'Patlama'yı Büyük Patlama zeminine oturtmak

Jennifer Chu

Büyük Patlama teorisi yoluna devam ederken, yaklaşık 13.8 milyar yıl önce bir yerde, evren, ilk yıldızları ve galaksileri, yanı sıra bugün gördüğümüz (ve olduğumuz) maddenin tüm biçimlerini oluşturan tepkimeleri tetikleyen, büyüdükçe soğuyan, inanılmaz derecede küçük ve yoğun bir maddeden ateş topu halinde varoluşa doğru patladı.

Büyük Patlama, evreni durmaksızın genişleyen rotasına sokmadan hemen önce, fizikçiler, erken evrenin daha patlayıcı bir başka aşaması daha olduğuna inanıyorlar: Kozmik Enflasyon*, saniyenin trilyonda birinden daha az sürdü. Bu dönemde, Büyük Patlama’nın süreçleri daha yavaş genişlemeden ve bebek evreni çeşitlendirmeden önce -soğuk, tek düze ve yapışkan bir şekildeki- madde, katlanarak şişti.

En yeni gözlemler, bağımsız biçimde hem Büyük Patlama hem de ‘Kozmik Enflasyon’ teorilerini destekliyor. Fakat bu iki süreç birbirinden o kadar radikal bir şekilde farklı ki, bilim insanları, birinin diğerini nasıl takip ettiğini anlayabilmek için uzun bir mücadele yaşadılar.

ARA AŞAMA LABORATUVARDA YENİDEN CANLANDIRILDI

Şimdi MIT (Massachusetts Teknoloji Enstitüsü), Kenyon Koleji ve diğer yerlerden fizikçiler, erken evrenin Büyük Patlama ile Kozmik Enflasyon’u birbirine bağlayabilecek ara bir aşamasını ayrıntılı biçimde yeniden canlandırdılar. ‘Yeniden Isıtma’ adıyla bilinen bu aşama, Kozmik Enflasyon’un sonunda gerçekleşti ve enflasyonun soğuk ve tekdüze bir yapıya sahip maddesini, Büyük Patlama’nın başlangıcında yer alan aşırı sıcak ve karmaşık çorbanın fokurdayışına dönüştüren süreçleri içeriyordu.

Germeshausen Vakfı’nda bilim tarihi profesörü ve MIT’de fizik profesörü olarak görev yapan David Kaiser, “Enflasyon sonrası Yeniden Isıtma dönemi, Büyük Patlama’nın koşullarını belirledi ve bir anlamda patlamayı, Büyük Patlama zeminine yerleştirdi. Bu, cehennemden kopup gelen ve maddenin basit olmak hariç her şekilde davrandığı bir geçiş dönemiydi,” diyor

Kaiser ve meslektaşları, kozmik şişmenin sonundaki bu karmaşık dönemde birden fazla maddenin nasıl etkileşime girebileceğini ayrıntılı biçimde canlandırdılar. Hazırladıkları simülasyonlar, şişmeye neden olan aşırı enerjinin, saniyenin çok küçük bir kısmında ve Büyük Patlama’nın başlaması için gereken şartları ortaya çıkaracak biçimde, benzer bir hızla yeniden dağılabileceğini gösteriyor.

Araştırma ekibi, eğer kuantum etkileri, Einstein’ın Genel Görelilik Teorisi’nin maddeyi öngörme biçiminden ve kütle çekimle etkileşime girme gerekliliğinden sapar ve maddenin çok yüksek enerjilerde kütle çekimine yanıt verme biçimini değiştirirse, bu aşırı dönüşümün daha hızlı ve etkili gerçekleşebileceğini tespit etti.

Kaiser, “Bu bulgu, enflasyondan enflasyon-sonrası döneme, Büyük Patlama ve ötesine kadar kesintisiz bir hikâye anlatmamızı sağlıyor,” diyor. “Bilinen fizikle birlikte, aralıksız biçimde bir süreç kümesini izleyebilir ve bunun, evrenin bugün tanık olduğumuz haliyle görünmesi için makul bir yol olduğunu söyleyebiliriz.”

Ekibin ulaştığı sonuçlar, Physical Review Letters dergisinde yayınlandı. Kaiser’in ortak yazarları, ikisi de Kenyon Koleji’nde görevli olan araştırma başyazarı Rachel Neguyen ve John T. Giblin ve ayrıca her ikisi de Hollanda’daki Leiden Üniversitesi’nde görevli olan eski MIT öğrencisi Evangelos Sfakianakis ve Jorinde van de Vis’ten oluşuyor.

'KENDİSİYLE SENKRONİZE'

İlk olarak 1980’lerde MIT’de VF Weisskopf Fizik Profesörü olan Alan Guth tarafından ortaya atılan Kozmik Enflasyon teorisi, evrenin, muhtemelen bir protonun yüz milyarda biri büyüklüğünde ve son derece küçük bir madde zerresi olarak ortaya çıktığını öne sürüyor. Bu zerre, aşırı yüksek enerjili madde ile doluydu; o kadar enerjikti ki, içindeki baskılar itici bir kütle çekimi kuvveti oluşturdu; bu, Kozmik Şişme’nin arkasında yatan itici güçtü. Bu kütle çekimi kuvveti, fitile ateşleyen bir kıvılcım gibi, bebek evreni dışa doğru, her zamankinden daha hızlı bir oranda patlattı ve saniyenin bir trilyonundan daha az bir sürede orijinal boyutunun neredeyse bir oktilyon (bu sayı 1 ve ardından gelen 26 sıfırdan oluşur) katına kadar şişirdi.

Kaiser ve meslektaşları, Yeniden Isıtma sürecinin -Kozmik Enflasyon’un sonunda ve Büyük Patlama’dan hemen önceki geçiş aralığını içeren- en erken evrelerinin neye benzediğini anlamaya çalıştılar.

Kaiser, “Yeniden Isıtma’nın en erken aşamaları, rezonanslarla (titreşimlerle) dikkat çeker. Yüksek enerjili maddenin tek bir biçimi hâkimdir ve engin uzay boşluğunun ortasında kendisiyle eşzamanlı olarak salınmakta ve patlayarak ortaya çıkan yeni parçacıkların üretilmesine neden olmaktadır,” diyor. “Bu davranış sonsuza dek sürmeyecek ve enerjiyi ikinci bir madde biçimine aktarmaya başladığında, kendi salınımları uzayda daha dalgalı ve düzensiz hale gelecektir. Bu rezonans etkisinin dağılmasının ne kadar süreceğini ve üretilen parçacıkların birbirlerinden ayrılmasının ve Büyük Patlama koşullarını anımsatan bir çeşit termal dengeye kavuşmasının ne kadar zaman alacağını ölçmek istedik,” diyor.

Ekibin yarattığı bilgisayar simülasyonları, birden fazla madde biçimini haritalandırdıkları ve bilim insanlarının belirli koşulları değiştirmek yoluyla bunların enerji ve dağılımlarının uzay ve zaman içerisinde nasıl değiştiğini izledikleri büyük bir kafesi barındırıyor. Simülasyonların başlangıç koşulları, evrenin erken dönemdeki dağılımının Kozmik Enflasyon sırasında nasıl davrandığına ilişkin bir takım öngörülerden oluşan belirli bir enflasyon modeline dayanıyordu.

Bilim insanları, diğerleri yerine bu enflasyon modelini tercih ettiler; zira öngörüleri, enflasyon döneminin izlerini içerdiği düşünülen, Büyük Patlama’dan yalnızca 380.000 yıl sonra yayılan kalıntı radyasyon ışıması olan Kozmik Mikrodalga Arkaplan üzerinde gerçekleştirilen yüksek hassasiyetli ölçümlerle de büyük oranda uyuşuyor.

EVRENSEL BİR ÇİMDİK

Simülasyonda, son yıllarda başka deneylerde gözlemlenen bir parçacık türü olan Higgs Bozonu’na çok benzeyen ve maddenin enflasyon sırasında baskın olabilecek iki türünün davranışı gözlemlendi.

Araştırma ekibi, simülasyonlarını çalıştırmadan önce, modelin kütle çekimi tanımına küçük bir “çimdik” ekledi. Bugün gördüğümüz sıradan madde kütle çekimi karşısında Einstein’ın Genel Görelilik teorisinde öngördüğü biçimde tepki verirken, Kozmik Enflasyon sırasında var olduğu düşünülene benzeyen çok daha yüksek enerjilerdeki madde, kütle çekimi, Kuantum Mekaniği veya atomik ölçekteki etkileşimler nedeniyle biraz farklı davranmalıydı.

Einstein’ın Genel Görelilik teorisinde, kütle çekimin gücü, fizikçilerin ‘minimal eşleşme’ biçiminde adlandırdıkları bir sabit ile temsil edilir; yani, belirli bir parçacığın enerjisi ne olursa olsun, kütle çekimi etkilerine evrensel bir sabit tarafından belirlenen bir güçle cevap verecektir.

Bununla beraber, Kozmik Enflasyon için öngörülen türden çok yüksek enerji seviyelerinde, madde kütle çekimi ile biraz daha karmaşık bir şekilde etkileşime girer. Kuantum-mekanik etkiler ise, kütle çekimi kuvvetinin aşırı yüksek enerjili madde ile etkileşime girdiğinde zaman ve uzay içinde değişebileceğini öngörüyor; bu, 'minimal olmayan eşleşme’ adıyla bilinen bir olgudur.

Kaiser ve meslektaşları, enflasyon modellerine ‘minimal olmayan eşleşme’ terimini eklediler ve bu kuantum etkisini yükseltip alçalttıkça maddenin ve enerjinin dağılımının nasıl değiştiğini gözlemlediler.

Nihayetinde, kuantum-dönüşümlü kütle çekimsel etkinin maddeyi etkilemede ne kadar güçlü olduğunu, ayrıca evrenin, şişme sırasında içerdiği soğuk, tek düze maddeden Büyük Patlama’nın karakteristiğini oluşturan çok daha sıcak ve çeşitli madde formlarına ne kadar hızlı geçiş yaptığını gördüler.

Araştırmacılar, bu kuantum etkisini ayarlayarak, bu önemli değişimi 2 ilâ 3 ‘e-kat’** üzerinde gerçekleştirebiliyorlar; bu da evrenin büyüklüğünün (kabaca) üç katına çıkması için gereken süreyi işaret ediyor. Bu olayda, evrenin iki ilâ üç katına çıkması için gereken süre içerisinde Yeniden Isıtma evresini simüle etmeyi başardılar. Buna karşılık, enflasyonun kendisi yaklaşık 60 e-kat üzerinde gerçekleşti.

Kaiser, “Yeniden Isıtma, her şeyin karmakarışık olduğu çılgın bir dönemdi,” diyor. “Maddenin o zaman aralığında çok güçlü bir şekilde etkileşime girdiğini ve yanı sıra Büyük Patlama için sahneyi güzelce hazırladığını gösterebiliyoruz; bu sayede evren çok hızlı bir şekilde yayılabiliyordu. Durumun böyle olduğunu bilmiyorduk ama bilinen fizik dahilinde yaptığımız simülasyonlardan ortaya çıkan şey tamamen böyle. İşte bizim için heyecan verici yanı da bu.”

Kozmik Enflasyon teorisinin asıl mimarı olan Guth, grubun ulaştığı sonuçları enflasyonist modellerle ilgili çalışmalarda yaşanan büyük ve yeni bir gelişme olarak görüyor.

“Tek bir madde biçimine dayanan enflasyonun biçimleri gözlemlerle oldukça yüksek uyum gösterirken, Dave ve çalışma arkadaşları birkaç yıldır çok sayıda madde biçimini içeren iyi kurgulanmış modeller üzerinde çalışıyorlar... Bu modeller, verilerle mükemmel bir şekilde uyum sağlıyor,” diyor Guth. “Buna karşın, şimdiye dek yapılan çalışmalar, matematiğin göreli olarak daha basit olduğu enflasyonun sona erişinin erken evrelerini incelemekle yetinmişlerdi. Bu son çalışma ise, enflasyonun sonundaki karmaşık etkileşimler üzerinde daha fazla inceleme yapabilen yüksek güçlü bir sayısal kafes simülasyonuna dayanıyor. Çalışma, birden fazla madde biçimini içeren geniş bir model sınıfının, gözlemlerle kusursuz bir uyum içinde olduğunu her zamankinden daha kesin biçimde gösteriyor.”

Araştırmaya dahil olmayan ve Auckland Üniversitesi’nde fizik profesörü olan Richard Easther “Enflasyon aşamasını yeniden üretmekle ilgili yüzlerce öneri mevcut; fakat enflasyon aşaması ile ‘sıcak Büyük Patlama’ diye adlandırılan aşama arasındaki geçiş hikâyenin en az anlaşılan kısmı,” diyor. “Bu makale, birçok ayrı alana ve karmaşık kinetik terimlere sahip modellerde enflasyon öncesi aşamayı doğru biçimde canlandırarak yeni bir zemin oluşturuyor. Bunlar, son derece güç sayısal simülasyonlar ve evrenin çok erken anlarındaki doğrusal olmayan dinamiklerle ilgili araştırma alanını genişletiyorlar.”

Araştırma, kısmen ABD Enerji Bakanlığı ve Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklendi.

*Kozmik Enflasyon (ya da Kozmik Şişme), erken evrendeki uzayın üstsel genişlemesiyle ilgili bir teoridir. Enflasyona maruz kalınan çağ Büyük Patlama’dan 10⁻³⁶ saniye ile 10⁻³³ ya da 10⁻³² saniyeleri arasında sürdü. Devam eden enflasyona maruz kalan dönemde, evren genişlemesini sürdürdü ancak genişleme oranı düştü.

**Bilim alanında, e-kat (ing. e-fold), katlanarak büyüyen bir miktarın 'e' faktörü ile arttığı zaman aralığıdır; iki katına çıkma süresinin taban-e analogudur. Bu terim, özellikle Kozmik Enflasyon araştırmalarında, atmosferik kimya, tıp ve teorik fizik gibi birçok bilim alanında sıklıkla kullanılır.

*** Yazının aslı MIT News sitesinden alınmıştır. (Çeviren: Tarkan Tufan)