pulsardan gelen sinyalleri inceleyen sistemlere pulsar zamanlama dizisi (PZD) adı verilmektedir.

Bu PZD projelerinden biri olan Kuzey Amerika Nanohertz Kütleçekim Dalgaları Gözlemevi (NANOGrav) 2020 yılında topladıkları verilerin bir kütleçekim dalgası arka planına ait olabileceğini duyurmuştu. Ardından 2021 yılında Avustralya’daki Parkes PZD’si (PPTA) ve Avrupa PZD’si (EPTA) benzer duyurular yaptılar, fakat ortada henüz net bir sonuç yoktu.

Geçtiğimiz 29 Haziran’da ise dört farklı PZD grubu –NANOGrav, EPTA ve Hindistan PZD’si (InPTA) ortak girişimi, Çin PZD’si (CPTA) ve PPTA– düşük frekanslı kütleçekim dalgalarına dair somut delil bulduğunu açıkladı. Bu sonuçlar 25 yılı bulan bir süre boyunca toplanan verilerin analizi ile elde edildi, dolayısıyla devasa bir emeğin sonucu olduğu söylenebilir.

Şu an için bilim insanları kesinleşmiş bir keşiften bahsetmiyor; bunun için daha fazla veri toplanmasına ve eldeki verilerin daha fazla analiz edilmesine ihtiyaç var. Fakat hali hazırda farklı pulsarlardan gelen verilerin Hellings-Downs eğrisine uygun oldukları görülüyor. Bu ise tam da bir kütleçekim dalgası arka planına işaret ediyor. Toplanan verilerin böylesi bir arka plana ait olmaması ve bunun bir yanlış alarm olması ihtimali de farklı gruplar tarafından hesaplanmış bulunuyor. Grupların hesapladıkları istatistiksel güvenilirlik 3 ila 4.6 sigma arasında değişiyor. Bu ise yanlış alarm ihtimalinin binde 1 ila milyonda 2 arasında olması anlamına geliyor. Standart olarak, kesin bir keşiften bahsetmek için bilim insanları 5 sigma’lık bir güvenilirliğe ihtiyaç duyuyorlar. Bu ise 3.5 milyonda 1’lik bir yanlış alarm ihtimaline karşılık geliyor.

Şekil 2: NANOGrav grubunun yayımladığı makaledeki bu grafik, iki farklı pulsardan gelen verilerin korelasyonu ile pulsarların gökyüzündeki konumları arasındaki açının ilişkisini gösteriyor. Bu grafiğin teorik olarak izlemesi gereken eğri 1983 yılında Hellings ve Downs tarafından ortaya konmuştu (kesikli çizgi). Gözlemsel verilerin (hata çubuklu noktalar) Hellings-Downs eğrisi ile uygun oldukları görülüyor. Kaynak: G. Agazie ve ark., Astrophys. J., Lett. 951, L8 (2023).

Kütleçekim dalgası arka planının gözlemlenmesi ne anlama geliyor?

Gözlemlenen kütleçekim dalgası arka planının süper kütleli kara deliklerden kaynaklandığı düşünülüyor. Süper kütleli kara delik, kütlesi Güneş’in yüz bin katı ya da daha fazla olan kara deliklere verilen isim ve kara deliklerin en büyük türü. Gözlemler Samanyolu da dahil hemen her büyük galaksinin merkezinde süper kütleli kara deliklerin bulunduğunu gösteriyor. Simülasyonlara göre milyonlarca süper kütleli kara delik ikilisi gözlemlenen türden bir arka planı oluşturabilir.

İki galaksi birleştiğinde, merkezlerindeki süper kütleli kara delikler birbirleri etrafında yörüngeye oturarak bir kara delik ikilisi oluşturabilir. İkili, birbirlerinin yörüngesinde binlerce ya da milyonlarca yıl dönebilir. İkilinin bu hareketi sırasında yakınından geçtiği diğer cisimler kütleçekimi nedeniyle yavaşlamalarına neden olur ve iki kara delik bu şekilde birbirlerinin 1 parsek (3.26 ışık yılı) yakınına kadar gelebilir.

PZD’lerin gözlemlediği türden bir kütleçekim dalgası yayabilmeleri için süper kütleli kara deliklerin 1 parsekten çok daha yakın olmaları gerekiyor. Fakat, 1 parsekten sonra kara deliklerin nasıl daha fazla yakınlaşabilecekleri henüz anlaşılmış değil, çünkü bu uzaklıkta ikiliyi daha fazla yavaşlatacak miktarda başka cisim bulunmuyor. İkilinin bu sırada yaydığı kütleçekim dalgaları da ikiliye enerji kaybettirdiği halde bu kayıp da yeterli miktarda değil.

Eğer gözlemlenen arka plan gerçekten de süper kütleli kara delik ikililerinden kaynaklanıyorsa bu, kara deliklerin birbirlerine 1 parsekten çok daha yakın oldukları ve eninde sonunda birleşecekleri anlamına gelecek. Dolayısıyla son 1 parseklik mesafenin de bir şekilde aşılabildiği ortaya çıkmış olacak. Buna ek olarak, ikililerden kaynaklanmaları, bu ikililerin sandığımızdan çok daha fazla ve çok daha yüksek kütleli olduğu anlamına gelecek. Bu ve başka nedenlerle kütleçekim dalgası arka planı gözleminin tıpkı 2015’te kütleçekim dalgalarının ilk gözlenişi gibi çığır açıcı olması bekleniyor.

Elbette bu arka planın kaynağı olabilecek daha düşük ihtimalli adaylar da mevcut. Bunlar, kozmik enflasyon gibi kozmolojik süreçleri ve daha spekülatif alternatif modelleri içeriyor. Bu adaylardan hangisinin doğru olduğu önümüzdeki yıllarda yapılacak geliştirmelerle ortaya çıkacaktır. En muhtemel aday süper kütleli kara delik ikilileri olmakla birlikte, kozmolojik süreçlerin etkilerinin de gözlemlenebilir olması heyecanlandırıcı bir ihtimal olarak duruyor, çünkü kütleçekim dalgaları elektromanyetik dalgalara kıyasla evrenin çok daha eski zamanlarına bakmamızı sağlayabilecek nitelikte. Her halükârda bu gözlemin astrofizikte yeni bir dönemi açacağı söylenebilir.