Gece gökyüzüne baktığımızda yıldızlar ve galaksiler yalnızca birer ışık noktası gibi görünür. Oysa bu ışık, kaynağının sıcaklığı, kimyasal bileşimi ve hareketi hakkında ayrıntılı bilgi taşır. Bir yıldızın ışığını prizmadan ya da tayfölçerden (spektroskop) geçirdiğimizde, gökkuşağı benzeri sürekli renk bandının üzerine binmiş ince koyu veya parlak çizgiler belirir. "Spektral çizgiler" adı verilen bu desenler, her kimyasal elementin parmak izi gibidir; hidrojen, kalsiyum ya da demir her zaman aynı dalga boylarında çizgi üretir. Astronomların evrenin genişlediğini anlamalarını sağlayan ipucu, tam da bu çizgilerin laboratuvarda ölçülen yerlerinden kaymış görünmesidir.
Kızıl Kayma Nedir?
Kızıl kayma, bir ışık kaynağından gelen dalga boylarının olması gerekenden daha uzun, yani tayfın kırmızı ucuna doğru kaymış görünmesidir. Uzayan dalga boyu aynı zamanda daha düşük frekans ve daha az enerji anlamına gelir. Tersi durumda, dalga boyları kısalıp tayfın mavi ucuna kayarsa buna "mavi kayma" denir.
Kaymanın büyüklüğü genellikle "z" harfiyle gösterilen boyutsuz bir sayıyla ifade edilir; z, gözlenen dalga boyu ile durgun hâldeki dalga boyu arasındaki oransal farktır. Örneğin bir galaksinin tayfındaki hidrojen çizgileri topluca yüzde 10 daha uzun dalga boyunda görünüyorsa, z değeri yaklaşık 0,1'dir. z ne kadar büyükse, ışık o kadar uzaktan ve evrenin o kadar erken bir döneminden geliyor demektir; bugün gözlenen en uzak galaksilerin z değerleri 10'un üzerindedir.
Doppler Kayması ile Kozmolojik Kızıl Kayma
Kızıl kaymayı çoğu kez ambulans sireninin yaklaşırken tiz, uzaklaşırken pes duyulmasına benzetiriz. Ses dalgalarında geçerli olan bu Doppler etkisi ışık için de işler: bize doğru hareket eden bir yıldızın ışığı maviye, bizden uzaklaşan bir yıldızınki kırmızıya kayar. Doppler kayması, kaynak ile gözlemcinin uzay içindeki göreli hareketinden doğar ve yakın yıldızların hızını ölçmekte kullanılır.
Uzak galaksilerde gözlenen kayma ise farklı bir olaydır. Avrupa Uzay Ajansı'nın (ESA) vurguladığı gibi, bu "genişleme kızıl kayması" galaksilerin uzayın içinde bir yerlere doğru hareket etmesinden değil, iki galaksi arasındaki uzayın kendisinin genişlemesinden kaynaklanır. Işık yolculuğu boyunca içinden geçtiği uzay geri planda uzadıkça, ışığın dalga boyu da onunla birlikte esner. Bu yüzden iki cisim uzaya göre tamamen hareketsiz olsa bile, aradaki mesafe büyüyorsa kızıl kayma ortaya çıkar. Kozmolojik kızıl kayma bu nedenle klasik Doppler etkisiyle birebir aynı sayılmaz.
Hubble Yasası: Uzaklık ile Hız Arasındaki Bağ
1912'de Henrietta Swan Leavitt, Sefeid türü değişen yıldızların parlaklık döngüsü ile gerçek parlaklıkları arasında bir ilişki bularak uzaklık ölçümünün önünü açtı. 1910'lu yıllarda Vesto Slipher, o dönemde "sarmal bulutsu" denen cisimlerin tayflarının çoğunlukla kırmızıya kaydığını gösterdi. 1927'de Belçikalı astronom ve rahip Georges Lemaître, genel görelilik denklemlerinden genişleyen bir evren çözümü türetti ve galaksilerin uzaklıklarıyla orantılı hızlarda uzaklaşması gerektiğini öngördü.
1929'da Edwin Hubble, Mount Wilson Gözlemevi'nde yaptığı ölçümlerle bu ilişkiyi gözlemsel olarak ortaya koydu: bir galaksi ne kadar uzaktaysa o kadar hızlı uzaklaşıyordu. Bu bağıntı basitçe v = H0 x d biçiminde yazılır; burada v galaksinin uzaklaşma hızı, d uzaklığı, H0 ise "Hubble sabiti" adı verilen orantı katsayısıdır. Günümüzde bu yasa, her iki bilim insanının katkısını anmak için "Hubble-Lemaître yasası" olarak anılır.
Evrenin Genişlemesi Ne Anlama Geliyor?
Her galaksinin bizden uzaklaşıyor görünmesi, Samanyolu'nun evrenin merkezinde olduğu anlamına gelmez. ESA'nın kullandığı üzümlü ekmek benzetmesi bunu iyi açıklar: hamur fırında kabardıkça her üzüm tanesi diğerlerinden uzaklaşır ve hangi üzümün üzerinde olursanız olun bütün komşularınızın sizden uzaklaştığını görürsünüz. Evrende de genişleyen şey, galaksilerin içinden geçtiği boşluk değil, uzayın dokusunun kendisidir.
Bu genişleme "geriye sarıldığında", tüm madde ve enerjinin çok daha sıcak, yoğun ve küçük bir durumda toplandığı bir başlangıca ulaşılır. Lemaître'in fark ettiği bu sonuç, Büyük Patlama modelinin temelini oluşturur. Hubble sabitinin değeri aynı zamanda evrenin yaşına dair kaba bir tahmin verir; günümüz ölçümleri evrenin yaklaşık 13,8 milyar yaşında olduğunu göstermektedir.
Hubble Sabiti ve "Hubble Gerilimi"
Hubble sabiti genellikle "saniyede kilometre, megaparsek başına" (km/s/Mpc) biriminde verilir; yani birbirinden bir megaparsek (yaklaşık 3,26 milyon ışık yılı) uzaklıktaki iki nokta bu hızla birbirinden ayrılır. Sorun, sabiti ölçmenin iki farklı yolunun birbiriyle uyuşmamasıdır.
Yakın evreni temel alan "kozmik uzaklık merdiveni" yöntemi, Sefeid yıldızları ve Ia türü süpernovaları basamak basamak kullanarak yaklaşık 73 km/s/Mpc değerine ulaşır. Erken evrenin fosil ışığı olan kozmik mikrodalga arka planını inceleyen Planck uydusu verileri ise standart kozmoloji modeliyle birleştirildiğinde yaklaşık 67,5 km/s/Mpc verir. NASA'nın açıkladığı gibi, bu iki sonuç arasındaki fark, istatistiksel bir rastlantı olma olasılığı milyonda bire kadar düşen kalıcı bir uyuşmazlıktır. "Hubble gerilimi" adı verilen bu çelişki, ya ölçümlerde henüz bulunamamış sistematik hatalara ya da bilinen fiziğin ötesinde yeni bir olguya işaret ediyor olabilir; bugün kozmolojinin en canlı tartışma konularından biridir.
Kızıl Kayma Bize Başka Ne Anlatır?
Kızıl kayma yalnızca genişlemeyi kanıtlamakla kalmaz, bir tür zaman makinesi görevi de görür. Yüksek z değerli bir galaksinin ışığı milyarlarca yıl önce yola çıkmıştır; onu incelemek, evrenin gençlik dönemine bakmak demektir. James Webb Uzay Teleskobu gibi kızılötesi gözlemevleri tam da bu nedenle çok uzak ve çok kızıla kaymış cisimlerin ışığını yakalamak üzere tasarlanmıştır.
Kızıl kayma ölçümleri ayrıca galaksilerin üç boyutlu haritasını çıkarmaya, karanlık maddenin dağılımını izlemeye ve evrenin genişlemesinin son milyarlarca yılda hızlandığını ortaya koyan "karanlık enerji" araştırmalarına temel sağlar. Bir asır önce koyu çizgilerdeki küçük bir kaymayla başlayan hikâye, bugün evrenin geçmişini ve geleceğini anlama çabasının merkezinde durmaktadır.
Kaynaklar
- NASA StarChild - "Redshift and Hubble's Law": https://starchild.gsfc.nasa.gov/docs/StarChild/questions/redshift.html
- Avrupa Uzay Ajansı (ESA) - "What is 'red shift'?": https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/What_is_red_shift
- NASA Science - "Hubble Reaches New Milestone in Mystery of Universe's Expansion Rate": https://science.nasa.gov/missions/hubble/hubble-reaches-new-milestone-in-mystery-of-universes-expansion-rate/