Evrenin Genişlemesi ve Evrenin Yaşı Üzerine

Planck uydusunun fırlatılmasına günler kala GökGünce'de kozmoloji konularına yer vermek istiyordum; ilk yazım evrenin genişlemesi ve evrenin yaşı konusunda.. Diğerleri yolda..

Evren dediğimizde herşeyi anlıyoruz: gezegenimiz Dünya, Güneş ve diğer Güneş Sistemi üyeleri, galaksimiz Samanyolu, diğer galaksiler ve aradaki uçsuz bucaksız uzay...Eski zamanlarda bütün bu yapının değişmeyen bir düzene sahip olduğu ve ezelden beri varolduğu düşünülüyordu, taa ki 20. yüzyıla kadar. Artık evrenin hızlanarak genişlediğini ve 13.7 milyar yıllık bir geçmişe sahip olduğunu biliyoruz. En azından elimizdeki veriler şu anda bize bunu söylüyor. Peki bunları nasıl bilebiliyoruz? Evrenin genişleme hızını nasıl ölçüyoruz? Evrenin yaşını nasıl hesaplıyoruz? Ve belki de en önemlisi, bunlar ne kadar doğru?

Evrenin genişlemesinden kastımız galaksilerin birbirinden yüksek hızlarda uzaklaşması. Burada hangi galaksi üzerinde olduğunuzun bir önemi yok; bütün galaksilerdeki gözlemciler(galaksi kümelerinde kütle çekimi ile bir arada duranlar dışında) diğer galaksileri kendilerinden uzaklaşıyormuş gibi görüyor. Bunu tarif ederken en çok kullanılan örnek bir balon üzerine noktalar çizerek balonu şişirdiğimizde her noktanın arasındaki uzaklığın artıyor olması örneği ile kabaran üzümlü kekteki üzümlerin arasındaki mesafenin artıyor olması örneğidir. Bu örneklerden de yola çıkarak evrenin genişlemesini tanımlamaya çalıştığımızda aslında galaksilerin ayaklanıp birbirinden uzaklaştığını değil, galaksilerin arasındaki uzayın genişlediğini yani yeni uzayın oluştuğunu kastediyoruz.

Genişleyen evreni balon üzerine çizlmiş galaksilerin bolon şiştikçe birbirinden uzaklaşmasına benzetebiliriz.(Kaynak : dkimages)

Evrenin genişlediğine dair ilk gözlemler Edwin Hubble tarafından 1930'lu yıllarda yapılmıştır. Hubble elde ettiği verilerle galaksilerin bizden uzaklaşma hızlarının bize olan uzaklıklarıyla doğru orantılı olduğunu görmüş ve bugün Hubble sabiti adını verdiğimiz bir orantı sabiti ortaya koymuştur.

Edwin Hubble (1889 - 1953)

Peki evren başlangıcından beri genişliyor mu? Bu genişlemenin hızı hep sabit miydi?

Evrenin şu andaki genişleme hızı(Hubble sabiti) Hubble'ın "Hubble Key Project" projesi ile uzak galaksilerdeki Cepheid değişken yıldızlarının parlaklıkları ve uzaklıkları arasındaki ilişkiden yola çıkarak yaptığı ölçümlerde (yani evrenin genişleme hızını belirten sabitin) %10 hata ile (70km/sn)/Megaparsec olarak hesaplamıştır.

Cepheid değişken yıldızlarının kullanılmasındaki neden, bu yıldızların parlaklık değişim periyotları ile gerçek parlaklıkları arasında bilinen bir ilişkinin olmasıdır. Bir yıldızın gerçek parlaklığını ve gözlenen parlaklığını bildiğiniz durumda o yıldızın uzaklığını ölçebilirsiniz. Hubble diğer galaksilerdeki Cepheid değişken yıldızlarının parlaklıklarını inceleyerek uzaklıklarını hesaplamıştır.

Bunun ardından 90'lı yılların sonunda gönderilen WMAP uydusu kozmik mikrodalga fon ışınımı üzerinde yaptığı çalışmalardan, genişleme hızını (73.5km/sn)/Megaparsec +/- 3.2 olarak bulmuştu.Bu da alışık olduğumuz rakamlarla %7 hata ile (22km/sn)/Milyon ıy'na denk geliyor. Yani bizden bir milyon ışık yılı uzaklıktaki bir galaksinin bizden 22km/s hızla uzaklaştığını görüyoruz.

Hubble sabitinin tam olarak ölçülmesindeki önem neydi peki? Yukarıda bahsettiğim genişleme filmini geri sardığımızda galaksilerin ortak bir zamanda aynı noktadan ilerlemeye başladığı nı gözlüyoruz(Büyük Patlama noktası). Bunun için de hesabı geri geri yaparak gözlenen bir galaksinin, aramızdaki mesafeyi mevcut hızıyla ne kadar sürede aldığını ölçtüğümüzde evrenin yaşını bulabiliriz :

Örneğin bizden 1 milyon ışık yılı uzaklıktaki galaksiye bakıp hızını 22km/sn olarak ölçtüğümüzde; aramızdaki mesafeyi bu hızla ne kadar sürede aldığına bakarsak :

t=d/V = 1 milyon ışık yılı/ (22km/s) = 13.5 milyar yıl

olarak buluruz. Buna tH, Hubble Zamanı deniyor.

Fakat burada bir sorun var; bu galaksinin başlangıçtan beri sabit hızla hareket ettiği varsayarak yukarıdaki sonuca ulaştık. Diğer alternatifler nedir peki?

Üstteki grafikte dikey eksen uzaklık(Distance), alttakinde ise genişleme hızı(Speed) verilmiştir. Grafiklerin yatay eksenleri Büyük Patlama anından (t=0) günümüze(now) kadar olan zamanı gösteriyor.(kaynak : TTC - Cosmology)

Genişleme hızı evrenin başlangıcından beri sabit ve 22km/sn ise evren yeşil çizgi gibi hareket edecek ve evrenin yaşı tH kadar olacak. Hızı başta daha yüksek ve şu an azalıyorsa(decelarating) evrenin yaşı(age) tH'den daha küçük olacak. Hızı başta 22km/s'den daha küçük olup şuanda hızlanıyorsa(accelarating) evrenin yaşı tH'den yani 13.5'dan daha büyük çıkması gerekir.

Peki gerçek evren bunlardan hangisine uyuyor?

Üstteki grafikte dikey eksen uzaklık(Distance), alttakinde ise genişleme hızı(Speed) verilmiştir. Grafiklerin yatay eksenleri Büyük Patlama anından (t=0) günümüze(now) kadar olan zamanı gösteriyor.(kaynak : TTC - Cosmology)

Şişme Teorisine göre (Inflationary Big Bang) evren, ilk başta yavaşlayarak(decelarating) genişlemiş ardından karanlık enerjinin madde üzerine domine hale gelmesiyle (yaklaşık 4 milyar yıl önce) evren hızlanarak(accelerating) genişlemeye başlamıştır. Bu genişleme sürecini hesapladığımızda ise bulduğumuz yaş (actual age) 13.7 milyar yıl. Yani hızı 22km/s sabit kabul ettiğimizde bulduğumuz değerin 1.02 katı... Demek ki, hızı sabit kabul ederek büyük bir hata yapmamışız.

Evrenin yaşını ölçmek için bir diğer yol ise galaksilerin yaşını ölçmektir. Bunun için de örneğin Samanyolu Galaksisinin yaşına baktığımızda, yıldız kümelerinin yaşı bize bir çok fikir veriyor. Yıldız kümelerinde yüzlerce veya bazı durumlarda on binlerce yıldız bulunuyor. Bu yıldızlar da hayatları süresince HR Diyagramı adı verilen bir doğru üzerinde sıralanıyorlar. Büyük kütleli olanlar grafiğin sol üstünde, daha küçük olanlar ise sağ altta bulunuyor. Büyük yıldızların hızlı yaşayıp genç öldüğünü bildiğimizden dolayı bir küme içerisindeki HR diyagramının uzunluğunu ölçerek kümenin yaşı hakkında bir fikir elde edebiliriz.

Ana kol (main sequence-grafikte doğru üzerine sıralanmış yıldızlar) üzerinde sıralanmış yıldızlar büyüklükleri ve parlaklıklarına göre gösterilmiş. Dev yıldızlar sol üstte, daha küçük yıldızlar doğruyu takip ederek aşağıda bulunuyor

Örneğin 250 milyon yıl yaşında genç yıldızlardan oluşan M11 yıldız kümesinin HR diyagramı :

(kaynak : TTC - Cosmology)

12 milyar yaşında olduğu bilinen yaşlı yıldızlardan oluşan küresel bir yıldız kümesinin HR diyagramı :

(kaynak : TTC - Cosmology)

Samanyolu ve yakın galaksilerdeki yıldız kümeleri incelendiğinde yaşlarının 14 milyar ışık yılına yaklaştığını fakat bu değeri geçmediği gözleniyor. Bu da 13.7 milyar yıl ölçümünü destekleyen bir kanıt oluşturuyor.

Son olarak eklemek istediğim, Hubble sabitinin değerin sonucuna baktığımızda evrenin belirli bölgelerin birbirinden uzaklaşmaları ışık hızını dahi aşmıştır. Fakat bu hiç bir kuralı çiğnemez! Çünkü Einstein'ın özel görelilik kuramıyla gösterdiği şekilde, aynı eylemsizlik referans siteminde (Lorentz frame) bulunan gözlemciler bağıl hızı, ışık hızından fazla ölçemezler. Fakat bu uzayın kendisi için geçerli değildir. Çünkü uzayın genişlemesinden bahsederken galaksilerin ışık hızından hareket edip uzaklaşması değil, galaksiler arasında yeni uzayın oluşup galaksileri daha uzağa sürüklemesinden bahsediyoruz. Bu durumda geçerli olan özel görelilik değil ışık hızının üstüne rahatlıkla çıkabileceğimiz yüksek gravitasyonel potansiyele sahip alana giriyoruz, yani Genel Göreliliğin alanına. Bunun sonucunda yerel bir gözlemciye göre hızı ışık hızını aşmadıkça Eisntein'a göre bir problem yok. Bununla ilgili güzel bir tartışmaya bu bağlantıdan erişebilirsiniz.