Gürkan Özsoy Blog

(Kozmolojik) gerilimi hafifletmek için teknik denemeler

Kozmik gözlemlerin ve ölçüm araçlarının baş döndürücü büyümesi ve Genel Görelilik zemininde bazı yeni gelişmeler (özellikle karanlık madde ve karanlık enerji dediğimiz şeylerin “keşfi”) sayesinde, 2000’li yılların başları kozmos, onun kökenleri ve gelecekteki evrimi hakkındaki bilgilerimizin ilerlemesine hiçbir şeyin meydan okuyamayacağı bir dönemdi.

Ortaya çıkarılacak daha çok şey olduğunun farkında olsak da, gözlemlerimiz, hesaplamalarımız ve teorik çerçeve arasındaki belirgin uyum, evren hakkındaki bilgilerimizin önemli ölçüde ve kesintisiz olarak artacağına işaret ediyordu. Bununla birlikte, giderek daha sofistike hale gelen gözlemler ve hesaplamalar sayesinde, evren anlayışımızda görünüşte küçük bir “aksaklık” ortaya çıkması, mükemmel bir şekilde yağlanmış görünen dişlileri bozabileceğini kanıtladı. İlk başta, daha da hassas hesaplamalar ve ölçümlerle çözülebileceği düşünüldü, ancak durum böyle olmadı. “Kozmolojik gerilim” (ya da Hubble Gerilimi), evrenin genişlemesini tanımlayan Hubble parametresi olarak adlandırılan H0’ı hesapladığımız iki yol arasındaki tutarsızlıktır.

Hubble parametresi iki yol izlenerek hesaplanabilir:

Yerel olarak tanımlanan, yani bizden çok uzakta olmayan gök cisimlerinin astrofiziksel gözlemleri: farklı mesafelerdeki cisimlerin uzaklaştığı hızı hesaplamak mümkündür. Bu durumda genişleme ve H0, hızlar ve mesafeler karşılaştırılarak hesaplanır. Hesaplamalar, evrenin çok erken dönemlerine kadar uzanan soluk ve son derece uzak bir radyasyon olan kozmik mikrodalga arka plan CMB’den elde edilen verilere dayanmaktadır. Bu mesafeden topladığımız bilgiler evrenin genişleme hızını ve Hubble parametresini hesaplamamızı sağlıyor. Bu iki kaynak, H0 için tam olarak eşit olmasa da çok yakın ve tutarlı değerler sağladı ve o zamanlar iki yöntemin iyi bir uyum gösterdiği görülüyordu. Bingo. “Rakamların birbirini tutmadığını” fark ettiğimizde yıl 2013 civarıydı. Khalife, “Ortaya çıkan tutarsızlık küçük görünebilir, ancak her iki taraftaki hata çubuklarının çok daha küçük hale geldiği göz önüne alındığında, iki ölçüm arasındaki bu ayrım büyük hale geliyor” diye açıklıyor. Aslında H0’ın ilk iki değeri çok kesin değildi ve “hata çubukları” üst üste binecek kadar büyük olduğu için, gelecekteki daha ince ölçümlerin sonunda çakışacağı umudu vardı. “Sonra Planck deneyi ortaya çıktı ve önceki deneylere kıyasla çok küçük hata çubukları verdi” ama yine de tutarsızlık devam etti ve kolay bir çözüm umutlarını suya düşürdü.

Planck, 2007 yılında CMB’nin daha önce hiç olmadığı kadar ayrıntılı bir görüntüsünü toplamak üzere uzaya fırlatılan bir uydudur. Birkaç yıl sonra açıklanan sonuçlar tutarsızlığın gerçek olduğunu doğruladı ve orta dereceli bir endişe önemli bir krize dönüştü. Kısacası: gözlemlediğimiz evrenin en yeni ve yakın bölümleri, en eski ve en uzak olanlardan farklı bir hikaye anlatıyor ya da daha doğrusu farklı bir fiziğe uyuyor gibi görünüyor ki bu çok düşük bir olasılık. Eğer bu bir ölçüm sorunu değilse, o zaman teoride bir kusur olabilir, diye düşündü birçok kişi. Şu anda kabul edilen teorik model ΛCDM olarak adlandırılmaktadır. ΛCDM büyük ölçüde, Albert Einstein tarafından bir asırdan daha uzun bir süre önce formüle edilen evren hakkındaki en olağanüstü, zarif ve defalarca gözlemsel olarak doğrulanmış teori olan Genel Göreliliğe dayanır ve karanlık maddeyi (soğuk ve yavaş hareket eden olarak yorumlanır) ve kozmolojik bir sabit olarak karanlık enerjiyi hesaba katar.

Son yıllarda, ΛCDM modeline çeşitli alternatif modeller veya uzantılar önerildi, ancak şimdiye kadar hiçbiri “gerilimi” önemli ölçüde azaltmada ikna edici (hatta bazen önemsiz bir şekilde test edilebilir) olduğunu kanıtlayamadı. Khalife, “Bu çeşitli modelleri test etmek, neyin işe yaradığını ve neyin dışlanabileceğini görmek önemlidir, böylece yolu daraltabilir veya yönelecek yeni yönler bulabiliriz” diye açıklıyor. Yeni makalelerinde o ve meslektaşları, önceki araştırmalara dayanarak bu modellerden 11 tanesini sıralayarak yaratılan teorik ormana bir düzen getirdiler.

Modeller, SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State) işbirliğinden ve SPT-3G’den (Güney Kutbu Teleskobu’nun CMB’yi toplayan yeni yükseltilmiş kamerası) elde edilen en son sonuçlar da dahil olmak üzere, hem yakın hem de uzak evrenden farklı veri setleri üzerinde analitik ve istatistiksel yöntemlerle test edildi. Çalışma Journal of Cosmology and Astroparticle Physics dergisinde yayımlandı. Önceki çalışmalarda uygulanabilir çözümler olarak gösterilen seçilmiş modellerden üçü, bu araştırmanın dikkate aldığı yeni veriler tarafından nihai olarak dışlanmıştır. Öte yandan, diğer üç model hala gerilimi azaltabilecek gibi görünüyor, ancak bu sorunu çözmüyor. Khalife, “Bunların gerilimi istatistiksel olarak anlamlı bir şekilde azaltabileceğini gördük, ancak sadece çok büyük hata çubuklarına sahip oldukları ve yaptıkları tahminler kozmoloji araştırmalarının standartları için çok belirsiz olduğu için” diyor. “Çözmek ve azaltmak arasında bir fark var: bu modeller gerilimi istatistiksel açıdan azaltıyor, ancak çözmüyorlar,” yani hiçbiri tek başına CMB verilerinden büyük bir H0 değeri tahmin etmiyor. Daha genel olarak, test edilen modellerin hiçbiri gerilimi azaltmada bu çalışmada incelenen diğer modellerden daha üstün olmadı. “Khalife sözlerini şöyle sonlandırıyor: “Testimiz sayesinde artık gerilimi çözmek için bakmamamız gereken modellerin hangileri olduğunu biliyoruz ve gelecekte bakabileceğimiz modelleri de biliyoruz.”

Bu çalışma gelecekte geliştirilecek modeller için bir temel oluşturabilir ve bunları giderek daha kesin verilerle kısıtlayarak evrenimiz için yeni bir model geliştirmeye yaklaşabiliriz.

Daha fazla bilgi: Ali Rida Khalife et al, Review of Hubble tension solutions with new SH0ES and SPT-3G data, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (2024). DOI: 10.1088/1475-7516/2024/04/059 . On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2312.09814

Resim: Comparison between CMB data resolution collected by Planck and SPT-3G. Credit: The South Pole telescope: https://pole.uchicago.edu/public/Home.html