Fizikçiler, evrenin genişleme hızını ölçmek için yepyeni bir yöntem geliştirmiş olabilir. Bu yöntem, kozmolojinin en büyük gizemlerinden birini çözme potansiyeli taşıyor ve Einstein'ın öngördüğü uzay-zaman dalgalarını kullanıyor.
Yeni bir çalışma, evrenin dört bir yanındaki sayısız kara delik çarpışmasının oluşturduğu zayıf kütle çekim dalgası arka planının, uzayın ne kadar hızlı genişlediğini bağımsız olarak ölçmek için kullanılabileceğini öne sürüyor. Bu arka plan 'vızıltısı' doğrudan tespit edilemese bile, araştırmacılar bunun zaten Hubble sabiti - modern kozmolojinin en büyük bulmacalarının merkezindeki temel bir nicelik - üzerinde sınırlamalar getirdiğini gösteriyor.
Bu durumun doğrulanması halinde, teknik evrenin doğasını açıklamak için yeni fiziğe ihtiyacımız olup olmadığı tartışmasını sonlandırabilir.
Hubble Sabiti İçin Bağımsız Bir Test
Hubble sabiti ile ifade edilen evrenin genişleme hızı, son yıllarda yoğun tartışmaların odağı haline geldi. Erken evrene dayanan ölçümler, örneğin Büyük Patlama'dan (kozmik mikrodalga arka planı olarak bilinen) kalan radyasyondan çıkarılanlar, daha yakındaki nesnelerden - titreyen süpernovalar ve galaksiler - türetilen ölçümlerle çelişiyor. Hubble gerilimi olarak bilinen bu tutarsızlık, artık yüksek istatistiksel anlamlılığa ulaştı.
Bu konuya dahil olmayan Yale Üniversitesi'nde fizik profesörü olan Chiara Mingarelli, konuyla ilgili yaptığı açıklamada, "Hubble gerilimi, kozmolojinin en önemli açık sorunlarından biridir" dedi. "Erken evren ve geç evren genişleme hızı ölçümleri 5 sigma'dan fazla [fizikte istatistiksel anlamlılığın 'altın standardı'] bir farkla tutarsız ve nedenini bilmiyoruz. Ya tanımlanamayan sistematik bir hata var ya da yeni bir fizik söz konusu. Genişleme hızının herhangi bir gerçekten bağımsız ölçümü son derece değerlidir."
Physical Review Letters dergisinde yayımlanmaya kabul edilen ve ön baskı olarak erişilebilen yeni araştırma, neredeyse tamamen kütleçekimsel dalgalara - Einstein'ın genel görelilik teorisinin öngördüğü uzay-zaman dokusundaki ince dalgalanmalara - dayanan böyle bağımsız bir yöntem öneriyor.
Çalışmanın ortak yazarlarından ve Illinois Urbana-Champaign Üniversitesi'nde astrofizik profesörü olan Nicolás Yunes, "Bu sonuç çok önemli" dedi. "Yöntemimiz, kütleçekimsel dalgaları kullanarak Hubble sabiti çıkarımlarının doğruluğunu artırmak için yenilikçi bir yol."
Kara Deliklerin Arka Plan Vızıltısını Dinlemek
2015'ten bu yana, Lazer İnterferometre Kütleçekimsel Dalga Gözlemevi (LIGO), Virgo interferometresi ve Kamioka Kütleçekimsel Dalga Dedektörü (KAGRA) gibi dedektörler, kütleçekimsel dalgalar aracılığıyla onlarca bireysel kara delik çarpışmasını gözlemledi. Her çarpışma, ilgili kara deliklerin kütleleri ve Dünya'dan uzaklıkları hakkında bilgi sağlıyor.
Çalışmanın baş yazarı ve Illinois Urbana-Champaign Üniversitesi'nden lisansüstü öğrencisi Bryce Cousins, "Bireysel kara delik çarpışmalarını gözlemlediğimiz için, bu çarpışmaların evren boyunca meydana gelme oranlarını belirleyebiliriz" dedi. "Bu oranlara dayanarak, gözlemleyemeyeceğimiz daha birçok olay olduğunu bekliyoruz, buna kütleçekimsel dalga arka planı deniyor." Bu kütleçekimsel dalga arka planı, bazen stokastik (veya rastgele) bir sinyal olarak tanımlanır; sayısız uzak çarpışmanın zayıf, kolektif etkisidir. Genel gücü, evrenin ne kadar hızlı genişlediğine bağlıdır. Daha yavaş bir genişleme, daha büyük kozmik hacimler ve dolayısıyla arka plana daha fazla çarpışma katkısı anlamına gelir.
Mingarelli, "Bu akıllıca bir fikir" diye ekliyor. "Kolektif olarak tespit edilemeyecek kadar zayıf olan uzak kara delik çarpışmalarının toplam sesi olan kütleçekimsel dalga arka planı, genişleme hızına bağlıdır. Daha yavaş bir genişleme, daha büyük hacimler, daha fazla çarpışma ve daha gür bir arka plan anlamına gelir. Dolayısıyla, bu arka planın tespit edilmemesi bile Hubble sabitinin düşük değerlerini dışlıyor."
Mevcut kütleçekimsel dalga dedektör verilerini kullanan ekip, tespit edilen bir arka planın yokluğunun zaten Hubble sabitinin bazı düşük değerlerini dışladığını gösterdi. Mevcut kısıtlamalar geniş olsa da, yöntem kozmolojik çıkarımlar için yeni bir çerçeve oluşturuyor.
Kozmoloji İçin Yeni Bir Araç
Bu yaklaşım, bireysel kütleçekimsel dalga olaylarının mesafe işaretçileri olarak işlev gördüğü "standart sirenler" kavramına dayanıyor. Ancak yeni yöntem, tekil parlak olaylara güvenmek yerine, çözülmemiş tüm çarpışan kara delik popülasyonundan yararlanıyor.
Chicago Üniversitesi'nde fizik ve astronomi profesörü olan çalışmanın ortak yazarlarından Daniel Holz, "Her gün kozmoloji için tamamen yeni bir araç ortaya çıkmıyor" dedi. "Uzak galaksilerdeki çarpışan kara deliklerden gelen arka plan kütleçekimsel dalga vızıltısını kullanarak evrenin yaşı ve bileşimi hakkında bilgi edinebileceğimizi gösteriyoruz.
Holz, "Bu heyecan verici ve tamamen yeni bir yön ve Hubble sabitini ve diğer temel kozmolojik nicelikleri sınırlamaya yardımcı olmak için yöntemlerimizi gelecekteki veri kümelerine uygulamayı dört gözle bekliyoruz" diye ekledi.
Yeni yöntem umut vaat etse de, Mingarelli mevcut sınırlamaların da altını çizdi. "Temel gücü, bunun neredeyse tamamen kütleçekimsel dalga tabanlı bir ölçüm olmasıdır - elektromanyetik mesafe merdiveni ve kozmik mikrodalga arka planından bağımsızdır" dedi. "Sınırlama, belirsizliklerin hala büyük olması ve sonucun varsayılan kara delik popülasyon modeline dayanmasıdır. Ancak yazarlar bu konuda açık davranıyor ve seçimlerinin muhafazakar olduğunu gösteriyor."
Geleceğe bakıldığında, dedektör yükseltmelerinin kütleçekimsel dalga arka planına hassasiyeti önemli ölçüde artırması bekleniyor.
Mingarelli, "Planlanan dedektör yükseltmeleriyle, arka plan birkaç yıl içinde tespit edilmeli ve bu da onu bir alt sınırdan gerçek bir ölçüme dönüştürmeli" dedi.
Başarılı olması halinde, bu stokastik siren yöntemi, evrenin genişleme tarihini incelemek ve Hubble geriliminin yeni fiziği mi yoksa mevcut ölçümlerdeki gizli sistematik hataları mı işaret ettiğini araştırmak için güçlü bir yeni araç haline gelebilir.
