Evreni tüm duyularla izlemek

Kanca

17 Ağustos 2017, Greenwich saatiyle 12.41. LIGO ve Virgo dedektörleri, uzay-zamanda giderek tizleşen bir titreşim kaydetti. Yaklaşık 1,7 saniye sonra yörüngedeki Fermi uydusu, gökyüzünün aynı bölgesinde bir anlık gama parlaması kaydetti.

İki alet, birbirinden habersiz, aynı olayı iki ayrı duyuyla algılamıştı. Birkaç saat içinde dünyanın dört bir yanındaki teleskoplar o bölgeye döndü ve bir galaksinin hemen yanında yeni doğmuş bir ışık buldu. Evreni ilk kez hem "duymuş" hem "görmüştük".

Merkezi soru

Çoklu haberci gökbilimi nedir, farklı habercileri, yani kütleçekim dalgalarını, ışığın farklı renklerini ve parçacıkları aynı olayda birleştirmek, tek başına hiçbirinin veremeyeceği hangi bilgileri sağlar?

Anlatım

Tek duyu yetmez

Bu modülde evrenden bize ulaşan pek çok haberciyle tanıştık: radyo dalgaları, kızılötesi, X ve gama ışınları, nötrinolar, kozmik ışınlar. Ders 16.7'de uzay-zamanın kendisindeki kütleçekim dalgalarını gördük. Her biri aynı olayın farklı bir yüzünü anlatır.

Bir fırtınayı düşün. Şimşeği görürsün, gök gürültüsünü duyarsın, rüzgârı ve yağmuru tenin hisseder. Tek bir duyu fırtınanın ancak bir parçasını verir; hepsi birlikte ne olduğunu, ne kadar uzakta olduğunu, hangi yöne gittiğini söyler. Aynı olayı birden çok haberciyle izlemeye çoklu haberci gökbilimi (multi-messenger astronomy) denir.

2017'nin olayı

LIGO ve Virgo iş birliklerinin çoklu haberci makalesine göre GW170817 adı verilen kütleçekim dalgası sinyali, kütleleri nötron yıldızlarına uyan iki cismin birleşmesinden geldi. Kütleçekim dalgası verisi, kaynağı yaklaşık 40 megaparsek uzakta ve gökyüzünde 31 derecekarelik bir bölgede gösteriyordu. Fermi uydusu, birleşme anından yaklaşık 1,7 saniye sonra GRB 170817A adlı kısa gama patlamasını kaydetti.

Makaleye göre birleşmeden 11 saatten kısa bir süre sonra bir ekip, NGC 4993 galaksisinde parlak yeni bir ışık kaynağı buldu. Morötesi gözlemler 48 saat içinde sönen mavi bir parıltı gösterdi; optik ve kızılötesi ışık on gün boyunca kızardı. X ışınları dokuzuncu, radyo dalgaları on altıncı günde ortaya çıktı. Ders 9.6'da bu olayın ağır elementlerin kökeni için önemini konuşmuştuk; burada soru, farklı habercilerin birlikte ne öğrettiği.

Çözümlü problem 1: Aramayı daraltmak

31 derecekare ne kadar büyüktür? Dolunayın açısal yarıçapı yaklaşık çeyrek derecedir, yani kapladığı alan π × 0,26² ≈ 0,21 derecekaredir. Sesli okunuşu: "pi çarpı sıfır virgül yirmi altının karesi, yaklaşık sıfır virgül yirmi bir derecekare." Öyleyse 31 derecekare, 31 / 0,21 ≈ 150 dolunay büyüklüğünde bir bölgedir.

Bu kadar geniş bir bölgede binlerce galaksi vardır; kütleçekim dalgaları tek başına kaynağı gösteremez. Ama uzaklık da biliniyordu: yaklaşık 40 megaparsek. Gökbilimciler bölgedeki, bu uzaklıktaki galaksileri tek tek taradı. Kütleçekim dalgası nereye bakılacağını, ışık da tam olarak neyin olduğunu gösterdi. İki haberci birlikte, samanlıktaki iğneyi on bir saatten kısa bir sürede buldurdu.

Çözümlü problem 2: Kütleçekimi ne hızla yayılır?

Kütleçekim dalgaları ile ışık aynı olaydan çıktı ve aynı yolu aldı. Bu, genel göreliliğin temel bir öngörüsünü sınamak için eşsiz bir fırsattı: kütleçekim ışık hızıyla mı yayılır?

Uzaklık 40 megaparsek, yani yaklaşık 1,2 × 10²⁴ metredir. Işık bu yolu t = d / c ≈ 1,2 × 10²⁴ / 3,0 × 10⁸ ≈ 4,1 × 10¹⁵ saniyede, yani yaklaşık 130 milyon yılda alır. Bunu "uzaklığı ışık hızına böl; dört virgül bir çarpı on üzeri on beş saniye" diye okuruz.

Gama ışınları kütleçekim dalgalarından yalnızca 1,74 saniye sonra geldi. Bu farkın bütünü hızdaki bir farktan kaynaklansaydı bile, fark toplam sürenin 1,74 / 4,1 × 10¹⁵ ≈ 4 × 10⁻¹⁶'sı kadar olurdu. LIGO, Virgo ve gama ışını ekiplerinin ortak makalesi de bu gecikmeden, kütleçekimin hızı ile ışık hızı arasındaki farkın ışık hızının −3 × 10⁻¹⁵ ile +7 × 10⁻¹⁶ katı arasında kaldığını hesapladı. Yüz otuz milyon yıllık bir yarışta iki haberci neredeyse aynı anda bitiş çizgisini geçti. Aynı makale, iki nötron yıldızının birleşmesinin kısa gama ışını patlamalarının bir kaynağı olduğunu da doğruladı.

Çözümlü problem 3: Evrenin genişleme hızını ölçmek

Kütleçekim dalgası sinyalinin biçimi, kaynağın uzaklığını doğrudan verir; basamak basamak kurulan kozmik mesafe merdivenine gerek kalmaz. Işık ise galaksiyi, dolayısıyla onun tayfındaki kırmızıya kaymayı, yani bizden uzaklaşma hızını gösterdi. Uzaklaşma hızını uzaklığa bölmek, evrenin yerel genişleme hızını, Hubble sabitini verir.

LIGO ve Virgo iş birliklerinin Nature'daki makalesi bu yolla Hubble sabitini megaparsek başına saniyede yaklaşık 70 kilometre buldu. Tersinden bakalım: 40 megaparsek uzaklıktaki bir galaksi, v = H₀ × d ≈ 70 × 40 = 2800 km/s hızla uzaklaşıyor olmalıdır. Sesli okunuşu: "hız, Hubble sabiti çarpı uzaklık; yetmiş çarpı kırk, saniyede iki bin sekiz yüz kilometre." Tek bir olay, hiçbir ara basamak kullanmadan evrenin ölçeğini tarttı. Gökbilimciler böyle olaylara, standart mumlara benzeterek, standart siren (standard siren) der.

Aslında…

Büyük resim

Çoklu haberci gökbilimi, gökyüzüne tek bir gözle değil, bütün duyularla bakmaktır. Kütleçekim dalgaları nereye ve ne kadar uzağa bakılacağını, ışık neyin olduğunu, nötrinolar ve kozmik ışınlar da en şiddetli süreçlerin içini söyler. Ders 17.3'teki gama ışını patlamalarının bir türünün kaynağı, ancak böyle bir birleşik gözlemle kesinleşti.

2017'deki tek bir olay, ağır elementlerin nereden geldiğine, kütleçekimin hızına ve evrenin genişleme hızına aynı anda ışık tuttu. Gelecekte daha duyarlı dedektörler, bu tür olayları sıradan hâle getirerek evrenin kütleçekimle anlatılan hikâyesini ışıkla anlatılan hikâyesiyle birleştirecek.

Özet

1. Çoklu haberci gökbilimi, aynı olayı kütleçekim dalgaları, ışığın farklı renkleri ve parçacıklar gibi birden çok haberciyle izlemektir; her haberci olayın ayrı bir yüzünü gösterir.
2. 2017 Ağustos'unun ortasında kütleçekim dedektörleri iki nötron yıldızının birleşmesini yakaladı, Fermi 1,7 saniye sonra bir gama parlaması gördü; 150 dolunay büyüklüğündeki bölge taranarak kaynak 11 saatten kısa sürede NGC 4993 galaksisinde bulundu.
3. İki haberci arasındaki 1,74 saniyelik gecikme, kütleçekimin ışık hızıyla, farkı ışık hızının yaklaşık on üzeri eksi on beşte birinden küçük olacak biçimde yayıldığını gösterdi; kütleçekim dalgasından uzaklık, ışıktan uzaklaşma hızı alınarak Hubble sabiti yaklaşık 70 km/s/Mpc bulundu.

Görev

Quiz

1. Çoklu haberci gökbilimi nedir?
2. 2017'deki olayda kütleçekim dalgaları ve gama ışınları arasındaki gecikme ne kadardı?
3. Kütleçekim dalgaları kaynağı gökyüzünde neden tek başına bulamadı ve nasıl bulundu?
4. Bu olay kütleçekimin hızı hakkında ne gösterdi?
5. Standart siren nedir ve neyi ölçmek için kullanıldı?

Cevaplar

1. Aynı gökyüzü olayını kütleçekim dalgaları, ışığın farklı dalga boyları ve parçacıklar gibi birden çok haberciyle birlikte izlemek.
2. Yaklaşık 1,7 saniye; gama ışınları kütleçekim dalgalarından biraz sonra geldi.
3. Çünkü kütleçekim dalgaları kaynağı yaklaşık 150 dolunay büyüklüğünde bir bölgeye daraltabildi; o uzaklıktaki galaksiler teleskoplarla taranarak yeni ışık kaynağı NGC 4993'te bulundu.
4. Kütleçekimin ışık hızıyla yayıldığını; iki hızın farkının ışık hızının yaklaşık on üzeri eksi on beşte birinden küçük olduğunu.
5. Uzaklığı doğrudan kütleçekim dalgası sinyalinden okunan bir olaydır; ışıktan alınan uzaklaşma hızıyla birleştirilerek evrenin genişleme hızı, Hubble sabiti, ölçüldü.

Kaynaklar

Sonraki derse köprü

Evrenin genişleme hızını tek bir çarpışmadan ölçebildik. Ama bu genişleme nereden başladı? Gökbilimciler zamanı geriye sararak her şeyin çok sıcak ve yoğun bir başlangıçtan geldiğini söyler: Büyük Patlama. Oysa adına rağmen, bu bir yerde olmuş bir patlama değildi. Büyük Patlama gerçekte neydi, ne değildi?