Nobel Fizik Ödülü Sahiplerini Buldu
Nobel Fizik Ödülü’nün 2019 yılı sahipleri Princeton Üniversitesinden James Peebles, Cenova Üniversitesinden Michel Mayor ve Cambridge Üniversitesinden Didier Queloz oldu. Nobel komitesi tarafından yapılan açıklamada, Peebles’ın evrenin yapısı ve tarihi hakkındaki önemli çalışmaları, Mayor ve Queloz’un ise Güneş benzeri bir yıldızın etrafında döndüğü bilinen ilk ötegezegeni keşfetmeleri sebebiyle ödüle layık görüldükleri açıklandı.
James Peebles
Yüz yıl öncesine kadar evrenin durağan olduğu düşünülürdü. Hatta Albert Einstein genel görelilik kuramını ilk kez formüle ettiğinde, statik bir evren modeli oluşturmak için alan denklemlerine kozmolojik sabit adlı bir terim eklemişti. Ancak 1920’lerde yapılan gözlemler evrenin zamanla giderek genişlediğini ve bir başlangıcı olduğunu gösterdi.
Yirminci yüzyılın ortalarında evrenin doğumuna Büyük Patlama adı verildi. Büyük Patlama’nın başlangıcında tam olarak neler olduğu hâlâ tartışma konusudur. Ancak ilk zamanlarda evrenin bugünkünden çok daha yoğun ve sıcak olduğu kesindir.
Büyük Patlama ile başlayan ve zamanla giderek genişleyen evren
İlk zamanlarda evren o kadar sıcaktı ki yüksek enerjili fotonlar atomların oluşmasına engel oluyordu. Evrenin kararlı atomların oluşmasına imkân verecek kadar soğuması ancak Büyük Patlama’dan 400.000 yıl sonra mümkün oldu. Bu tarihten sonra uzayda serbestçe yol almaya başlayan fotonlar, bugün hâlâ uzayı doldurur. Ancak genişleme sebebiyle enerjileri o kadar azalmıştır ki ışık tayfının mikrodalga bölgesinde yer alırlar. James Peebles, kozmik art alan ışıması olarak adlandırılan ve ilk kez 1964 yılında gözlemlenen bu ışıma ile ilgili ilk kuramsal çalışmaları yapanlardan biriydi. Ayrıca, bu ışımanın sıcaklığının Büyük Patlama’da oluşan madde miktarı hakkında bilgi verdiğini ve bu ışımanın serbest kalmasının bugün gözlemlediğimiz gökadaların oluşumunda önemli rol oynadığını da fark etmişti.
Kozmik art alan ışımasındaki sıcaklık salınımları
Kozmik art alan ışıması her yönde homojen değildir, ufak tefek sıcaklık salınımları vardır. Evrenin ilk zamanlarından izler taşıyan bu salınımlar olmasaydı evren bugünkü hâlini alamaz, homojen bir biçimde yavaş yavaş soğumaya devam ederdi.
Kozmik art alan ışımasının keşfi kozmolojide yeni bir çağ başlattı. Bu antik ışıma evrenin yaşı, geçmişi, geleceği, içerdiği madde ve enerji miktarı hakkında bilgi veriyordu. Bu konuda yapılan çalışmalara önemli katkılarda bulunan fizikçilerden biri de James Peebles’ti.
Peebles’in önemli katkı yaptığı bir diğer alan karanlık maddenin doğası oldu. Gözlemler gökadaların hareketlerinin sadece gözlemlenebilen madde miktarı ile açıklanamayacağını gösterir. Bugün fizikçiler arasındaki yaygın kanı, evrende ışıkla etkileşmediği için görülemeyen bir tür karanlık madde olduğudur. Bu karanlık madde, sadece kütleçekimi aracılığıyla gökadaların hareketlerini etkilemekle kalmaz, aynı zamanda gökadaların oluşumuna da katkıda bulunur.
İlk zamanlarda karanlık maddenin aslında nötrinolar olduğu fikri öne sürülmüştü. Ancak bu aşırı derecede düşük kütleli parçacıklar neredeyse ışık hızıyla hareket ettiklerinden gökadaları bir araya getirmek için fazla hızlıdırlar. Peebles, 1982 yılında karanlık maddenin kütlece ağır ve yavaş hareket eden parçacıklardan oluştuğu fikrini öne sürdü. Bugün evrenin yaklaşık %26’sını oluşturan karanlık maddenin bileşiminin tam olarak ne olduğu hâlâ bilinmiyor ancak Peebles’ın düşüncesi yaygın olarak kabul görüyor.
Peebles’ın bir diğer önemli katkısı karanlık enerjiyle ilgiliydi. Genel görelilik kuramı kütlenin uzayı büktüğünü söyler. Yerel ölçekte evren düz değildir. Peki ya kozmolojik ölçekte evrenin yapısı nasıldır? Üç ihtimal vardır: paralel doğruların hiçbir zaman kesişmediği düz evren, paralel doğruların giderek birbirinden uzaklaştığı açık evren, paralel doğruların giderek birbirine yakınlaştığı kapalı evren.
Gözlemsel veriler evrenin büyük ölçekteki yapısının düz olduğunu gösterir. Ancak bu durum evrendeki toplam madde ve karanlık madde miktarıyla açıklanamaz. Peebles’ın bu soruna bulduğu çözüm, Einstein’ın evrenin genişlediğinin keşfedilmesinden sonra en büyük hatam diyerek alan denklemlerinden çıkardığı kozmolojik sabiti yeniden denklemlere eklemek oldu. Peebles, boş uzayın karanlık enerji adı verilen bir enerjiyle dolu olduğunu, kozmolojik sabitin de bu enerjiye karşılık geldiğini öne sürdü.
Karanlık enerjinin varlığı 14 yıl boyunca sadece bir hipotez olarak kaldı. Ancak 1990’ların sonlarında evrenin genişleme hızının giderek arttığının keşfedilmesi nedeniyle karanlık enerjinin gerçekten de var olduğuna karar verildi. Günümüzde yapılan gözlemler, karanlık enerjinin evrendeki toplam enerjinin %69’unu oluşturduğunu gösteriyor.
Bugün karanlık madde ve karanlık enerji hakkında bilinen en doğru şey, birinin gökcisimlerini birbirine yakınlaştırdığı, diğerininse uzaklaştırdığı. Karanlık madde ve karanlık enerjinin doğasının tam olarak ne olduğuysa gizemini korumaya devam ediyor.
Michel Mayor ve Didier Queloz
Etrafında dönen gezegenlere sahip tek yıldız Güneş değildir. Güneş Sistemi’nin dışındaki gezegenler, ötegezegen olarak adlandırılır. Bugüne kadar tespit edilmiş 4000’den fazla ötegezegen var. Bilinen ilk ötegezegeni keşfedenlerse Michel Mayor ve Didier Queloz’du.
Mayor ve Queloz, 1995 yılında Floransa’daki bir konferansta Güneş benzeri bir yıldızın etrafında dönen bir ötegezegen keşfettiklerini açıklamışlardı. Dünya’ya 50 ışık yılı uzaklıktaki 51 Pegasi yıldızının etrafında dönen gezegen, kütlesi Jüpiter’inkine yakın bir gaz deviydi.
O güne kadar gezegenlerin oluşumu ile ilgili bilinenler, Jüpiter gibi büyük gezegenlerin yıldıza uzak bir bölgede oluşacağını ve dolayısıyla yıldızın etrafında dönmesinin çok uzun süreceğini söylüyordu. Mayor ve Queloz’un keşfettiği 51 Pegasi b gezegeniyse yıldızından sadece sekiz milyon kilometre uzaklıktaki bir yörüngede dönüyordu ve her dört günde bir yıldızın etrafında bir tur atıyordu. İlk başlarda hiç kimse iddianın doğru olduğunu düşünmedi. Ancak daha sonraları yapılan çalışmalar Mayor ve Queloz’u doğruladı. Yanlış olan o güne kadar gezegenlerin oluşumu hakkında bilinenlerdi. Bu ilk keşiften sadece birkaç ay sonra yine Güneş benzeri yıldızların etrafında dönen iki ötegezegen daha keşfedildi.
Ötegezegenleri keşfetmek ve takip etmek çok zordur. Çünkü kendileri ışık üretmez sadece üzerlerine gelen ışığı yansıtırlar. O kadar solgunlardır ki yanlarındaki devasa parlak yıldızın yanında doğrudan görülmeleri neredeyse imkânsızdır. Bu yüzden ötegezegenler doğrudan gözlemlenemezler, keşfedilmeleri ancak karmaşık yöntemlerle mümkündür.
Bir gezegenin kütleçekimi, etrafında döndüğü yıldızın uzaydaki hareketi sırasında yalpalamasına sebep olur. Bu yalpalama yıldızdan Dünya’ya ulaşan ışığın yıldız Dünya’ya yaklaşırken maviye, Dünya’dan uzaklaşırken kırmızıya kaymasına sebep olur. Dolayısıyla yıldızdan yeryüzüne ulaşan ışığın frekansındaki değişimler ölçülerek yıldızın yalpalama hareketi ve dolayısıyla etrafında dönen gezegenler hakkında bilgi edinilebilir. Bunu gerçekleştirmekteki en büyük zorluksa gezegenlerin yıldızın hareketlerine olan etkisinin çok düşük olmasıdır. Örneğin Jüpiter’in kütleçekimi, Güneş’in, Güneş Sistemi’nin kütle merkezi etrafında saniyede 12 metre hızla dönmesine sebep olur. Kozmik ölçekte bu ve benzeri hızlar çok düşüktür ve hassas bir biçimde ölçülmeleri çok zordur.
Mayor ve Queloz’un ötegezegen araştırmalarının en büyük katkısı, yıldızların yalpalama hareketlerini hassas bir biçimde tespit edebilen bir teknoloji geliştirmeleri oldu. Mayor 1977 yılında Marsilya’nın 100 kilometre kuzeydoğusundaki Haute-Provence Gözlemevi’ndeki teleskoba bir spektrograf (tayfölçer) kurmuştu ve 300 metre/saniyenin üzerindeki hızları tespit edebiliyordu. Ancak bu hassasiyet ötegezegenleri keşfetmek için yeterli değildi. Queloz 1990’ların başında doktora öğrencisi olarak Mayor’un grubuna katıldığında kendisinden daha hassas ölçümler için yeni yöntemler geliştirmesi istendi. Queloz, o sıralar yeni geliştirilmiş çeşitli teknolojilerden de yararlanarak 10-15 metre/saniye gibi düşük hızları bile tespit etmeye imkân veren bir spektrograf geliştirmeyi başardı. 1995 yılında yapılan ilk ötegezegen keşfi de bu teknoloji sayesinde mümkün oldu.