SXS (eXtreme Spacetimes’ın Simülasyonu) onlarca yıldır uzaydaki dramatik olayların, özellikle de ikili kara delik sistemlerinin birleşmelerinin simülasyonlarını üreten, devam eden bir bilimsel işbirliğidir. Yakın zamanda SXS, ikili kara delik simülasyonları kataloğunun 2. versiyonunun yayınlanmasından altı yıl sonra, 3. versiyonunu açıklayan bir makale yayınladı. Makale dergide yayınlandı. Klasik ve Kuantum Yerçekimi.
2015 yılında, LIGO (Lazer İnterferometre Kütleçekimsel Dalga Gözlemevi) ilk kez yerçekimi dalgalarını (dramatik gök olaylarının uzay-zamanda neden olduğu dalgalanmalar) başarıyla gözlemledi; ancak SXS işbirliğinin teorik astrofizikçileri, geçtiğimiz yirmi yıl boyunca bu dalgaların Dünya’ya ulaştıklarında nasıl görünebileceğini hesaplamak için yoğun bir şekilde çalışmışlardı.
Yerçekimi dalgaları, nötron yıldızlarının ve kara deliklerin birleşmeleri de dahil olmak üzere çeşitli kozmolojik olaylar tarafından yaratılır ve bu dalgalar uzaydan ve aslında Dünya’dan geçer.
LIGO gibi son derece hassas dedektörler, bu kütleçekim dalgalarının geçerken yarattığı tedirginlikleri kaydediyor ve bunların ne tür bir göksel olaydan kaynaklandığını tespit etmeye çalışıyor. Ancak, tespitler mevcut olmadan önce, farklı türdeki gök olaylarından hangi kütleçekimsel dalga formlarının kaynaklanacağını hesaplayarak, bu zorluğun karşıt yönünden ele alınması da aynı derecede önemlidir. SXS işbirliğinin yaptığı budur.
Einstein’ın kara delikleri birleştirme denklemlerini çözmek son derece zordur. Şu anda Cornell Üniversitesi’nde NASA üyesi olan Keefe Mitman (Ph.D.), “Einstein’ın denklemlerini alıp bunları hiperbolik olarak tanımlanan, dalga benzeri olayların analizine uygun bir biçimde yazabilirsiniz” diye açıklıyor.
“Bu, bu denklemlere bir tür başlangıç verisi verirseniz, bu verilerin zaman içinde nasıl gelişeceğine ilişkin benzersiz bir çözümün olacağı anlamına gelir. Ve daha yüksek çözünürlüklü çıktıya geçtikçe, yakınsama bekleyebiliriz: Einstein’ın denklemlerinden bekleyebileceğiniz kesin çözüme giderek yaklaşan simülasyonlar.”
Bugün, SXS ve LIGO’nun bilim insanları verilerini ve denklemlerini birbirleri arasında ileri geri aktarıyor, tahminleri gözlemlerle eşleştiriyor ve tekrar geri alıyorlar.
Mitman, bu noktada şöyle diyor: “Yeterince yapıyoruz ve LIGO sadece yetişiyor. Şu ana kadar LIGO bir şey tespit ettiğinde astrofizikçiler SXS kataloğuna gidebilir ve gözlemlerinde neler olduğunu gösteren bir simülasyon bulabilirler. İhtiyaç duydukları şeyi bulamazlarsa, SXS’ten kendi verileriyle daha iyi eşleşebilecek farklı parametrelere sahip yeni bir simülasyon isteyebilirler.”
Ama geleceğin neler getirebileceğini kim bilebilir? 1970’lerde ve 1980’lerde, kara delik birleşmeleri gibi olayları sayısal görelilik olarak bilinen bir matematiksel teknik aracılığıyla teorileştirmek, Dünya’ya ulaştıklarında yerçekimi dalgalarını tespit etmekten daha zor görünüyordu ve bu görev, son derece zor ile tamamen imkansız arasında bir yerde görünüyordu. Ancak 50 yıl içinde yerçekimsel dalga tespiti gerçek oldu.
Bir gün veriler teoriyi geride bırakabilir, bu nedenle SXS işbirliğinin araştırmacıları olası kara delik birleşmelerinin tüm yelpazesini teorileştirmek için özenle çalışmaya devam ediyor.
Bu olayların yerçekimsel dalga dedektörlerine getireceği dalga biçimlerini çıktı olarak veriyorlar; bunlar arasında artık LIGO’ya ek olarak Pisa, İtalya yakınındaki Başak interferometresi ve Japonya’nın Gifu Eyaletindeki LISA (Lazer Girişimölçer Uzay Anteni) ve DECIGO (DECi-hertz) gibi uzay tabanlı girişimölçerlerle donatılmış bir girişimölçer olan KAGRA (Kamioka Yerçekimi Dalga Dedektörü) yer alıyor. İnterferometre Yerçekimi Dalgası Gözlemevi) yakında gelecek.
SXS daha sonra modellerini herkesin, tabiri caizse, belirli bir simülasyonu ve ona eşlik eden bilgisayar kodunu kütüphane rafından alabileceği çevrimiçi olarak yayınlar.
Yeni yayımlanan genişletilmiş katalog, önceki sürümündekinin neredeyse iki katı boyuttadır: 2019 kataloğuyla karşılaştırıldığında 3.756 simülasyon. Bu simülasyonlar aynı zamanda genel görelilik tarafından tahmin edilen ancak daha önce dahil edilmemiş olan kütleçekim dalgalarının bir özelliğini de hesaba katıyor: kütleçekim dalgası hafızası.
Mitman, “Normalde dalgaları düşündüğünüzde, örneğin bir göle taş attığınızda genişleyen eşmerkezli dalgalar, bir süre sonra dalgaların dağılacağını ve göletin yüzeyinin yeniden düz olacağını bilirsiniz” diyor.
“Kütleçekim dalgalarında durum biraz farklıdır. Bir kütleçekim dalgası, uzay-zamanın bir bölgesinden geçtiğinde, bu alan, kütleçekim dalgasının tepe ve dip noktalarıyla birlikte genişler ve daralır. Ancak kütleçekim dalgası geçtikten sonra, uzayın o bölgesi eski haline dönmez. Kalıcı olarak değişir. Uzay-zamanın bu bölgesi ne olduğunu hatırlar, bu yüzden buna hafıza etkisi diyoruz.”
Yerçekimi dalgası hafıza etkisinin artık SXS’nin simülasyonlarına dahil edilmesiyle teorisyenler, kara delik birleşmeleri için her zamankinden daha kesin tahminlere yaklaşıyorlar.
Robinson Teorik Astrofizik Profesörü Saul Teukolsky’ye göre, “Katalog, dünya çapındaki kütleçekim dalgası topluluğu tarafından yaygın olarak kullanılıyor ve her yıl düzinelerce makale ondan alıntı yapıyor.”
“Örneğin, LIGO verilerindeki olayları aramak için kullanılan dalga biçimi modelleri, katalogdaki son derece hassas simülasyonlara göre kalibre ediliyor. Ve genel görelilik hakkındaki teorik fikirler, Einstein’ın teorisinin tam denklemlerini çözen bu simülasyonlara karşı test edilebiliyor.”
Mitman, “Kara delik birleşmeleri yalnızca yerçekimsel dalgalar aracılığıyla tespit edilebilir” diye açıklıyor, dolayısıyla SXS’nin çalışması, temel fiziğin sınırlarını kozmolojik düzeyde zorlamak için hayati önem taşıyor.
