Kütleçekimsel dalga astronomisi

Kütleçekimsel dalga astronomisi, gözlemsel astronominin, nötron yıldızları ve kara delikler gibi nesneler ve süpernova ve büyük patlamadan hemen sonraki evrenin işleyişi hakkında gözlemsel veri toplamak için kütleçekimsel dalgayı (Einstein tarafından genel görelilikte tahmin edilen uzayzamanın dakika sapmaları) kullanan, yeni geliştirilen bir dalıdır.

Kütleçekimsel dalgaların görelilik teorisine dayalı sağlam teorik temeli vardır. İlk defa 1916'da Einstein tarafından öngörülmüştür; genel göreliliğin özel bir sonucu olmasına rağmen, özel göreliliğe uyan kütleçekiminin bütün teorilerinin genel özelliğidir. Kütleçekimsel dalgaların varlığına dair ilk dolaylı gözlemsel kanıtlar 1974'te Hulse-Taylor çift pulsarı ölçümlerinde bulundu ve kütleçekimsel dalgalardan tam beklenildiği yörüngede hareket etmişlerdir. Richard Hulse ve Joseph Taylor 1993'te bu keşiften dolayı Nobel Fzik ödülüne layık görüldüler. Sonrasında, kütleçekimsel dalga tahminlerine uyan birçok çift pulsar gözlemlendi. Bu gözlemler kütleçekimsel dalga yayılımının etkisini göstermiştir ama kütse çekimsel dalgaların kendisini ölçmemize izin vermemişlerdir.

Büyük patlamadan 10−36 saniye sonra evrenin hızla genişlemesi hipotezi olan Kozmik enflasyon kütleçekimsel dalgalara sebep olur; polarizasyonda ve kozmik mikrodalga arka plan ışımasında karakteristik izler bırakır. Mikrodalga ışımasındaki modellerin ölçümlerinden ilkel kütleçekimsel dalgaların özelliklerini hesaplamak mümkündür, ve erken evren hakkında bilgi edinilebilir. Yine de kütleçekimsel dalgalar doğrudan tespit edilemez, ama var oldukları diğer astronomik tekniklerle anlaşılabilir.

Kütleçekimsel dalgaların doğrudan tespitini yapmayı uman birçok güncel bilimsel birlik vardır. Yer tabanlı detektörlerin dünya çapında ağları vardır ve bunlar aşağıdakiler dahil kilometrelerce lazer girişimölçerleridir: Kütle Çekimsel  Dalga Lazer Girişimölçeri Rasathanesi(LIGO), MIT, Caltech ve LIGO Bilimsel Birliği bilimadamları ve Livingston, Louisiana ve Hanford, Washington'daki detektörler ile ortak proje; Virgo, Avrupa Kütle Çekim Rasathanesi, Cascina, İtalya; GEO 600 Sarstedt, Almanya, ve Kamioka Kütle Çekimsel Dalga Detektörü (KAGRA),  Tokyo üniversitesi Kamioka Rasathanesi, Japonya. LIGO ve Virgo gelişmiş ayarlarla geliştirildi, Geliştirilmiş LIGO 2015'te gözlemlerine başladı ve Geliştirilmiş Virgo'nun da 2016'da başlayaması bekleniyor. Daha da gelişmiş olan KAGRA ise 2018'de tamamlamış olacak. GEO 600 güncel olarak hazır, lakin hassaslığından dolayı gözlem yapamaz durumda; ana görevi teknolojiyi denemek. 2020'nın sonuna kadar yer tabanlı detektörlerin ilk tespiti yapmaları umuluyor.

Tespit için kullanılan alternatif araç ise pulsar zamanlama dizileridir(PTAs). Avrupa Pulsar Zamanlama Dizisi (EPTA), Kuzey Amerika Nanohertz Kütle Çekimsel Dalga Rasathanesi (NANOGrav), ve Uluslararası Pulsar Zamanlama Dizisi ile ortaklaşa çalışan Parkes Pulsar Zamanlama Dizisi (PPTA) olmak üzere üç konsorsiyum vardır. Bunlar mevcut radyo teleskoplarının kullanmaktaydı, lakin bu teleskoplar nanohertz düzeyindeki frekanslara duyarlı olduğundan için, bunca yıllık gözlemlerin sinyal tespit etmesi gerekiyordu ve detektör hassaslığı gitgide gelişti. Şu anki sınırlar astrofiziksel kaynakların beklentilerine yaklaşmaktadır.

İleriki gelecekte,uzay tabanlı detektörler olması mümkündür. Avrupa Uzay Ajansı kütleçekimsel dalga görevini L3 görevi olarak 2034'te başlayacağını belirledi ve güncel anlayış gelişmiş Lazer Girişimölçer Uzay Antenidir (eLISA). Ayrıca Japon Deci-hertz Kütle Çekimsel Dalga Lazer Girişimölçeri Rasathanesi de gelişmektedir (DECIGO).

Astronomi karakteristik olarak elektromanyetik radyasyona dayanmaktadır. Astronomi görünür-ışık astronomisiyle ve çıplak gözle görülebilenlerle başlamıştır. Teknoloji geliştikçe elektromanyetik tayfın radyo ve gama gibi diğer parçaları da gözlemlenmeye elverişli hale geldi. 20. yüzyılın sonlarında, nötrino astronomisi alanında güneşsel nötrino bulunmasıyla,eski bir görünmez fenomen olan Güneş'in içsel işleyişi konusunu aydınlattı. Kütleçekimsel dalgaların bulunması astrofiziksel gözlem yapmak için yeni araçlar yapılmasını sağlayacak.

Kütleçekimsel dalgalar, diğer araçlar tarafından kullanılan tamamlayıcı bilgiler sağlar. Tek bir olayın farklı araçlarla yapılan gözlemlerini birleştirerek, kaynağın özelliklerini tam olarak anlayabiliriz. Bu çoklu haberci astronomisi olarak bilinir. Kütleçekimsel dalgalar diğer araçlarla gözlemlenemeyen (ya da fark edilmesi neredeyse imkânsız) sistemleri de gözlemlemek için kullanılabilir örneğin, kara delikleri özelliklerini ölçmede eşsiz bir yöntem sağlamaktalar.

Birbiri etrafında dönen iki yakın yıldızsal kütleye sahip sıkışık çift nesneleri, örneğin beyaz cüceler, nötron yıldızları, kara delikler. Daha geniş çiftler daha düşük yörüngesel frekansta hareket ederler, ve LISA gibi detektörlere kaynak oluştururlar. Yakın çiftler LIGO gibi yer tabanlı detektörler için sinyal üretirler. Yer tabanlı detektörler orta seviye kütleli kara delik ya da birkaç yüz güneş kütlesine sahibi barındıran çiftleri fark edebilir.

Çok büyük kütleli kara delik çiftleri, 105–109 güneş kütlesine sahip iki kara delik içerir. Çok büyük kütleli kara delikler galaksilerin merkezlerinde bulunur. Galaksiler birleşince, merkezi çok kütleli kara delikler de birleşebilir. Bunlar muhtemelen en gürültülü kütleçekimsel dalga sinyalleridir. En büyük kütleli çiftler PTAs kaynaklarıdır. En az kütleli (milyon güneş kütleli) kara delikler uzay detektörleri olan LISA benzeri detektörlere kaynak ouşturur.

Yıldız kütleli sıkışmış nesnenin büyük kütle oranlı sistemleri büyük kütleli kara delik etrafında yörüngelenir. Bunlar LISA gibi detektörlere kaynaklık yaparlar. Yüksek eksantrikliği sahip yörüngeler en yakın noktadan geçerken kütleçekimsel radyasyon patlaması üretirler; sarmallarının sonlarına yönelmeleri beklenilen, yakın çembersel yörüngeleri olan sistemler, sürekli olarak LISA'nın frekans bandında yayılırlar. Büyük kütle oranlı sarmallar birçok yörünge üzerinde gözlemlenebilir. Bu onları genel görelilik hassasiyetini test etmeye imkân verdiği için, uzayzaman  geometrisi arka planı için mükemmel bir inceleme fırsatı halene getirir.

Kütleçekimsel dalgalar madde ile sadece zayıf etkileşim kurarlar. Bu sebepten dolayın onları fark etmesi zordur. Yani evren boyunca serbest dolaşabilirler, ve elektromanyetik radyasyon gibi dağılmazlar ya da absorbe edilmezler. Yine bu sebepten süpernova ya da galaksi merkezi gibi yoğun bir sistemin merkezinden bile görünürler. Elektromanyetik radyasyonun aksine zamanda geçmiştekileri de görünebilirler, çünkü erken Evren yeniden birleşme evresindeyken opaktı ama kütleçekimsel dalgalara karşı saydamdı.

Kütleçekimsel dalgaların evren boyunca serbest dolaşma yeteneğinden dolayı kütleçekimsel dalga detektörleri teleskopların aksine tek bir görüş alanını değil bütün gökyüzünü gözlemlerler. Detektörler bazı yönlerde diğerlerine göre daha hassastır ve bu da detektör ağına sahip olmanın en faydalı tarafıdır.

Kütleçekimsel dalga saptamak, elektromanyetik tayf gözlemlerini tamamlayacağını vadediyor. Bu dalgalar ayrıca elektromanyetik dalgaları gözlemleyerek elde edemeyeceğimiz verimli bilgileri sunacağını vadediyor. Elektromanyetik dalgalar absorbe edilip tekrar saçılabilirler ve bu da kaynak zorluğu hakkında fikir yürütmeyi zorlaştırıyor. Kütleçekimsel dalgalar maddeyle sadece zayıf etkileşim kurarlar, yani saçılmazlar ve emilmezler. Bu astronomların süpernova merkezlerini, bulutsuları, ve hatta çarpışan galaktik çekirdekleri yeni yollardan görmelerini sağlayabilir.

Yer tabanlı detektörlerden sarmal faz, yıldız kaynaklı kara delikler çiftinin birleşmesi, bir kara delik ve nötron yıldızı barındıran çiftler (gama-ışın patlamasında aday mekanizma) hakkında yeni bilgiler sunması beklenmektedir. Ayrıca merkezi çökmüş süpernovalardan, ve küçük bozulmaları olan pulsarlar gibi periyodik kaynaklardan sinyal yakalayabilirler. Eğer hal değişiminin belli çeşitlerinde veya çok erken evrende (kozmik zamanda 10−25 'nci saniyede) uzun kozmik sicimden patlama dolaşımı hakkındaki kurgular doğruysa bunlarda yakalanabilir. LISA gibi uzay merkezli detektörler iki beyaz cüce barındıran çiftleri ve  AM CVn yıldızını(çift eşinden madde çekerek büyüyen beyaz cüce , düşük kütleli helyum yıldızı) fark etmesi ve de dev kara deliklerin birleşmesini ve küçük nesnelerin (bir ve bin arası güneş kütleliler) sarmallarının kara deliklere çekilmesini gözlemlemesi gerekir. LISA aynı zamanda yer tabanlı detektörler gibi erken evrenden gelen aynı kaynakları da dinleyebilir,lakin çok düşük frekansta ve çok yükseltilmiş hassaslıkla.

Yayılan kütleçekimsle dalgaları belirlemeye çalışmak çok zor bir uğraştır. Bunun için üstün sabitlikte yüksek kalite lazerlere ve en az 2·10−22 Hz-1/2  arası hassaslığa ayarlı, GEO-600 gibiyer tabanlı detektörler gerekir. Ayrıca süpernova patlamaları gibi büyük astronomik olaylardan sonra bile, bu dalgaların titreşimleri atomik çap kadar küçülebilir. Yer tabanlı ve uzay merkezli tespit sistemlerinin yüksek hassasiyeti bu güvenilmez dalgaları yakalamalı.