EVREN VE BİZ
Doç. Dr. Osman DEMİRCAN*
Evrenbilimde de diğer bilim dallarında oldu-ğu gibi, biriken gözlemsel sonuçları sağlayan modeller kurulur. Fizik yasalarına dayalı olan bu kuramsal modellerden çıkartılan yeni sonuçlar, gözlemlerle denetlenir. Yeni gözlemler yeni modellerin kurulmasını, yeni modeller de yeni gözlemlerin yapılmasını öngörür ve ilgili bilim dalında daha doğru bilgiye bu yolla ulaşılır. Evrenbilimde önceki yazımızda da belirttiğimiz gibi, ne gözlemler istendiği gibi duyarlı, ne de fiziksel yasalar bu gözlemleri doğru yorumlayacak kadar gerçekdir. Çünkü evrenbilimde, kütle sıcaklık, boyut, yoğunluk ve zamanın en uç noktalarında çalışılır. Bu nedenle, her zaman eksik olan evnn bilgimiz, zamanla daha gerçeğe doğru sürekli yemlenmektedir. Bu yazımızda, evren bilgimize dayalı evren modellerinin tarih boyunca evrimi kısaca sergilenecek ve özellikle bugün doğruluğuna inanılan, genişleyen evren modelleri üzerinde durulacaktır.
Zamanla, evrenbilimin gelişimi, dört döneme ayrılabilir: (i) Eski Yunan’da lyonya ve Pisagor okulları kurulmadan önceki dönem (II) Eski Yu-nan’da klasik filozoflar dönemine ortaçağın sonuna kadar süren dönem, (iii) Ortaçağın sonundan 1916’ya kadar süren dönem ve (iv) 1916’-da genel görecelik kuramının ortaya atılışından sonraki dönem.
İlk dönemde, daha*çok Babilliler tarafından geliştirilen evren bilgisi, insanların varoluşuyla ilgili dini görüşlere dayalıydı ve bilimsel hiçbir dayanağı yoktu. İkinci dönemde evren bilgisi, matematiksel ve fiziksel temellere oturtulmuş filozofik görüşlerden ibarettir. Plato, Aristo ve Batlamyus gibi filozofların geliştirdiği bilgi, özellikle ilk zamanlar gözlemlerle denetlenememiş-tir. Bu dönemin inanılan evren modeli, Dünya merkezli, hemen Satürn gezegeni ötesinde son bulan, sonlu ve yıldızlardan başka, bilinen yedi
* OOTJ, Fizik Bölümü.
BİLİM ve TEKNİK Ocak 1985
EVREN MODELLERİ
gökcisminin oluşturduğu yedi katlı bir evrendir.
Üçüncü dönemin ilk yarısında kabul edilen Güneş merkezli ve önceki dönemde olduğu gibi, çok küçük boyutlu, sınırlı evren kavramı, gözlemlerin duyarlılığı ve teleskopların gelişimine bağlı olarak artıkça, zamanla yerini, Güneş’in ve hatta gökadamız Samanyolu’nun merkezde olmadığı, Samanyolu gibi çok sayıda gökadayı içeren oldukça büyük ve durağan bir evren modeline bırakmıştır. Bu dönemde inanılan evren modellerinin oluşturulmasında, Kopernik, New-ton, Kant ve Merschel gibi astronomlar en önemli rolü oynamışlardır. Her şeye karşın, evren bilgisi üretilirken bu dönemde de mistik düşüncenin etkisinde kalınmıştır. Örneğin, İngiltere’de din adamı James Ussher 1658 yılında evrenin oluşum tarihini İncile dayanarak- milattan önce 4004 yılı olarak belirlemiştir. Yine örneğin aynı görüşü paylaşan ve zamanın Cambridge Üniversitesi rektör yardımcısı John Lightfoot Adem’in dünyaya geliş zamanının, yine dini kaynaklardan, milattan önce 4004 yılı, 23 Ekim Pazar sabahı, Greenvvich ortalama zamanıyla saat tam 9.00 olduğunu belirlemiştir. Asıl önemlisi Isaac Nevvton bile, mistik düşüncenin etkisiyle, 1723 yılında James Ussher’ih iddia ettiği evrenin oluşum tarihi (MÖ 4004) ’ ni olduğu gibi kabul etmiş ve kendi bulduğu çekim kuvvetinin etkisiyle evrenin çökmesi gerektiğini kabul edemeyip, sonlu, küçük, durağan ve yaşı sadece 5.732 yıl olan bir evren modeline inanmıştır. Diğer taraftan, bu yanlış inanışın yanında Nevvton. çekim kuvveti üzerine yaptığı çalışmalarla evrenbilimin gelişimine çok büyük bir katkıda bulunmuştur.
1916’da Einstein, genel görecelik kuramını geliştirildikten hemen sonra, yeni relativistik çekim kuvvetini evrenbilim için uyguladı. Bunun için bazı kabuller yapılmıştı: (İ) Evrenin bizim içinde bulunduğumuz bölgesi özel değildir. Evrenin her köşesi birbirine benzer; yani yıldızlar, gaz ve toz bulutlarından oluşmuş gökadala’- ve bir sürü gökadadan oluşan gökada grupları. Evrende madde dağılımı büyük ölçekler için homojendir,
(ii) Evren sadece üç boyutlu uzayda değil; fakat dördüncü boyut olan zamanın tüm değerleri için de homojenliğini korur; yani herhangi bir t anında, evrende büyük ölçekli madde dağılımı homojendir. Bu nedenle, ışık hızı sabit olduğu için evrenin uzak bölgelerine baktığımızda, oraların
ji’mkii durumunu değil, geçmişteki durumunu ürüz. Burada söylenmek istenen, aslında evin durumunun (örneğin herhangi bir yerde mad-yogunlugunuıı) zamana bağlı olduğu; fakat ho-/eniklik ve izotropiklik özelliklerinin zamana )11 olmadığıdır, Einstein durağan evren kavraca. evrenin durumunun da zamana bağlı olmalını kabul etmiştir, (iü) Fizik yasaları evrenin ‘ yerinde olduğu gibi geçerlidir. Evren modelinin oluşturulmasında, bu kabuller bugün de jılınektadır Öyleyse hemen belirtelim, geliş-len modellerin doğruluğu, baştan temel aiı-ı bu kabullerin doğruluğuna bağlıdır. Einste-n uygulaması sonunda, genel göreceliği alan ıklemleri gösterdi ki, evrendeki madde, çe-ısel olarak bir merkeze doğru çökmelidir Bu lemde, evrenin genişlediğini gösteren göz-nler henüz yapılmamıştı ve evrenin genişledi-bilinmiyordu Einstein, Nevvton’un etkisinde arak durağan bir evrenin varlığına inandığın-ı, alan denklemlerine birer terim ekleyerek ları, durağan evren modelini verecek biçimde zeltti. Bu düzeltmeyle, uzak gökcisimleri ara-ıda çekimset gücü dengeleyen bir itme giicii-n varlığı ileri sürülmüş oluyordu. Einstein. 3tığı bu düzeltmeyle yaşamının en büyük yağısını yaptığını sonradan krbul etmiştir. Eins-ıı’in alan denklemlerinde yaptığı düzeltmeyle rlığı kabul edilen itme gücünün krpalı ve du jsn bir evren oluşturabilmesi için, cisimler ara ıdaki uzaklıkla doğru orantılı olarak artması rekiyordu ki. bu, bilinen tüm fizik kurallarına kırıydı. Einstein’in böyle bir zorlamayla oluş–duğu sonlu, durağan, kapalı ve küresel ya-Jeki evren modeli, kırmızıya kayma gözlemeni açıklayamamakta ve öncelikle boyut ola-k çok küçük kalmaktadır.
Hemen hemen Einstein’le aynı yıllarda Wil-ın de Sitter, alan denklemlerinin çözümünden usuz boyutlu bir evren modeli oluşturmuş; fa-t model, evrende hiç madde olmamasını ge-ktirdiğinden tuturımamıştır.
1920’lerde Rus matematikçi Alexander Fried-?nn. Einstein’in yanılgısını anlamış ve düzelt-
me yapmaksızın, Einstein alan deklomluriııdoıı lll< dinamik (zamanla değişen) evren modelini oluş turmuştur. Yine bu yıllarda, Slipher’in bizden uzaklaşan gökada gözlemlerinden haberi olan Belçikalı evrenbilimci Lemaître. Friedmann’ın modelini daha da geliştirerek ilk, ayrıntılı, genişleyen evren modelini kurmuştur. Genişleme bir ilk patlamayla çekim gücünün yenilip, maddenin saçılması olarak algılanmıştır. Yani, evrenin genişlemesinin, bir büyük patlamayla başladığı öngörülmüştür.
Büyük patlama hipotezi, evrenin sonlu yaş t;, olmasını gerektirir. Bu. büyük patlamadan sonra geçen zamandır. Hubble sabitiyle ilgili olan bu değeri gözlemlerin duyarlığı arttıkça farklı bulunmuş ve farklı modellerde farklı değerler ka bul edilmiştir. İlk Lamaitre modelinin yaşı, gözlemsel Hubble sabitinin gerektirdiği evren yaşından çok büyük bulunmuştu.
Burada şunu da belirtelim ki, aslında kararsız olan Einstein evren modelinde uygun bir etki onu, gözlemsel olarak kanıtlamış olan, genişleyen evren modeli Friedmann-Lemaitre modeline dönüştürür. Bu da sürekli genişleme sonucu, de Sitter modeline ulaşır Buradan anlıyoruz ki, Einstein modeli evrenin başlangıcını, de Sitter modeli de, sürekli genişleme devam ederse, sonunu temsil etmektedir. Başka bir deyişle, başlangıçta Einstein’in düşündüğü gibi olan evren sürekli genişlerse, de Sitter’in düşündüğü gibi olacaktır.
Genel görecelik kuramı ışığında elde edilen dinamik Friedmann-Lemaitre evren modelleri, üç ayrı özellikli evren modeli oluşturur; Bunlar (i) hiperbolik (açık) (ii) Öklidiyen ve
(iii) genişleyip-büzülen (kapalı) evren modelleridir. Hiperbolik modelde büyük patlamayla başlayan genişleme, zamanla doğru orantılı olarak hin değişmeden sonsuza dek devam eder. Bunun için evrendeki toplam maddenin, genişlemeyi durduracak ölçüde çekim gücüne sahip olmaması gerekir. Evren genişledikçe galaksiler arası uzaklıklar artar ve madde yoğunluğu düşer. Işık hızı sonlu olduğu ve evrenin genişleme hızı uzak-
Relativislik evren modelleri
Adı Yaşı (H-50 için) Ort. Yoğunluğu (H- 50 İçlıı)
1 — Hiperbolik (açık) T,<13.3 milyar yıl <5 X 10l0 gr/cmJ
2 — Öklidiyen (basık) 13.3 T, 20 ” ” = 5 X lÖ’°
3 — Genişleyip – bü/.iilcn
(kapalı) T,= 13.3 ” ” 5 X IÖ’°
4 — de Sitter (boş) T = 19.5 ” ~0
tıkla orantılı olarak attıyı İçin, bir sınırın ötesin ıjekl gökcisimlerini (ne kadar enerji yayarlarsa yaysınlar) göremeyiz. Bu sınır görünür evreni belirler; lakat bu evrenin sınırı değildir. Evrenin merkezi lıer yerde; fakat sınırı hiçbir yerdedir
Öklidiyen modelde genişleme, zamanın 2/3’-iiııcii kuvvetiyle doğru orantılı olarak, daha yavaş devam eder. Fakat genişleme, ancak evrenin ortalama yoğunluğu sıfıra gittiğinde durur, içinde bulunduğumuz evren Öklidiyen ise, başlangıçtaki sonsuz yoğunluktan bugün tahmin edilen ~ 6×1ü”30 gr/cnrr yoğunluğu düşünceye kadar 18 milyar yıl (Hubble sabitinin 55 değeri için) geçmiştir.
Genişleyip-büzülen evren modeline göre evren, sonsuz zaman içinde, sabit zaman aralıklarıyla, ard arda genişleme-büzülme hareketleri yapar. Bu modele göre evrenin maksimum çapı, içerdiği maddeye bağlı olarak sonlu bir değerdir. İçinde bulunduğunuz evren böyle bir evrense, genişleme-büzülme çevrimi 100 milyar yıl kadar tahmin edilmektedir. Bazı evrenbilimcilere göre böyle bir evren, •♦birbirini izleyen çevrimlerde fiziksel olarak aynı yapıda olmayabilir.
Bir roket Dünya’dan, bir kritik hızın (11.2 Km/sn) altında ilk hızla atılırsa, bir müddet yol aldıktan sonra yerçekimi etkisiyle yavaşlar ve dünyaya düşer. Bu kritik hızla veya daha yüksek bir hızla atıldığında, yerçekimi roketi geri getirmeye yetmez ve roket Yer’den kurtularak boşluğa gidebilir. Aynı şekilde, büyük patlamayla genişlemeye başlayan madde miktarı yeterince fazlaysa, genişleme bir yerde yavaşlayıp, sonra büzülme olayı başlayacak, eğer çekim gücü genişlemeyi durduramazsa, evren sürekli genişleyecektir Açık ve kapalı evren modelleri arasındaki kritik çözüm ise öklidiyen modeli oluşturmaktadır. Evrenin genişlemesi tüm doğrultularda yarıçapa göre simetrik ve eş hız yüzeyleri aynı merkezli küreler oluşturacak biçimdedir. Bu bakımdan, genişleme tek parametreyle ifade edı lebilir ve bu parametre, herhangi iki gökada kümesi arasındaki uzaklık olarak alınabilir. R ile gösterilen bu parametrenin zamanla değişimi bize, evrenin geçmiş ve geleceği hakkında aradığımız bilgiyi verir. Ancak R parametresinin zampnla değişimi, Hubble sabitine ve evrenin İçerdiği madde miktarına bağlıdır Yukarıda sözünü ettiğimiz evren modelleri için R’genişleme parametresinin değişimi şekilde gösterilmiştir
Evrende maddenin varlığı, ışığın yolunu doğru olmaktan çıkarır. Yoğunluğu yüksek olan ev-
»«n/lfl ıcı/nn »mlıı l/annlı Kir n/irlHir RÖVİn hir RV
Bugün Zaman
J ! RELATİVİSTİK ^ ! EVREN MODELLERİ
T değerli, ilgili modellere göre evrenin yaşını (büyük patlamadan bugüne kadar geçen zamanı) göstermekledir. En üstteki eğri, genişlediği halde yoğunluğu değişmeyen bir evren modeline ilişkindir.
rende, iki paralel ışık demeti, yol aldıkça biıbı rine yaklaşır. Bu evren kapalı evrendir Açık ev rende ise iki paralel ışık demeti, yol aldıkça bir birinden uzaklaşır.
Peki, genişlediği gözlemsel olarak kanıtlan mış olan içinde yaşadığımız evren, yukarıdaki modellerden hangisine uyuyor dersiniz? Yaııı evren genişlemesine ne kadar devam edecek, bıı yerde genişleme durup, yine büzülmeye mi başlayacak? İşte bu sorun, evrenbilimin çözme ye uğraştığı en önemli bir sorundur ve bıı mu kale yazıldığı sırada kesin yargı henüz bilinme inektedir.
Aslında kesin yargı için, evrendeki çekim kuvvetini tahmin etmek yeterlidir Bunun için toplam kütlenin, en azından görünen evrenin içerdiği kütlenin bilinmesi gereklidir. Galaksi sayımından bulunan ortalama evren yoğunluğu 10 10 gr/cm3’ten az, belki de 10″3’ gr/cm3’e yakın bir değerdir. Bu yoğunluk ise genişlemeyi durduracak büyüklükte değildir. Diğer taraftan, gaz toz ha Ündeki gökadalar arası maddenin ve gökadalar daki yıldızlararası maddenin, hatta ışınım yap mayan karadelik gibi çökmüş cisimlerin toplam kütleye etkisi dikkate alınmıştır. Bazı evrenbilim çilere göre, bu görünmeyen kütle, görünenin on katı kadardır. Hesaplara göre, görünen kütle boş kat daha biivük olsa. bu. evrenin genişlemesini
Astronomlar, Samanyolu nun merkezinin radyo ışınımı görüntüsünü veren bu resmin üst kısmındaki çizgilerin, manyetik alanın varlısını belirlediğine inanıyorlar. İpliklerin galaksi düzlemine dikliği beyaz çizgi ile gösterilmiş olup, galaksinin tam merkezi alttaki geniş alandır.
te ve 130 ışık yılı uzunluktaki, görünüşe göre yüklü gaz partiküllerinden oluşan iplikler, manyetik alan çizgilerini çevreliyorlar. Astronomlar, iyi düzenli bir manyetik alanın dışında başka hiçbir şeyin, yıldızlararası gazı, böyle
uzun, kesiksiz ve paralel çizgiler halinde düzenlemiş olamayacağını söylüyorlar. Daha da ötesi yaydan yayılan radyo ışınımının türü, manyetik alan çizgileri tarafından yakalanan iyonların yaydıklarının tipik öcneği.
SAMANYOLU’NUN MANYETİK KALBİ
Galaksimiz Samanyolu’nun merkezindeki yıldız oluşumlarını gözlemlemeye çalışan üç astronom, bu bölgede yıldız oluşumu yerine, iyonize gazlardan oluşan çizgilerin meydana getirdiği dev bir yay buldular. Daha önce gözlenen herhangi bir şeye benzemeyen bu ilginç yapı, Samanyolu’nun kalbinde oldukça düzenli, muazzam bir manyetik alanın varlığını ortaya koyabilecek. Bilim a-damlarımn şimdiye kadar ki inançları, galaksi merkezlerindeki manyetik alanın göreceli olarak zayıf ve yapı-laşmamış olduğu yolundaydı.
ABD’de iki ayrı üniversiteden üç araştırmacının radyo teleskopla elde ettikleri galaksi merkezinin radyo ışınım görüntüleri, yedi, sekiz iyonize gaz demetinden oluşan kümenin, galaksi düzlemine dik olarak kademeli yay biçiminde yükseldiğini ortaya koyuyor. Her biri, yaklaşık 5 ışık yılı genişlik-
lurdurmaya yetecektir- Öyleyse kayıp kütle dik-cate alınırsa, evren kapalı olacaktır. Görünmeden kütlenin büyük kısmı x ışınımı yaymaktadır. -IEAO-1 ve HEAO-2 uydularından yapılan x ısılım gözlemlerine göre, bu kaynakların kütleleri Je dikkate alınsa, evren yine açık olacak; yani sürekli genişleyecektir.
Evrenimizin açık olup olmadığını anlamanın lir başka yolu, yıldızlararası uzayda deteryum niktarının saptanmasıdır. Kuramsal çalışmalara 3Öre evren başlangıçta çok yoğun idiyse, 15-20 nilyar yıl sonra bugün deteryum oluşur oluşmaz nemen helyum’a dönüşmelidir. Buradan diyebiliriz ki, eğer evren başlangıçta çok yoğun idiyse, augün ya hiç ya da çok az (başlangıçta oluşan) Jeteryum gözlenmelidir. Aksi halde, gözlenen deteryum miktarı çok fazla olmalıdır. Ayrıca biliyoruz ki, yıldızlar deteryum üretmiyorlar. 1972’-den sonra yapılan, özellikle uydu gözlemlerine
ğildi. Bu nedenle genişlemesine devam edecektir.
Son on yıldır yapılan daha birçok test açık evren modelini desteklediği halde, evrenin, (i) genişleme hızı, (ii) yoğunluğu, (iii) yaşı gibi gözlemsel parametrelerin yeteri ölçüde doğrulukla saptanamaması nedeniyle, evrenin sürekli genişleyip genişlemeyeceğini kesinlikle söyleyemiyo-ruz. ■
DÜZELTME
“Evren ve Biz” adlı yazımızın geçen sayıdaki bölümünde 6’ncı sayfada yer alan Şekil 1’de yatay eksen ölçeği “Uzaklık x 10® (ışık yılı)”, 7’nci sayfadaki şekilde gözden kaçırılarak verilmeyen, galaksilerin bizden uzaklaşma hızları da üstten şlta doğru .1.200 km/s„ 1.500 km/sn., 21,600 km/sn., 39.300 km/sn., 61.000 km/mı , oloTertemiz, ve çok kullanışlı olan, modem gemi komuta merkezi bir TV stüdyosu görünümündedir.