LISA: Devrim Yaratan Yerçekimi Dalgası Gözlemevi Neleri Keşfedecek?
Önümüzdeki on yılda fırlatılması planlanan 1,6 milyar dolarlık kütleçekim dalgası gözlemevi LISA, kütleçekim dalgalarına bakış açımızı kökten değiştirecek. Bu dalgalar, ilk olarak bir yüzyıldan uzun bir süre önce öngörülmüş, ancak sadece sekiz yıl önce tespit edilmiştir.
Sonbaharda LISA’nın tasarımı ve uzaya çıkacak bu futuristik aracın üstesinden gelinmesi gereken mühendislik zorluklarını derinlemesine inceledik. Şimdi, LISA’nın toplayacağı verilerin ne tür bilgiler sağlayacağını ve bu bilgilerin evren anlayışımızı nasıl değiştirebileceğini bilim insanlarına sorduk. Bu bilgilerin kütleçekim dalgalarının kaynaklarından, bu çalkantıların evreni nasıl şekillendirdiğine kadar pek çok konuda iç görü sunabileceğini öğrendik.
LISA: Basit ama hassas
LISA, Lazer İnterferometre Uzay Anteni anlamına gelir ve Güneş etrafında sabit bir üçgen formasyonda dönen üç uzay aracından oluşur. LISA bir interferometredir, yani görevi, kütleçekim dalgalarını lazer interferometri ile ölçmektir. Bu, kütleler arasındaki mesafeleri ölçmek için yaklaşık 8 milyon kilometre uzunluğunda inanılmaz derecede hassas lazer ışınları kullanmayı içerir ve LISA’nın üçgeninin her bir kolu bu uzunluğun yaklaşık 2.5 milyon kilometrelik kısmını oluşturur.
Lazerler önemli, ancak LISA’nın tasarımının yalnızca bir parçasıdırlar; bunlar üç LISA uzay aracının her birinde bulunan üç metal küp arasındaki mesafeleri ölçmek için kullanılan ölçüm çubuklarıdır. Küpler, üzerlerinde etkili olabilecek manyetizmayı en aza indirmek için bir altın-platin alaşımından yapılmıştır. LISA’nın asıl amacı, bu küplere hiçbir şeyin dokunmadan yalnızca uzay-zamanda ve üzerindeki kütleçekim dalgalarında dolaşmaktır.
“Tasarımın arkasındaki temel fikir, bu küpleri fırlatmak,” dedi Amerikan Doğa Tarihi Müzesi’nde astrofizikçi olan Saavik Ford. “Onların orada oturup, üzerlerinde hiçbir kuvvet olmadan uzay-zamanın keyfini çıkarmalarını sağlamak istiyoruz ve zor olan kısmı da bu,” diye ekledi.
“Uzay araçlarını kütleler [altın-platin küpler] düşerken manevra yapmanız gerekiyor, böylece uzay aracı kütlelere çarparak onları bozmadan hareket eder,” dedi Ford devam etti.
LISA’nın karmaşıklığını kavramak açısından Ford’un o dönemdeki yüksek lisans öğrencisi Jake Postiglione bir benzetme yapıyor: Teknik zorluk, New York’tan Los Angeles’a (eğer Dünya düz olsaydı) bir lazer fırlatıp hareket hâlinde olan bir meyve sineğinin gözünü vurmak gibidir.
Ford, mühendislik zorluklarının “akıl almaz” boyutlarda olduğunu söyledi ve ekledi: “Neyse ki bu benim bölümüm değil.”
NASA, LISA’nın lazer sistemi, teleskop sistemleri ve test küplerindeki elektrik yük düzeylerini yönetecek araçlar gibi bazı enstrümanlarını sağlayacak.
Yörüngedeki nesnelerin frekansı, birbirleri etrafında tam bir yörüngeyi ne kadar sıklıkla tamamladıkları ile belirlenir. Kütleçekim dalga dedektörlerimiz çeşitli nedenlerle belirli frekansları algılamakta iyidir, ancak mevcut her dedektörün bir sınırlaması vardır: Dünya’da sıkışıp kalmışlardır.
Uzaydaki eski kara deliklere dair bir kâhin
Kütleçekim dalgası dedektörleri, algıladıkları yörünge frekanslarına göre farklılık gösterir. Yeryüzü dedektörleri LIGO-Virgo-KAGRA İşbirliği gibi yüksek frekansları algılamada harikadır; bu frekanslar, yıldız büyüklüğünde kara delikler gibi daha küçük kütlelere karşılık gelir. Ancak bu kütleler biraz büyüdüğünde—örneğin Güneş’imizin iki yüz katını aşan kütlelerde—onların yörüngesel frekansları, gezegenimizin ürettiği gürültünün benzeri aralıklara denk gelir.
“Temelde Dünya’nın kendisinin çok gürültülü olduğu bir frekans var ki, sorun tamamen yerin kendisi oluyor,” dedi Ford. “Literaly olarak bu yüzden yapamazsınız, uzaya gitmeniz gerekiyor, bir şekilde.”
Uzayda, pulsar zamanlama dizileri, en büyük kara delikler için yararlı bir ölçüm aracı olarak işlev görür, ancak Dünya hala denklemin bir parçası olarak kalır. Bu düzende, Dünya’daki gözlemevleri hızla dönen gök cisimlerinin (pulsarların) sürekli ışık parlamalarını izler; o ışığın Dünya’ya ulaşma süresi hafifçe gecikirse veya hızlanırsa, bu kütleçekim dalgaları tarafından uzay-zamanın gerildiği veya sıkıştırıldığının bir göstergesidir. 2023 yılında bir pulsar zamanlama dizi işbirlikleri grubu pulsar verilerinde bir kütleçekim dalgası arka planının güçlü kanıtlarını buldu.
Pulsar zamanlama dizilerinin gördüğü kara delikler, genellikle Güneş’in kütlesinin milyarlarca katıdır ve dev galaksilerin merkezinde yer alır—bunlar, Milky Way’in merkezindeki kara delik Sagittarius A*’dan bile büyüktür; ki bu kara delik yaklaşık dört milyon Güneş kütlesindedir. Eğer kara delikler yulaf lapası olsaydı, LISA Altın Kız doğru sahneyi yaratırdı. Görev, yeryüzü dedektörlerinde gürültüden ayırt edilemeyen düşük frekanslı kütleçekim dalgalarını hedefleyecek. Bununla birlikte uzay tabanlı gözlemevi aynı zamanda Kilimanjaro gibi süper kütleli kara delik birleşmelerini de tespit edebilir. Diğer astrofiziksel patlamalar ve arka planları gibi kompakt nesne üçüncü çiftlerinin birleşmelerini de tespit edebilir.
Johns Hopkins Üniversitesi’nde teorik fizikçi Emanuele Berti, “Pulsar zamanlama dizileri çok düşük frekanslarda büyük kara delik ikilileri için stokastik arka plan hakkında bilgi veriyor ve LIGO esasen farklı ailelerden gelen yıldız kütleli kompakt nesne birleşmelerinin oranlarına sınırlar koydu,” dedi. “Düşünce biçimi değişti; ancak LISA’daki en ilginç bilim, büyük kara delik çiftlerindeki birleşmeler etrafında toplanacaktır çünkü bu, karada inceleyemeyeceğimiz bir şey.”
Uzayda gürültüden kaçmak
Her ne kadar LISA uzayda Dünya’daki türn gürültülerden uzak olacaksa da – ideal olarak sıfır- gözlemevi kozmik gürültüyle başa çıkmak zorunda kalacak. Evrenin, kara deliklerin daha göze çarpmasını zorlaştıran fakat aynı zamanda kütleçekim dalgaları da yayan nesneleri vardır. Bu kompakt rahatsızlıkların en rahatsız edici olanları beyaz cüce ikilileri’dir: Birbirleri etrafında dönüp, karıştırıcıda dönen çırpıcılar gibi uzay-zamanda dalgalanmalar yaratan eski yıldızların kompakt kabuklarıdır. İkizler çok belirgin olduğunda ise ne oldukları kolayca tanınabilir ve seçilebilir hale gelirler. Bu kozmik çift taraflı kılıç olan “doğrulama ikilileri”, LISA’nın yeteneklerini görev hali alır almaz doğrulamaya yardımcı olacak.
LISA, galaksimizdeki pek çok kaynaktan, NASA’ya göre, simültane olarak gürültü tespit edecek. Bilim insanları, evrenin bilinen nesneler modellerine ve teorilerine göre verileri işleyerek saman arasından buğday kadar olanları seçecekler. LISA’nın fırlatması beklenen ve daha on yıl kadar bir zamanı olan bilim insanları, gerçek veri için hazırlık olarak, sahte veri zorlukları üzerinde çalışmaktadırlar.
Kozmik evrimi izlemek
“Astrofizikte aslında yalnızca iki temel soru vardır; bunlar, ‘buraya nasıl geldik?’ ve ‘yalnız mıyız?’” Ford söyledi. “Her şeyin birazı bu iki sorudan biri ya da her ikisini de yanıtlamak üzerine kuruludur,” diye ekledi.
“Genel olarak kara delikler olayıyla ilgimiz ‘yalnız mıyız?’ sorusu yanında yer almaz,” Ford ekliyor. “Ancak, ‘buraya nasıl geldik?’ sorusu bu kara delikleri anlamak için oldukça önemlidir.”
Yıldızların doğumu, yaşamı ve ölümü ile bu nükleer füzyon fırınlarının elementlerin üretilmesindeki rolünü anlamak, kara deliklerin varlığına sıkı sıkıya bağlıdır. Dahası; galaksiler tarafından oluşturulan yıldız türleri ve bu yıldızların gelişim şekilleri, o galaksilerin çekirdeğindeki kara deliklerin kütlesi ve davranışıyla ilişkili olabilir. Kara delikler dağınık yiyicilerdir; sık sık yıldız materyalini etrafa saçarlar ve bu konuda evrenin gelişiminde aktif katılımcı olurlar.
Webb Uzay Teleskopu’nun Küçük Kırmızı Noktaların gözlemleri, bu ışık toplarını evren, 600 milyon ila 1,5 milyar yaşlarındayken mevcut halleriyle gördüklerinde belirledi. Her ne kadar son araştırmalar, noktaların erken evrendeki daha önce örtülü kara delik gelişiminin işaretleri olduğunu gösterse de—ve kozmolojik modeller “kırılmamış”—LISA gözlemleri, gizemli ışık kaynaklarının tam doğasını ortaya çıkarmaya yardımcı olacaktır.
LISA, kara deliklerin çalkalanmasını gözlemleyerek evrende bulunan kompakt nesnelerin dizisini daha iyi tanımlayacak. Bu bilgiler, mevcut kozmolojik modellere ve Einstein’ın genel göreliliği gibi baskın teorilere uygulanabilir. Burada konuşuyor olmamız yer olduğundan dolayı, yüzey düzeyinde (yer açısından konuşuyoruz ya) bu tür veriler, evren hakkındaki fikirler için etkileyici bir stres testi olarak hizmet verecek; bunlardan biri, LIGO’nun 2015 yılında ilk kütleçekim dalgalarını tespit etmesiyle ünlendi. Uzay-zamanın karanlık dünyasında bilinmeyen pek çok bilgi var, ancak LISA bilim adamları, evrenin en temel gizemlerinden bazılarına dair perdeyi aralayabilmek için kararlılar—hele ki sadece biraz da olsa.
