2019 Nobel Fizik Ödülü: Fiziksel Kozmoloji - Popular Science
Ana Sayfa KONULAR BİLİM 2019 Nobel Fizik Ödülü: Fiziksel Kozmoloji
2019 senesi Nobel Fizik Ödülü, evren hakkında bakış açımızı değiştiren üç astrofizikçiye verilmişti.
Ödüllerden biri evrenin ilk oluşumunda maddenin nasıl birleşerek galaksileri oluşturduğunu açıklayan James Peebles’a verilirken diğer ödülü ötegezegenleri ilk defa keşfeden iki astrofizikçi Michel Mayor ve Didier Queloz paylaştı. Bu yazımızda Nobel’in yarısı olan evrenin içeriği ve galaksi oluşumu teorilerinden bahsedelim.
1935 doğumlu Princeton Üniversitesi profesörü James (Jim) Peebles, kozmoloji ile ilgili çalışmalarına o sıradaki doktora danışmanı Prof. Robert Henry Dicke’nin cesaretlendirmesi sonucu 1964’de başladığını söylüyor. O sıralar gözlem olanakları bugünkü gibi çok güçlü olmadığından kozmoloji, astrofizikçilerin çok da tercih ettikleri bir alan değildi, dolayısıyla biraz ikna olması gerekmiş. Öte yandan 60’li yılların statik evren modelinin güçlü olduğu ve astronomi camiasının beklentisinin de statik evreni destekleyen keşifler olduğunu belirtmeden geçmeyelim. Statik evren, uzay ve zamanın sonsuz olduğu, genişlemediği ve öylece durağan bir şekilde hep var olduğunu öne süren bir teoridir.
Her şey bir anda değişiyor.
Ancak 1964’de çok özel bir şey oluyor. Arno Penzias ve Robert Wilson, Bell Laboratuvarında antenlerini hangi yöne çevirirlerse çevirsinler sürekli bir gürültü duyuyorlar. Kozmoloji tarihini değiştiren en büyük keşiflerden birisi olan kozmik mikrodalga arka plan ışınımı bu şekilde şans eseri keşfediliyor. 1978 Nobel Fizik ödülünü kazandıran bu buluş, evrenin ilk oluşumundan kalan ışınımı gösterdiğinden, daha önceden Hubble ile kanıtlanan evrenin genişlemesiyle birleşince, statik evren modelinin çöpe atılıp, evrenin bir
başlangıcı olması gerektiğine yani Big Bang’e kanıt haline geliyor. Bugün tartışmalar neredeyse tamamen bitmiş bir şekilde kabul ediliyor ki evren, 13,82 milyar yıl önce Big Bang adı verilen bir hızlı genişleme ile başladı. Daha birinci saniyenin çok çok küçük kesirleri içinde enflasyon (inflation) ya da şişme adı verilen bir başka hızlı genişleme daha oluyor. Özellikle ilk saniye ve sonraki birkaç dakika içinde her biri kalın kalın kitaplarla anlatılan tepkimeler ve olaylar oluyor.
Ve ışık ortaya çıkıyor
Ancak tarih Big Bang’den sonra geçen 380 bin yılın ardından evren tarihinin en önemli kilometre taşlarından biri gerçekleşiyor. İlk foton oluşuyor. 2,725 Kelvin (-270,42 C derece) sıcaklıktaki kozmik mikrodalga arka plan ışınımı tüm evrene yayılmış olduğundan, Penzias ve Wilson’un yaptığı gibi evrenin neresine bakarsak bakalım aynı ışınımı görebiliyoruz. Peebles ve takımının çalışmaları bu gördüğümüz ışınımın, fotonların ilk oluştuğu Big Bang’den 380 bin yıl sonrasından geldiğini gösterdi. Bu tarih çok ilginç bir zaman dilimi, çünkü bu tarihten önce ışık oluşmadığı için öncesini teleskoplarımızla göremiyoruz. Onun için CERN’de parçacık deneyleri yaparak bu tarihten çok daha önce yani ilk dakikalarda hatta ilk saniyelerde neler olmuş araştırılabiliyor. Bu tarih aynı zamanda serbest elektronların da toplaşıp ilk Hidrojen atomunu oluşturduğu tarih.
Kozmik mikrodalga ışınımını tüm yönlerde gözlemleyip bütün evren hakkında genel bir resim almayı amaçlayan Planck uydusunun güncel verilerine göre evrenin içeriğinin sadece %4,9’u bildiğimiz sıradan madde. Bu maddenin içinde bizleri oluşturan atomlar, gezegenler, yıldızlar ve galaksiler var. Evrenimizin geri kalan %95,1’ini ise hala bilmiyoruz.
Karanlık maddenin varlığını nasıl bilebiliyoruz?
Evrenin %26,8’ini oluşturan karanlık maddenin varlığını, genel özelliklerini az çok dolaylı olarak başka maddeye olan etkisinden dolayı biliyoruz. Böyle bir maddenin varlığını özellikle galaksileri bir disk şeklinde bir arada tutan kütleçekimsel etkisinden dolayı, göremediğimiz bir maddenin olması gerektiğinden tahmin ediyoruz. Normal madde gibi galaksilerin içinde veya etrafında bir yığın halinde var olduğuna neredeyse eminiz. Ama bu madde hiçbir şekilde ışığı geçirmiyor veya ışık yaymasa da çarpışma yapmayan ideal gaz gibi davranıyor. Hatta evrenin ilk oluşumundan sonra bir zamanda oluştuğuna da eminiz, çünkü galaksilerin oluşması için böyle bir karanlık maddeye ihtiyaç var.
Evrenin geri kalan çok daha büyük kısmı olan %68,3’u ise karanlık enerjiye ait. Karanlık maddenin tam tersi bir etkiye sahip; yani karanlık madde galaksilerin içindeki yıldızları bir arada tutmak için görev yaparken, karanlık enerji ise galaksiler arası mesafeleri artırıp birbirlerinden uzaklaştırmak gibi bir işlev görüyor. Ama karanlık madde de karanlık enerji de öyle Dünya’da etkilerini görebileceğimiz küçük çapta şeyler değil. Karanlık madde galaksiler çevresinde kümeler halinde yayılmışken, karanlık enerji ise bütün evrene eşit bir şekilde dağılmış durumda. Karanlık enerjinin varlığını direkt gözlemleyemediğimiz için yine çevreye olan etkilerinden dolayı onu fark ediyoruz. Artık gözlemlerimizden biliyoruz ki, galaksiler birbirlerinden sadece normal bir hızla uzaklaşmıyor, ivmelenerek artan bir hızda uzaklaşıyor, yani evren sadece genişlemiyor, ivmelenerek genişliyor (2011 Nobel Fizik ödülü bu keşfe verilmişti). Bu ivmelenme için de ekstra bir enerji kaynağının olması gerektiği düşünülüyor. Henüz bilmediğimiz, göremediğimiz bu enerji kaynağına da karanlık enerji diyoruz.
Çok uzaktaki galaksilerin bizden sürekli uzaklaştıklarını gözlemlerken, kendi galaksimiz Samanyolu ve komşumuz Andromeda’nın da bulunduğu 50’den fazla galaksinin birbirlerine yaklaştıklarını gözlemliyoruz. Bu küçük galaksiler kümesine Yerel Grup Galaksileri adı veriliyor. Hatta gelecekte galaksilerin birbirlerinden uzaklaşma hızları öyle bir duruma gelecek ki, yaklaşık 2 trilyon yıl sonra evrende kendi galaksimiz ve içinde bulunduğumuz Yerel Grup’a ait galaksiler harici hiçbir şey göremeyeceğiz. Hatta büyük ihtimalle Yerel Grup’taki galaksiler de birbirlerine yaklaştıklarından, ileride çarpışarak tek bir dev galaksiye dönüşecektir. Milyarlarca nesil sonraki torunlarımız eğer gerçekten galaksiler hatta evren çapında işler yapmazlarsa, hangi gezegende yaşıyorlarsa yaşasınlar gökyüzüne baktıklarında sanki küçücük bir evrende yaşadıklarını düşüneceklerdir.
Hala kesin olarak bilinmiyor. Galaksi gibi büyük yapıların oluşması için birbirine zıt iki görüş var. Birisi tabandan tepeye senaryo (bottom-up scenario), yani evrenin ilk oluşumundan sonra madde küçük gaz bulutları şeklinde birleşiyor, yıldızları, yıldız gruplarını ve galaksileri meydana getiriyor. Diğeri de tepeden aşağı senaryo (top-down model), burada da devasa bulutlar, devasa iplik (filaments) şeklinde yapılar meydana getiriyor ve bunlar da zaman içinde parçalanıp galaksileri oluşturuyor.
Bugün Big Bang kozmolojisini en basit ve iyi bir şekilde açıklayan ve yaygın olarak kabul gören Standart Model’e (Standard Model) ya da diğer adıyla Lambda-CDM Evrenine göre, tabandan tepeye olan senaryo daha olası. Çünkü evrende dev galaksilerden daha fazla cüce galaksiler gözlemleniyor ve bu model yüksek cüce galaksi sayısını açıklayabiliyor.
Conselice ve arkadaşlarının 2016’da yayınladıkları makaleye göre görünen evrende tahmini olarak 2 trilyon galaksi bulunuyor. Kozmik ölçekte inanılmaz büyük bir sayı olduğundan aklımızın alma sınırının da ötesinde. Bu kadar çok galaksinin sadece 13,8 milyar yıl gibi kısa bir süre içinde oluşması ve dağılması gerçekten akılları zorluyor. Evreni düşünürken bu 2 trilyon galaksi içindeki milyarlarca belki trilyonlarca yıldızlar, gezegenler, barındıran devasa galaksilerden sadece birinde, ortalama bir yıldızın çevresinde dolanan bir gezegende biz varız. Bilim tarihine baktığımızda evren hakkındaki bakış açımız o kadar kısa süre içerisinde değişti ki, bundan sadece birkaç yüz sene önce evren dediğimiz kavram, çok kolay anlaşılabilen kafamızı yukarı kaldırdığımızda gördüğümüz ışıklı kandiller ve gökyüzünde hareketlerini takip ettiğimiz gezegenlerden ibaretti. Bugün karanlık madde ve karanlık enerji dediğimiz şeyler, belki 100 yıl sonra açıklanmış ve lise kitaplarında yazan birer konu olacak.
Big Bang ve yapıların oluşumu
Peebles’a Princeton Üniversitesi Nobel konferansında şu soru sorulmuştu: Eğer sadece evrenin yüzde 5’inden haberiniz var ve geri kalan yüzde 95’i hakkında bir şey bilmiyorsanız neden sizin fikirlerinize inanalım? Cevap olarak Peebles, çünkü bu fikirlerin hepsinin bağımsız bilim insanları ve bağımsız uzay araçlarıyla defalarca test edildiğini ve yapılan gözlemlere uyduğunu söyledi. Neredeyse 60 yıldır bu konuları çalışan ve 84 yaşında Nobel’i kazanan Peebles, Nobel basın açıklamasına canlı bağlandığında bunun tek seferlik bir keşif olmadığını ama bir ömürlük çalışma olduğunu söyledi. Konuşmalarını dinlerken de ömrü boyunca sevdiği işi yapan bir insan olmanın haklı gururunu hissedebiliyorsunuz.
Dr. Umut Yıldız, NASA/Jet İtki Laboratuvarı – Caltech (Bu makaledeki düşünceler tamamen yazarın düşünceleridir ve NASA, Jet İtki Laboratuvarı veya Caltech’i bağlamaz.)
kozmik mikrodalga arka plan ışınımı
statik evren modeli
Yerel Grup Galaksileri
Önceki İçerikKoronavirüs, Ele Geçirdiği Hücreleri Dokunaç Oluşturmaya Zorlayıp Diğer Hücreleri İşgal Ediyor
Sonraki İçerikBir Grup Maymun Sala Binip Atlantik Okyanusu’nu Geçmiş Olabilir