Evren neden genişliyor?

Kanca

1912, Arizona'da Lowell Gözlemevi. Genç gökbilimci Vesto Slipher (okunuşu "vesto slayfır") sarmal bulutsuların tayfını çekmeye uğraşıyor. Gözlemevinin sahibi bu bulutsuların doğmakta olan güneş sistemleri olduğunu düşünüyor; Slipher'dan beklenen, bunu doğrulayacak bir kimyasal iz bulması. Teleskop bu iş için küçük, bu yüzden tek bir fotoğraf plakası 20 ila 40 saat pozlanıyor, çoğu zaman birkaç geceye yayılarak.

Slipher'ın bulduğu şey bambaşka. Bulutsuların çoğunun tayf çizgileri kırmızıya kaymış; bazıları saniyede 1800 kilometreyle uzaklaşıyor gibi. Yalnızca Andromeda gibi birkaç komşu yaklaşıyor. Bugün bu tabloyu şöyle okuyoruz: galaksiler uzayda kaçmıyor. Aradaki uzay büyüyor.

Merkezi soru

Uzak galaksiler neden bizden uzaklaşıyor gibi görünüyor, uzaklaşma hızları neden uzaklıklarıyla orantılı, ve bu orantıdan evrenin genişlemesi hakkında ne öğreniyoruz?

Anlatım

Uzaklık ile hızın buluşması

Slipher 1914'te sonuçlarını duyurduğunda kimse bu hızların ne anlama geldiğini bilmiyordu; bulutsuların ne kadar uzakta olduğu bile bilinmiyordu. OpenStax'a göre 1927'de Belçikalı gökbilimci Georges Lemaître, az okunan bir Belçika dergisinde Fransızca bir makale yayımladı. Einstein'ın denklemlerinin genişleyen bir evrenle uyumlu olduğunu gördü, Slipher'ın hızlarını kullanarak evrenin gerçekten genişlediğini öne sürdü ve genişleme hızını kestirdi. Rus bilim insanı Alexander Friedmann da 1922'de denklemlerden aynı sonuca bağımsız olarak ulaşmıştı.

Bu sırada Edwin Hubble, o yılların en büyük teleskobu olan Mount Wilson'daki 2,5 metrelik aynayla galaksilere uzaklık ölçüyordu. Yanında olağanüstü bir ortak vardı: Milton Humason. Okulu sekizinci sınıfta bırakmış, dağa katır kervanı süren, sonra gözlemevinde temizlikçi olarak işe başlamış ve sonunda gökbilimci olmuştu. Hubble 1929'da kendi uzaklık ölçümlerini hızların yanına koyduğunda çarpıcı bir örüntü gördü: galaksi ne kadar uzaksa, o kadar hızlı uzaklaşıyordu. İkili 1931'de saniyede 20.000 kilometreye varan hızlarla bu orantıyı sağlamlaştırdı.

Yasanın kendisi

Orantıyı tek satırda yazıyoruz: v = H₀ × d. Sesli okunuşu: uzaklaşma hızı, Hubble sabiti ile uzaklığın çarpımına eşittir. Buradaki H₀, "H sıfır" diye okunur; alttaki sıfır, sabitin bugünkü değeri olduğunu söyler.

Gökbilimciler H₀'ı megaparsek başına saniyede kilometre birimiyle verir. Megaparsek, milyon parseğin kısa adıdır ve yaklaşık 3,26 milyon ışık yılı eder. H₀ yaklaşık 70 ise anlamı şu: bir galaksi bizden her fazladan megaparsekte saniyede 70 kilometre daha hızlı uzaklaşır.

Orantı neden genişlemenin imzası?

OpenStax bunu esneyen bir cetvelle anlatır. Her santimetresi işaretli, lastikten bir cetvel düşün. Biri iki ucundan tutup cetveli bir dakikada iki katına uzatsın. 2 santimetre çizgisinde oturan bir karınca, 4, 7 ve 12 santimetre çizgilerindeki karıncaları izliyor.

İlk karınca 2 santimetre uzaktaydı; bir dakika sonra 4 santimetre uzakta, yani dakikada 2 santimetreyle uzaklaşmış. 5 santimetre uzaktaki dakikada 5, 10 santimetre uzaktaki dakikada 10 santimetreyle uzaklaşmış. Hiçbir karınca yürümedi; yalnızca cetvel esnedi. Yine de uzaklaşma hızları uzaklıklarıyla tam orantılı çıktı. Karıncayı başka bir çizgiye koysan, o da aynı orantıyı görür.

İşte Hubble-Lemaître yasasının asıl mesajı bu: her yerde aynı oranda gerilen bir evrende, hız ile uzaklık arasındaki orantı kendiliğinden ortaya çıkar. Bizim özel bir yerde olmamız gerekmez.

Çözümlü problem: Bir galaksinin uzaklığı

Bir galaksinin tayfından saniyede 7000 kilometrelik bir uzaklaşma hızı ölçtüğünü düşün. Yasayı uzaklık için çeviriyoruz: d = v / H₀ = 7000 / 70 = 100 megaparsek. Sesli okunuşu: uzaklık, hızın Hubble sabitine bölümüdür; yedi bin bölü yetmiş, yüz megaparsek.

Işık yılına çevirelim: 100 çarpı 3,26 milyon, yaklaşık 326 milyon ışık yılı. Bu, 2,5 milyon ışık yılı ötedeki komşumuz Andromeda'dan yaklaşık 130 kat daha uzak demek. OpenStax'ın uyardığı gibi bu yöntem birkaç milyar ışık yılına kadar iyi çalışır; daha uzakta genişleme hızının zamanla değiştiğini hesaba katmak gerekir.

Çözümlü problem: Saati geri sarmak

Genişleme hep aynı hızda sürmüş olsaydı, bütün galaksilerin ne zaman bir arada olduğunu bulmak kolay olurdu: uzaklığı hıza bölersin. Yasaya göre uzaklık bölü hız her galaksi için aynı sayıyı verir: 1 / H₀. OpenStax buna Hubble zamanı der.

Hesaplayalım. Bir megaparsek yaklaşık 3,086 × 10¹⁹ kilometre. T = 1 / H₀ = 3,086 × 10¹⁹ / 70 ≈ 4,4 × 10¹⁷ saniye. Sesli okunuşu: Hubble zamanı, bir megaparsekin kilometre cinsinden uzunluğunun yetmişe bölümüdür; dört virgül dört kere on üzeri on yedi saniye. Bir yılda yaklaşık 3,16 × 10⁷ saniye olduğundan sonuç yaklaşık 14 milyar yıl. Bu, evrenin ölçülen 13,8 milyar yıllık yaşına şaşırtıcı derecede yakın. OpenStax'a göre bu bir rastlantı: kütleçekiminin genişlemeyi yavaşlattığı dönem ile sonradan gelen hızlanma birbirini kabaca dengeliyor.

Peki neden genişliyor?

Bu sorunun ilk cevabı şaşırtıcı: çünkü duramaz. OpenStax'a göre kütleçekimi kuramları, evrenin ya genişlemesini ya da büzülmesini gerektirir. Birbirini çeken galaksiler durgun başlasaydı, zamanla birbirine düşerlerdi. Einstein duran bir evren istediği için denklemlerine, kütleçekimini en büyük ölçeklerde dengeleyecek bir terim, kozmolojik sabiti ekledi. Genişlemenin keşfiyle bu dengeleyici kuvvete gerek kalmadı.

Bugünkü resimde evren genişliyor, çünkü genişlemeye başlamış olarak var oldu; bir şey onu şimdi itmiyor. Havaya fırlatılan bir top gibi düşün: top yükselir, çünkü atıldı; kütleçekimi onu yavaşlatır. Gökbilimciler uzun süre evrenin genişlemesinin de böyle yavaşladığını bekledi. 1998'de uzak süpernovalar bunun tersini gösterdi: genişleme hızlanıyor. Bu hızlanmanın arkasındaki gizemli etkeni modülün ilerisinde ayrıca konuşacağız.

Sabit ama değişen bir sabit

"Sabit" adı biraz yanıltıcı. OpenStax'a göre H₀ belirli bir anda evrenin her yerinde aynıdır, ama zamanla değişir. Galaksiler ancak büyük ölçekte bu yasaya uyar; yakın komşular kendi hareketlerini taşır. Andromeda'nın bize yaklaşması bu yüzden yasayı çiğnemez: bir sürüdeki kuşlar sürüyle birlikte giderken kendi aralarında farklı yönlere de uçabilir.

Bugünkü tartışma

OpenStax'ın aktardığına göre birkaç on yıl önce gökbilimciler H₀'ın 50 mi 100 mü olduğunu tartışıyordu. Bugün fark çok daha küçük, ama kapanmadı. Planck uydusu, evrenin ilk ışığından ve standart kozmolojik modelden yola çıkarak 67,4 ± 0,5 buldu. Riess ve SH0ES ekibi ise yakın galaksilerdeki Sefeid yıldızları ve süpernovalarla doğrudan 73,04 ± 1,04 ölçtü; aradaki farkın ölçüm hatalarıyla açıklanamadığını yazdı.

Freedman ve ekibi 2024'te James Webb Uzay Teleskobu'yla, kırmızı dev yıldızların parlaklığına dayanan başka bir yöntemle 70,39 buldu ve sonucun standart modelle uyumlu olduğunu belirtti. Bu "Hubble gerilimi" gerçek bir yeni fiziğin mi, yoksa henüz bulunamamış bir ölçüm sorununun mu işareti, bu tartışma sürüyor.

Aslında…

Büyük resim

Hubble-Lemaître yasası, kozmolojinin temel taşıdır. Evrenin bir geçmişi olduğunu, dolayısıyla bir yaşı olduğunu bu yasadan öğrendik. Aynı yasa, yalnızca tayfını çekebildiğimiz en sönük galaksilerin uzaklığını bulmamızı da sağlıyor. Ders 13.6'daki uzaklık merdiveninin en üst basamağı bu orantıya dayanır.

Yasanın sabiti bugün de araştırmanın ön cephesinde. H₀'ı iki farklı yoldan ölçüp karşılaştırmak, evrenin başlangıcını anlatan modelimizin bugünkü evreni doğru tahmin edip etmediğini sınamanın en keskin yollarından biri.

Özet

1. Slipher'ın ölçtüğü uzaklaşma hızlarını Lemaître 1927'de genişleyen bir evrene bağladı; Hubble ve Humason 1929–1931'de uzaklık ile hızın orantılı olduğunu gösterdi: v = H₀ × d; bugünkü ölçümler H₀'ı megaparsek başına saniyede 67 ile 73 kilometre arasına yerleştiriyor.
2. Bu orantı her yerde aynı oranda gerilen bir evrenin imzasıdır; esneyen cetveldeki karıncalar gibi her gözlemci aynı yasayı görür. 1 / H₀, yani Hubble zamanı, yaklaşık 14 milyar yıl verir.
3. Evren genişliyor, çünkü genişleyerek başladı ve kütleçekimi durgun bir evrene izin vermiyor; genişleme bugün hızlanıyor. H₀'ın yakın evrenden ve ilk ışıktan ölçülen değerleri arasındaki fark, Hubble gerilimi, hâlâ tartışılıyor.

Görev

Quiz

1. Hubble-Lemaître yasası neyi söyler?
2. Saniyede 3500 kilometreyle uzaklaşan bir galaksi, H₀ 70 km/s/Mpc alındığında ne kadar uzaktadır?
3. Esneyen cetveldeki karıncalar Hubble-Lemaître yasası hakkında neyi gösterir?
4. Einstein kozmolojik sabiti neden denklemlerine ekledi?
5. Hubble gerilimi nedir?

Cevaplar

1. Uzak galaksilerin bizden uzaklaşma hızının uzaklıklarıyla orantılı olduğunu; hız, Hubble sabiti ile uzaklığın çarpımına eşittir.
2. 50 megaparsek, yani yaklaşık 163 milyon ışık yılı; 3500 bölü 70, 50 eder.
3. Her yerde aynı oranda gerilen bir ortamda, kimse yürümeden, her gözlemcinin uzaklıkla orantılı uzaklaşma hızları gördüğünü; yasa bir merkez gerektirmez.
4. Kütleçekimini en büyük ölçeklerde dengeleyip evrenin durgun kalmasını sağlamak için; genişleme keşfedilince bu dengeye gerek kalmadı.
5. H₀'ın evrenin ilk ışığından ve standart modelden hesaplanan değeri, yaklaşık 67,4, ile yakın galaksilerden doğrudan ölçülen değerlerin, 70 ile 73 arasında, uyuşmaması; nedeni tartışılıyor.

Kaynaklar

Sonraki derse köprü

Genişlemeyi geriye sardığımızda galaksiler birbirine yaklaşıyor, evren giderek yoğunlaşıyor ve ısınıyordu. O sıcak dönemin ışığı yok olmadı; genişleyen uzayda gerilip mikrodalgaya dönüştü ve bugün gökyüzünün her yönünden hâlâ geliyor. Kozmik mikrodalga arka plan ışıması nedir, nasıl bulundu ve evrenin bebekliği hakkında bize ne anlatıyor?