Evrenin genişleme hızı her 3,26 milyon ışık yılında saniyede 67 ila 74 km arasında değişiyor. Evren büyük patlamadan beri genişliyor ama 1 milyar yaşındaki genişleme hızını gösteren kuasarlarla bugünkü genişleme hızını gösteren süpernova gözlemleri arasında ciddi bir uyuşmazlık var. Bilim insanları bu sorunu yerçekimi merceğiyle gidermeye çalıştı, yani uzak galaksilerin ışığı nasıl büktüğüne baktı ama kuasarlarla süpernovalardan çok daha kesin olan yeni ölçümlerde fark iyice belirginleşti. Peki yerçekimi merceği, kuasarlar ve süpernovalar ile evrenin genişleme hızını nasıl ölçüyoruz?
Evrenin hızında kriz çıktı
Yerçekimi merceğine geçmeden önce bütün ölçümlerin doğru olduğunu kabul edelim. Bu durumda evrenin genişleme hızı geçmişte en az iki kez değişmiş demektir. Bunun kozmoloji açısından yaşamsal sonuçları var; çünkü uzayın genişleme hızı artarsa evrenin ömrü kısalacaktır. Evren sadece büyük patlamanın itişiyle genişliyor olsa 13,78 milyar yıllık ömründe genişleme hızının sürekli azalması gerekirdi. Tıpkı düz yolda vitesi boşa alınan bir otomobilin yavaşlaması gibi.
Oysa evren 6 milyar yıldır hızlanarak genişliyor ve buna karanlık enerjinin yol açtığını düşünüyoruz. Karanlık enerji boş uzayın enerjisi ve uzay genişledikçe evrendeki toplam karanlık enerji miktarı artacak, bu da genişlemenin hızlanmasını sağlayacaktır. Öte yandan kuasarlara göre evren 1 milyar yaşındayken genişleme hızlanmış, sonra yavaşlayarak 6 milyar yıl önce yeniden hızlanmış olmalı.
Hız değişikliğini açıklamanın tek yolu karanlık enerji şiddetinin değiştiğini kabul etmektir. Azalmasında sorun yok. Evrendeki kütle uzayın genişlemesini durdurmaya yeterli değil. Karanlık enerji 6 milyar yıl önce etkisini artırmadan önce de yeterli değildi. Karanlık enerji yok olsa bile evren sonsuza dek azalan bir hızda genişlemeyi sürdürecektir ama şiddeti artıyorsa evrenin genişlemesi hızlanmakla kalmaz:
Uzay gittikçe kısa mesafelerde, örneğin Samanyolu’nun içinde genişlemeye başlar. Bu da yıldızların uzaya dağılması ve galaksimizin parçalanmasına neden olur. Karanlık enerji şiddetinin artan haline hayalet enerji diyoruz ki bunun evreni büyük yırtılmayla yok etmesi mümkündür. Dahası karanlık enerjinin şiddeti düşük bir ihtimal bile olsa aniden artarak evreni yok edebilir. İşte bu yüzden evrenin genişleme hızını yerçekimi merceğiyle ölçmemiz gerekiyor. Peki bunu nasıl yapıyoruz?
Astronomlar yerçekimi merceğini önce Avrupa Uzay Dairesi’nin (ESA) GAIA uzay teleskopu verileriyle karşılaştırdılar. GAIA Dünya’ya 1,61 milyon km uzakta, Güneş-Dünya sistemindeki 2. Lagrange noktasında (L2) dönüyor. Kısacası Güneş çevresinde Dünya ile Güneş’e göre konumu değişmeden deviniyor. GAIA evrendeki yıldızların ıraklık açısını ölçüyor, yani civar galaksilerdeki 1,3 milyar yıldızın Dünya’ya göre konumunu ölçüyor. Bunun da evrenin genişlemesiyle ilgisi var:
Samanyolu ile yakın galaksilerdeki 1,3 milyon yıldızın konumunu bilirseniz uzaklıklarını ölçebilir ve böylece evrenin 3,26 milyon ışık yılı (1 megaparsek) uzaklıkta ne hızda genişlediğini daha kesin belirleyebilirsiniz. Şimdi diyeceksiniz ki “Ama hocam, hani kuasar, süpernova ve yerçekimi merceği ölçümleri vardı?”. Onlara da geleceğiz fakat kuasarlarla süpernovalar uzak mesafelerdeki genişleme hızını ölçüyor. 1 megaparsekteki genişleme hızını ise dolaylı yollarla çıkarıyoruz.
Öte yandan GAIA genişleme hızını doğrudan 1 megaparsekte ölçüyor, böylece ölçümlerdeki hata payını gidermeye imkan veriyor. Peki ne oldu dersiniz? Ölçümleri bağdaştırabildik mi? Tersine! Evrenin genişleme hızını 1 megaparsekte 73,2 km olarak ölçtük! Kısacası süpernova ile kuasar ölçümleriyle GAIA arasındaki fark iyice açıldı! Dahası GAIA 2013’ten beri çalışıyor ve bu sürede teleskop ölçümlerindeki hata payı da yüzde 1,8’e düştü. Karanlık enerjinin şiddeti değişiyor olabilir. 😛
Kriz derinleşiyor
Bilim insanları yeni sonuçlara ilişkin makaleyi Ocak 2021’de yayımlayacak; çünkü hata payını azaltmak yıllar aldı. Bunun nedeni Dünya’nın kendi çevresinde dönerken yalpalaması: Bunu şose yolda sarsılan bir otomobilden dışarıya bakmaya benzetebilirsiniz. Pencereden görülen manzara da otomobille birlikte sarsılacaktır. Başka galaksilerdeki yıldızların konumunu ölçmek istiyorsanız Dünya’nın yalpalamasından kaynaklanan titremeyi gidermeniz gerekir. Bunu da ancak 5-10 yıl gözlem yapıp verileri karşılaştırarak yapabilirsiniz.
Chicago ve Carnegie Mellon üniversitelerinden evrenbilimci Wendy Freedman ile Johns Hopkins Üniversitesi’nden Adam Riess (karanlık enerjiyi keşfettiği için 2011 Nobel fizik ödülünü meslektaşıyla paylaşmıştır) GAIA sonuçlarını açıklayarak krizi derinleştirdiler ama hikaye burada bitmedi. Şimdi GAIA teleskopuyla kuasar, süpernova ve yerçekimi merceği ölçümlerini karşılaştıracağız. Bakalım evrenin genişleme hızını (Hubble Parametresi) yüksek kesinlikle ölçebilecek miyiz?
Bugüne dek Hubble Parametresini ölçmek için Standart Mumları, yani yıldızlar ve süpernovaları kullandık. Yıldızlar yakın galaksilere ve süpernovalar da birkaç milyar ışık yılı uzaktaki galaksilere kadar ölçüm yapmamıza izin verdi. Hiperaktif kara delikler (kuasarlar) ise Hubble Parametresi ölçümlerini 12,8 milyar ışık yılı uzağa taşıdı. Her durumda bunların ışığının kırmızıya kaymasını ölçtük.
Evren genişlediği ve ışık hızı sonlu olduğu için ne kadar uzağa bakarsak o kadar eskiyi görürüz. Ayrıca uzay genişlediği için ışık ışınları ip gibi gerilir, dalga boyu uzar, frekansı azalır ve ışık kırmızıya kayar. Kırmızıya kayma ne kadar yüksekse gökcismi o kadar uzaktır. En uzak mesafelerde yıldızlar ve süpernovaları göremeyiz ama galaksilerle parlak kuasarların ışığını seçebiliriz.
Oysa kırmızıya kayma oranı evrenin genişleme hızını vermez. Sadece eskiden ne kadar büyük olduğunu gösterir ama galaksilerin ışığının KIRMIZIYA KAYMA HIZI genişlemenin ne kadar hızlandığını gösterir. Kırmızıya kayma oranı ile hızı bir araya geldiğinde genişlemenin ne zaman ve ne hızda arttığını öğreniriz. Standart Mumları kullanarak bir kozmik uzaklık merdiveni oluşturup evrenin genişleme hızını ölçme yöntemi budur fakat bir teknik daha var: Büyük patlamadan kalan ses dalgaları.
Büyük patlamanın ışığı uzaya yayıldığında kozmik mikrodalga artalan ışıması (CMB) dediğimiz ısı haritasını oluşturdu. Evren büyük patlamayla oluştuğundan CMB tüm evreni sarıyor. CMB üzerindeki sıcak (kırmızı) ve soğuk (mavi) benekler bebek evrendeki plazma kabarcıkları olup evrenin genişlemesiyle büyüyerek bugünkü süper galaksi kümelerini oluşturmuştur.
Ses dalgaları ise CMB uzaya yayılmadan önce evrenin çok küçük, sıcak ve yoğun olmasından kaynaklanıyor. Öyle ki büyük patlamanın yaydığı X-ışınları aşırı yoğun evrende ses dalgaları gibi uzaya yayıldı. Bu dalgalanmalar CMB üzerinde Dünya’dan bakınca görülen iç içe geçmiş halkalar oluşturdu.
Galaksiler de bu halkalar üzerinde ve halkaların ortasında oluştu. Dahası büyük patlamadan kalan ses dalgaları bebek evrenin genişleme hızını da ölçmemizi sağlıyor; çünkü sıcak çöl havasının dalgalanması gibi ışığı dalgalandırıyor. Işığın dalgalanması polarize olması demek ve biz de buna bakıyoruz:
Sonuçta bebek evrende galaksiler ve kuasarlar olmadığı için bunların ışığının kırmızıya kaymasını ölçemeyiz ama ses dalgalarının ışığı nasıl dalgalandırdığı, bulandırdığı ve polarize ettiğine bakarak bebek evrenin genişleme hızını ölçebiliriz. GAIA uzay teleskopu ölçümleri CMB ölçümleriyle uyumlu değil ama kuasar ölçümleriyle uyumlu. Bu da evrenin genişlemesinin 1 milyar yaşındayken hızlanmış olduğunu gösteriyor. Peki yerçekimi merceği ölçümleri ne diyor? Gözlemleri bağdaştırabiliyor mu?
Evrenin genişleme hızını yerçekimi merceğiyle, yani milyarlarca yıldız içeren uzak galaksilerin güçlü yerçekiminin arka plandaki ışığı bükmesiyle ölçme tekniği yeni sayılır. Bunun nedeni ışığın bükülme şekli ve oranını genişleme hızını ölçecek kadar kesin belirlememizi sağlayan teknolojinin son 10 yılda geliştirilmiş olmasıdır. Teleskoplar gereken hassaslığa yeni ulaştı.
Oysa bu teknik daha kesin uzaklık ölçümlerine imkan vermekle birlikte hız ölçümü açısından süpernovalar, kuasarlar ve GAIA yıldızlarından daha dolaylıdır. Bu yüzden galaksilerin ışığı bükmesine bakmak yeterli olmaz. Galaksiler yüzlerce milyar yıldız içerdiğinden bunların ışığı uzun vadede pek değişmez ama kuasarları eklerseniz durum değişir! Sonuçta kuasarların ışığının kırmızıya kaymasını ölçmekle kalmazsınız. Bunu kuasarların yerçekiminin ışığı bükmesiyle karşılaştırırsınız.
Hatta kuasarlar aktif kara deliklerdir ama en uzun ömürlü kuasar bile 1 milyar yıldan uzun süre var olamaz. Sonuçta bunlara düşen gazlar tükenecek ve kuasarlar sönmeye başlayacaktır. Dolayısıyla kuasarların şekli ve parlaklığı ayırt edebileceğimiz bir hızda değişir. Bu da evrenin genişleme hızını daha kesin ölçmeyi sağlar. Stanford Üniversitesi ve Kavli Enstitüsü Parçacık Fiziği Bölümünden Simon Birrer de öyle yaptı. TDCOSMO çatı organizasyonunda 10 yılda yapılan ölçümleri karşılaştırdı.
Bu ölçümler evrenin genişleme hızının yüzde 2 hata payıyla 73 km/saniye/megaparsek olduğunu gösterdi. Birrer’ın değişken kuasar ölçümleri de Hubble parametresini 74 km/saniye/megaparsek olarak gösterdi. Kısacası evrenin genişleme hızındaki uyuşmazlık arttı. Ta ki Birrer ölçümlere 33 yerçekimi merceği daha ekleyene kadar. İşte o zaman çok şaşırtıcı bir sonuç ortaya çıktı: Yeni mercekler ışığı kuasarlar gibi değişmeyen galaksilerden oluşuyordu. Bu yüzden hata payı yüzde 5’e çıktı ama Birrer evrenin genişleme hızını 67 km/saniye/megaparsek olarak ölçtü! 😮 Toparlayacak olursak:
Mercekler uyuşmazlığı gideriyor
Evet, hata payı yüzde 5 ama bu da 3,5 km/saniye/megaparsek demek. Bunu 67’nin üzerine koyarsanız 70,5 km/saniye/megaparsek eder. Kısacası yerçekimi mercekleri CMB ses dalgaları, süpernovalar, yıldızlar ve Hubble uzay teleskopu ölçümleriyle uyumludur. Öte yandan kuasar ve GAIA ölçümleriyle uyumsuzdur. Peki bu ne anlama geliyor? Ölçümler doğruysa evrenin genişleme hızı klasik teorilerdeki gibi sadece son 6 milyar yılda artmıştır. Bu da karanlık enerji şiddeti değişmiyor demektir.
En yeni yerçekimi merceği ölçümlerinin GAIA ve kuasarlar dışındaki tüm ölçümleri desteklemesi beni heyecanlandırdı. Bu 4’e karşı 2 demek ki GAIA ile kuasar ölçümlerinin hatalı olduğunu gösteriyor olabilir. O zaman evrenin oluşumunu açıklamak için yeni fizik geliştirmeye ve evrenin erken yok olacağından korkmaya gerek kalmaz. Özellikle de kuasar ışığının değişkenliği kuasar ölçümlerindeki hata payını artırıyorsa bu böyledir.
GAIA ölçümlerinin de Dünya’nın yalpalamasından olumsuz etkilendiğini belirtelim fakat diğer ölçümler daha güvenilir olabilir: Kuasarları saymazsak bir ölçüm kaynağı ne kadar uzaksa ölçümleri bozabilecek faktörleri tespit etmemiz ve hata payını ne kadar büyük olursa olsun elimine etmemiz kolaylaşır. Yok eğer GAIA ve kuasarlar haklıysa evrenin genişleme hızı zamanla değişiyor ve karanlık enerjinin şiddeti artıyor veya azalıyor demektir.
Occam’ın usturası uyarınca GAIA ölçümleri evrenin genişlemesini açıklamayı kolaylaştırmak yerine zorlaştırdığı için de yanlış olabilir. Her şeye rağmen ölçümler doğru çıkarsa karanlık enerji şiddetinin neden değiştiğini açıklamak için yeni bir fizik geliştirmemiz gerekebilir. Özetle evrenin genişleme hızındaki uyuşmazlık henüz giderilmedi. Yerçekimi merceğini mi GAIA’ya uyduracağız, yoksa GAIA ölçümlerini mi merceklere uyduracağız? Belki de ikisi birden doğrudur.