Evren Nasıl Oluştu
Evrenin Büyük Patlama’yla oluştuğunu biliyoruz. Ancak Büyük Patlama’yı adının düşündürdüğü gibi “büyük bir patlama” olarak düşünmemek gerekiyor. Büyük Patlama’yı uzayda patlayan ve ortalığı darmadağın eden bir bomba gibi hayal edince işler karışıyor. Çünkü evrenin kendisi Büyük Patlama’yla oluştu. Yani uzay, zaman, madde ve enerji bu sırada oluştu. Evrenin ortaya çıkışını ve genişlemesini açıklayan Büyük Patlama kuramına belki de başka bir ad bulmak gerekiyor, çünkü aslında bu kuram Büyük Patlama anını değil daha sonrasında neler olduğunu açıklıyor.
Aslında Büyük Patlama anında ne olduğunu tam olarak bilemiyoruz. Saniyenin hayal edemeyeceğimizkadar küçük bir dilimi kadar süren ilk aşamada ve öncesinde neler olduğunu anlayamıyoruz. Belki de hiçbir zaman tam olarak anlayamayacağız. Kuantum belirsizlik kuramı, geçici enerji kabarcıklarının ya da parçacık-karşı parçacık gibi parçacık çiftlerinin ortaya çıkmasına olanak tanır. Fizikçiler bu tabiri sevmese de, bunlar “hiç yoktan” ortaya çıkabilir, ama kısa sürede kaybolurlar. Enerjileri ne kadar düşük olursa o kadar uzun süre varolurlar. 1970’lerde Edward Tryon adlı bir bilim insanı, evrenin de kuantum dalgalanmasıyla ortaya çıkmış olabileceğini öne sürmüştü. Tryon, kütleçekim alanının enerjisinin negatif, maddenin içerdiği enerjinin de pozitif olduğuna ve bunların birbirini dengeliyor olabileceğine dikkat çekmişti. Evren bu şekilde bir “kuantum kabarcığından” ortaya çıktıysa, karadeliklerden bildiğimiz kadarıyla, içerdiği aşırı derecede yoğun maddenin kütleçekiminin etkisiyle anında çökmesi beklenirdi. Bundan tek kurtuluş yolu, Büyük Patlama’dan çok kısa süre sonra evrenin büyük bir kuvvetle, çok hızlı bir şekilde daha büyük bir boyuta şişmesi olarak görünüyordu. 1980 yılında ünlü evrenbilimci Alan Guth’un ortaya attığı Şişme Kuramı, Büyük Patlama kuramıyla ilintili bu ve bunun gibi birçok soruyu ortadan kaldırdı. Bu kurama göre evren Büyük Patlama’dan 10-36 saniye sonra aniden bir proton boyutundan greyfurt boyutuna büyümüştü.
Büyük Patlama kuramı denklemlerle ve gözlemlerle doğrulanıyor. Evrenin genişliyor oluşu kuramın en önemli kanıtı. Genişlemenin en önemli göstergesi de uzaktaki tüm gökadaların bizden uzaklaşıyor olması. Yani evren her geçen gün bir önceki güne göre daha geniş, daha soğuk ve daha az yoğun hale geliyor. Bu süreci tersine doğru izlediğimizde Büyük Patlama’ya ulaşıyoruz. Büyük Patlama kuramını destekleyen bir başka gözlem de “kozmik mikrodalga fon ışınımı”nın varlığı. İlkel evren saydam değildi. Atomlar oluşmadan önce ortam çok yoğun olduğundan ışınım yayılamıyordu. Evrenin soğumasıyla, Büyük Patlama’dan 380.000 yıl sonra elektronlar ve atom çekirdekleri birleşti ve atomları oluşturdu. Bu sırada evren saydamlaştı ve ışınım yayılmaya başladı. Bütün bunlar Büyük Patlama kuramı ortaya atıldıktan sonra öngörülmüştü. Bu öngörü üzerine gökbilimciler mikrodalga fon ışınımının kalıntılarını bulmak üzere yola çıktı. Kozmik mikrodalga fon ışınımı yılar süren çalışmaların ardından nihayet 1964 yılında keşfedildi. Evrenin her yanını dolduran bu ışınımın günümüzde ölçülen sıcaklığı mutlak sıfırın yaklaşık 3 derece üzerinde (3 Kelvin yani -270°C). Oysa bu ışınım yayıldığında evrenin sıcaklığı yaklaşık 3300°C olmalıydı. Demek ki evrenin sıcaklığı o zamandan bu yana yaklaşık 1100 kez azalmış. Yani evren bir o kadar genişlemiş. Kozmik mikrodalga fon ışınımının büyük bir hassaslıkla ölçülmesiyle elde edilen sonuçlar bize daha da fazlasını anlatıyor. Bu ışınımın dalgaboyundaki yani evrenin sıcaklığındaki küçük değişimler, bize evrenin yapısıyla ve gökada kümelerinin nasıl oluştuğuyla ilgili önemli ipuçları sağlıyor. İnsanoğlu, tarihiyle kıyaslandığında çok kısa bir süre öncesine kadar evrenin merkezinde olduğunu düşünmüştü. Gökyüzündeki her şey onun çevresinde dönüyor göründüğü için bu çok doğal bir yaklaşımdı. Ama bu yaklaşım evrenin ne kadar büyük olduğu konusunda bir fikir vermiyordu. Aslında o zamanlar Dünya’nın büyüklüğü bile bilinmiyordu. Hatta düz olduğunu, kenarına fazla yaklaşıldığında aşağı düşüleceğini düşünenler vardı.
1500’lü yıllarda Kopernik evrenin merkezinin Dünya değil Güneş olduğunu öne sürdüğünde yer yerinden oynadı. Bugünse, Dünya’nın evrendeki yüz milyarlaca gökadadan biri olan Samanyolu’ndaki milyarlarca yıldızdan biri olan Güneş’in çevresindeki bir gezegen olduğunu biliyoruz. Bir yandan bu kadar büyük bir evrende ne kadar küçük olduğumuzu fark ederken, bir yandan da evrenin işleyişini anlamada özellikle son yüz yıl içinde çok büyük aşama kaydettik. Günümüzde evrenin oluşumu, yapısı ve evrendeki yerimizle ilgili birçok soru yanıtlanmış durumda. Ancak yanıtlanmayı bekleyen bir o kadar daha soru var. Bunlar arasından seçtiğimiz birkaçını ve yanıtlarını en basit şekliyle sizlere aktarmaya çalıştık.
Evren Kaç Yaşında?
20. yüzyıl boyunca evrenbilimcileri en çok meşgul eden sorulardan biri buydu. Günümüzde bu soruya verilen yanıt “13,7 milyar”. Bu yanıtın gerçeğe çok yakın olduğu düşünülüyor. Ancak evrenbilimciler evrenin yaşını daha da duyarlı bir şekilde belirleme çabasından vaz geçmiş değil. Evrenin yaşını bulmak için gökbilimciler evrenin genişleme hızını bulmaya çalışıyor. Bunu yapmanın yoluysa, gökadaların bizden hangi hızla uzaklaştığını ölçmek. Amerikalı gökbilimci Edwin Hubble, bunun bir düzene göre gerçekleştiğini bulmuştu. Uzaktaki bir gökadanın bizden uzaklaşma hızı bize uzaklığıyla doğru orantılıydı. Yani bir gökada bizden ne kadar uzaksa o kadar hızlı uzaklaşıyordu. Bu durum Hubble Yasası olarak bilinir. Hubble, bu ilişkiyi çok basit bir denklemle ifade etti. Hubble’ın denklemine göre bir gökadanın bizden uzaklaşma hızı (v), uzaklığıyla (d) Hubble sabitinin (Ho) çarpımına eşit, yani (v=Hod). Peki, neden hep “uzaktaki gökadalardan” söz ediyoruz? Çünkü yakınımızdaki gökadalara bakarsak bu formülün işlemediğini görürüz. Aynı kümede yer alan gökadalar ortak bir kütle merkezi çevresinde hareket eder. Bu hareket çok da düzenli değildir. Örneğin bize en yakın gökada olan Andromeda doğruca üzerimize geliyor. Bunun için çok uzaktaki gökadalara bakmak gerekiyor.
Evrenin yaşını belirlemede kullanılan başka yöntemler de var. Ancak bunlar pek de duyarlı değil. Bu nedenle diğer yöntemler daha çok Hubble sabitine dayanılarak yapılan hesaplamaların doğrulanmasında kullanılıyor. Yöntemlerden biri, radyoaktif elementlerin bozunmasından yararlanmak. Bu yöntem jeolojide çok işimize yarıyor ve Dünya ve Güneş Sistemi’nin öteki üyelerinin kayaçlarının tarihlendirilmesinde çok başarılı oluyor. Örneğin Dünya’daki en yaşlı kayaçların 3,8 milyar, en yaşlı göktaşlarınınsa 4,6 milyar yaşında olduğunu bu sayede biliyoruz. Benzer bir yöntem en yaşlı yıldızlara uygulandığında, ortaya çıkan sonuçlar evrenin yaşının 12 ila 15 milyar arasında olması gerektiğini gösteriyor. Bir başka yöntem daha kullanan gökbilimciler en yaşlı yıldız kümelerindeki yıldızların yaşlarını ölçerek evrenin yaşını doğrulamaya çalışıyor. Uzak gökadalardaki küresel yıldız kümelerinin içinde bulunan parlak yıldızların yaşları yaklaşık 12 milyar olarak ölçülüyor.Gökbilimciler, Güneş benzeri yıldızların ölümlerinden artakalan ve beyaz cüce denen gökcisimlerinin çok sıcak çekirdeklerinin yaşlarından yararlanarak Samanyolu’nun da Büyük Patlama’dan yaklaşık 2 milyar yıl sonra oluştuğu düşünüldüğünde, evrenin yaşının yaklaşık 12 milyar olması gerektiği sonucu ortaya çıkıyor. Bu yöntemler geliştikçe ve gözlemlerin duyarlılığı arttıkça evrenin yaşı giderek daha da kesinleşecek. Ancak, başta da söylediğimiz gibi gökbilimcilerin neredeyse hepsi evrenin yaşını 13,7 milyar olarak kabul ediyor.
Evren Ne Kadar Büyük?
Bu soru evrenin yaşıyla bağlantılı olsa da yanıta ulaşmak kolay değil. Evrenin genişlemekte olduğu 1900’lerin başlarında anlaşıldı. Bunun en belirgin göstergesi, yıldızların ışığındaki değişimdi. Tayf ölçümünün (yıldızların ışımasının frekans dağılımının ölçümü) gelişmesiyle, uzaktaki gökadaların yaydığı ışınımın olması gerektiğinden daha düşük enerjili olduğu anlaşıldı. Evrenin genişlemesinden kaynaklanan kırmızıya kayma, sık sık Doppler etkisi nedeniyle oluşan kırmızıya kaymayla karıştırılır. Günlük yaşamımızda sıklıkla karşılaştığımız Doppler etkisinde, bir ses kaynağı bizden uzaklaşıyorsa ses dalgalarının boyu uzar, sesi olduğundan daha pes duyarız. Benzer bir durum ışık dalgaları için de geçerlidir; ışık kaynağı bizden uzaklaşırken ışığın dalgaboyu uzar.
Gökbilimciler, dalgaboyu olması gerektiğinden daha uzun görünen ışığa “kırmızıya kaymış ışık” diyor. Kırmızıya kayma, uzayın genişlemesinden kaynaklanıyor. Uzay genişlerken ışığın dalgaboyu uzuyor. Eğer bir ışık kaynağından yola çıkan ışık bize ulaştığında evrenin genişliği iki katına çıkmışsa, ışığın dalgaboyu da iki katına çıkmış, enerjisi de yarıya düşmüştür. Her ikisinin de benzer sonuçları olmasına karşın “kozmolojik kırmızıya kayma” Doppler etkisiyle aynı şey değil. Doppler kayması özel görelilik kuramıyla ilgili bir kavram. Özel görelilik, uzayın genişlemesini hesaba katmaz. Kozmik kırmızıya kaymaysa genel görelilik kuramıyla ilgilidir ve uzayın genişlemesini hesaba katar. Aslında, yakın gökadalar için her ikisi de benzer sonuçlar verir. Yani, ikisinin de doğru olduğunu olduğunu düşünebiliriz. Ancak uzak gökadalarda Doppler etkisi tek başına geçerli değildir. Hızı ışık hızına yaklaşan cisimlerin dalgaboyları Doppler etkisiyle gözlenemeyecek kadar uzar. Eğer bu, evrendeki en uzak cisimler olan uzaktaki gökadalar için doğru olsaydı ığığın dalga boyu ancak ışık hızına yaklaşmış olabilirdi. Ancak, kozmolojik kırmızıya kayma farklı bir sonuç veriyor. Bu gökadalar bizden ışık hızından daha hızlı uzaklaşıyor gibi görünüyor. Kozmik fon ışıması çok daha uzun bir yol kat etmiş durumda ve bizim bulunduğumuz bölgeden ışık hızının 50 katı hızla uzaklaşıyor gibi görünüyor. Peki, gözlenebilen evrenin sınırını belirleyen nedir? Bu konuda tam bir netlik yok. Eğer evren genişlemiyor olsaydı, görebileceğimiz en uzak gökcismi 13,7 milyar ışık yılı uzakta olacaktı. Büyük Patlama’dan sonra, ışığın yol almış olabileceği en büyük uzaklık. Ancak, evren genişlediği için, bir ışık fotonunun içinden geçmekte olduğu uzay fotonun yolculuğu sırasında genişler. Bu nedenle, görebildiğimiz en uzak cisim, bunun yaklaşık 3 katı olan 46 milyar ışık yılı uzaklıkta demektir. Bu durumda soruya en azından şöyle bir yanıt verilebilir: Görülebilir evrenin genişliği yaklaşık 93 milyar ışıkyılıdır. Yakın zamanda, evrenin genişleme hızının da arttığı keşfedildi. Bu, durumu daha da ilginç ve karmaşık yapıyor. Önceden evrenbilimciler genişlemesi giderek yavaşlayan bir evrende yaşadığımızı sanıyorlardı. Böyle olsaydı giderek daha fazla gökada görüş alanımıza girerdi. Oysa genişleyen evrende, hiçbir zaman göremeyeceğimiz bir “kozmik olay ufku” var.
Evrenin Neresindeyiz?
Hangi yöne bakarsak bakalım, en yakınımızdakiler dışında tüm gökadaların bizden uzaklaştığını görüyoruz. Bu durum, bundan binlerce yıl önce insanların gökyüzünün kendi çevrelerinde döndüğü için Dünya’nın da evrenin merkezinde olduğunu düşünmelerine benzer bir kanıya varmamıza yol açabilir. Gerçekteyse evrenin bilinen bir merkezi yok. Hatta ister burada isterse başka bir gökadadada olsun, evren genel anlamda bütün gözlemcilere aynı görünür. Bilim insanları bu kabule “kozmolojik ilke” adını veriyor ve durumu çok basit bir örnekle, kabarmakta olan bir üzümlü kekle açıklıyorlar. Pişerken kabarmakta olan bir üzümlü kek düşünün. Kek kabarırken üzümler giderek birbirinden uzaklaşır. Tüm üzümlerin ortak görüşü aynıdır: Diğer tüm üzümler kendilerinden uzaklaşmaktadır. Tıpkı bu örnekteki gibi, evrenin neresinde olursak olalım, tüm gökadaların bizden uzaklaşmakta olduğunu görürüz. “Evren Kaç Yaşında” başlığı altında Hubble yasasından söz etmiştik. Buna göre gökadaların bizden uzaklaşma hızları uzaklıklarıyla doğru orantılıdır. Yani bir gökada ne kadar uzaksa, bizden o kadar hızlı uzaklaşır. Üzümlü kek de Hubble yasasına uyar!
Üzümler birbirine ne kadar uzaksa birbirlerinden o kadar hızlı uzaklaşır. Üstelik tıpkı evrenin her yerinde olduğu gibi her üzüm için bu durum geçerlidir. Özetle, evrenin neresinde olduğumuzu bilmemiz olanaksız görünüyor. Çünkü her yer aynı görünüyor. Zaten evrenbilimciler evrenin bir merkezinin ya da kenarının olmadığını varsaymayı tercih ediyor.
Gökadalar Nasıl Oluştu?
Aslında bu soru göründüğünden daha kapsamlı. Gökadaların oluşumu, gökadalarla birlikte evrendeki diğer gökcisimlerinin nasıl oluştuğuyla da ilişkili. Evren bebeklik döneminde gaz ve karanlık maddeden oluşan, yoğun ve sıcak bir çorba gibiydi. Bu çorba taneli değildi, hayli homojen bir yapıdaydı. İlk yıldızların ve gökadaların evren ancak yeterince soğuduktan sonra, yaklaşık 500 milyon yaşındayken oluştuğu sanılıyor. Maddenin bir şekilde kütleçekiminin etkisiyle çökerek yıldızları ve gökadaları nasıl oluşturabildiği modellerle açıklanabiliyor. Buradaki asıl sorun, ilk gökadalar oluşurken bu homojen çorbanın nasıl olup da topaklanmaya başladığı. İşte tam bu noktada “kozmik mikrodalga fon ışıması” yardımımıza yetişiyor. Mikrodalga fon ışınımıyla ilgili ilk hassas ölçümler, 1989’da fırlatılan COBE uydusu sayesinde yapılabildi. Başlangıçta, bu ışınımın bütün yönlerde aynı sıcaklıkta olmasının en önemli özelliği olduğu düşünülmüştü. Ancak, COBE’nin ve ondan sonra fırlatılan WMAP’ın hassas ölçümleri sonucunda fon ışımasında küçük dalgalanmalar olduğu keşfedildi. Işımanın sıcaklığındaki bu dalgalanmalar bir derecenin yalnızca on binde ikisi kadar farklılık gösteriyordu. Bu fark çok küçük olsa da evrenbilimciler için çok büyük önem taşıyordu. Mikrodalga fon ışımasındaki iniş çıkışlar, ilkel evrenin değişik bölgelerindeki madde yoğunluğundaki küçük farklardan kaynaklanıyor. Yoğunluktaki bu küçük farklar evrenbilimcilere evrendeki büyük yapıların, örneğin gökada kümelerinin ve gökadaların kökeniyle ilgili yol gösteriyor. Büyük Patlama’dan kısa bir süre sonra, madde henüz atomaltı parçacıkların oluşturduğu bir çorba halindeyken, evrenin bazı bölgelerinde çok az da olsa daha yoğun hale geldi Bu da maddenin belli yapılar oluşturacak biçimde yoğunlaşarak gökadalar oluşturmasını tetikledi. Maddenin kütleçekiminin etkisiyle çökerek gökadaları oluştururken nasıl bir yol izlediği tartışma konusu. Üzerinde durulan üç model var. Bunlardan biri, her bir gökadanın çöken bir gaz topağının önce sıkışmasıyla oluştuğunu öne sürüyor. Diğeriyse daha az miktarda kütle içeren gaz topaklarının çökerek “gökadacıkları”, onların da zamanla birleşerek günümüzün gökadalarını oluşturduğunu öne sürüyor. Gelişmeler gökadaların bu birleşmelerle oluştuğu varsayımını kuvvetlendiriyor. Hubble Uzay Teleskopu’yla çekilen derin uzay fotoğraflarında bu ilkel “gökadacıkları” andıran gökcisimleri görülüyor. Gökadaların gökadacıklardan oluştuğu düşüncesini benimseyen gökada uzmanlarına göre, Samanyolu 100 kadar gökadacığın birleşmesinden meydana gelmiş olmalı. Üçüncü varsayım diğerlerinden biraz farklı. Buna göre evrende önce karadelikler oluştu. Karadelikler güçlü çekim etkileriyle yakınlarındaki gazı toplayıp bulundukları bölgenin çevresinde yoğunlaştırarak gökadaların oluşumunu tetikledi. Karadeliklerin bildiğimiz mekanizmalar dışında, doğrudan nasıl oluşmuş olabileceği bir bilmece olsa da bu da sağlam bir model. Çünkü birçok gökadanın merkezinde bir dev karadelik olduğunu biliyoruz. Hatta gökbilimciler büyük gökadaların tümünün merkezinde birer dev karadelik olduğu düşüncesinde. 2014 yılında fırlatılması düşünülen James Webb Uzay Teleskopu’nun gökadaların nasıl oluştuğuna ilişkin önemli ipuçları sağlayacağı düşünülüyor.
Büyük Patlama’dan Önce Ne Vardı?
Büyük Patlama kuramıyla ilgili yanıtlanmamış en önemli soru, öncesinde ne olduğu. Bu soruya verilen yanıt genellikle bunu sormanın anlamsız olduğu şeklinde. Çünkü zamanın Büyük Patlama’yla başladığı varsayılıyor. Ancak, diğer başlıklar altında anlattıklarımız bu durumla çelişiyor. Kuantum dalgalanmalarının “boşlukta” meydana gelebileceğinden söz etmiştik. Bu durumda bu tür dalgalanmalar bizim evrenimizdede olabilir. Hatta, bu şekilde başka evrenler de oluşabilir. Bu düşüncenin bir türevi, karadeliklerden yeni evrenlerin tomurcuklanabileceğini varsayıyor. Buna “bebek evrenler senaryosu” deniyor. Şişme kuramının geleneksel hali, evrenimizin şişen birçok kabarcıktan biri olabileceğini söylüyor.
Bu evrenlerin içinde bulunduğu ortamı, şişesinin kapağı açıldığında içinde kabarcıklar oluşan gazoza benzetebiliriz. Evrenimiz yoğun bir kozmik denizin içinde genişleyen bir kabarcıksa, bu denizin içinde çeşit çeşit kabarcık evrenler bulunabilir. Elbette bu kuramlar kafalarımızdaki “evren” anlayışını değiştiriyor. Konuya geleneksel biçimde yaklaşacak olursak, evreni “çevremizde görebildiğimiz her şey” olarak tanımlayabiliriz. Biraz daha geniş düşünerek, uzay-zamanın hepsini kapsadığını varsayabiliriz. Eğer onu sonsuz bir denizin içinde yüzen kabarcıklardan biri olarak görürsek, evrenin her şeyi içerdiği düşüncesinden vazgeçmemiz gerekecek. Çünkü evrenimiz belki de hiçbir zaman iletişim kuramayacağımız ya da göremeyeceğimiz öteki evrenler arasında değerini biraz yitirecek. Tersinden düşündüğümüzdeyse, bu varsayım çok heyecan verici. Çünkü bu varsayım doğrulanırsa, tek bir evrenle sınırlı kalmayacağız; kendimizi sonsuz büyüklükte ve sonsuz sayıda evren içeren bir denizin içinde bulacağız.
Bilim ve Teknik / Nisan 2010
