Evrenin Genişlemesi ve Doppler Etkisi – Ömer Burak Sözalmaz

Evren ve evrenin oluşumu her daim insanların ilgisini çekmiştir ve merak, araştırma konusu olmuştur. İnsanlar asırlardan beri evren ve onun nereden geldiğine dair düşünmüş çeşitli fikirler ortaya atmışlardır. Evren ve evrenin oluşumunu anlamak noktasındaki bu merakın ve araştırmanın en yeni ürünü standart kozmolojik model olarak anılan Big Bang Teorisidir. Bu yazımızda Big Bang Teorisi’nin kanıtlarından biri olan Evrenin genişlemesinin Doppler etkisi ile ilişkisini ele alacağız. İlk başta Big Bang hakkında kısa bir yazı verip ondan sonra doppler etkisini daha iyi anlamak adına dalga mekaniği (Doppler olayı dalga özelliği gösteren maddelerde olur bu nedenle dalga bilgisine sahip olmamız gerekir) kanunlarından , yazımızın sonunda da evrenin genişlemesinin Doppler etkisi ve kızıla kayma ile ilişkisinden bahsedeceğiz.

Big Bang

Büyük patlama -evrenin doğuşu- yaklaşık 13,8 milyar yıl önce meydana geldi. Bu olay, o sırada mevcut olan bütün uzayı madde ve enerjiyle doldurdu. Bu, uzayın ve zamanın başlangıcıydı. İsminin aksine Büyük Patlama aslında bir patlama değildi. Bir oluşumdu. Daha ziyade, evrenin doğuşu uzay ve zamanın günümüze kadar devam eden genişlemesini başlattı. Bu olay sırasında ilk madde parçacıkları oluştu.¹

Dalga Mekaniği

Kızıla kayma elektromanyetik dalgaların bir özelliğidir. Bu nedenle yeterli dalga bilgisine sahip olmamız gerekir. Öğrenmemiz gereken bilgiler şunlardır: 

1. ( λ x f = c ) Dalga boyu ile frekans ters orantılıdır, biri artarken diğeri azalır. Bunu dopler etkisinden bahsederken çok sık göreceksiniz.
2. Bir dalganın bize gelme sıklığı o dalganın –bize göre- frekansı demektir. Ses dalgalarında dalga boyu artarsa ses kalınlaşır. Dalga boyu azalırsa ses incelir (motor bize gelirken sesinin ince olmasının ve bizden uzaklaşırken sesinin kalınlaşmasının nedeni de budur).
3. Elektromanyetik dalgalarda görünür ışık spektrumun dalga boyu sıralaması şöyledir: kırmızı ışık>turuncu ışık>sarı ışık>yeşil ışık>mavi ışık>mor ışık. Frekans ve dalga boyu ters orantılı olduğu için frekans sıralaması yaparsak mor ışığın frekansı daha yüksek olur. Buna göre dalga boyu değişen ışık renk değiştirir. 

Doppler Etkisi

Dalga yayan bir kaynak düşünün ve bu kaynak bize doğru geliyor olsun. Bu durumda bizim hissedeceğimiz dalga sıklığı durgunkenki haline göre artacaktır (Elindeki topu eşit aralıklarla atan birisini düşünün bu kişi size koşarak yaklaşacak olsa siz topun size daha sık geldiğini yani frekansının arttığını rahatlıkla anlarsınız). Doppler etkisini en kolay gözlemleyebileceğimiz dalga türü su dalgasıdır. Evde bir kaba su koyup parmağınızı sabit bir yönde hareket ettirirseniz parmağınızın önünde daha sık (dalga boyu az) dalgalar görürsünüz. Arka tarafında ise dalgalar birbirinden daha uzaktır(dalga boyu çok). Aşağıdaki resme bakarsak her şey daha net anlaşılacaktır.

Ses dalgalarında doppler etkisi ise bize doğru gelen kaynağın yaydığı dalgalar daha sık olacağından (frekans artacağından) kaynak yaklaşırken sesini daha ince algılayacağımızı söyler. Uzaklaşırken dalga boyu artacağından (sıklık/frekans azalacağından) sesi daha kalın algılarız.²

Kızıla Kayma

Işık da dalga özelliği gösterir (elektromanyetik dalga). O zaman ışıkta da doppler olayının olması gerekir.  Dalga boyu x Frekans = Işık hızı (λ x f = c) olup dalga boyu artarken (azalırken) ışığın frekansı azalır (artar) çünkü ışık hızı sabittir. Genel olarak ışığın rengi, frekansına (yahut dalga boyuna) bağlı olarak değişir. Yüksek frekanslı (kısa dalga boylu) ışık mor bölgede yer alırken düşük frekanslı ( uzun dalga boylu) ışık kırmızı bölgede yer alır. ³ Dalga kaynağı uzaklaşırken dalga boyu artıyordu. Görünür renkler içerisinde kırmızı, dalga boyu en yüksek olan ışıktır. O zaman uzaklaşan cismin renginin kırmızıya kayması beklenir.

Evren bilimde yani kozmolojide yirminci yüzyılın devrimi evrenin genişlediğinin keşfi olmuştur. 1920’lerden önce hemen hemen her yerde evrenin durağan olduğuna ve merkezinin de Samanyolu galaksisi olduğuna inanılıyordu. Bu dünya görüşü sarmal bulutsuların sistematik uzaklaşma hareketi ölçüldüğünde bir sarsıntı geçirdi, sonunda da 1929 yılında Edwin Hubble şu anda evrenin genişlemesi olarak yorumlanan kırmızıya kayma-uzaklık yasasını bulduğunda tümüyle tepetaklak oldu. Amerikalı astronom Edwin Hubble, galaksilerden gelen ışıktaki renk değişimini gözlemleyerek galaksilerin birbirinden uzaklaştığını bularak evrenin genişlemekte olduğunu gösterdi. Bu tek sonuçtan da modern kozmoloji doğdu.⁴

1929 yılında Amerikalı astronom Edwin Powell Hubble’ın Los Angeles’da bulunan Wilson dağında yaptığı bir dizi gözlemin sonuçları 1914 yılında Vesto Melvin Slipher tarafından gösterilen birçok galaksiden gelen ışığın renk spektrumunda kırmızıya kaydığı düşüncesiyle birleştirildi. Hubble, galaksilerden gelen ışığı inceledi ve ışıktaki kayma ile galaksilerin dünyamıza olan uzaklıkları arasında bir ilişki buldu. Doppler etkisinde öğrendiğimiz gibi uzaklaşan cisimlerin dalga boyu artıyor ve dalga boyu arttıkça kırmızıya kayılıyordu. Galaksilerden gelen ışığın renk spektrumunda kırmızıya kayması da dalga boyunun sürekli arttığını yani galaksilerin birbirinden uzaklaştığını böylelikle evrenin genişlemek de olduğunu gösteriyordu. Hubble yasası olarak bilinen bu fikre göre galaksiler konumumuza oranla bir görünür hıza sahiptirler. Bunlardan en yüksek görünür hızla hareket edenler en uzak olanlarıdır. Sonuç olarak galaksiler arasındaki uzaklık artmakta olduğuna göre, genişlemekte olan evren bir film şeridi gibi geri sarıldığında geçmişte tüm bu evrenin bir arada olması gerekir düşüncesi ileri sürülmüştür. ⁵

Yazar: Ömer Burak Sözalmaz

Kaynak:

¹ Carolyn Collins Petersen, Evren 101, s. 145

² Raymond A.Serway ve Robert J. Beichner, Fen ve Mühendislik İçin Fizik, 1.Cilt, s.530

³ Durmuş Ali Demir ve Namık Kemal Pak , Büyük Patlama ve Evrenin Genişlemesi , Bilim ve Ütopya

⁴ Silk J. A , Short History of the Universe, 12th edition.

⁵ Jedamzik K. Pospelov M., Big Bang Nucleosynthesis and Particle Dark Matter, arXiv:0906.2087v1 [hep-ph] ; Jonathan Allday, Quarks, Leptons and the Big Bang, Second Edition, Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia, IOP Publishing Ltd 2002