Einstein’ın Genel Göreliliği İlk Kez Başarıyla Test Edildi

ESO’nun Çok Büyük Teleskopu ile yapılan gözlemler Samanyolu’nun merkezinde bulunan süper-kütleli karadeliğin etrafındaki aşırı güçlü kütleçekimsel alandan geçen bir yıldızın hareketine dair Einstein’ın genel görelilik teorisiyle tahmin edilen etkileri ilk kez gözler önüne serdi. Uzun süredir beklenen sonuçlar ESO’nun Şili’deki teleskoplarıyla 26-yıldır süren bir gözlem kampanyasının nihai noktasıdır.

Kalın soğurucu bulutlar tarafından örtülen Dünya’ya en yakın süper-kütleli karadelik Samanyolu’nun merkezinde 26 000 ışık-yılı uzaklıkta bulunmaktadır. Bu kütleçekimsel canavar Güneş’in 4 milyon katı kütleye sahip olup, çevresinde yüksek hızlarda dolanan bir grup yıldızla çevrilidir. Bu aşırı ortam — gökadamızdaki en güçlü kütleçekim alanı — kütleçekimin fiziğini keşfetmek ve özellikle Einstein’in genel görelilik teorisini test etmek için mükemmel bir ortamdır.

ESO’nun Çok Büyük Teleskopu (VLT) üzerindeki aşırı duyarlı GRAVITY [1], SINFONI, ve NACO aygıtlarıyla yapılan yeni kırmızı-ötesi gözlemleri gökbilimcilerin S2 adı verilen bu yıldızlardan birini Mayıs 2018’de karadeliğe oldukça yakın geçiş yaptığı sırada takip etmelerini sağladı. En yakın geçiş noktasında yıldızın karadeliğe uzaklığı 20 milyar kilometreye kadar düştü ve saatteki hızı 25 milyon kilometre olarak ölçüldü — neredeyse ışık hızının yüzde üçü kadar [2].

Ekip S2’nin daha önce diğer aygıtlarca yapılan gözlemlerini, GRAVITY ve SINFONI ile yapılan gözlemlerle birlikte kullanarak sırasıyla konum ve hız ölçümlerini Newtoncu kütleçekim, genel görelilik ve diğer çekim teorilerinin tahminleriyle karşılaştırdı.

Bu aşırı hassas ölçümler Almanya, Garching’teki Max Planck Yer-ötesi Fiziği Enstitüsü’nden Reinhard Genzel liderliğinde, Paris Gözlemevi PSL, Grenoble Alpleri Üniversitesi, CNRS, Max Planck Radyo Gökbilim Enstitüsü, Cologne Üniversitesi, Portekiz Astrofizik ve Kütleçekimi Merkezi ve ESO gibi dünya genelindeki işbirlikleri ile uluslararası bir ekip tarafından gerçekleştirildi. Yapılan gözlemler ESO aygıtları kullanılarak Samanyolu’nın merkezine dair 26 yıllık gözlem serilerinin şimdiye kadarki en hassas neticesidir [3].

“Bu S2’nin gökadamızın merkezindeki karadeliğin etrafında yaptığı yakın geçişin ikinci gözlemidir. Ancak bu kez çok gelişmiş aletler sayesinde yıldızı oldukça ayrıntılı bir şekilde inceleyebildik,” diye açıklıyor Genzel. “Yıllardır bu olay için hazırlanıyorduk, çünkü genel göreliliğin etkilerini gözlemek için bize eşsiz fırsatlar veriyor.”

Yeni ölçümler kütleçekimsel kırmızıya-kayma adı verilen bir etkiyi açıkça gözler önüne seriyor. S2’nin ışığındaki dalgaboyu değişimi Einstein’in genel görelilik teorisinin tahminleriyle hassas bir şekilde uyuşuyor. Daha basit Newtoncu çekim teorisinin tahminlerinden olan bu sapma süper-kütleli bir karadelik etrafındaki yıldızın hareketinde ilk kez gözlenmiş oldu.

Ekip S2’nin Dünya’ya doğru ve tersi yöndeki hızını ölçmek için SINFONI aygıtını ve yıldızın yörüngesini tespit etmek için de GRAVITY girişimölçüm aygıtını kullanarak S2’nin konumundaki değişimlerin aşırı hassas ölçümlerini gerçekleştirdi. GRAVITY öyle net görüntüler elde etti ki, yeryüzünden 26 000 ışık-yılı uzaklıktaki karadeliğe yakın geçiş yapan yıldızın geceden geceye hareketi ortaya çıkarılabildi.

“S2’nin iki yıl önce GRAVITY ile yaptğımız ilk gözlemleri bize zaten ideal bir karadelik laboratuvarında çalıştığımızı göstermişti,” diye ekliyor GRAVITY ve SINFONI tayfçekeri sorumlusu Frank Eisenhauer (MPE). “Yakın geçiş sırasında görüntülerin çoğunda karadeliğin etrafındaki sönük parıltıyı bile tespit edebiliyoruz, bu da bize yıldızın yörüngesini hassas bir şekilde sunarak, S2’nin tayfındaki kütleçekimsel kırmızıya kaymayı tespit edebilmemizi sağlıyor.”

Genel görelilik denklemlerinin yer aldığı makalesi yayınlandıktan yüz yıldan fazla bir süre sonra Einstein’in haklı olduğu bir kez daha ispatlandı — hem de hayal edebileceğinden çok daha uç laboratuvar şartlarında!

ESO’da Sistem Mühendisliği başkanı olan Françoise Delplancke gözlemlerin önemini şu şekilde açıklıyor: “Biz Güneş Sistemi’nde ancak fizik yasalarını belirli koşullarda test edebiliyoruz. Bu nedenle gökbilimde bu yasaların çok yoğun kütleçekimsel alanlarda da halen geçerli olduğunu kontrol etmek oldukça önemli.”

S2 karadelikten uzaklaştıkça devam eden gözlemlerin çok yakında başka bir göreli etkiyi ortaya çıkarması bekleniyor — yıldızın yörüngesinde Schwarzschild presesyonu olarak bilinen küçük bir dönme.

ESO Genel Müdürü Xavier Barcons son olarak şunları söylüyor: “ESO Reinhard Genzel ve ESO Üye Ülkeleri’ndeki ekip arkadaşlarıyla çeyrek yüzyıldan uzun bir süredir birlikte çalışıyor. Bu tür gözlemleri yapabilmek için gerekli olan eşsiz güçteki aygıtların geliştirilmesi ve Paranal’daki VLT’ye ulaştırılması devasa zorluklar içeriyordu. Bugün duyurulan keşif bu dikkat çekici ortaklığın oldukça heyecan verici sonuçlarıdır.”

Notlar

[1] GRAVITY Max Planck Yer-ötesi Fiziği Enstitüsü (Almanya), LESIA Paris Gözlemevi – PSL / CNRS / Sorbonne Üniversitesi / Paris Diderot Üniversitesi ve Grenoble Alpleri Üniversitesi IPAG / CNRS (Fransa), Max Planck Gökbilim Enstitüsü (Almanya), Cologne Üniversitesi (Almanya), Astrofizik ve Kütleçekim Merkezi CENTRA (Portekiz) ve ESO işbirliğinde geliştirilmiştir.

[2] S2’nin karadelik etrafındaki bir turu 16 yılda tamamlanmakta olup, yörüngesi oldukça basıktır ve karadeliğe en yakın olduğu noktada uzaklığı yirmi milyar kilometreye kadar düşmektedir — Dünya Güneş arasındaki uzaklığın 120 katı ya da Neptün Güneş arasındaki uzaklığın dört katı. Bu uzaklık karadeliğin Schwarzschild yarıçapının 1500 katına karşılık gelmektedir.

[3] Samanyolu’nun merkezine dair gözlemler uzun dalgaboylarında yapılmalıdır (örneğin kırmızı-ötesi) çünkü merkezi bölge ile Dünya arasındaki bulutlar görünür ışığı güçlü bir şekilde soğurmaktadır.