Evrenin bebeklik fotoğrafı

Kanca

Eski tüplü televizyonlarda, yayın olmayan bir kanala geçince ekranı hışırtılı bir kar kaplardı. O karın neredeyse tamamı dünyevi gürültüydü: cihazın kendi elektroniği, yakındaki makineler, atmosfer. Ama ESA'ya göre içinde küçük bir pay, hiç beklemeyeceğin bir yerden geliyordu. NASA'nın bir anlatımına göre bu pay yaklaşık yüzde iki.

O birkaç kar tanesi, evrenin en eski ışığıydı. Galaksilerden, yıldızlardan, gezegenlerden önce yola çıkmış ve 13 milyar yılı aşkın bir süre yolculuk ettikten sonra oturma odandaki anteni titreten bir ışık. Buna kozmik mikrodalga arka plan ışıması (cosmic microwave background, kısaca CMB) diyoruz.

Merkezi soru

Kozmik mikrodalga arka plan ışıması tam olarak nedir, evrenin hangi anından kalmıştır, nasıl bulundu ve bu soluk ışık bize evrenin bebekliği hakkında ne anlatıyor?

Anlatım

Işığın yol alamadığı çağ

Evrenin ilk birkaç yüz bin yılı, bir yıldızın içine benziyordu. OpenStax'a göre madde sıcak ve saydam değildi; elektronlar çekirdeklere bağlanamayacak kadar enerjikti ve serbest dolaşan elektronlar ışığı durmadan saçıyordu. Bir foton birkaç adım gidemeden bir elektrona çarpıp yön değiştiriyordu. Işık vardı ama hiçbir yere ulaşamıyordu.

Büyük Patlama'dan birkaç yüz bin yıl sonra, sıcaklık yaklaşık 3000 kelvine, çekirdeklerin yoğunluğu santimetreküp başına yaklaşık 1000'e düştüğünde, elektronlar sonunda çekirdeklere yerleşti ve kararlı hidrojen ve helyum atomları oluştu. Saçacak serbest elektron kalmayınca evren tarihinde ilk kez saydamlaştı. Işık ile madde birbirinden ayrıldı; bu ana ayrışma (decoupling) denir. O andan beri yola çıkan ışık, bugün hâlâ yolda.

OpenStax bunu bulutlara benzetir. Bulutun içindeki su damlacıkları ışığı çok iyi saçar; açık hava ise uzağa taşır. Yukarı baktığında bulut katmanını görürsün, ötesini göremezsin. Kozmik arka plan da böyle bir katmandır: uzağa, yani geçmişe baktığımızda ışığın son kez saçıldığı bu yüzeye çarparız. Ondan öncesini ışıkla göremeyiz.

Çözümlü problem: Fotoğraf ne zaman çekildi?

OpenStax'a göre ışıma evren yaklaşık 380.000 yaşındayken salındı; evrenin bugünkü yaşı yaklaşık 13,8 milyar yıl. Oran: 380.000 / 13.800.000.000 ≈ 2,75 × 10⁻⁵. Sesli okunuşu: üç yüz seksen bin bölü on üç milyar sekiz yüz milyon, yaklaşık iki virgül yetmiş beş çarpı on üzeri eksi beş.

Bunu bir insan ömrüne uygulayalım. 80 yaşında birinin hayatı yaklaşık 700.000 saattir. 700.000 × 2,75 × 10⁻⁵ ≈ 19 saat. Yani kozmik arka plan, 80 yaşındaki birinin doğduktan yaklaşık 19 saat sonra çekilmiş bir fotoğrafına denk düşer. Bebeklik fotoğrafı benzetmesi abartı değil; hatta cömert.

Unutulan bir öngörü

Fikir, ışımanın bulunmasından yaklaşık on beş yıl önce ortaya atılmıştı. OpenStax'a göre 1940'ların sonunda Ralph Alpher ve Robert Herman, George Gamow ile çalışırken bir hesap yaptı: evren saydamlaşmadan hemen önce yaklaşık 3000 kelvinlik bir kara cisim gibi ışıyor olmalıydı. O ışıma, kırmızımsı bir yıldızın ışığına benzerdi; bütün evreni dolduran dev bir ateş topu gibi.

Ama o günden bu yana evrenin ölçeği bin kattan fazla büyüdü; dalga boyları da aynı oranda gerildi. Alpher ve Herman ışımanın bugün radyo dalga boylarında, mutlak sıfırın yalnızca birkaç derece üstünde bir sıcaklıkta olması gerektiğini öngördü. Ateş topu her yerdeydi; dolayısıyla kalıntısı da her yönden gelmeliydi. Ne var ki o yıllarda bu kadar soluk bir ışımayı ölçecek aygıt yoktu ve öngörü zamanla unutuldu.

Güvercinler ve inatçı bir hışırtı

1960'ların ortasında, New Jersey'deki Bell Laboratuvarları'nda Arno Penzias (okunuşu "arno penziyas") ve Robert Wilson, gökyüzündeki radyo kaynaklarını ölçmek için boru biçimli hassas bir mikrodalga anteni kurmuştu. Karşılarına beklenmedik bir arka plan gürültüsü çıktı. Tuhaf olan, gürültünün her yönden aynı anda gelmesiydi; oysa gökyüzündeki ışımanın neredeyse her zaman belirli bir yönü vardır.

İkili, her yönden gelen bir sinyalin antenin kendisinden kaynaklandığını düşünüp düzeneği söktü. Antenin içine tünemiş güvercinlerin bıraktığı, Penzias'ın nazik deyişiyle "beyaz, yapışkan bir yalıtkan madde" tabakasını bile temizlediler. Gürültü gitmedi. Sonunda gerçek olduğunu ve uzaydan geldiğini kabul ettiler.

Kısa bir araba yolculuğu ötedeki Princeton'da bir grup, tam da Alpher ile Herman'ın hesabını yeniden yapıyordu. Hesaplar 40 kelvinden düşük bir sıcaklık bekliyordu; Penzias ve Wilson yaklaşık 3,5 kelvin ölçmüştü. İkili 1978'de Nobel Fizik Ödülü'nü aldı. Lemaître de 1966'daki ölümünden kısa süre önce, sönmüş havai fişek gösterisinin kalıntısının bulunduğunu öğrendi.

Kusursuz bir kara cisim

Penzias ve Wilson atmosferin içinden ölçüyordu; atmosfer kendisi de mikrodalga yayabilir. Bu yüzden asıl ölçüm uzaydan yapıldı. NASA'nın COBE uydusu Kasım 1989'da fırlatıldı ve kısa sürede ışımanın 2,73 kelvinlik bir kara cismin tayfına kusursuz uyduğunu gösterdi. OpenStax'a göre bu grafik bir gökbilim toplantısında ilk kez gösterildiğinde salon ayağa kalkıp alkışladı.

Kara cismin tepe dalga boyu, Ders 15.2'de gördüğümüz Wien yasasıyla sıcaklığa bağlıdır. 3000 kelvinde tepe, 3 × 10⁶ / 3000 = 1000 nanometrede, görünür ışığın hemen ötesinde kızılötesindeydi. Sesli okunuşu: üç milyon bölü üç bin, bin nanometre. Bugün 2,73 kelvinde tepe yaklaşık bir milimetreye kaymış durumda. Işık aynı ışık; yalnızca uzayla birlikte gerildi.

Yüz binde birlik dalgalanmalar

Işıma her yönden neredeyse aynı sıcaklıkta gelir. Ama tamamen aynı olsaydı, bir sorun olurdu: o anki madde de kusursuz biçimde düzgün dağılmış olmalıydı, ve kusursuz düzgün bir maddeden galaksi, yıldız, gezegen çıkmaz. Bir yerlerde biraz daha yoğun bölgeler olmalıydı ki kütleçekimi onları büyütebilsin.

OpenStax'a göre yoğun bölgeler bize biraz daha soğuk görünür, çünkü oradan kaçan fotonlar çevredeki gazın kütleçekimine karşı biraz enerji harcar. COBE bu dalgalanmaları gerçekten buldu: yaklaşık yüz binde birlik sıcaklık farkları. COBE'nin görüşü bulanıktı; ayrıntıyı 2003'te sonuçlarını yayımlayan WMAP ve 2015'te daha keskin haritalar veren Planck uyduları çıkardı.

Çözümlü problem: Ne kadar küçük?

Yüz binde bir, 2,73 kelvinin ne kadarı eder? 2,73 × 10⁻⁵ ≈ 2,7 × 10⁻⁵ kelvin, yani yaklaşık 27 mikrokelvin. Sesli okunuşu: iki virgül yetmiş üç kere on üzeri eksi beş, yaklaşık yirmi yedi milyonda bir kelvin.

Ölçeğe çevirelim: yüz metre uzunluğunda bir masanın yüzeyinde yüz binde birlik bir kabarıklık, 100 × 10⁻⁵ = 0,001 metre, yani bir milimetre yüksekliğinde olurdu. Evrendeki bütün galaksi kümeleri, bu ölçekte bir milimetrelik pürüzlerden büyüdü. NASA'nın anlatımında da ölçülen farklar derecenin on binde birinden küçüktür.

Haritada bir ayrıntı daha var. WMAP ekibine göre ölçeği daraltınca gökyüzü bir yanda biraz sıcak, öbür yanda biraz soğuk görünen bir yin-yang deseni gösterir. Bu desen evrenin kendisinden değil, Güneş'in bu ışımaya göre hareketinden gelir; hareket yönündeki ışık hafifçe maviye, arkadaki kırmızıya kayar. Desen çıkarıldıktan sonra asıl tohumlar görünür.

Aslında…

Büyük resim

Kozmik arka plan, Büyük Patlama kuramının en güçlü kanıtlarından biridir. Evrenin sıcak ve düzgün bir hâlden evrildiğini doğrudan gösterir. Bugün daha soğuk olan bir evrenin geçmişte daha sıcak olduğunun da tanığıdır.

Haritadaki yüz binde birlik lekeler ise bugünkü bütün yapıların tohumlarıdır: daha yoğun bölgeler zamanla daha çok madde çekti, galaksilere ve kümelere dönüştü. Lekelerin boyutları evrenin geometrisini ve içeriğini de ölçmemizi sağlar; ilerideki derslerde bu haritaya birkaç kez döneceğiz.

Özet

1. Evren yaklaşık 380.000 yaşında, sıcaklığı 3000 kelvine düşünce atomlar oluştu, serbest elektronlar tükendi ve evren saydamlaştı; o anda salınan ışık, genişlemeyle gerilerek bugün 2,73 kelvinlik bir mikrodalga ışımaya dönüştü.
2. Alpher ve Herman ışımayı 1940'ların sonunda öngördü; Penzias ve Wilson 1960'ların ortasında her yönden gelen inatçı bir gürültü olarak rastlantıyla buldu; COBE 1989'dan sonra onun kusursuz bir kara cisim olduğunu gösterdi.
3. Işımadaki yaklaşık yüz binde birlik, yani 27 mikrokelvin mertebesindeki sıcaklık farkları, galaksilerin ve kümelerin tohumu olan yoğunluk farklarının izidir; WMAP ve Planck bunları ayrıntılı haritaladı.

Görev

Quiz

1. Evren neden ilk birkaç yüz bin yıl boyunca ışığa kapalıydı?
2. Kozmik arka plan ışıması evren kaç yaşındayken salındı ve o zamanki sıcaklığı neydi?
3. Penzias ve Wilson gürültünün antenden kaynaklandığını neden düşündüler ve ne yaptılar?
4. Işımadaki sıcaklık farkları neden önemlidir?
5. Işımanın tepe dalga boyu salındığı andan bu yana nasıl değişti?

Cevaplar

1. Çünkü elektronlar çekirdeklere bağlanamayacak kadar sıcaktı ve serbest elektronlar ışığı sürekli saçıyordu; ışık uzağa gidemiyordu.
2. Yaklaşık 380.000 yaşındayken, yaklaşık 3000 kelvinde; bugün sıcaklığı 2,73 kelvin.
3. Çünkü gürültü her yönden aynı anda geliyordu, bu da gökyüzü kaynakları için olağan dışıydı; anteni söküp güvercin pisliğine kadar her şeyi temizlediler ama gürültü sürdü.
4. Çünkü yaklaşık yüz binde birlik bu farklar, o dönemdeki yoğunluk farklarını gösterir ve bugünkü galaksilerle kümeler bu tohumlardan büyümüştür.
5. Evrenin ölçeği bin kattan fazla büyüdüğü için dalga boyu da aynı oranda uzadı: yaklaşık 1000 nanometrelik kızılötesinden yaklaşık bir milimetrelik mikrodalgaya.

Kaynaklar

Sonraki derse köprü

Kozmik arka plan bize tuhaf bir bilmece bırakıyor: gökyüzünün birbirine hiç ışık gönderememiş olması gereken iki ucu, nasıl olup da neredeyse tıpatıp aynı sıcaklıkta? Gökbilimcilerin cevabı, ilk saniyenin çok küçük bir kesrinde evrenin akıl almaz bir hızla şiştiği fikri: enflasyon. Bu kısa şişme neyi açıklıyor, lehine hangi kanıtlar var ve neden hâlâ tartışılıyor?