Illinois ve Chicago'lu Fizikçiler Kozmik Genişlemeyi Ölçmek İçin Yeni Bir Yöntem Geliştirdi

Amerika Birleşik Devletleri - Ekhbary Haber Ajansı

Illinois ve Chicago'lu Fizikçiler Kozmik Genişlemeyi Ölçmek İçin Yeni Bir Yöntem Geliştirdi

Yaklaşık bir asırdır bilim camiası, evrenin sürekli bir genişleme durumunda olduğunu anlamıştır. Bu olgu, öncü bilim insanlarının temel çalışmalarının bir kanıtı olarak, artık yaygın olarak Hubble Sabiti veya Hubble-Lemaitre Sabiti olarak bilinmektedir. Mevcut kozmolojik araştırmalar, bu genişleme hızını ölçmek için öncelikle iki farklı metodoloji kullanmaktadır: Kozmik Mikrodalga Arka Planı (CMB) ve Kozmik Mesafe Merdiveni.

CMB yöntemi, Büyük Patlama'dan kalan kalıntı radyasyonun kırmızıya kayma ölçümlerinden yararlanır. Buna karşılık, Kozmik Mesafe Merdiveni, genellikle "standart mumlar" olarak adlandırılan değişen yıldızlar ve süpernovalar gibi gök cisimlerinden elde edilen paralaks ve kırmızıya kayma ölçümlerine dayanır. Ancak, kalıcı bir zorluk ortaya çıkmıştır: bu iki ana yöntem çelişkili sonuçlar vermektedir. Bu tutarsızlık "Hubble Gerginliği" (Hubble Tension) olarak bilinmektedir. Bu fark, bugün kozmologların karşı karşıya olduğu en önemli ve anlaşılmaz gizemlerden birini temsil etmektedir.

Neyse ki, gelişmekte olan araştırmalar, bu gerginliği çözmek ve Kozmolojinin Standart Modelini güçlendirmek için umut verici yollar sunmaktadır. Önemli bir son çalışmada, Illinois Üniversitesi ve Chicago Üniversitesi'nden astrofizikçiler, kozmologlar ve fizikçilerden oluşan multidisipliner bir ekip, evrenin genişlemesini anlamamızı iyileştirmek için uzay-zamandaki ince dalgalanmaları, yani yerçekimi dalgalarını (GWs) kullanan yenilikçi yeni bir yöntem önermiştir.

Araştırmanın öncülüğünü, Illinois Üniversitesi Urbana-Champaign'deki Yerçekimi ve Kozmos Enstitüsü (IGC) ile bağlantılı Ulusal Bilim Vakfı (NSF) mezun araştırma görevlisi Bryce Cousins yapmıştır. Kendisi, IGC'den çok sayıda meslektaşının yanı sıra Kavli Kozmolojik Fizik Enstitüsü ve Chicago Üniversitesi Enrico Fermi Enstitüsü'nden araştırmacılarla yakın işbirliği içinde çalışmıştır. "Stochastic Siren: Astrophysical gravitational-wave background measurements of the Hubble constant" başlıklı temel çalışmaları, 16 Ocak'ta prestijli Physical Review Letters dergisinde yayınlanmıştır.

Hubble Gerginliğini çözmeye çalışan bilim insanları, çeşitli teorik çözümleri araştırmışlardır. Bunlar, Erken Karanlık Enerji (EDE) ve Karanlık Madde (DM) ile nötrinolar arasındaki etkileşimleri içeren hipotezlerden, gelişen karanlık enerji dinamiklerinin karmaşık modellerine kadar uzanmaktadır. Son yıllarda, yerçekimi dalgalarının tespiti, kozmik genişlemeyi ölçmek için bağımsız bir araç sunarak Hubble Gerginliği sorununa çözüm getiren güçlü bir araç olarak ortaya çıkmıştır.

Albert Einstein'ın Genel Görelilik Teorisi ile ilk kez öngörülen yerçekimi dalgaları, uzay-zaman dokusundaki temel olarak pertürbasyonlardır. Nötron yıldızları ve kara delikler gibi kütleli nesnelerin birleşmesi gibi katastrofik kozmik olaylar tarafından üretilirler. Bu dalgaların ilk doğrudan doğrulaması, Lazer İnterferometre Yerçekimi Dalga Gözlemevi'ni (LIGO) işleten bilim insanları tarafından 2016 yılında yapılmıştır. Enstrümantasyondaki önemli gelişmeler ve sağlam uluslararası işbirliği sayesinde, LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) ağı başarıyla 300'den fazla yerçekimi dalgası olayını tespit etmiştir.

Bu tespitler, bilim insanlarının kozmolojik olguları incelemelerine ve evrenin genişleme ölçümlerini iyileştirmelerine olanak tanıyarak astronomide yeni ufuklar açmıştır. Mevcut araştırma, bu ölçümleri iyileştirmek için yeni bir yol tanımlayarak bu ilerlemenin üzerine inşa edilmektedir. Ekip, mevcut LVK ağı tarafından bireysel olarak tespit edilemeyecek kadar zayıf olan astrofiziksel çarpışmalardan kaynaklanan sürekli bir yerçekimi dalgası uğultusu olan "yerçekimi dalgası arka planını" (GWB) kullanmayı önermektedir.

Bu yenilikçi yaklaşıma "stokastik standart siren" yöntemi adı verilmektedir. Adı, GWB'ye katkıda bulunan sayısız astrofiziksel çarpışmanın stokastik, yani rastgele doğasından gelmektedir. Chicago Üniversitesi profesörü ve çalışmanın ortak yazarlarından Daniel Holz, Illinois Üniversitesi'nin basın açıklamasında bu gelişmenin önemini vurgulamıştır: "Her gün yeni bir kozmoloji aracı icat etmezsiniz. Uzak galaksilerdeki kara deliklerin birleşmesinden kaynaklanan yerçekimi dalgası arka plan uğultusunu kullanarak, evrenin yaşı ve bileşimi hakkında bilgi edinebileceğimizi gösteriyoruz. Bu heyecan verici ve tamamen yeni bir yön ve Hubble sabitini ve diğer önemli kozmolojik nicelikleri sınırlamaya yardımcı olmak için gelecekteki veri kümelerine yöntemlerimizi uygulamayı dört gözle bekliyoruz."

Bir kavram kanıtı olarak araştırmacılar, metodolojilerini LVK İşbirliği'nden elde edilen mevcut verilere uyguladılar. Analizleri, GWB'nin mevcut tespit edilememesinin, yavaş kozmik genişleme oranlarını öngören modellere karşı ikna edici kanıtlar sağladığını ortaya koymuştur. Daha sonra, daha doğru bir genişleme oranı elde etmek için stokastik siren yöntemlerini, bireysel kara delik birleşme olaylarından türetilen Hubble Sabiti ölçümleriyle entegre ettiler.

Cousins, "Bireysel kara delik çarpışmalarını gözlemlediğimiz için, bu çarpışmaların Evren boyunca gerçekleşme oranlarını belirleyebiliriz" dedi. "Bu oranlara dayanarak, gözlemleyemediğimiz çok daha fazla olay olmasını bekliyoruz, ki bu da yerçekimi dalgası arka planı olarak adlandırılır." Bu içgörü, Hubble Sabiti'nin daha düşük olması durumunda, bu çarpışmaların gerçekleştiği uzay hacminin daha küçük olacağını, bunun da daha yüksek çarpışma yoğunluğu ve daha güçlü bir GWB sinyali anlamına geleceğini, potansiyel olarak mevcut enstrümanların tespit aralığında olacağını öne sürmektedir.

Illinois Evren İleri Araştırmalar Merkezi'nin (ICASU) kurucu direktörü ve ortak yazar Nicolás Yunes, bu bağımsız ölçümün önemini vurguladı: "Bu sonuç çok önemlidir – mevcut Hubble gerginliğini çözmek için Hubble sabitinin bağımsız bir ölçümünü elde etmek önemlidir. Yöntemimiz, yerçekimi dalgalarını kullanarak Hubble sabiti çıkarımlarının doğruluğunu artırmak için yenilikçi bir yoldur."

LVK ağının hassasiyetindeki planlanan yükseltmelerle, bilim insanları önümüzdeki altı yıl içinde GWB'nin potansiyel olarak tespit edilmesini bekliyorlar. Bu gerçekleşirse, ekibin stokastik siren yönteminin Hubble Sabiti ölçümlerini daha da iyileştirmesi beklenmektedir. Bu arada, yöntem, Hubble Sabiti'nin daha yüksek olası değerlerini sınırlamak için kullanılabilir, böylece GWB için üst sınırlar belirleyerek doğrudan tespit mümkün olmadan önce ön çalışmalar yapılmasına olanak tanır.

Cousins, "Hassasiyeti artırmaya, yerçekimi dalgası arka planını daha iyi sınırlamaya ve hatta belki de tespit etmeye devam ettikçe, bunun gelecekte bu yöntemin uygulanması için yol açması gerekir" dedi. "Bu bilgiyi dahil ederek, daha iyi kozmolojik sonuçlar elde etmeyi ve Hubble gerginliğini çözmeye daha yakın olmayı bekliyoruz."

Ekhbary Haber Ajansı