Çarpışan Evren İzi Süper Boşluklar Var mı? - Kozan Demircan
Kozan Demircan | 27/07/2020 | Bilim-Teknoloji | Yorum yapılmamış
Gökyüzüne bakınca Irmak Takımyıldızı yönünde görülen ve Soğuk Leke olarak da adlandırılan Eridanus Süper Boşluğu çarpışan evrenlerin uzaydaki izi olabilir mi? Ana akım kozmoloji dışında kalan bir grup Amerikalı fizikçi, kuantum fiziğinin çoklu dünyalar yorumu uyarınca, Soğuk Lekenin büyük patlama anında birbirine dolanık olan iki evrenden geriye kalan kozmik yara olduğu düşünüyor. Buna göre evrenimizin dolanık eşi olan evren uzayın ışıktan hızlı şişmesi sırasında bizden koptu ama izi kaldı. Diğer fizikçiler ise Soğuk Lekenin büyük patlama sırasında evrenimizle çarpışan başka bir evrenin izi olduğu kanısında. Peki çarpışan evrenlerin izi olabilecek süper boşluklar nedir ve nasıl oluştu?
Süper boşlukların kökeni
Büyük patlamadan kalan ışığın kalıntısı olup evreni 1 aylıkken gösteren Planck ışığına kozmik mikrodalga artalan ışıması (CMB) dediğimizi biliyorsunuz. Yapay renklendirmeli CMB haritasına bakınca uzayda galaksilerin çevreye göre az sayıda olduğu bölgelerde madde yoğunluğunun az ve sıcaklığın düşük olduğunu görürsünüz. CMB haritası bu detayları gösteren beneklerle doludur ve kırmızı-sarı benekler yüksek sıcaklıkları, yeşil-mavi benekler de soğuk bölgeleri gösterir.
Bilim insanları da CMB’yi incelediklerinde uzaydaki galaksi sayısının civar bölgelerden çok daha az olduğu süper boşluklar görüyorlar. Bunlar tümüyle boş değil, sadece içinde çok az sayıda galaksi bulunuyor. İçlerinden biri de 500 milyon ışık yılı genişliğinde olan Eridanus Süper Boşluğu, diğer adıyla Soğuk Lekedir. Peki Soğuk Leke çarpışan evrenlerin izi olabilir mi?
Öncelikle 4 temel fizik kuvveti nedir ve hiçliğin fiziği yazılarında bilim insanların tüm evreni tek denklemle açıklamak için her şeyin teorisini geliştirmeye çalıştığını anlattım. Bunlar sicim teorisi ve kuantum çoklu dünyalar yorumu gibi modellerdir. Bugüne dek geliştirilen her şeyin teorisi adaylarının ortak yanı ise kainatta birden fazla evren olduğunu öngörmesidir.
Başka evrenlerin yaşadığımız evrenin göklerinde izler bırakmış olması ise bu teorilerin doğru olup olmadığını test etmek için önemlidir. Biz de Karanlık Akışın devamı olan bu yazıda evrenimizle çarpışan başka evrenler olup olmadığını araştıracağız.
Süper boşluklar ve dolanık evrenler
Kainatta birbirini etkileyen evrenlerle ilgili iki senaryo var: 1) Kuantum dolanıklığa giren fetüs evrenler ve 2) Çarpışan evrenler… Evrenimiz soğuk büyük patlama ile oluştuğunda sadece 10-28 cm çapında bir kürecik olup protondan çok küçüktü! Bu yüzden mikroskobik dünyayı tanımlayan kuantum yasalarına tabiydi. Soğuk Lekenin başka bir evrenin bebek evrenimizle dolanıklığa girmesiyle oluştuğunu söyleyen birinci senaryonun kökeni budur.
İkinci senaryo da soğuk büyük patlama sırasında evrenimizle çarpışarak izini bırakan bir evrenle ilgili Ancak şuna dikkat etmeliyiz: Soğuk büyük patlamanın akabinde evren çok kısa bir süre için ışıktan hızlı genişledi ve adeta şişti. Buna enflasyon evresi ve bunu gösteren teoriye de kozmik enflasyon diyoruz. Kozmik enflasyona yol açan soğuk büyük patlama ise evremizin öncülü olan kainatın 10-28 cm’den bile küçük ve aşırı sıcak olduğu bir anda gerçekleşti.
İşte bu sırada uzayda Heisenberg’in belirsizlik ilkesinden kaynaklanan ve rastgele sıcaklık-yoğunluk farklarına neden olan kuantum salınımları vardı (kaynar suyun köpürmesi gibi düşünün). Kuantum salınımları evrenimizin boyunu 10-28 cm’den greyfurt boyuna çıkaran enflasyon evresinde genişledi. Enflasyon durduktan sonra açığa çıkan enerji de bildiğimiz ve yaşadığımız gözlemlenebilir evreni oluşturan sıcak büyük patlamayı tetikledi.
O zamandan beri evren ışıktan yavaş olarak sürekli genişliyor. Öyle ki 13,78 milyar yılda çapı 92 milyar ışık yılına ulaştı. Evreni 1 aylıkken ve çapı 970 ışık yılı iken gösteren Planck ışığında (CMB) görülen küçük benekler de aradan geçen zamanda yüz binlerce galaksiden oluşan süper galaksi kümelerine veya yüz binlerce galaksi barındırabilecek olan süper boşluklara dönüştü.
Süper boşluklar ve soğuk leke
Soğuk Leke bugün 500 milyon ışık yılı genişlikte olmasına rağmen büyük patlama sırasında küçücük bir benekti. Toparlayacak olursak diğer evrenler ya kozmik enflasyon ya da sıcak büyük patlama sırasında bizim evrenimizden kopup uzaklaştı. Artık evrenimizi hiçbir evren etkilemiyor; çünkü en yakın evren ışıktan hızlı gitmeden ulaşamayacağımız kadar uzakta olup ışıktan hızlı gitmek imkansızdır. Bazı fizikçilere göre uzaydaki Soğuk Leke de eskiden bizi etkileyen evrenlerden geriye kalan izlerdir.
Süper boşlukları görselleştirmek zor. Temisili olarak bir kara delik resmi koyalım.
Kulağımızı tersten gösterelim
Fizikçi Laura Mersini-Houghton’ın dolanık evrenler ve Spencer Chang, Matthew Kleban ile Thomas S. Levi’nin çarpışan evrenler teorisinin kökeni Ruari Mackenzie’yle arkadaşlarının Soğuk Lekeyle ilgili makalesidir. Buna göre Soğuk Leke denilen Eridanus Süper Boşluğu büyük patlama anında gerçekleşen rastgele kuantum salınımlarından kaynaklanıyor olamaz; çünkü süper boşluk ile civar uzay arasındaki sıcaklık ve yoğunluk farkları sadece kuantum salınımlarıyla açıklanamayacak kadar büyüktür.
Biz de kulağımızı tersten göstererek önce Soğuk Lekenin neden yalnızca kuantum salınımlarıyla açıklanamayacağını görelim. Sonra da çarpışan evrenler gibi alternatif Soğuk Leke köken senaryolarını inceleyelim:
Kozmik mikrodalga artalan ışıması (CMB) evrenin 1 aylıkken çok sıcak olduğu zamanları gösteriyor ama bu ışık uzaya yayıldığında evren 380 bin yaşındaydı ve sıcaklığı yaklaşık 2727 dereceydi. Aradan geçen 13,78 milyar yılda evren genişledi, uzay boşluğu büyüdü ve soğudu. Bugün CMB sıcaklığı -270,15 derecedir. Buna rağmen kuantum salınımlarının izlerini çok küçük sıcaklık farklarını gösteren beneklerde görebilirsiniz. Soğuk leke de CMB üzerinde özellikle iri bir benektir:
Peki hocam kırmızı ve mavi benekler arasındaki sıcaklık farkı ne kadar derseniz gerçekten çok azdır. Her benek binlerce galaksiye karşılık gelse de bu fark sadece 20 mikro kelvin, yani 100 binde birdir! Eridanus Süper Boşluğu olan Soğuk Leke ise civardan tam 150 mikro kelvin soğuktur. İşte bu yüzden 20 mikro kelvine karşı 150 mikro kelvinlik bu farkı salt kuantum salınımlarıyla açıklayamıyoruz.
Soğuk leke ne kadar büyük?
Soğuk leke gökte 10 derecelik bir açı kaplıyor ve lekeyi saran nispeten daha sıcak hale 20 derece büyüklüğünde. 40 dolunayı yan yana dizilmiş gibi düşünün. Soğuk leke işte o kadar büyüktür. Aslında Soğuk Leke normalden güçlü ve istisnai bir kuantum salınımından kaynaklanıyor olabilir ama bilgisayarla yapılan büyük patlama simülasyonlara göre bu olasılık 1/50’dir. McKenzie ve ekibi bu kadar nadir bir kuantum salınımının doğal olamayacağını düşünerek Soğuk Lekeyi yakından araştırdı.
İlgili yazı: Kardashev Ölçeği ve Galaktik İmparatorluklar
Kozmik mikrodalga artalan ışımasında (CMB haritası, Planck ışığı) Eridanus Süper Boşluğu (Soğuk Leke). Büyütmek için tıklayın.
Süper Boşluklar ve ISW etkisi
Soğuk Leke gibi süper boşlukların sıcaklığını ölçmenin en iyi yolu Bütünleşik Sachs-Worlfe etkisini (ISW) kullanmaktır. ISW etkisi evrenin son 5 milyar yılda gittikçe hızlanarak genişlemesinden sorumlu olan karanlık enerjiden kaynaklanır. ISW ile sıcaklığı nasıl ölçeriz derseniz ışığın ve ısı dediğimiz kızılötesi radyasyonun fotonlardan oluştuğunu hatırlayın.
Ne zamanki fotonlar (ışık ışınları) galaksi bakımından yoğun ve yerçekimi nispeten güçlü bir bölgeye girer, yerçekimi uzayı bükerek fotonların yerçekimi kuyusuna doğru dik yamaçtan iner gibi düşmesine yol açar. Işık hızı artmaz ama yerçekimi fotonların enerji kazanarak dalga boyunun kısalması ve frekansının artmasına, yani ışığın maviye kaymasına neden olur. Ancak, ışık galaksi yoğun bölgeyi terk ederken ve 30 milyon ışık yılı mesafe kat ettiğinde karanlık enerjinin uzayın genişlemesini sağlayan etkisi fotonların geride bıraktığı galaksilerin yerçekimini zayıflatır.
Normalde yerçekimi kuyusuna giren foton 1 birim maviye kayıyorsa, aynı fotonun galaksilerden uzaklaşırken yerçekimi arkadan çektiği için yine 1 birim kırmızıya kaymasını beklersiniz. Oysa karanlık enerji yüzünden yerçekimi zayıflar ve örneğin fotonlar sadece yarım birim kırmızıya kayar. ISW etkisi budur. Tabii tersi de olur:
Işık süper boşluğa girerken arkadaki galaksilerin yerçekimi fotonu geri çekmeye çalışır. Bu da fotonun süper boşluğa düşerken yokuş çıkmasına neden olur (bir kraterin içine düşmeden önce dış duvarlarına tırmanmak gibidir). Sonuç olarak Soğuk Lekeye girmekte olan ışık kırmızıya kayar. Boşluktan çıkarken ise önündeki galaksilerin yerçekimi zayıftır. Galaksi sayısı başta seyrek olduğu ve azar azar arttığı için süper boşluktan çıkan ışık büyük bir galaksi kümesine dalar gibi şiddetli bir şekilde maviye kaymaz.
Süper boşluklar için termometre
Demek istiyorum ki süper boşlukların sıcaklığını büyük patlamada kalan CMB üzerinde ölçmek çok zordur. Küçük sıcaklık farklarını ancak ISW etkisi verebilir. Avustralya, Yeni Güney Galler, Outback’teki İngiltere-Avustralya ortak teleskopunu kullanan McKenzie ve arkadaşları, Süper Boşluk yönü ve diğer yönlerde 4,3 milyar ışık yılı uzaktaki 7000 galaksinin ISW’sini (kırmızıya kayma oranı ve hızını) ölçtüler. Böylece CMB üzerinde 3-4 süper boşluk buldular. Peki bu boşluklar ne kadar soğuktu?
Kainat sonsuz sayıda köpük evrenden oluşan çoklu evren mi?
Süper boşluklar galaksilere karşı
Dört süper boşluğa yaklaşan galaksilerin toplam ISW etkisi CMB sıcaklığında sadece 32 mikro kelvin düşüşe neden oluyordu. Bu da Soğuk Lekenin 150 mikro kelvinlik sıcaklık farkının sadece 5’te birini açıklamaya yeterliydi. McKenzie ve ekibi yanılmamak için Güneybalığı Takımyıldızının en parlak yıldızı ve gökyüzündeki en parlak yıldızlardan biri olan Fomalhaut yönündeki G23 kontrol bölgesinin sıcaklığını da ölçtü. G23 de süper boşluktu ama sıcaklık farkı yalnızca 14 kelvindi!
Demek ki evrendeki bazı süper boşluklar büyük patlamadan kalan kuantum salınımlarıyla açıklanabilir ama Süper Leke gibi boşluklar sadece kuantum salınımlarıyla açıklanamaz. Peki bunların farkı nedir? Belki cüsseli yerçekimi teorisinde açıkladığım gibi yerçekimini, görelilik teorisini değiştirmek gerekiyordur. Belki yerçekimi uzak mesafede sanılandan daha güçlü ve kısa mesafelerde daha zayıftır.
Nitekim karanlık madde yoktur, aslında yerçekimi değişiktir şeklinde özetlenebilecek modifiye yerçekimi (MOND) teorilerini daha önce anlattım ve gelecek yazılarda konuya kozmoloji ve bilim felsefesi açısından geri geleceğim. Ancak, süper boşlukları MOND ile açıklayamayız. Öyle olsa bütün süper boşlukların sebebi MOND olurdu. Oysa 14 kelvin farklı G23 gibi süper boşluklar MOND’la açıklanamayacak kadar “sıcaktır”. Bu da doğal kuantum salınımlarından kaynaklandıklarını gösteriyor. Soğuk Lekenin diğer açıklaması ise kozmik enflasyon teorilerinden geliyor:
Süper boşluklar ve kozmik enflasyon
Evet, sanılanın aksine birçok kozmik enflasyon teorisi var ve hepsi de Alan Guth’un 1979’da geliştirdiği orijinal teorisinin versiyonlarıdır. Dahası CERN parçacık hızlandırıcısının verileri ve 2013’te CMB haritasını yeniden çıkaran Planck uzay teleskopunun verileri büyük patlamayı en iyi açıklayan kozmik enflasyon teorilerini yanlışlamıştır; yani orada da sıkıştık.
Ancak, 1) Evren kozmik enflasyon sırasında her yönde tam olarak eşit hızda şişmediyse, yani evren sivilceli bir yapıdaysa Soğuk Leke vb. evrenin sivilceleri olabilir. 2) Belki de enflasyon sona erdikten sonra gerçekleşen sıcak büyük patlamada evren her yönde eşit hız ve sıcaklıkta ısınmamıştır.
Küçücük farklar kuantum salınımlarından kalan bazı süper boşlukları iyice büyük ve soğuk boşluklara dönüştürmüş olabilir fakat dedim ya, Planck uzay teleskopu standart olmayan kozmik enflasyon modellerini büyük ölçüde yanlışladı. ☹ Böylece döndük dolaştık ve bu boşlukların dolanık evrenler veya çarpışan evrenlerle oluşabileceği senaryolarına geri geldik. Özellikle de ebedi kozmik enflasyona:
Buna göre kainat sonsuza dek ışıktan hızlı şişecek ama yaşadığımız evren gibi bölgeler köpük köpük çökerek ışıktan yavaş genişlemeye geçecektir. Köpük evrenlerden bazıları da büyük patlama sırasında birbiriyle dolanık olabilir. Fizikçi Laura Mersini-Houghton’ın dolanık evrenler teorisi doğruysa Soğuk Leke boşluğu kuantum fiziğinin çoklu dünyalar yorumundan türeyen paralel evrenlerin göstergesidir!
Süper boşluklar ve paralel evrenler
Paralel evrenlerin varlığını kuantum çift yarık deneyi yerine gökyüzündeki süper boşluklarla kanıtlamak harika olurdu ama diğer çılgın fikir de çarpışan evrenler: Buna göre kainatın içinde önce bir köpük evren ve hemen ardından ikinci bir köpük evren çöküp ışıktan yavaş genişlemeye başlamış olabilir. Ancak, birinin şişmesi diğerinden daha geç sona ermişse biraz daha uzun süre şişen evren ışıktan hızlı genişleyerek yolundaki diğer evrene çarpabilir. Bu da gökyüzünde Soğuk Leke denen dev yerçekimi izini bırakabilir. Peki Soğuk Lekenin daha sıradan bir açıklaması da var mı? Evet:
Süper boşluklar ve istatistiksel hatalar
Soğuk Lekenin 150 mikro kelvinlik farkı istatistiksel hata olabilir. 150 mikro kelvini direkt yanlış ölçtük diyemeyiz. Yine de Soğuk Lekenin sıcaklığını doğru ama civar uzay sıcaklığını yanlış ölçmüş olabiliriz. Unutmayın ki civar uzayı ISW etkisiyle istatistiksel olarak ölçtük. Uzay sanılandan soğuksa Soğuk Lekeyle arasındaki fark sanılandan az olacak ve bu da bütün süper boşlukların büyük patlamadaki kuantum salınımlarından kaynaklandığını göstermeye yetecektir.
Dolanık evrenler ve çarpışan evrenler çok heyecan verici senaryolar ama Soğuk Lekeyi önce sıradan sebeplerle açıklamaya çalışalım. Sıradan açıklamalar fiziğin ayrıntılarını öğrenmemizi sağlar. O zaman uzayda gerçekten başka evrenlerin izini görürsek bunları doğal sanma hatasına düşmeden gerçekten başka evrenlerin izi olduğunu güvenle söyleyebiliriz. Bu da nasıl bilim yapılır konusunda ders olsun: Bilimi safsatadan ayırmak istiyorsak bilimin sınırlarını doğru çizmemiz gerekiyor.
Gerçekleri safsatadan sadece bilim ayırabilir; çünkü aklımızı deney ve gözlemlerle bileyerek kutunun dışında düşünmemizi, hiç aklımıza gelmeyen şeyleri düşünmemizi sağlar. Yoksa çok tutarlı varlık felsefesi yapabiliriz ama evren hakkında çok yanılıyor olabiliriz. Oysa bilime hayal gücümüzü kontrolsüz karıştırırsak bu kez her şey safsata olur ve o çukurun içinden çıkamayız.
Peki evren ne kadar büyük ve kenarı nerede? Onu da şimdi okuyabilir, karanlık akışa yol açarak evrenimizi kendine çeken başka evren var mı diye sorabilir ve evrenin nasıl yok olacağına bakabilirsiniz. Bilime fütürizm eklemek istiyorsanız insanların 10 trilyon sonra nasıl yaşayacağını merak ederek Kardashev Ölçeğiyle galaktik imparatorlukları aramaya şimdiden başlayabilirsiniz. İstanbul’da harika bir Pazartesi var ve ben de muhteşem bir hafta dilerim.
Süper boşlukların inanılmaz büyüklüğü
2CMB Cold Spot in the Planck light
3Cosmic troublemakers: the Cold Spot, the Eridanus Supervoid, and the Great Walls
Predictions of the Quantum Landscape Multiverse
Karanlık Akış: Evrenimizi Çeken Başka Evren mi Var?