İlk saniyenin çok küçük bir kesrinde ne oldu?

Kanca

17 Mart 2014. Güney Kutbu'ndaki BICEP2 teleskobunun ekibi, kozmik arka plan ışımasının kutuplanmasında aradıkları izi bulduklarını duyuruyor. Beş sigmayı aşan bir güvenle ölçülen bu desen, evrenin ilk anında uzay-zamanı sarsan kütleçekim dalgalarının izi olabilir. Haber dünyayı dolaşıyor.

On bir ay sonra aynı ekip, Planck uydusunun ekibiyle birlikte ortak bir analiz yayımlıyor: sinyalin büyük kısmı Samanyolu'ndaki tozdan geliyor; ilk anın dalgaları için istatistiksel olarak anlamlı bir kanıt yok. Aranan iz bulunamadı. Ama arandığı fikir, evrenin göz açıp kapayıncaya kadar çok kısa bir sürede devasa büyüdüğü fikri, bugün kozmolojinin en çok kabul gören ama henüz doğrudan kanıtlanmamış iddialarından biri olarak duruyor.

Merkezi soru

Evrenin ilk saniyesinin küçücük bir kesrinde ani ve devasa bir şişme, yani enflasyon, yaşandığı fikri hangi bilmeceleri çözmek için ortaya atıldı, onu destekleyen ölçümler neler ve bilim insanlarını bugün bile neden ikiye bölüyor?

Anlatım

İki bilmece

OpenStax'a göre sıcak Büyük Patlama modeli genişlemeyi, kozmik arka plan ışımasını ve hafif elementlerin miktarını başarıyla açıklar. Ama iki şeyi açıklamaz. Birincisi düzgünlük. Arka plan ışıması hangi yöne bakarsak bakalım aynı sıcaklıktadır, yüz binde bir hassasiyetle. Bir bardak ılık suya buz atıp beklersen, ikisi zamanla aynı sıcaklığa gelir; ama bunun için birbirine dokunmaları gerekir.

Standart modelde gökyüzünün iki karşı ucu hiçbir zaman birbirine dokunmadı. Hiçbir bilgi ışıktan hızlı gidemez; bir noktadan evrenin başından bu yana ışığın gidebildiği en uzak mesafeye o noktanın ufuk uzaklığı (horizon distance) denir. Işıma salındığında gökyüzünün iki karşı ucu birbirinin ufkunun çok ötesindeydi. Onları görüyoruz, ama onlar birbirini hiç göremedi. O hâlde nasıl aynı sıcaklıktalar? OpenStax bunu, dünyanın iki ucundaki iki okulun öğrencilerinin hiç karşılaşmadan tıpatıp aynı giyinmesine benzetir.

İkinci bilmece düzlük. Evrenin yoğunluğu, kritik yoğunluk denen değere şaşırtıcı biçimde yakın. Biraz daha az madde olsaydı genişleme galaksiler oluşamayacak kadar hızlı olurdu; biraz fazlası olsaydı evren çoktan çökmeye başlardı. Evren neden tam bu bıçak sırtında duruyor? Standart modelin tek cevabı "öyle başladı" demekti. Bilim insanları, gördüklerini açıklamak için özel başlangıç koşullarına sığınmaktan hoşlanmaz.

Enflasyon fikri

Fizikçi Alan Guth (okunuşu "elın gut"), 1981'de Physical Review D dergisinde yayımlanan makalesinde bu iki bilmeceye ortak bir çözüm önerdi. Makalenin başlığı bile amacını söylüyordu: ufuk ve düzlük problemlerine olası bir çözüm. Fikir şu: evren çok erken bir anda, kısa bir süre için akıl almaz bir hızla genişledi.

OpenStax'a göre enflasyonun evren yaklaşık 10⁻³⁵ ile 10⁻³³ saniye yaşındayken, sıcaklık 10²⁷ ile 10²⁸ kelvinken olduğu düşünülüyor. Sesli okunuşu: saniyenin on üzeri eksi otuz beşi ile on üzeri eksi otuz üçü arası. Bu kısa sürede evrenin ölçeği, standart modelin öngördüğünden yaklaşık 10³⁰ kat fazla büyüdü. 10⁻³⁰ saniyeden sonra iki model birbirinin aynısıdır.

Enflasyon bilmeceleri nasıl çözer?

Düzgünlük için: enflasyondan önce, bugün görebildiğimiz evrenin bütün parçaları o kadar küçük ve birbirine o kadar yakındı ki bilgi alışverişi yapabiliyor, aynı sıcaklığa gelebiliyordu. Sonra enflasyon bu bölgeleri birdenbire birbirinin ufkunun ötesine savurdu. Bugün karşı uçlar hiç temas etmemiş gibi görünür; ama bir zamanlar etmişlerdi.

Düzlük için: OpenStax bir balon benzetmesi kullanır. Evren başlangıçta bir miktar eğriliğe sahip olsa bile, bir balonu devasa boyuta şişirmek gibi, enflasyon onu o kadar büyütür ki bizim bulunduğumuz yerden hiçbir eğrilik görünmez. Dünya'nın yüzeyi de öyle büyüktür ki nerede durursan dur düz görünür. Eğriliği olmayan bir evren de tam kritik yoğunlukta olan evrendir.

Çözümlü problem: Ne kadar büyük, ne kadar kısa?

10³⁰ kat büyümeyi kavramak için bir milimetrelik bir kum tanesini ele alalım: 10⁻³ metre çarpı 10³⁰ eşittir 10²⁷ metre. Işık bir yılda yaklaşık 9,46 × 10¹⁵ metre yol aldığından, 10²⁷ bölü 9,46 × 10¹⁵ yaklaşık 1,06 × 10¹¹, yani yaklaşık yüz milyar ışık yılı eder. Sesli okunuşu: on üzeri yirmi yedi metre, bölü dokuz virgül kırk altı kere on üzeri on beş, yaklaşık yüz milyar ışık yılı.

Bu büyüme, kaç kez iki katına çıkmaya denk gelir? 2'nin kaçıncı kuvveti 10³⁰ eder diye sorarız: log₂(10³⁰) = 30 × log₂(10) ≈ 30 × 3,32 ≈ 100. Sesli okunuşu: iki tabanında on üzeri otuzun logaritması, otuz çarpı üç virgül otuz iki, yaklaşık yüz. Yani evren, kabaca yüz kez art arda iki katına çıktı.

Peki ne kadar sürede? Enflasyonun penceresi saniyenin yaklaşık 10⁻³³'ü kadar. Bir saniye, evrenin 13,8 milyar yıllık yaşının, yani yaklaşık 4,35 × 10¹⁷ saniyenin, 2,3 × 10⁻¹⁸'i kadardır. Enflasyonun süresi ise bir saniyeden bu orandan da 10¹⁵ kat daha küçüktür. Göz açıp kapayıncaya kadar demek bile büyük bir abartı.

Kanıtlar nerede?

OpenStax açıkça söyler: o anın koşulları o kadar uçtu ki laboratuvarlarda yeniden üretilemez, ve enflasyon dönemine ait doğrudan bir kanıtımız yok. Ama enflasyon, bugün ölçülebilen izler bırakmış olmalı.

Birinci iz düzlük. Planck ekibi 2018'de, galaksilerin dağılımındaki bir desenle birleştirerek, uzayın düzlüğünü yüzde 0,4 hassasiyetle doğruladı. İkinci iz tohumlar. Enflasyon sırasında kuantum ölçeğindeki küçük dalgalanmalar devasa boyutlara şişirilmiş ve kozmik arka plandaki yüz binde birlik lekelere dönüşmüş olmalı. Planck bu lekelerin büyüklüğe göre dağılımını ölçtü ve sonucun, tek alanlı en basit enflasyon modellerinin beklentisiyle uyumlu olduğunu yazdı.

Üçüncü iz henüz bulunamayan iz: ilk anın kütleçekim dalgalarının kozmik arka plan ışımasının kutuplanmasında bırakacağı özel bir desen. BICEP2'nin 2014'te bulduğunu sandığı buydu. Toz hesaba katılınca sinyal eridi. 2021'de BICEP ve Keck gözlemleri, Planck ve WMAP verileriyle birleşerek bu dalgaların gücüne o güne dek en sıkı üst sınırı koydu. Sinyal hâlâ aranıyor; bulunursa enflasyonun en doğrudan kanıtı olacak.

Aslında…

Büyük resim

Enflasyon, kozmolojinin gücünü ve sınırını aynı anda gösteren bir fikir. Gücü: tek bir varsayımla iki bilmeceyi birden çözüyor, üstüne galaksilerin tohumlarının nereden geldiğini açıklıyor. Sınırı: dayandığı koşullar hiçbir laboratuvarda üretilemiyor, bu yüzden sınaması dolaylı.

Bu da bilimin nasıl ilerlediğini gösteriyor. BICEP2'nin 2014'teki duyurusu geri çekildiğinde enflasyon çökmedi; ölçüm daha titizleşti. Bir iddia ancak yanlışlanma riskine açık olduğu ölçüde güçlüdür; bu yüzden kutuplanmadaki aranan desen bugün kozmolojinin en önemli hedeflerinden biri.

Özet

1. Standart Büyük Patlama modeli iki şeyi açıklamaz: hiç temas etmemiş bölgelerin kozmik arka planda aynı sıcaklıkta olmasını (ufuk problemi) ve evrenin kritik yoğunluğa şaşırtıcı yakınlığını (düzlük problemi).
2. Guth'un 1981'de önerdiği enflasyona göre evren yaklaşık 10⁻³⁵ ile 10⁻³³ saniye arasında ölçeğini yaklaşık 10³⁰ kat, yani kabaca yüz kez iki katına çıkararak büyüttü; bu, temas etmiş bölgeleri ufkun ötesine savurur ve eğriliği düzleştirir.
3. Düzlük ve tohum lekelerinin dağılımı enflasyonla uyumlu, ama doğrudan kanıt sayılan ilk anın kütleçekim dalgaları henüz bulunamadı; BICEP2'nin 2014 iddiası tozdan çıktı ve eleştirmenler kuramın tahmin gücünü sorguluyor.

Görev

Quiz

1. Ufuk problemi nedir?
2. Enflasyon düzlük problemini nasıl çözer?
3. OpenStax'a göre enflasyon evren kaç saniye yaşındayken ve ne kadar büyütme sağlamış olmalı?
4. BICEP2'nin 2014'teki iddiasına ne oldu?
5. Enflasyonun eleştirmenleri kurama hangi itirazı yöneltiyor?

Cevaplar

1. Kozmik arka planda gökyüzünün karşı uçlarının, ışık hiçbir zaman aralarında gidip gelemediği hâlde yüz binde bir hassasiyetle aynı sıcaklıkta olması.
2. Evreni o kadar büyütür ki başlangıçta eğrilik olsa bile görebildiğimiz bölgede fark edilemez hâle gelir; balon devleştikçe yüzeyi düz görünür.
3. Yaklaşık 10⁻³⁵ ile 10⁻³³ saniye arasında; ölçeği standart modelin öngördüğünden yaklaşık 10³⁰ kat fazla büyütmüş olmalı.
4. Planck ile yapılan ortak analiz sinyalin büyük kısmının Samanyolu'ndaki tozdan geldiğini gösterdi; ilk anın kütleçekim dalgalarına dair anlamlı kanıt kalmadı.
5. Veriyle uyumlu modellerin başlangıç koşulları sorununu ağırlaştırdığını ve çoklu evren sonuçları yüzünden kuramın tahmin gücünü yitirdiğini.

Kaynaklar

Sonraki derse köprü

Enflasyon bittikten sonra evren sıcak bir parçacık çorbasıydı; ilk birkaç dakikada bu çorbadan hidrojen, helyum ve biraz lityum çekirdekleri pişti. Yüz milyonlarca yıl sonra ise ilk yıldızlar yandı. Evren ilk atomlarını nasıl yaptı, ve karanlık çağları sona erdiren ilk yıldızlar nasıl doğdu?