1

T.C.

PAMUKKALE ÜNİVERSİTESİ

FEN EDEBİYAT FAKÜLTESİ

FİZİK BÖLÜMÜ

GRAVİTASYON DALGALARI VE GÖZLEMLERİ

(LİSANS TEZİ)

Hazırlayan:

Emine KOBAK

07151033

Çalışmayı (Tezi) Yöneten:

Doç. Dr. Muzaffer ADAK

Nisan, 2011

DENİZLİ

2

Aşağıda belirtilen bu çalışma, ... / ... / 200.... günü toplanan jürimiz ve tez danışmanı

tarafından PAÜ, Önlisans, Lisans Eğitim Öğretim Sınav Yönetmeliği’nin ilgili maddeleri

uyarınca değerlendirilip kabul edilmiştir / edilmemiştir.

Çalışmanın Adı : GRAVİTASYON DALGALARI VE GÖZLEMLERİ

Öğrenci Adı, Soyadı : Emine KOBAK

Öğrenci No : 07151033

Danışmanın Unvanı, Adı, Soyadı : Doç. Dr. Muzaffer ADAK

Danışman Üye Üye

ONAY:

Bu çalışma bölüm başkanlığımızca görülmüştür.

……/……/200..

Prof. Dr. Hasan ERDOĞAN

Bölüm Başkanı

3

TEŞEKKÜR

Bu çalışmanın başlangıcından bitimine kadar her aşamada çalışmayı yönlendiren, özverili

yardımlarını esirgemeyen hocam Doç. Dr. Muzaffer ADAK’ a teşekkürü bir borç bilirim.

Ayrıca maddi ve manevi yardımlarını esirgemeyen aileme ve bana yardımda bulunan bütün

arkadaşlarıma teşekkür ederim.

Denizli, …./…./2011

Emine KOBAK

4

ÖZET

(Lisans Tezi)

GRAVİTASYON DALGALARI VE GÖZLEMLERİ

Bu tez çalışmasında gravitasyon dalgalarının kapsamlı bir açıklaması yapılmış ve

gravitasyonel dalga kaynaklarından kısaca söz edilmiştir. Bu dalgaların uzay-zaman metriği

üzerindeki etkisi incelenmiştir. Gravitasyon dalgalarının gözlenmesindeki amaçlar açıklanmış

ve bugüne kadar yapılan deneyler incelenerek, bu deney düzeneklerinin çalışma prensibi

anlatılmıştır.

5

İÇİNDEKİLER

Şekiller Listesi .................................................................................................................. 7

Bölüm I

GRAVİTASYON DALGALARI

1. Gravitasyon Radyasyonu ve Gravitasyonel Dalga ..................................................... 8

2. Gravitasyonel Dalgaların Uzay-Zamandaki Hareketi ................................................ 9

3. Gravitasyonel Dalga Gözlemlerinin Amacı ............................................................. 10

Bölüm II

GRAVİTASYON DALGALARININ GÖZLENMESİ

1. Gravitasyonel Dalga Deneyleri ....................................................................................... 12

2. Gravitasyonel Dalga Dedektörlerinin Çalışma Prensibi .................................................. 13

3. Gravitasyonel Dalga Gözlemevleri ................................................................................. 15

3.1. GEO600 İnterferometresi ....................................................................................... 15

3.1.1. GEO600 Teknik Ayrıntılar ......................................................................... 17

3.1.2. GEO600 Hassasiyeti .................................................................................. 17

1.1.3 GEO600 Optik Planı .................................................................................. 18

3.2. TAMA300 İnterferometresi ................................................................................... 19

3.3. AIGO İnterferometresi ........................................................................................... 20

3.4. LIGO İnterferometresi ........................................................................................... 22

3.5. VIRGO İnterferometresi ........................................................................................ 23

4. Dünya Çapındaki Şebeke ............................................................................................... 24

5. Einstein Gravitasyonel Dalga Teleskopu ....................................................................... 25

6. LISA İnterferometresi .................................................................................................... 26

6.1. LISA PATHFINDER Teknolojik Yapısı .............................................................. 28

6

Bölüm III

SONUÇLAR

SONUÇLAR .................................................................................................................. 31

KAYNAKLAR ............................................................................................................... 32

7

ŞEKİLLER LİSTESİ

Sayfa

Şekil 1.1 Gravitasyon Dalgasının Kutupları ................................................................... 8

Şekil 1.2 Gravitasyon Dalgalarının Uzay-Zaman Metriği Üzerindeki Etkisi ................. 9

Şekil 1.3 Karadelik Etkisindeki Uzay-Zaman Eğriliği .................................................... 9

Şekil 1.4 Karadeliksel Uzay-Zaman Eğriliği ................................................................ 10

Şekil 2.1 Gravitasyonel Dalga Gözlemleri İçin Kullanılan İlk Antenler ...................... 12

Şekil 2.2 Michelson Morley İnterferometresi ............................................................... 13

Şekil 2.3 Yapıcı ve Yıkıcı Girişim Deseni .................................................................... 14

Şekil 2.4 GEO600 İnterferometresinden Bir Görünüş .................................................. 15

Şekil 2.5 Michelson Morley İnterferometresi ............................................................... 16

Şekil 2.6 GEO600 İnterferometresinin Bir Görünüşü ................................................... 16

Şekil 2.7 GEO600 Hassasiyet Grafiği ........................................................................... 17

Şekil 2.8 GEO600 Optik Planı ...................................................................................... 18

Şekil 2.9 TAMA300 İnterferometresinden Bir Görünüş............................................... 19

Şekil 2.10 LCGT’nin Bir Resmi ................................................................................... 19

Şekil 2.11 LIGO, VIRGO ve AIGO Dedektörlerinin Ortak Verilerinin Grafikleri ...... 20

Şekil 2.12 AIGO İnterferometresinin Planı ................................................................... 21

Şekil 2.13 Laboratuardan Bir Görünüş ......................................................................... 21

Şekil 2.14 Bir Pulsar (Takımyıldızı) Fotoğrafı ............................................................. 22

Şekil 2.15 LIGO İnterferometresinden Bir Görünüş ..................................................... 23

Şekil 2.16 VIRGO Gözlemevinin Bir Fotoğrafı ........................................................... 23

Şekil 2.17 Dünya Çapındaki Şebeke ............................................................................. 24

Şekil 2.18 LISA İnterferometresinin Uzaydaki Temsili Bir Resmi .............................. 26

Şekil 2.19 LISA’nın Yörüngesi ve Şekli ....................................................................... 27

Şekil 2.20 LISA’nın Güneş Etrafındaki Bir Yıllık Hareketini Temsil Eden Şekil ....... 27

Şekil 2.21 LTP (LISA Technology Package) LISA Teknoloji Paketi .......................... 28

Şekil 2.22 LTP İçindeki Algılayıcı Sistemin Elektronik Devresi ................................. 28

Şekil 2.23 Algılayıcı Sistem .......................................................................................... 29

Şekil 2.24 LISA’nın Optik Sistemi ............................................................................... 29

Şekil 2.25 Optik Sistemin Bir Fotoğrafı ........................................................................ 30

Şekil 2.26 LISA PATHFINDER İletişim Sistemi ......................................................... 30

8

BÖLÜM I

GRAVİTASYON DALGALARI

1. Gravitasyon Radyasyonu ve Gravitasyonel Dalga

Radyasyon yani ışınım, enerjinin bir yerden başka bir yere taşınmasıdır. Atomlardan,

Güneşten ve diğer yıldızlardan yayılan enerjiye, radyasyon enerjisi denir. Radyasyon ya dalga

biçiminde ya da parçacık şeklinde yayılır. Kısaca radyasyon, elektromanyetik dalga, parçacık

ya da foton olarak adlandırılan enerji paketleri gibi yayılan enerjilerdir. Gravitasyon

radyasyonu da tıpkı elektromanyetik radyasyon gibi boşlukta ilerleyebildiği için enerji

iletimini dalga hareketiyle betimleyebiliriz.

Gravitasyonel dalgalar uzay-zamanda yayılırlar. Bütün dalga hareketlerinde olduğu gibi

burada da salınan bir nicelik olması gerekir. Su dalgalarında salınan nicelik; su yüzeyinin

dengeden sapma yüksekliği, enine dalgalarda salınan nicelik; yayın dengeden sapma

mesafesi, elektromanyetik dalgalarda salınan nicelik; elektrik alan ile manyetik alan, Newton

gravitasyon dalgalarında salınan nicelik; gravitasyon potansiyelidir. Einstein’ın gravitasyon

dalgalarında salınan nicelik ise; metriğin Minkowski metriğinden sapan parçasıdır. Einstein’ın

genel görecelilik teorisi aslında bize, boşluktaki hızı c olan gravitasyon dalgalarının

varlığından bahsetmektedir. Bir başka deyişle hareket halindeki bir maddenin, enerjisini

gravitasyon dalgaları şeklinde dışarı vereceğini öngörüyor.

Gravitasyon dalgaları iki kutba sahiptir. Bu kutuplardan biri artı (+) diğeri çarpı (x)

şeklinde adlandırılır. Örneğin z yönünde ilerleyen bir gravitasyon dalgası xy-düzleminde

duran bir çemberin içinden geçerse çemberin titreşim kipleri ya (+) ya da (x) olacaktır.

Şekil 1.1. Gravitasyon

dalgasının kutupları

9

2. Gravitasyonel Dalgaların Uzay-Zamandaki Hareketi

Şekil 1.2. Gravitasyon dalgalarının uzay-zaman metriği üzerindeki etkisi

Görelilik teorisine göre bir gravitasyon dalgası uzay-zamanda bir bükülmedir. Bu

bükülmeler uzayın genleşmesine veya sıkışmasına neden olur. Gravitasyon dalgalarının

doğrudan bir ispatı, genel görelilik teorisini doğrulamakla kalmayıp, evrenle ilgili

gözlemlerimizde bize yeni bir pencere açacak ve gözlenen olaylara yeni bir boyut getirecektir.

Şaşırtıcı olan ise, bunun basit bir uzunluk ölçümüyle ispatlanabilir olmasıdır. Ama ortada

meydan okunması gereken bir

durum var. Uzunluktaki değişim

o kadar küçük ki, normal

astronomik olaylarda (örneğin;

Dünya-Güneş sistemi) bile bu

etki bir hidrojen molekülünün

yarıçapı düzeyinde. Birbirinin

etrafında dolanan çiftyıldızlar,

süpernova patlamaları gibi çeşitli

astronomi nesneleri ve olayları

gözlenebilir gravitasyon dalgaları

için iyi kaynaklardır.

Şekil 1.3. Karadelik etkisindeki uzay-zaman eğriliği

10

3. Gravitasyonel Dalga Gözlemlerinin Amacı

Gravitasyonel dalgaların tam olarak tespit edilmesi, modern bilimde en önemli ve en temel

araştırma dallarından birini oluşturur. Onları doğrudan gözlemlemek, evrenimizi daha

yakından tanımamız için bize yardımcı olacaktır.

Gravitasyonel dalgalar, evrendeki şiddetli olaylar tarafından üretilir ve uzay-zaman yapısını

hafif dalgalandırır. Örneğin, iki karadeliğin çarpışmasıyla veya süpernova çekirdeklerinin

parçalanmasıyla oluşan dalgalar gibi. Bu dalgalar, ivmelenmiş kütlelerden yayılırlar. Yani

bunu her yönüyle, ivmelenmiş yükler tarafından oluşan radyo dalgalarına benzetebiliriz.

Karadeliğin etrafındaki gazlar çekim etkisiyle sıkışıp ısınırlar ve radyo dalgalarından x-

ışınlarına kadar geniş bir aralıkta yüksek miktarlarda ışıma yaparlar. Gravitasyonel ışıma

yapması beklenen diğer şiddetli bazı gök olayları şunlardır; nötron-nötron, nötron-karadelik,

karadelik-karadelik gibi çift yıldızların birleşmesi, birinin diğerini yutması ve çarpışmasıdır.

Bunlar dışında gözlenmesi gerekenler, süpernova ve yıldız patlamalarında ve doğumlarında

ya da evrenin başlangıcında oluşan gravitasyonel ışımalardır.

Şekil 1.4. Karadeliksel uzay-zaman eğriliği.

Karadelik ve nötron yıldızı çiftleri birbirlerinin çekim alanına kapılmış ve birbirleri

etrafında dönen ikili sistemlerdir. Bir karadeliğin çekim alanına kapılmış maddenin

karadelikçe yutulmadan önce müthiş sıcaklık derecesine ulaştığı ve bu yüzden önemli

miktarda x-ışını yaydığı saptandı. Böylece bir karadeliğin varlığı, kendisi ışık yaymasa da

11

çevresinde bu tür icraat yarattığı için saptanabiliyor. Etrafa yayılan bu ışınım incelendiğinde,

bundan birçok bilgi elde edilebilir. Bunlardan en önemlisi ise ışığın tüm dalga boylarını

inceleyerek, belirli dalga boylarındaki salınım çizgilerini tespit etme yöntemidir. Bu salınım

çizgileri, kaynağın hangi elementlerden oluştuğu gibi bilgilerin yanında kaynağın hareketi ve

konumu hakkında de birçok bilgi verir. Örneğin kaynak gözlemciden uzaklaşıyorsa, ışınım

çizgileri uzun dalga boylu tarafa doğru yani kırmızıya doğru, eğer yaklaşıyorsa çizgiler kısa

dalga boylu tarafa doğru yani maviye doğru kayar. Bu ölçümler ile cisimlerin yaklaşık

uzaklıkları saptanabilir. Gözlemevleri, evrenin çok uzak köşelerinde bulunan, birbirine sıkı bir

şekilde bağlı olan ikili yapıları gözlemleyebilecek ve böylece evrenin genişlemesindeki

ivmeyi ölçme konusunda da yeni gelişmeler sağlayacaktır. Ayrıca karanlık madde ve karanlık

enerji kavramlarıyla ilgili bazı bilinmezliklere de ışık tutacaktır. İkili karadelik yapılarının

birleşme olayı evrendeki en şiddetli olağanüstü olaylar arasında yer almaktadır. Bu

birleşmeler esnasında etraflarında oluşan bozulmalar nedeni ile uzayın dokusunda

oluşturdukları dalgalanmalar (yani kütle-çekim dalgaları) yayınlanır. Bu sistemler güçlü

gravitasyonel dalgalar oluşturdukları için, Einstein’ın gravitasyonel alan teorisinin test

edilmesi ve kanıtlanması için idealdir.

1916’da Albert Einstein, genel görelilik teorisinin önemi konusunda bazı tahminlerde

bulunmuştur. Yani günümüzden yaklaşık bir asır önceleri bu teoriyi ortaya koyduğunda,

sonuçlarını da hemen hemen tahmin edebiliyordu. Einstein’a göre, gravitasyonel dalgaların

doğrudan tespiti, modern bilimin sorularına açıklık getirecek en önemli ve en temel adımdır.

Gravitasyonel dalga gözlemleri genel görelilik teorisinin doğrulanabilirliğinden daha başka

birçok sonuca sahip olacaktır. Örneğin, evrenimizin oluşumunun ilk dönemlerine bir göz

atmak olası hale gelecektir. Böylece büyük patlamadan sadece 380000 yıl sonrasındaki bir

zamandan evrenimize ait bazı bilgiler bize ulaşabilecek ve bu sayede, evrenin geçmişte saklı

kalan daha eski tarihli devirleri anlaşılır hale gelecektir. Evrenin ilk zamanlarına ait,

doğrulanmamış ve tecrübe edilmemiş birçok değişik teori bu sayede doğrulanacaktır. Hatta

daha da geriye gidebilecek ve büyük patlamayı takip eden ilk trilyonlarca saniyelere kadar

gözlem yapma olanağı sağlayacaktır. Evrenimizin oluşumunu düşünürsek, büyük patlamanın

saniye sonralarında (yani yaklaşık 1trilyon saniye sonrası) çekirdekler oluşmuş

durumdadır. Eğer ölçülebilirse evrenimizin ilk şişme anına ( s) kadar olan kısmı da

anlaşılacaktır. Bu kadar eskiye yönelik ölçüm yapmak bize evrenimiz hakkında yeni bilgiler

verecektir. Bu nedenle gravitasyonel dalga astronomisi ile tamamen yeni bilim ve araştırma

alanlarına ulaşabilir hale gelinecektir.

12

BÖLÜM II

GRAVİTASYONEL DALGALARIN GÖZLENMESİ

1. Gravitasyonel Dalga Deneyleri

Gravitasyonel dalga gözlemleri Weber’den (1960) bugüne kadar pek çok deney grubunun

ilgisini çekmiştir. Birinci kuşak dedektör diye sınıflandıracağımız, dar bir frekans aralığında

çalışan çubuk şeklindeki alüminyum antenlerle yapılan deneyler, hiç bir zaman istenilen

hassaslığa ulaşamadı. Bunun nedeni, gravitasyonel etkileşmenin çok zayıf olmasıdır.

Şekil 2.1. Gravitasyonel dalga gözlemleri için kullanılan ilk antenler

Bu nedenle, teknolojinin de gelişmesi ile birlikte gravitasyonel dalga gözlemi için gereken

hassaslıkta yeni antenler geliştirildi. Bunlar L tipi lazer antenleridir (lazer interferometreleri).

Aslında bu tip antenler yeni değildir. İlk olarak Michelson-Morley (1887) tarafından, ışığın

farklı yönlerde hızının aynı olup olmadığını anlamak amacıyla kullanılan bu düzeneği,

bugün gravitasyonel dalga anteni olarak kullanan pek çok gözlem grubu bulunmaktadır.

Günümüzde hala çalışmalarını sürdüren bazı gözlem gruplarını şöyle sıralayabiliriz;

⋄ AIGO - Avustralya

⋄ GEO600 – İngiltere ve Almanya

⋄ LIGO - USA

⋄ TAMA300 - Japonya

⋄ VIRGO – Fransa, İtalya ve Hollanda

13

Bu gruplar aralarında bir ağ kurdular ve yaptıkları bu ortak projeler kapsamında dünya

çapında yeni bir işbirliği oluşturdular. Ortak çalışmalarına birkaç yıl önce başladılar ve halen

iki projeyi birlikte yürütmektedirler. Bu projelerden birisi, yeryüzünde ölçümlerini sürdürecek

olan “Einstein Gravitasyonel Dalga Teleskopu” dur. Bir diğeri ise uzaya gönderilecek olan

“LISA İnterferometresi” dir.

2. Gravitasyonel Dalga Dedektörlerinin Çalışma Prensibi

Gravitasyonel dalgalar, içinden geçtiği her şeyi titreştirir.

Fakat bu titreşimler çok küçüktür. İnterferometrenin iki uzun

kolundaki aynalar arasında yansıtılan lazer ışınları, bu zayıf

titreşimleri ölçmek için kullanılır. Fakat bu ölçüm

göründüğü kadar kolay değildir. Böylesine zayıf titreşimleri

ölçebilmek için, olabilecek en hassas dedektörler

yapılmalıdır. Dedektörlerin hassasiyeti, aynaların çok iyi olmasına, lazerlerinin çok kusursuz

ve güçlü olmasına, kullanılan malzemelerin özelliklerinin iyi tanınıyor olmasına, en yüksek

vakum sistemleri ve en iyi titreşim izolasyonlarının kullanılıyor olmasına bağlıdır.

Dedektörler, birbirleri ile 90° açıda kurulmuş vakumlu iki uzun borudan oluşmuştur.

Kolların iki ucunda aynalar bulunmaktadır. Kesişim noktasında da 45° lik açı ile yerleştirilmiş

yarısaydam bir levha

bulunmaktadır. Işık kaynağı

bu levhaya 45° lik bir açıyla

ışın demeti gönderecek

şekilde konumlandırılmıştır.

Diğer köşede de girişim

deseninin yansıyacağı bir

perde bulunmaktadır.

Aynaların levhaya olan

uzaklıkları eşit alınarak iki

demet arasındaki yol farkı

sıfır olacak şekilde ayarlanır.

Şekil 2.2. Michelson Morley İnterferometresi

14

Lazer çok düşük frekanslı ve monokromatik (tek renkli) ışık demeti gönderir. Işık ortadaki

yarısaydam aynadan yapılmış dalga platformuna gelir. Böylece ışığın yarısı bir koldan, diğer

yarısı da diğer koldan gider. Kolların en uç noktalarındaki saydam olmayan aynalara çarpan

ışınlar hiç sapmaya veya bölünmeye uğramadan geri yansırlar ve ortadaki dalga platformuna

geri gelirler. Daha sonra ekrana yansırlar ve girişim deseni oluştururlar. Her iki ışın da

birbiriyle aynı ve tek renkli ışığa sahip olduğu için üst üste gelerek yapıcı bir girişim deseni

oluşturur.

Şekil 2.3. Yapıcı ve yıkıcı girişim deseni

Dedektörün içinden geçen bir gravitasyonel dalga eş zamanlı olarak ilerleyen bu iki ışın

demetini etkiler. Gravitasyonel dalgalar artı ve çarpı olmak üzere iki kutba sahiptir ve

içlerinden geçtikleri tüm maddeleri belirli kiplerde titreştirirler. Işın demetinden bir koldaki

büzülürken aynı anda diğer koldaki gerilir. Bu gerilme ve büzülme kollar arasında sürekli

olarak devam eder. Kollar arasındaki bu uzunluk farklılıklarının oluşumu, eş zamanlı ilerleyen

aynı dalgaboyuna sahip ışınların aynı anda perdeye yansımasını engeller. Böylece, oluşan

girişim deseninden gravitasyonel dalganın varlığını gözlemleyebiliriz. Ancak burada yine

aynı sorunlarla karşılaşıyoruz; ses dalgaları ve yer kabuğundaki titreşimleri gravitasyonel

dalgalardan ayırt edebilme sorunu! Bu sorunun önüne geçebilmek için dedektörlerde vakum

sistemleri ve titreşim yalıtımı sistemleri olabildiğince üst düzeyde kullanılmaktadır. Bunun

yanında, gravitasyonel dalgaların etkilerinin çok küçük mertebelerde olması nedeniyle

interferometrenin kol uzunluklarının olabildiğince fazla olması gerekmektedir. Böylece,

gerilme ve büzülme oranlarının daha fazla olması sağlanır ve yol farkı daha büyük olur. Bu

sayede girişim deseninde daha net gözlem yapılabilir.

15

3. Gravitasyonel Dalga Gözlemevleri

3.1. GEO600 İnterferometresi

Şekil 2.4. GEO600 İnterferometresinden bir görünüş

1970’lerde iki Avrupalı grup, lazer-interferometrik gravitasyonel dalga tespiti için

araştırmalar başlattı. 1975’te Münih’teki Max Planck Enstitüsü - Astrofizik Bölümü

çalışmalara, kol uzunluğu 3m olan bir prototip interferometre ile başladı. Bu çalışmanın

ardından 1983’te Max Planck Enstitüsü – Kuantum Optik Departmanı da, kol uzunluğu 30m

olan bir prototip ile deneylerine başladı. 1977’de Glasgow Üniversitesi Fizik ve Astronomi

Bölümü benzer araştırmalara başladı. 1980’de ilk çalışmaları olarak 10m uzunluklu bir örnek

interferometre ile deneylerini sürdürdüler. 1985’te Garching grubu İngiliz gruba 3km kol

uzunluğuna sahip büyük bir interferometre inşa etmek için ortaklık teklif etti. Bu iki grup

1989’da çalışmalarını birleştirdiler ve böylece GEO Projesi doğmuş oldu. Kuzey

Almanya’daki Herz Dağları proje için ideal bir mevkiiydi. Fakat bununla birlikte finansal

problemlerden dolayı projeye parasal kaynak sağlanamadı. Böylece 1994’te GEO600 adında

daha küçük bir dedektör fikri ileri sürüldü.

GEO600 dedektörü 600m kol uzunluğuna sahip olacak ve Hannover yakınlarında geniş

bir ovada inşa edilecekti. Bu İngiliz-Alman ortaklığı ile ortaya konulan gravitasyonel dalga

dedektörü 1995’in Eylül ayında başladı. 2001 yılında Max Planck Enstitüsü-Gravitasyonel

Fizik Bölümü yani diğer adıyla Albert Einstein Enstitüsü (Potsdam’da), Max Planck

Enstitüsü-Kuantum Optik Bölümünün Hannover şubesini aldı ve 2002’den beri dedektör,

Albert Einstein Enstitüsü–Gravitasyonel Fizik Merkezi ve Hannover-Leibniz Üniversitesi

ortaklığında işletiliyor. GEO600 projesinin finansal desteği, Max Planck Enstitüsü, bilim ve

teknoloji araç-gereçleri kuruluşu (Amerika) ve Almanya tarafından sağlanmaktadır. Ayrıca

16

Max Planck Enstitüsü ve Hannover Leibniz Üniversitesi da çok büyük finansal kaynak

sağlamaktadır.

2002’den beri GEO600 ve LIGO dedektörleri tesadüfen benzer veriler elde etti. 2006’da

GEO600 hassas tasarımına ulaştı. Ama şimdiye kadar doğru olarak hiçbir sinyal tespit

edilemedi. Bir sonraki amaç, diğer faktörlerden kaynaklanan ses kirliliğini ayırt ederek daha

sağlıklı veriler elde etmektir.

Gravitasyonel dalga astronomisi tamamen yeni bir evren görüşü sağlıyor. Gravitasyonel

dalgalar; süpernovalar, karadelikler, pulsarlar, ikili sistemler ve kozmik radyasyon hakkında

bilgi verirler. Bunun yanında, ikili sistemlerin gözlenmesi, mesafeleri hakkında kesin karar

verilmesini sağlıyor. Bu sonuçla da Hubble katsayısının* daha kesin ve daha doğru olarak

belirlenmesi önem kazanıyor.

Şekil 2.5. Michelson Morley İnterferometresi Şekil 2.6. GEO600 İnterferometresinin

bir görünüşü

*(Hubble katsayısı; Edwin Hubble’ın “Genişleyen Uzay” teorisinde öne sürülmüştür. Bu

düşünceye göre, galaksiler birbirlerinden giderek artan bir hızla uzaklaşmaktadırlar.

Uzaklaşma hızındaki bu artış, galaksiler arasındaki uzaklıkla orantılıdır. Bu orantı Hubble

katsayısını verir. H=

)

17

3.1.1. GEO600 Teknik Ayrıntıları

Kol Uzunluğu: 2x600m

Yönlendirme: NNW (a VJ Engineering Company) and ENE ( Engineering Education)

Boru Çapı: 60cm

Lazer Tipi: Nd-YAG lazer-1064 nm

Lazer Gücü: 1064 nm-10W

Güç Dönüşümü: 10 kW’ a kadar

Optik: 25 cm çapında erimiş-silis aynalar

Sinyal Dönüşümü: 1000 kata kadar

Frekans Aralığı: 50 Hz-1,5 kHz

Band Genişliği: >60 Hz (Sinyal Dönüşüm faktörüne bağlı olarak)

Vakum: < mbar

Hassaslık: Band genişliğine bağlı olarak h~ … , h~

3.1.2. GEO600 Hassasiyeti

“Hassasiyet eğrisi” sesin

frekansını verir. GEO600’ün

hassasiyeti, band genişliğine, band

genişliği ise sinyal dönüştürme

faktörüne bağlıdır. GEO600’ün

sinyal dönüşümü özellikle ses

limitlerinin değişiminden dolayı

oluşan spektral karakteristiklerin

değişimini verir.

Şekil 2.7. GEO600 Hassasiyet grafiği

18

Ses kaydeden cihazlarda, cihazın kaydettiği en düşük ya da en yüksek frekanslar

arasındaki bölge ses bandı olarak bilinir. Sinyal dönüşüm bölgesini geniş ya da dar band

aralığında seçebiliriz. Bunu da ayna yansımaları ile yaparız. Maksimum hassasiyetteki orta

frekans, sinyal dönüşüm aynası kaydırılarak istenen frekansa ayarlanabilir.

3.1.3. GEO600 Optik Planı

Deney düzeneğinde iki adet gözlem odası bulunmaktadır. Bu gözlem odaları bütün

titreşimlere karşı izole edilmiş durumdadır. Tüm sinyaller bu odalardaki düzeneklere gelir ve

oradaki sinyal dönüştürücülerden geçerek simülasyonu yapılır ve gerekli gözlemler

gerçekleştirilir. Açık mavi ile gösterilen kısımlar optik parçalardır. Kırmızı çizgiler giden ve

yansıyan ışın demetleridir. Koyu kırmızılar ise yoğun ışın demetlerini göstermektedir.

Şekil 2.8. GEO600 Optik Planı

19

3.2. TAMA300 İnterferometresi

1995 yılında Japonyalı bilim adamları

TAMA300 adını verdikleri lazer

interferometrik gravitasyonel dalga

dedektörü projesini başlattı. TAMA300

dedektörü Tokyo Üniversitesinin bir

projesidir ve Mitika kampüsünde

kurulmuştur. Dedektör 300m kol

uzunluklarına sahip olarak inşa edildi. En

hassas biçimde tasarlandı ve teknolojik

olarak en üst düzey araç gereçler kullanıldı.

Dedektörün inşası 1999 yılında

tamamlanarak en hassas düzeye getirildi ve

ölçümlerine başladı.

Şekil 2.9. TAMA300 İnterferometresinden

bir görünüş

Bu proje, diğer gravitasyonel dalga dedektörleri ile işbirliği içinde bazı ölçümler yaptı.

Fakat istenilen düzeyde dalga tespiti henüz yapılamadı. Çeşitli problemlerden dolayı

Gravitasyonel dalgaların varlığı bir türlü kanıtlanamıyordu. Bu problemler, deney ortamında

bulunan dış ortam gürültüsüydü. Bir de bunun yanında dedektörün bazı yetersizlikleri de göz

önüne geldi. Bunlardan en önemlisi kol uzunluklarının yeteri kadar uzun olmamasıydı.

TAMA300 ölçümlerine devam

ederken diğer bir yandan da daha

büyük bir dedektör yapma çalışmaları

başladı. Bu dedektör de yine Tokyo

üniversitesi önderliğinde sürdürülen

Large Cryogenic Gravitational

Telescope (LCGT) dir. Bu dedektör

3km kol uzunluğuna sahiptir. İnşası

ve iyileştirme çalışmaları halen

devam etmektedir.

Şekil 2.10. LCGT’nin bir resmi

20

3.3. AIGO İnterferometresi

Avustralya’lı gravitasyonel dalga dedektörü AIGO, 1990’lı yılların başında güney

yarımkürede kurulan ilk ve tek gözlemevidir. AIGO’nun yapımına başlandığında diğer

dedektörler henüz proje aşamasındaydı. Bu nedenle ilk kurulan gravitasyonel dalga

dedektörüdür. Ayrıca 5 km kol uzunluğuna sahip olması sebebiyle en uzun dedektör sıfatını

da taşımaktadır.

Avustralya Ulusal Üniversitesi ve Batı Avustralya Üniversitesi, bu yıllarda araştırma

programlarına başladılar ve üniversitelerinin laboratuarlarını geliştirmeye, daha teknolojik

donanımlara sahip olmaya çaba gösterdiler. Çünkü yapılmak istenilen proje daha hassas

donanımlar gerektiriyordu. Daha sonra “Avustralya Gravitasyonel Dalga Araştırması Birliği”

kuruldu. Çalışmalar hakkındaki kapsamlı bilgiler burada toplanıyor, finansal kaynaklar

buradan yönetiliyordu. Birçok büyük kuruluş projenin gereksinimlerinin karşılanması için

yüksek miktarlarda maddi kaynak sağladı. 2000 yılında AIGO gözlemlere açıldı ve Amerikalı

LIGO dedektörü ile birlikte eşzamanlı çalışmaya başladılar. Kısa bir süre sonra VIRGO da bu

işbirliğine katıldı.

Şekil 2.11. LIGO, VIRGO ve AIGO dedektörlerinin ortak verileri sonucu oluşturulmuş grafik

21

Şekil 2.12. AIGO interferometresinin planı (titreşim izolasyon sistemleri, mercek ve ayna

sistemleri, yüksek güçlü bir lazer, 5km uzunluğunda vakumlu borular.)

Şekil 2.13. Laboratuardan bir görünüş.

22

3.4. LIGO İnterferometresi

1974 yılında iki Amerikalı astrofizikçi Joseph Taylor ve Russel Hulse, Massachusetts

Üniversitesinde çalıştıkları süre içerisinde yaptıkları bir çalışmada radyo dalgalarını

incelerken tesadüfen bizim galaksimize ait yeni bir pulsar (PSR B1913+16) keşfettiler. Bu

keşifle, gravitasyonel dalga çalışmaları için olanaklar yarattıkları düşünülerek 1993 yılında

Nobel Fizik Ödülüne layık görüldüler.

Yıldızların hareketi sonucu salınan

titreşimler çok düzenli ve süreklidir ve

yayıldığı kaynak yakınında yoğunlaşmıştır.

Hulse, Taylor ve diğer araştırmacılar genel

görelilik ilkesini doğrulamak ve gravitasyon

radyasyonunun varlığını göstermek için test

amacıyla bu ilk pulsar çiftini kullanmışlardır.

Bu keşif gravitasyonel dalga gözlemleyebilme

isteğini biraz daha arttırmış oldu.

Şekil 2.14. Bir pulsar (takımyıldızı) fotoğrafı

Bunun hemen ardından 1994 yılında LIGO teleskop projesi başlatıldı. Teleskop

Amerika’da iki yerde kurulmuştur. Bunlardan biri Washington’da diğeri ise Livingston’da

bulunmaktadır. Yapımı 1999 yılında tamamlanmıştır. Bünyesine dünya çapında 800 den fazla

çalışan bulunmaktadır. İnterferometrenin kol uzunlukları 4km’dir ve kollar 1,2 metre

çapındadır. Lazer ışınlarının ilerleyeceği tüplerdeki basınç mbar civarındadır.

23

Şekil 2.15. LIGO İnterferometresinden bir görünüş.

3.5. VIRGO İnterferometresi

VIRGO gravitasyonel dalga dedektörü, İtalya-Fransa ve Hollanda ortaklığında kurulmuş

bir projedir. Yapımına 1995 yılında başlanıp 2003 yılında sona erdirilmiştir. 3km kol

uzunluğuna sahip olarak inşa edilen dedektör, İtalya’da Pisa yakınlarında kurulmuştur.

Bünyesinde çalışan birçok araştırmacıyla birlikte 2003’den beri deneylerine devam

etmektedir. Bu yılların başından itibaren diğer tüm dedektörlerle birlikte ortak bir çalışma

sürdürmekte ve çalışmalarını sürekli olarak yayımlamaktadırlar.

Şekil 2.16. VIRGO Gözlem evinin bir fotoğrafı

24

4. Dünya Çapındaki Şebeke

Gravitasyonel dalga araştırması evrensel bir çalışmadır. Bu kapsamda dünya çapında bir

çok araştırma grubu büyük bir işbirliği içindedirler. GEO600, LIGO, VIRGO ve TAMA300

gibi ekipler aralarında bir ağ oluşturarak ilk gözlemlerini aynı zaman aralıklarında 2002 ve

2003 başlarında yaptılar. Aynı anda veri almanın pek çok yararı vardır. Bunların başında ise

kaynağın konumunun tespitindeki teknik kolaylıklar ve sonuçlara güvenilirlik gelir. Çünkü bir

gravitasyonel dalga kaynağının tespiti sadece farklı yerlerde kurulmuş ve eşzamanlı çalışan

birkaç interferometre ile mümkündür. Gravitasyonel dalgaların güvenilir tespiti için

dedektörlerin çalışmalarının uygunluk içinde olması gerekir. Eğer bu birbirinden habersiz

dedektörlerin sinyalleri tesadüfen birbirleri ile aynı olursa bazı sorunlar ortadan kalkmış

olacak, verilerin doğrularından emin olunabilecektir. Bu ekipler teknolojik araçlarını,

matematiksel işlem metotlarını, elde ettikleri çözümlemeleri ve verileri paylaşmaktadırlar.

Şekil 2.17. Dünya çapındaki işbirliği.

Gravitasyonel dalgalar hakkında tüm bilgileri elde etmek için en azından 4 dedektörün

verilerini kıyaslamak gerekir. Bu nedenle Amerikan, Alman, İngiliz, İtalyan, Fransız ve

Hollandalı bilimsel araştırma ekipleri çok uzun bir zamandır çalışmalarını birlikte

yürütmektedirler. Bu bilimsel işbirliğinin üyeleri diğer gravitasyonel dalga dedektörleri ile

aynı anda birkaç uzun vadeli veri elde etti. LIGO ve GEO600 ün aynı zamanda yaptıkları ilk

gözlem, Science1 (S1), bir gözlemden çok hem gruplar arası eşgüdümü sağlamak, hem de

aynı zamanda bir hassaslık ölçümü çalışmasıydı. S1’in sonuçları 2004’ün başlarında

yayımlandı. Her grup kendi deneyinin verilerini ve ölçüm hassaslığı’nda bu yayınlardan ilan

etti. Bu deneylerde gravitasyonel dalga gözlenmesi beklenmiyordu ve neticeler de beklendiği

gibi bu yönde oldu. Science gözlemleri devam etmektedir.

25

5. Einstein Gravitasyonel Dalga Teleskopu

Gravitasyonel dalga dedektörleri sürekli bir evrim içindedir. Birinci kuşak dedektörlerin

bir sonraki gelişmiş düzeye yükselmeleriyle ikinci kuşak dedektörler ve daha sonra da üçüncü

kuşak dedektörler geliştirildi. Hala da gelişim süreci devam etmektedir. Einstein teleskop

projesi, üçüncü kuşak gravitasyonel dalga ölçümleri adına önemli bir adımdır. Bu proje 5

Mayıs 2008 tarihinde başlatıldı ve 4 Temmuz 2011’de tamamlanarak gözlemlerine başlaması

planlanıyor. Ancak bu proje akıllara şu olası sorunları getiriyor; gerekli yerleşim alanı, altyapı

sistemleri, gelişmiş teknolojiler ve ayrıca son olarak da toplu bir bütçe ihtiyacı.

Bu üçüncü nesil gözlemevi, günümüzdeki dedektörlerden daha hassas olmayı amaçlıyor.

Dünya üzerinde bir yerde kurulacak olan bu teleskop ile 1Hz ve 10kHz arasındaki bütün

frekanslarda ölçüm yapmayı amaçlıyorlar.

26

6. LISA İnterferometresi

Şekil 2.18. LISA İnterferometresinin uzaydaki temsili bir resmi

1990’lı yıllarda başlatılan gravitasyonel dalga gözlemevi projeleri, Dünya’nın her

köşesinde yaklaşık 20 yıllık bir süreç içerisinde çağın en teknolojik sistemleriyle birlikte

sürekli bir evrim içinde geliştirilerek donatılmış olmalarına rağmen henüz doğru bir gözlem

kaydedememiştir. Bunun sebebi daha önceki bölümlerde de açıkladığımız gibi; yerküre

üzerindeki diğer dalgalardan gravitasyonel dalgaları ayırt edememek ve deney düzeneklerinin

gravitasyonel dalgaları ölçebilecek oranda yeteri kadar büyük olmamasıdır. Ancak LISA

yeryüzünden çok uzaklarda, atmosfer dışında çalışacağı için bu dalga kirliliğinden bağımsız

bir ortamda daha sağlıklı ölçümler alacaktır. Ayrıca tasarımı ve hassaslığı ile de yeryüzündeki

düzeneklere göre daha avantajlı bir durumdadır.

LISA (Laser Interferometer Space Antenna), ESA

(European Space Agency)/NASA bünyesinde ve tüm

Dünya araştırmacılarının katılımıyla gerçekleştirilen

bir projedir. LISA için ilk çalışmalar 1998 yılında

ELITE (European LIsa TEchnology Experiment)

isimli organizasyonla başladı. Geçici olarak LAGOS

(Laser Antenna for Gravitational-radiation

Observation in Space) adı verildi. Tasarımının

tamamlanmasının ardından yapımına ise 2002 yılında

başlanan antenin 2012’de uzaya fırlatılması

planlanmaktadır.

27

LISA interferometresi üç adet güçlü lazer kaynağından oluşmaktadır. Uzaya tek parça

halinde fırlatıldıktan sonra üç modül birbirinden ayrılıp yörüngeye yerleşecektir.Daha sonra

bu üç lazer kaynağı birbirlerine ışın demeti gönderecek ve Güneş’in çevresinde Dünya’nın

yörüngesinde dolanmaya başlayacaktır. Lazer kaynakları, aralarında 5000000 km uzaklık

bulunacak şekilde bir eşkenar üçgen oluşturacaktır. Bu uzunlukta bir ışın demetinin içinden

geçecek olan bir gravitasyonel dalganın etkisi büyük ölçüde gözlemlenebilir.

Şekil 2.19. LISA’nın yörüngesi ve şekli.

Şekil 2.20. LISA’nın Güneş etrafındaki bir yıllık hareketini temsil eden şekil. (Lisa uzay aracı

üç nokta ile temsil edilmiştir ve zayıf kırmızı çizgi ile gösterilen yörünge üç lazer

kaynağından herhangi birinin eliptik yörüngesidir.)

28

6.1. LISA PATHFINDER Teknolojik Yapısı

Şekil 2.21. LTP (LISA Technology Package) LISA teknoloji paketi

Şekil 2.22. LTP içindeki algılayıcı sistemin elektronik devresi.

29

Şekil 2.23. Algılayıcı sistem

Şekil 2.24. LISA’nın optik sistemi

30

Şekil 2.25. Optik sistemin bir fotoğrafı

Şekil 2.26. LISA PATHFINDER iletişim sistemi

31

BÖLÜM III

SONUÇLAR

Bu çalışmada da anlatılmak istendiği gibi, gravitasyonel dalgaların varlığı teorik olarak

biliniyor olsa da henüz gözlemlere yansımamıştır. Albert Einstein’ın genel görelilik teorisinin

test edilmesi ve kanıtlanması ancak bu gözlemlere bağlıdır. Einstein bunun önemi konusunda

uzun yıllar önce bazı tahminlerde bulunmuştur. Ancak o günden günümüze kadar olan süreçte

bir çok ilerleme kaydedilmiş olsa da, bugün sahip olduğumuz teknoloji gravitasyonel

dalgaların varlığını kanıtlamaya yetecek güçte değildir.