Standart Kozmolojik Model – Alan Heavens
Evren hakkında birkaç temel gözlemle başlayalım. Birincisi, Evren nereye bakarsak bakalım aşağı yukarı aynı görünüyor: ayrıntılı olarak değil ama gökyüzünün bir kısmına bakarsanız, aynı türden galaksileri, galaksi kümelerini,boşlukları ve filamentleri ve benzerlerini her yerde görebiliriz. Aslında galaksimiz Samanyolu, Evrendeki galaksilere çok benziyor. Dolayısıyla, Evrende özel bir yer yok gibi görünüyor ve bu, Evren hakkındaki fikirlerimizden birinin temelini oluşturuyor.
Düşünülebilecek diğer fikir, özel bir zamanın olmadığıdır. Aslında geçmişte Evrenin durağan, değişmeyen ve sonsuza dek var olduğunu düşünürdük. Einstein yerçekimi teorisini genel görelilik teorisinde formüle ettiğinde, Einstein teorisini statik bir Evren’e izin verecek şekilde değiştirdi çünkü aksi takdirde Evren statik olamaz, yerçekimi altında kendi üzerine çökecektir. Bu nedenle,statik bir Evren oluşturmak için maddenin yerçekimini dengelemeye çalışmak için hiçbir madde olmasa bile var olan bir itme kuvveti olan kozmolojik sabitini tanıttı. Söylenmesi gereken en iyi fikirlerinden biri değildi çünkü böylesine hassas bir dengede olan bir Evren aslında kararsızdır, bu nedenle yoğunluktaki herhangi bir küçük değişiklik evrenin ya çökmesine ya da genişlemesine neden olacaktır.
Elbette Evren statik değildir ve bu, geçen yüzyılın ilk yıllarında, ilk olarak galaksilerin tayflarına bakan Vesto Slipher tarafından keşfedilmiştir. Spektrumda belirli atomlarla ilişkili özellikler olduğunu ve ölçtüğü ışığın dalga boyunun laboratuvarda ölçülen dalga boyundan farklı olduğunu ve ağırlıklı olarak bu özelliklerin laboratuvardan daha uzun dalga boylarında göründüğünü buldu. Bunun açıklaması, galaksilerin bizden uzaklaşması ve ışığın daha uzun dalga boylarına geçmesi şeklindeki Doppler etkisi sebebiyledir. Fenomen kırmızıya kayma olarak adlandırılır.
Yani Evren genişliyor ve bu büyük bir sürprizdi. Genişleme hızının mesafeyle orantılı olduğu özel bir yasa bulan Edwin Hubble tarafından geliştirilmiştir. Görünen o ki konumumuzda bir tuhaflık var: her şey bizden uzaklaşıyor ama bu özel genişleme yasası göründüğü gibi değil. Görünüşe göre özel bir yerimiz var ama aslında bu, evrenin genel bir genişlemesini temsil ediyor. Bir kamera alıp yakınlaştırma ayarını değiştirdiğinizi hayal ederseniz, o zaman resim aynı kalır ama her şey birbirinden uzaklaşır ve bu, Evrende benzer şekilde görülüyor. Galaksimizdeki herhangi bir kişi, Hubble yasasına göre diğer her şeyin kendisinden uzaklaştığını görecektir.
”Yani Hubble yasası bizim merkezde olduğumuzu öne sürmüş gibi görünse de, aslında durum tam tersidir.
Genişleyen Evrenin sonuçlarını düşünelim. Zamanı geriye doğru akıtırsak, o zaman her şey birbirine daha yakın olacak ve evrendeki herhangi bir gaz küçülürken daha da ısınacaktır. Aslında, zamanı yeterince geriye doğru alırsak, o zaman Evrenin tüm bileşenlerinin birbirinin üzerine oturduğu bir nokta vardır, aralarında sıfır ayrım vardır. Bu olay yaklaşık 13,8 milyar yıl önce gerçekleşti ve bizim anladığımız şekliyle Evrenin başlangıcını temsil ediyor. Bu olaya büyük patlama(big bang) denir: bir şey (tam olarak ne olduğunu tam olarak anlamıyoruz) Evrenin bileşenlerini yüksek bir hızla birbirinden ayırmaya gönderdi.
Kulağa hayali geliyor ama bunu destekleyecek pek çok kanıt var, bunlardan biri Evren’e sadece birkaç dakika geçmişken bakmaktan geliyor. Bu, 13.8 milyon yıl öncesine, Evren tarihinin ilk birkaç dakikasına gidiyor. O aşamada, Evren çok yoğun, sıcaktı ve bazı açılardan sıcak bir yıldızın merkezine benziyordu. Bu koşullarda parçacıkların, çekirdeklerin büyük bir enerjiyle, daha ağır çekirdekler oluşturmaya yetecek enerjiyle çarpıştığını ve hafif elementlerin Büyük Patlama’nın ilk birkaç dakikasında yaratıldığını biliyoruz. Bunları tespit edebiliyoruz, bu sözde Büyük Patlama nükleosentez olayından meydana gelen bollukları gördüklerimizle karşılaştırabiliyoruz: O zamandan beri meydana gelen bazı değişiklikleri ayarladıktan sonra, geniş bir fikir birliği buluyoruz
Tespit ettiğimiz bir diğer şey de, sıcaklık büyük patlamadan arta kalan ışıktır. şimdi mutlak sıfırın 2,7 derece üzerine soğutulmuştur, yani artık mikrodalga biçimindedir ama biz bunu tespit ederiz. Mikrodalga arka plan radyasyonundan da muazzam miktarda bilgi alabiliriz: sadece varlığından değil; sıcaklığın tam olarak tekdüze olmaması gerçeğinden de, Dünya Evrende hareket ettiğinden ortaya çıkan küçük farklılıklar vardır. Yani hareket ettiğimiz yön biraz daha sıcak ama bunu çıkarırsak, o zaman hala 10 −5 seviyesinde çok küçük düzensizlikler var ki bu muhtemelen çok erken Evren’deki bazı kuantum dalgalanmaları tarafından yapılmıştır. Son derece değerliler çünkü bize Evrenin bileşenlerinin ne olduğunu, Evrenin nasıl genişlediğini anlatırlar; bize yerçekimi kanunu vb. hakkında bilgi verirler. Tüm bunlar, mikrodalga arka plandaki bu dalgalanmaların çok ayrıntılı özelliklerini etkiler ve gördüklerimiz, standart kozmolojik modelimizden beklediklerimizle çok yakından örtüşür.
”Söyleyebileceğimiz şeylerden biri, Evrende çok fazla karanlık madde olmasıdır.
Mikrodalga arka plandaki dalgalanmaların düzeyine bakarsak, bize Büyük Patlama’dan yaklaşık 400.000 yıl sonra Evren’in bir anlık görüntüsünü veriyorlar: Öncelikle Evren iyonize olmuştu ve ışık fotonları elektronlardan saçılıyordu, yani bu bir sis. Bundan önce ancak 400.000 yılda sis dağılıyor ve bu fotonlar, teleskoplarımıza konmak üzere bize doğru gelmek dışında aşağı yukarı hiçbir şey yapmıyor. Büyük Patlama’dan hemen sonraki bu anlık görüntüye sahibiz ve sorabiliriz, bu dalgalanmaların bugün gördüğümüz yapılara dönüşmesi için zaman var mı? Evrenin yoğun kısımları yerçekimi altında çökerek daha yoğun kısımlar oluşturur, bu nedenle zamanla Evren daha engebeli hale gelir. Bunun olması için zaman var mı diye sorabiliriz.
Ve cevap aslında görünüşte, hayır, yok. Bu yüzden biraz yardıma ihtiyacı var ve yardım, sıradan madde olan fotonlar tarafından desteklenmeden çökebilen karanlık maddenin varlığından geliyor. Böylece karanlık madde erkenden çöker, sıradan madde daha sonra bu yerçekimi potansiyellerine düşer ve bu da yapının yeterince hızlı oluşmasını sağlar.
Evrenin standart modelinin bir başka bileşeni de aslında Einstein’ın kozmolojik sabitidir. Evrenin durağan olmadığı görüldükten sonra buna bir süreliğine gerek kalmamıştı. Ancak son yıllarda, 1990’ların sonlarında, standart mum görevi gören uzak süpernova patlamalarından gelen ışığa bakarak, bunların hepsinin aşağı yukarı aynı parlaklıkta olduğunu, Evrenin nasıl genişlediğini ölçebiliriz. Evrenin genişleme hızının artması bizi şaşırtıyor. Evren genişlemesinde hızlanıyor ki bu hiç de beklediğimiz gibi değil çünkü yerçekiminin genişlemeyi yavaşlatmasını bekliyoruz ama aslında hızlanıyor. Evrenin ivmesinin keşfi, 2011 Nobel Ödülü ile ödüllendirildi.
Aslında soru şu ki,bu hızlanmaya sebep olan şey nedir? Ve en basit açıklama, bunun Einstein’ın kozmolojik sabiti olduğudur. Bu fikri test edebiliriz. Başka olasılıklar da var: Evrenin içinde aşağı yukarı kozmolojik bir sabit gibi davranan karanlık enerji adı verilen bir alan olabilir. Modern bağlamda buna vakum enerjisi diyeceğiz: eğer vakumun kendisiyle ilişkili bir enerjisi varsa, o zaman gördüğümüze çok benzer bir ivmeye neden olacaktır. İçinde enerji bulunan bir boşluğa sahip olmak, parçacık fiziği açısından büyük bir sürpriz değil; Sürpriz olan şey, ihtiyaç duyulan çok küçük enerji yoğunluğu seviyesidir: bu, parçacık fiziği teorisini uygulayarak bekleyebileceğimizden yaklaşık 120 mertebe daha küçüktür. Yani bu büyük bir bilmece. Neden çok küçük ama tamamen sıfır değil?
”Özetlemek gerekirse, standart kozmolojik model Büyük Patlama ile başlar. Bu, genişleyen ve hızlanan, aşağı yukarı tek biçimli bir Evrendir. Her yerde aşağı yukarı aynıdır, büyük ölçekte her yönden aynı görünür ve Evrenin enerji bütçesinin yalnızca yaklaşık %5’i kadar olan sıradan maddeyi içerir.Doğası hakkında bazı şeyler bildiğimiz ama detaylı bilgi bilmediğimiz gizemli karanlık madde muhtemelen Einstein’ın kozmolojik sabitidir.
Temelde tüm büyük ölçekli gözlemlerimiz bu fikri desteklemektedir.
Ufak bir sorun olabileceğini düşündüğümüz birkaç alan var. Birincisi, Evrenin mevcut genişleme oranının, özellikle mikrodalga arka plan radyasyonundan, Evren hakkındaki bilgimizden beklediğimizden biraz farklı görünmesidir. Kesinlikle anlaşılmayacakları kadar önemli bir seviyede değil ve bana göre yerel ölçümlerin astrofiziğini daha iyi anlamamız gerekiyor. Bir diğeri ise, Evren’in çeşitli yöntemlerle ölçtüğümüz topaklığının, standart kozmolojik modelden beklediğimizden biraz daha az görünmesidir. Ve yine, bu çok önemli bir tutarsızlık değil ama doğrulanırsa, bu tutarsızlıkların ikisi de gelecekte daha iyi verilerle doğrulanırsa ve astrofiziği iyi anlarsak, o zaman değişmesi gereken bir şeye işaret ediyor olabilirler. Bunun karanlık enerjinin vakum enerjisinden daha karmaşık bir form olması mı yoksa Einstein’ın teorisinin büyük ölçeklerde değiştirilmesi gerekip gerekmediğini bilmiyoruz.
Çevirmen: Kübra Alataş
Kaynak: Alan Heavens , Standard Cosmological Model, https://serious-science.org/standard-cosmological-model-10115 , Erişim Tarihi: 09.01.2023