Kütle çekimsel dalga

Giriş

Einstein'in Genel Relativite Teorisi'ne göre çekim, uzayzamanın eğriliğinden doğan bir fenomen olarak ele alınır. Bir noktadaki bu eğrilik, orada bulunan bir kütlenin varlığından kaynaklanır. Genel olarak bir hacim ne kadar çok kütle içinde bulundurursa bu hacmin çeperindeki uzayzaman da o derece eğrilecektir. Kütleli cisimler hareket ettiğinde buradaki eğrilik, bu cisimlerin hareketini yansıtacak şekilde değişir. Özel durumlarda hızlana cisimler, bu eğriliği değiştirerek dışarıya doğru dalgasal biçimde ışık hızıyla yayılmasını sağlarlar.
Kütle çekimsel dalga uzaktaki bir gözlemcinin yanından geçtiğinde gözlemci, uzayzamanın oluşan zorlanmadan dolayı çarpıldığını fark eder. Serbest cisimlerarası uzaklıklar, dalga geçerken dalganın frekansına uygun şekilde ritmik olarak artar ve azalır. Bu hareket, serbest cisimlere dengede olmayan bir kuvvet etki etmemiş olmasına rağmen olur. Hareketin genliği, cismin dalga kaynağına olan uzaklığıyla ters orantılıdır. İçeri doğru birbirine yaklaşarak dönen (İng. inspiralling) nötron yıldızı çiftinin kaynaştığında kütle çekimsel dalgalar için kuvvetli bir kaynak oldukları tahmin edilmektedir. Çünkü bu kaynaşma sırasında birbirine iyice yaklaşan gök cisimlerinin kütleleri çok büyük bir ivmeyle birbirlerine doğru hareket etmektedirler. Bu tür kaynaklara olan büyük uzaklıklardan dolayı Dünya'da eğriliklerin 1'e 10²⁰'den az olması beklenmektedir. Başka bir ifadeyle Dünya ile Güneş arası uzunluğunda olan hayalî bir detektörün en az 1,5 nm'lik bir değişikliği farketmesi yetersiz kalacaktır. Bilginler, bu dalgaların varlığını daha da hassas detektörlerle göstermeye çalışmaktadırlar. 2012'deki en hassas detektör, LİGO ve VİRGO rasathanelerinde kullanılmakta olup 5×10⁻²²'lik bir değişimi fark edebilecek kapasitededirler. Bu rasathanelerde kütle çekimsel dalgaların tespit edilememesi, bu tür olayların çokluğuna bir üst sınırlama getirmektedir. Uzaya fırlatılmak üzere ESA'nın geliştirmekte olduğu Laser Interferometer Space Antenna rasathanesi daha bitmemiştir.
Prensip olarak KÇD'ler her genlikte yayılabilir. Fakat çok düşük frekanstaki KÇD'leri tespit etmek imkânsızken çok yüksek frekanslarda "yayın" yapabileceğine inanılan bir kaynak bilinmemektedir. Stephen W. Hawking ve Werner Israel, 10⁻⁷ ilâ 10¹¹ Hz arası frekanslarda dalga üretebilecek muhtemel kaynakları listelemişlerdir.

Başka kaynaklardan ışıma

Dünya-Güneş sisteminin oluşturduğu dalgalar çok ufak olmasına rağmen astronomlar, hatırı sayılır dalgalara sebep olan başka kaynakları gösterebilirler. Önemli bir örnek, birisinin çift pulsar olduğu Hulse-Taylor çift yıldızıdır. Yörüngelerinin karakteristiği, yaydıkları radyo sinyallerinin Doppler etkisiyle değişiminden çıkarılabilir. Her bir yıldızın kütlesi 1,4 Güneş kütlesi olup yörüngelerinin çapı, Dünya-Güneş yörüngesinin 1/75'idir. Başka bir ifadeyle bu çap, Güneş çapının birkaç katıdır. Büyük kütlelerin ve küçük bir çapın bir araya gelmesiyle Hulse-Taylor Sistemi'nin yaydığı enerji, Dünya-Güneş Sistemi'nin verdiği enerjiden çok daha fazladır - takrîben 10²² katı kadar.
Yörünge hakkındaki bilgiler, dalga hâlinde ne kadar enerji (ve açısal momentum) yayılacağını kestirmeye yarar. Enerji oradan yayılırken yıldızlar birbirlerine yaklaşırlar. Bu etkiye içeri doğru dönme (İng. inspiral) denir ve pulsarın sinyalinde gözlenebilir. Hulse-Taylor sistemi ölçümleri otuz seneden fazla bir süreden beri yapılmaktadır. Genel rölativitenin öngördüğü kütle çekimsel ışımanın gözlemlerle %0,2'lik bir hata ile uyuştuğu gösterilmiştir. 1993'te 
Russell Hulse ve Joe Taylor, kütle çekimsel dalgaların bu ilk dolaylı ispatından dolayı Fizik Nobel ödülüne lâyık görülmüşlerdir. Mâlesef bu ikili sistemin yörüngesel ömrü 1,84 milyar senedir. Bu süre, Kâinat'ın bilinen ömrünün hatırı sayılır bir kesridir.
İnspiraller, kütle çekimsel dalgaların önemli kaynaklarındandır. Her ne zaman beyaz cüceler, nötron yıldızları veya ikili siyah delikler gibi yoğun cisimler yakın oldukları hâlde birbirleri etrafında dönerse etrafa kuvvetli kütle çekimsel dalga yayarlar. Birbirlerine yakaştıkça bu dalgalar daha da kuvvetleşir. Öyle bir nokta gelir ki bu dalgaların etkisi, Dünya'daki veya Kâinat'taki başka cisimlerde doğrudan tespiti mümkün olur. Kütle çekimsel dalgayı doğrudan tespit etmeyi hedefleyen birkaç büyük ölçekli deney yapılmaktadır.
Bu konudaki tek zorluk, Hulse-Taylor ikilisi gibi sistemlerin çoğunun o kadar uzakta olmasıdır. Hulse-Taylor ikilisinin yaydığı dalga genliği, Dünya'ya geldiğinde takrîben h ≈ 10⁻²⁶ olacaktır. Fakat astrofizikçilerin bulmayı ümidettiği çok daha büyük genlikli kaynaklar vardır (h ≈ 10⁻²⁰). En azından sekiz başka ikili pulsar keşfedilmiştir