Kütle Çekim Dalgaları

Elimizdeki bir taşı bıraktığımızda yere düşer. Bilimin ilk doğduğu andan bu yana bilim insanları taşın neden yere düştüğünü anlamaya çalıştılar. İlk düşünceler taşın doğasının aşağıda olduğu ve dolayısıyla taşın doğasına dönmek istediği yönündeydi. 17. yüzyılda Isaac Newton taşın aşağıya düşmesinin taşın veya yerin doğasından değil yer çekiminden doğduğunu ortaya koydu.

Newton'a göre taş Dünya üzerine, Dünya da taş üzerine bir çekim kuvveti uyguluyordu. Taşın Dünya üzerine uyguladığı kuvvet Dünya'yı çok çok az hareket ettirse de Dünya'nın taş üzerine uyguladığı çekim kuvveti taşı Dünya'ya doğru hareket ettiriyordu. Biz de bunu taşın Dünya'ya düşmesi olarak algılıyorduk. Problem artık çözülmüştü. Yer çekimi taşın neden yere düştüğünü ve Dünya'nın neden Güneş etrafında döndüğünü güzelce anlatabiliyordu.

Ancak daha sonraları gelişen ölçüm teknikleri yer çekimi kanununun açıklayamadığı ufak farklar bulmaya başladı. Özellikle Merkür gezegeninin yörüngesindeki ufak sapmaları Newton'un kanunları ile açıklamak mümkün olamadı. Einstein 1915 yılında geliştirdiği teori ile taşın neden yere doğru düştüğü konusuna yepyeni bir bakış getirdi.

Biz üç boyutlu bir evrende yaşıyoruz. Şu anda bulunduğumuz yeri tanımlamakta üç koordinat kullansak da bir de “şu anda” kelimesiyle bir koordinat daha belirliyoruz, bu da zaman. Yani biz esasında üç değil dört boyutlu bir evrende yaşıyoruz ve bu evren üç uzay koordinatının yanında bir de zaman koordinatından oluşuyor. Öncelikle Einstein bu zaman koordinatının da uzay koordinatlarına eşdeğer olduğunu göstermiştir. Dört boyutta oluşan bu evren için de uzay ve zaman yerine uzayzaman kavramı kullanılmıştır. Yani uzayzaman dediğimizde içinde yaşadığımız dört boyutlu evreni kasdediyoruz.

Einstein yer çekiminin aslında uzayzamanın eğilmesinden ibaret olduğunu göstermiştir. Cisimlerin kütlesi ne kadar fazla olursa uzayzamanı da o kadar fazla eğerler.

Buna göre taş aslında Dünya tarafından çekilmez. Dünya varlığından dolayı etrafındaki uzayzamanı büker ve taş bu bükülen uzayzamanda aşağıya doğru yuvarlanır. Newton'un yer çekimi kanunu bunun basit durumlar için bir açıklamasıdır. Ama özellikle ışığın kütlesi yüksek cisimlerin yakınında eğilmesini bize açıklayamaz çünkü ışık kütlesizdir ve kütleli cisimlerin kütlesiz bir cismi çekmeleri beklenemez. Işığın bu şekilde bükülmesinden dolayı Güneş'in arkasındaki bir yıldızı Güneş'in yanındaymış gibi görebiliriz.

Einstein'ın teorisinin kanıtını türlü olayda görmemiz mümkündür. Bugüne kadar da bu teoriye ters düşen bir olaya rastlanmamıştır. Ancak Einstein teorisinde büyük bir kütle yer değiştirdiğinde bu yer değişikliğinin çevresindeki uzayzamanda yaratacağı etkinin yer çekimi dalgaları ile iletileceğini öne sürmüştür.

Mesela birbiri etrafında hızla dönen iki kara delik çevrelerindeki uzayzamanda bir dalgalanma yaratır. Bu dalgalanma da dalgalar halinde tüm evrene yayılır. Ara deliklere ne kadar yakın olursak bu dalgaları da o derece şiddetli hissederiz, ama uzaklaştıkça bu dalgaların evrende yarattıkları etki gittikçe azalır.

Einstein bu dalgaların varlığını 1916 yılında ortaya koymuştur. Ancak bu dalgaların varlığnı kanıtlamak o günün teknolojisiyle mümkün değildi. Geçen zaman içerisinde gelişen teknoloji ile bu konuda deneyler yapılmaya başlandı.

Bu deneylerden en bilineni LIGO'dur (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory). LIGO aslında bir değil iki dedektörden oluşan bir sistemdir ve bu dedektörlerden biri Livingston, Lousiana, diğeri de Hanford, Washington'da bulunmaktadır. İki dedektör olmasının bir sebebi iki farklı ölçüm yaparak tek bir dedektörün çevresel faktörlerden dolayı yanlış bir şey ölçmesinin önüne geçmek, diğeri de ölçülmesi beklenen dalganın nereden geldiğinin belirlenmesidir. Benzer dedektörlerden biri İtalya'da, biri Japonya'da, biri de Hindistan'da yapılmaktadır.

ABD'deki yapımı tamamlanmış olan iki dedektör, test aşamasında, 14 Eylül'de bir sinyal yakalamışlardır. Bu sinyal aslında basitçe şöyle gösterilebilir:

Burada beklenen tam ortada düz bir çizgidir. Düz çizgiden olan sapmalar ise keşfedilen kütle çekimi dalgaları anlamına gelmektedir. Yani sakin bir denizde dalga yüksekliğini ölçecek olsak sıfır çıkacaktır. Ama suya bir taş attığımızda yukarıdakine benzer bir dalga ölçümüyle karşılaşırız.

Ancak burada gözlemlenen bunun da ötesinde bir şeydir. Dalganın yüksekliği ve frekansı gittikçe artmakta ve sonunda da yok olmaktadır. Einstein'ın teorisine göre Güneş'in 30 katı kütleye sahip iki kara deliği birbiri etrafında döndürecek olursak bu iki kara delik gittikçe hızlanarak birbirlerine yaklaşacak ve sonunda birleşerek daha büyük bir kara delik oluşturacaktır. Yukarıda verilen veri de aynen bunu göstermektedir.

Bugün yapılan açıklama neden önemlidir?

1. Einstein'ın teorisinin doğruluğu iki kara deliğin birbirlerine yaklaşarak birleşmelerinin doğru olarak tahmin edilmesiyle bir kez daha gösterilmiştir.

2. Einstein'ın tahmin ettiği ama daha önce gözlenmesi mümkün olmayan kütle çekim dalgaları ilk defa gözlemlenmiştir.

3. Orta büyüklükte kütleye sahip kara deliklerin varlığı bağımsız bir ölçümle kanıtlanmıştır.

4. İki orta büyüklükte kara deliğin birleşerek yeni bir kara delik oluşturmaları ilk defa gözlenmenmiştir.

5. Ama belki de en önemlisi, bugüne kadar astronomi ve astrofizik ışık ve benzeri elektromanyetik dalgalar kullanılarak yapılırken artık yepyeni bir gözlem aracı kazanmıştır. Bu astronomi alanında 1609'da Galileo Galilei'nin teleskobu ilk defa gök cisimlerini gözlemleyecek şekilde geliştirmesinden sonraki en önemli keşiftir.

Daha bugün üniversitedeki dersimde “evren hakkındaki bilgilerimizin %95'ini ışık ve benzeri elektromanyetik dalgalar kullanarak elde ederiz” demiştim. Kütle çekim dalgalarını ölçebilmemiz sonunda artık evren hakkında bilgi elde edebileceğimiz kaynakların sayısı önemli miktarda artmıştır. Bugünkü buluşla ders kitaplarının güncellenmesi gerekecektir.

Amerikalılar gerçekten Ay'a gitti mi?

Amerikalılarla Ruslar arasındaki uzay yarışı konusunda bilmemiz gereken çok önemli noktalar var. Bu yarışın en önemli özelliği tüm dünyanın gözü önünde cereyan ediyor olmasıdır. Soğuk Savaş’ın en kızıştığı zamanlarda Amerika'da Rus casusları, Rusya'da da Amerikan casusları cirit atıyordu. Bu nedenle Amerikalıların Ruslardan gizli bir şey yapabilmeleri çok zordu. Aynı zamanda diğer tüm ülkelerin de gözü Amerikalıların ve Rusların üzerindeydi. Her iki ülke de bunu gayet iyi bildiklerinden başarılı oldukları her şeyi dünyadaki diğer ülkelere duyurmaya çalışıyorlardı. Uzay yarışı sırasında atılan her adım bir reklam çalışması olarak tüm dünyaya naklen yayınlanıyor ve hatta kaynağından duyulması sağlanıyordu. Bunu önce Ruslar yapmıştı. Rusların uzaya ilk gönderdiği Sputnik uydusunun ABD üzerinden geçerken gönderdiği sinyaller sadece Amerika'da değil dünyanın tüm ülkelerinde sıradan radyo alıcıları tarafından dinlenebiliyordu. Yani Sputnik uydusu hangi ülkenin üzerinden geçiyorsa o ülke doğrudan Sputnik’in gönderdiği sinyalleri dinleyebiliyordu. Bu sinyallerin dinlenebilmesi bu iki ideolojinin teknik üstünlüklerini diğer ülkelere ispat edip onları ikna etmelerinin bir aracıydı. Bu nedenle Amerikalılar da aya uzay aracı gönderdiklerinde aynısını yaptılar. Radyo dalgaları uzayda serbestçe yayılırlar. Yani dünyada onları dinleme kapasitesine sahip olan herkes aya giden uzay araçlarının gönderdikleri sinyalleri de dinlemeyi beceriyorlardı.

Ayrıca Aya ilk uzay aracı gönderen Amerikalılar değil Ruslardı. Lunik I uzay aracı aya giderken onu nerede bulabilecekleri ve gönderdiği sinyalleri nasıl dinleyebilecekleri tüm dünyaya duyurulmuştu. Bu nedenle gerek Rusların gerekse Amerikalıların tüm uzay araçları dünyanın her tarafından takip edilebiliyordu.

Ne Amerikalılar ne de Ruslar tek bir seferde Dünya’dan kalkıp Ay’a gittiler Bu projeler bir sürü ara adımdan oluşuyordu. Benzer ara adımlar her iki ülke tarafından da aynı zamanda yürütülmekteydi. Her iki ülke de diğerinin adımlarını dikkatle takip etmek zorundaydı. Rusların başlangıç adımı Sputnik uydusundan sonra Yuri Gagarin’i ilk defa uzaya göndermeyi başarmış olmalarıdır. Amerikalıların başlangıç adımı ise Mercury projesidir. Bu projede tek kişilik bir uzay aracını bir astronot ile beraber Dünya'nın çevresinde döndürerek dünyaya geri döndürmeyi başardılar. İkinci adım ise Gemini projesi idi. Bu projede iki astronot taşıyan bir uzay aracı Dünya'nın yörüngesine gönderildi. Araç yörüngede dönerken astronotlardan bir tanesi uzay aracını terk edip uzayda yürüyüş yapıyor ve geri dönüyordu. Bu adımı da başardıktan sonra Apollo projesi başladı. Apollo projesinde üç astronot aynı uzay aracı ile uzaya fırlatılıyordu. Ama Apollo 1’in fırlatma denemelerinde çok önemli bir kaza oldu ve içindeki üç astronot öldü. Bu kaza Apollo projesi için önemli bir engel oluşturdu çünkü Amerikalı politikacılar böyle bir kazanın tekrarının halkla ilişkiler açısından ne derece büyük bir felaket olduğunun bilincindeydiler. Bu nedenle daha sonraki adımlar çok daha dikkatli atıldı.

Apollo 8 Ay'ın etrafında ilk defa dönerek Dünya'nın fotoğrafını bize ilk gönderen uzay aracı oldu. Bu fotoğrafın iki açıdan büyük önemi var. Öncelikle bu fotoğraf modern çevre hareketini ateşleyen bir görüntü oluşturmuştur. Ama belki daha da önemlisi bu fotoğrafı Dünya'ya gönderebilmek için Dünya'dan bu fotoğrafın çekilebileceği kadar uzaklaşmak gerekiyordu. Bu da Amerikalıların gerçekten aya gitmiş olduklarını kanıtlıyordu Sıra Apollo 11’e geldiğinde artık Amerikalılar ayın yüzeyine inmeye hazırdılar. Amerikalıların Apollo 11’den yaptıkları saatler süren televizyon yayını bugün Amerikalıların aya inmemiş olduklarını iddia eden çoğu kişinin iddialarını dayandırdıkları noktadır. Ancak unutulmaması gereken, tüm bu televizyon sinyalinin Ay’dan bize geldiği ve aynı zamanda Ruslar tarafından da izlenmiş olduğudur. Yani Ruslar televizyon görüntülerini Amerikan kanallarından değil Ay'a doğru tuttukları antenlerinden de elde edebiliyorlardı.

İlginç değil mi sizce? Uzay savaşında yenilmiş olan taraf Amerikalıların Ay’a inmiş olduklarını kabul ediyor ama kazanan taraftaki Amerikalılar konuya şüpheyle yaklaşıyor.

Bu problemi bir diğer tarafına bakacak olursak, diyelim ki Amerikalılar Ay'a gitmediler ve Rusları ve diğer ulusları kandırmak için bunların tamamını bir stüdyoda film olarak çektiler. Canlı yayında gösterilecek ve kesinlikle hatasız ve inandırıcı olması gereken bu filmi çekebilmek için yüzlerce kişinin çalışması gerekir. Siz bugüne kadar hiç “o filmin yapımında çalışmıştım” diyen birini gördünüz mü? Yapımında yüzlerce kişinin çalışmış olduğu bir film hakkında mutlaka birkaç kişi “ben burada çalışmıştım” lafını ağzından kaçırmış olurdu. Hadi diyelim ki duyulmasın diye bunların hepsini öldürdünüz. Ama o zaman da “benim yakınlarım bir filmin yapımında çalışıyordu, sonra da ortadan kayboldu” diyecek pek çok kişi bulunurdu. Dolayısıyla böyle bir filmin yapımı da kolay kolay değil.

Bunun dışında uzayda yaşam ya da uzay çalışmaları hakkında fazla şey bilmeyen insanları basit yorumlarla kandırmaya çalışmak kolaydır. Mesela görüntülerde hep Ay'daki bayrağın titrediği söylenir. Buradan da hava olmayan ortamda bayrağın titreyemeyeceği, bu nedenle de tüm ay projesinin kurgu olduğu çıkarımına varılır. Oysa ayda bir bayrağa diktiğiniz an o bayrak sallanmaya başladı ise bir daha onun sallanmasını durdurmak çok zordur çünkü hava olmadığından sizin bıraktığınız gibi sallanmaya uzun süre devam eder.Bunun gibi uzaydaki yaşamla ilgili olarak fazla bilgisi olmayanların ortaya attığı türlü saçmalık vardır. Bu saçmalıkları tek tek ele alacak olursak hepsini bilimsel ve teknik olarak açıklamak mümkündür. Ama hepsinin ötesinde unutulmaması gereken bir tane önemli gerçek vardır. O da yarışı kaybetmiş olan Rusların Amerikalıların Ay’a ayak basmamış olduklarına dair bir şüpheleri bulunmamaktadır. Yani Ruslar yenilgiyi kabul etmişken kazanan tarafın yani Amerikalıların “biz oraya gitmemiş olabiliriz” demelerinin temelini anlamak gerçekten çok zor.

Mars'a Yolculuğun Neresindeyiz?

Neredeyse her gün ülkelerden birinin yakın bir tarihte Ay'a, Mars'a veya başka bir gezegene insan göndereceğini okuyoruz veya duyuyoruz. Bu haberlerin gerçeklikle ne kadar alakası var?

Öncelikle, Ay'a veya Mars'a insan göndermek mümkün mü? Evet, mümkün. Ama daha önemli soru belki de “peki insanı geri getirmek mümkün mü?” olmalı, çünkü Aya'a giden birini geri getirmemiz mümkün olsa da Mars'a giden birini geri getirebilmemiz bugünkü teknolojimizle mümkün değil. Neden mümkün değil sorusunun cevabı gayet basit.

Herhangi bir nesneyi herhangi bir gezegenin yer çekiminden kurtarıp uzaya fırlatmak çok fazla yakıt gerektiriyor. Gerekli olan yakıtı ya çevreden sağlarsınız, ya da beraberinizde götürürsünüz. Ne Mars'ta ne de Ay'da yakıt olduğundan ve yakıt yapacak bir şey de bulanamayacağı için yakıtı buradan taşımak zorundayız. O zaman da hem astronotları, hem onları hayatta tutacak sistemleri hem de onları indikleri yerden geri fırlatacak sistemleri giderken Dünya'dan fırlatmamız gerekiyor. Bu kadar şeyi fırlatabilmek için de yeterli derecede kuvvetli roketlerimiz yok.

Aslında Ay'a gidip gelebilecek teknolojiye sahip olmamız zor değil, bunun da iki temel sebebi var: Ay yakın ve Ay'ın yer çekimi buradakinin altıda biri, yani oraya inen bir uzay aracını geri fırlatmak çok fazla yakıt gerektirmiyor. Ancak Mars hem uzak hem de yer çekimi Dünya'nın yüzde kırkı, yani geri fırlatmak için çok önemli miktarda yakıt gerekiyor. Bir de tabi o uzun yolculuk için epeyce hava, su ve gıda maddesini de beraberinizde Mars'a götürmek gerekiyor. Bu da Mars'a planlanacak çift yönlü bir seyahati neredeyse imkansız kılıyor.

O zaman sadece tek yönlü bir seyahat ihtimali kalıyor elimizde. O ihtimal de etik nedenlerden dolayı mümkün olmayabilir, çünkü gerekli olmayan bir durumda bile bile bir kişiyi ölüme gönderiyorsunuz. Her ne kadar basında ilgi uyandırsa da bu projeyi onaylayacak olan kuruluşların kanuni olarak kolay kabul edebilecekleri bir sonuç değil bu. Dolayısıyla ya o kişiyi götürüp getirirsiniz, ya da hiç göndermezsiniz.

Şimdiye kadarki düşüncemiz Mars'ı unutmak yönündeydi, hala da aynı düşünce egemen. Ancak başımızda küçük bir problem var: Dünya kaynak açısından her geçen gün sınırlarına dayanmaya başlıyor. Yani eskiden temiz su veya sıradan madenleri bulmak fazla bir maddi kaynak gerektirmiyordu, ama her geçen gün bu kaynaklar daha da hızlı tükendiğinden sıradan madenleri bulup çıkartmak gittikçe pahalı olmaya başladı. Bu noktada devletler değil ama özel şirketler gözlerini uzaya çevirmeye başladılar.

Bugün için 1969'da Ay'a insan gönderip geri getirmeyi başarmış olan ABD'nin bir insanı uzaya gönderme kapasitesi bulunmamaktadır. Sadece bilimsel amaçlarla veya teknolojik üstünlüğü kanıtlamak için yapılan bu seyahatleri bugün yapmak için gerekli maddi kaynak yoktur, bu nedenle de ABD uzaya insan gönderme teknolojisinden mahrumdur. Amerikalılar uzaya astronot göndermek istediklerinde Ruslar'a belirli bir ücret ödeyerek onların uzay araçlarını kullanmaktadırlar. Ruslar da özellikle son senelerde petrol ve doğal gaz fiyatlarındaki düşüşten fazlasıyla etkilendiklerinden bu konuya yaptıkları yatırımı önemli oranda azaltmışlardır. Geriye her geçen gün bu alanda daha da önemli atılımlar yapan Çin kalmaktadır. Çin uzay programını teknolojik gelişmişliğini herkese kanıtlamak için bir araç olarak gördüğünden bu alana önemli yatırım yapmakta ve hızla ilerlemektedir. Çinliler'in uzay programı da büyük bir gizlilik altında yürütüldüğünden, bir gün gelip de Çinli bir astronotun Ay'a gittiği duyulacak olursa şaşırmamak gerekir.

Yani bugün için durumumuz maddi zorluklar nedeniyle uzaya insan göndermeyi bırakmış olan ABD, gittikçe artan sıkıntılardan dolayı bu konuda çalışmayı bırakmak üzere olan Rusya ve kendini geliştirmeye çalışan Çin arasında sıkışmış durumdadır. Bu nedenle de basında okuduğunuz uzaya seyahat haberlerine fazla inanmamak gerekir.

Bu durumda elimizde sadece özel şirketler kalıyor. Özellikle ABD kendisi bu konuda teknoloji üretmek yerine uzaya gitmek için özel şirketlerin geliştirdikleri uzay araçlarından yararlanmanın planlarını yapıyor. Devlet bir uzay aracı yaptığında bunun maliyetine fazlasıyla önem vermese de özel şirketler maliyet konusunda çok hassas davranmak zorundalar. Bunun sonucu olarak da gelinen noktada maliyetleri azaltmak adına getirilen en önemli yenilik aynı uzay araçlarını tekrar tekrar kullanmaya dayanıyor. Bunu yapabilmek için de aynı uzay aracını uzaya atıldığı gibi yere indirebilmek gerekiyor.

Elektrikli araba üreten Tesla'nın kurucularından Elon Musk'ın kurduğu Space X şirketi bu konuda çalışan en ciddi şirket. Space X şimdilik ABD için uzay istasyonuna kargo taşıma ve uydu fırlatma işlerini yüklenmiş durumda ve uzaya insan gönderecek bir sistem üzerinde çalışıyor.

Yalnız, “uzaya insan göndermek” denildiği zaman dikkatli konuşmak gerekiyor çünkü epey sayıda şirket “uzaya insan göndermek” sloganıyla yola çıkmış durumda. Uzaya üç değişik şekilde insan gönderebilirsiniz:

İnsanları roketle Dünya'nın yuvarlaklığını tepeden görecek kadar yükseğe fırlatıp geri indirirsiniz (Virgin Galactic bunu yapmayı hedefliyor). Burada çıkılan yükseklik sadece birkaç yüz kilometre. Bu yükseklikte daha atmosferin dışına çıktığımız bile söylenemez.

İnsanları roketle Dünya'nın yörüngesine girecek kadar yükseğe çıkartıp ya Dünya'nın etrafından tur attırırsınız ya da Dünya'nın etrafında dönmekte olan Uluslararası Uzay İstasyonu'na taşırsınız (bunu düzenli olarak Ruslar yapıyor, birkaç kere Çinliler yapmayı başardı, şimdi de Space X yapmaya çalışıyor). Burada çıkılan yükseklik sadece yerden 400 km kadar, ama atmosferin hemen dışına çıktığınız söylenebilir.

İnsanları gerçekten roketle Dünya'nın çekim alanından çıkartırsınız (bunu yapabilen yok, yapmaya çalışan da yok).

Bu alandaki en önemli gelişmeler geçtiğimiz haftalarda yaşandı. Space X üst üste değişik denemeleri (neredeyse) başarıyla tamamladı. Space X 21 Aralık 2015'te ilk defa uzaya gönderdiği bir roketi tekrar dik olarak Dünya'ya indirmeyi başardı.

Ama belki daha da önemlisi, hemen aynı roketi tekrar uçuş için hazırlayıp 17 Ocak 2016'da tekrar uzaya gönderdi ve böylelikle roketlerinin tekrar kullanılabilirliğini kanıtlamış oldu. NASA'nın deniz seviyesindeki değişiklikleri ölçen uydusunu uzaya yerleştirdikten sonra Dünya'ya dönen Falcon 9 model roketi bu sefer de kara yerine denizdeki bir geminin üzerine indirmeyi denediler. Roket güzelce geminin üzerine indi, ancak dengesini sağlayamayarak devrildi. Denize indirmeyi denemelerindeki esas amaç tehlikeli bir manevra olan geri inişi insanların yaşayabileceği karalardan uzak bir yerde gerçekleştirmek idi ve bunda neredeyse başarılı oldular.

Eğer Space X sürdürülebilir bir biçimde roketleri uzaya gönderip, geri indirip tekrar göndermeyi başarabilecek olursa, uzay çalışmalarında yeni bir döneme girilmiş olacak. Ama daha bu roketlerin içinde insanları yerden 400 km yukarıya göndermeye çok var ve unutmayın Ay bizden 400 bin km uzakta, Mars ise en yakın olduğu zamanda 60 milyon km.