Büyük Patlama Nedir? Evrenin İlk Anlarında Neler Oldu?

Gece gökyüzüne baktığında gördüğün karanlık aslında tam anlamıyla karanlık değil. Gözlerin mikrodalgaları görebilseydi, gökyüzünün her yönden, neredeyse aynı parlaklıkta hafifçe parıldadığını görürdün. Bu soluk ışık, evrenin yalnızca yaklaşık 380.000 yaşındayken yaydığı bir “bebeklik fotoğrafı”. Ve bize her şeyin yaklaşık 13,8 milyar yıl önce son derece sıcak ve yoğun bir hâlden başladığını anlatıyor. Bu başlangıca Büyük Patlama (Big Bang) diyoruz.

Ama adına bakıp yanılma: Büyük Patlama bir patlama değildi.

Bir patlama değil, uzayın genişlemesi

“Patlama” deyince aklına bir noktadan başlayıp boş bir odaya saçılan parçalar gelir. Büyük Patlama böyle değil. Ortada maddenin içine dağıldığı boş bir uzay yoktu; uzayın kendisi genişlemeye başladı. Bu yüzden evrende Büyük Patlama’nın gerçekleştiği belirli bir “merkez” yok. Her yerde aynı anda oldu.

Bunu fırında kabaran üzümlü bir kek hamuru gibi düşünebilirsin. Hamur kabardıkça her üzüm diğer bütün üzümlerden uzaklaşır. Hangi üzümün üzerinde durursan dur, ötekilerin senden kaçtığını görürsün. Üstelik iki kat uzaktaki üzüm iki kat hızlı uzaklaşıyormuş gibi görünür. Galaksiler de tam olarak böyle davranıyor. Benzetmenin tek eksiği şu: Kekin bir kenarı var, evrenin ise bilinen bir kenarı yok.

Adı da aslında bir rakipten geliyor. Kuramı benimsemeyen İngiliz astronom Fred Hoyle, 1949’daki bir BBC radyo konuşmasında “Big Bang” ifadesini kullandı ve bu ad kalıcı oldu.

Lemaître ve Hubble: Galaksiler bizden kaçıyor

1920’lerde fizikçiler Einstein’ın genel görelilik denklemlerini bütün evrene uyguladığında şaşırtıcı bir sonuç çıktı: Evren yerinde sabit duramıyordu; ya genişlemeli ya da büzülmeliydi. Rus matematikçi Alexander Friedmann 1922’de, Belçikalı fizikçi ve rahip Georges Lemaître 1927’de genişleyen evren çözümleri yayımladı. Lemaître bir adım ileri gitti ve genişleyen bir evrende galaksilerin uzaklaşma hızının, uzaklıklarıyla orantılı olması gerektiğini gösterdi.

İki yıl sonra, 1929’da Amerikalı astronom Edwin Hubble bu ilişkiyi gözlemlerle ortaya koydu: Bir galaksi ne kadar uzaktaysa ışığı o kadar çok kırmızıya kaymıştı, yani bizden o kadar hızlı uzaklaşıyordu. Uluslararası Astronomi Birliği 2018’de yaptığı oylamanın ardından bu yasanın Hubble–Lemaître yasası olarak anılmasını önerdi.

Mantık basit: Bugün her şey birbirinden uzaklaşıyorsa, filmi geriye sardığında her şey bir zamanlar çok daha yakın, çok daha yoğun ve çok daha sıcak olmalıydı. Lemaître 1931’de bu başlangıç durumunu “ilkel atom” diye tarif etti. Bu genişleme hızından evrenin yaşının nasıl çıkarıldığını merak ediyorsan Evrenin yaşı nasıl hesaplanır? yazımıza göz atabilirsin.

Evrenin bebeklik fotoğrafı: Kozmik mikrodalga arka plan

Büyük Patlama’nın en güçlü kanıtı tesadüfen bulundu. 1964’te ABD’nin New Jersey eyaletinde çalışan radyo astronomları Arno Penzias ve Robert Wilson, dev bir antende bir türlü kurtulamadıkları bir “parazit” fark ettiler. Sinyal gökyüzünün her yönünden, gece gündüz aynı şiddette geliyordu. Antenin içine yuva yapan güvercinleri bile çıkarıp temizlik yaptılar; gürültü yine de gitmedi. Sonuçlarını 1965’te yayımladılar ve bu keşif onlara 1978 Nobel Fizik Ödülü’nü kazandırdı.

Buldukları şey kozmik mikrodalga arka plan ışınımı (cosmic microwave background, CMB) idi. Hikâyesi şöyle: Evren ilk yüz binlerce yıl boyunca o kadar sıcaktı ki atomlar oluşamıyordu. Serbest elektronlar ışığı durmadan saçıyor, evren yoğun bir sis gibi opak kalıyordu. Yaklaşık 380.000 yıl sonra sıcaklık 3.000 kelvin civarına indi. Elektronlar protonlarla birleşip hidrojen atomlarını oluşturdu ve ışık ilk kez serbestçe yol alabildi. O ışık, genişleyen uzayda milyarlarca yıl boyunca gerilerek bugün mutlak sıfırın yalnızca yaklaşık 2,7 derece üzerinde (yaklaşık −270 °C) bir mikrodalga parıltısına dönüştü.

Ölçeği hissetmek için evrenin bütün tarihini 24 saatlik tek bir güne sığdır. Bu ışık, o günün ilk 2,4 saniyesinde yayıldı.

Ardından uydular geldi:

• COBE (NASA, 1989): Işınımın neredeyse kusursuz bir kara cisim tayfına sahip olduğunu ve içinde yaklaşık 100.000’de 1 düzeyinde küçük sıcaklık farkları bulunduğunu gösterdi. John Mather ve George Smoot bu çalışmayla 2006 Nobel Fizik Ödülü’nü aldı.
• WMAP (NASA, 2001): Bu dalgalanmaları çok daha ayrıntılı biçimde haritaladı.
• Planck (ESA, 2009): Derecenin milyonda biri düzeyindeki farkları bile ayırt ederek evrenin yaşını, bileşimini ve genişleme hızını çok yüksek bir hassasiyetle ölçtü.

O küçük sıcak ve soğuk lekeler önemsiz ayrıntılar değil. Bugünkü galaksilerin ve galaksi kümelerinin tohumları onlar.

İlk dakikalar: İlk elementler nasıl oluştu?

Büyük Patlama modeli bir şeyi daha öngörüyor: Evrendeki en hafif elementlerin oranını. İlk saniyelerde evren, atom çekirdeklerinin bile hemen parçalanacağı kadar sıcaktı. Biraz soğuyunca proton ve nötronlar birleşip ilk çekirdekleri oluşturmaya başladı. Kabaca ilk 20 dakika içinde tamamlanan bu sürece Büyük Patlama çekirdek sentezi (Big Bang nucleosynthesis) denir. Süreç kendiliğinden durdu, çünkü evren hızla genişleyip soğuyordu.

Sonuç: Kütlece yaklaşık dörtte üç hidrojen, dörtte bir helyum, az miktarda döteryum (ağır hidrojen) ve helyum-3, bir de iz miktarda lityum. En eski gaz bulutlarında ve yıldızlarda ölçülen hidrojen, helyum ve döteryum oranları bu öngörülerle çok iyi uyuşuyor.

Yine de tablo kusursuz değil. Hesaplar, Samanyolu’nun en yaşlı yıldızlarında gözlenenden yaklaşık üç ila dört kat daha fazla lityum-7 öngörüyor. Kozmolojik lityum problemi denen bu uyuşmazlık hâlâ çözülmüş değil; yıldızların içindeki süreçlerden yeni fiziğe kadar farklı açıklamalar tartışılıyor.

Peki karbon, oksijen, demir? Onlar çok daha sonra, yıldızların içinde üretildi. O hikâyeyi Yıldızlar nasıl doğar ve nasıl ölür? yazımızda anlattık.

Enflasyon: Saniyenin kesrinde dev bir şişme

Klasik Büyük Patlama modeli bazı soruları açıkta bırakıyordu. Örneğin mikrodalga arka plan, gökyüzünün birbirine zıt iki ucunda neredeyse aynı sıcaklıkta. Oysa bu iki bölge, ışığın bile aralarında gidip gelmeye vakit bulamayacağı kadar uzak. Nasıl olup da aynı sıcaklıkta “anlaşmışlar”? Buna ufuk problemi denir. Bir de evrenin şaşırtıcı ölçüde “düz” olması var: düzlük problemi.

1980’de fizikçi Alan Guth bir çözüm önerdi: kozmik enflasyon (cosmic inflation). Buna göre evren, saniyenin trilyonda birinin trilyonda birinden de çok daha kısa bir süre içinde üstel biçimde, akıl almaz bir hızla şişti. Bu şişme, başlangıçta birbirine değen bölgeleri çok uzaklara taşıdı. Dev bir balonun yüzeyinin üzerinde duran bir karıncaya düz görünmesi gibi, evrenin eğriliğini de neredeyse sıfıra indirdi. Enflasyon sırasında büyüyen küçük kuantum dalgalanmaları, bugün mikrodalga arka planda gördüğümüz lekelerin kaynağı olarak görülüyor.

Enflasyonun öngörüleri şimdiye kadar gözlemlerle uyumlu. Ama dürüst olalım: Doğrudan kanıtlanmış değil. Kuramın en çok aranan izi, enflasyonun yaratması beklenen ilkel kütleçekim dalgalarının mikrodalga arka planın kutuplanmasında bırakacağı özel bir desen. 2014’te bu desenin bulunduğu duyuruldu, ancak sinyalin büyük ölçüde Samanyolu’ndaki tozdan kaynaklandığı anlaşıldı. Arayış sürüyor. Bu dalgaların ne olduğunu Kütleçekim dalgaları nedir? yazımızda bulabilirsin. Bazı fizikçiler ise enflasyona alternatif modeller üzerinde çalışıyor.

Peki öncesinde ne vardı?

Bu sorunun en dürüst cevabı şu: Bilmiyoruz.

Fizik yasalarını geriye doğru izlediğimizde, ilk anlarda yoğunluk ve sıcaklık öyle uç değerlere ulaşıyor ki genel görelilik ile kuantum mekaniğini aynı anda kullanmamız gerekiyor. Bu ikisini birleştiren ve deneyle doğrulanmış bir kuantum kütleçekim kuramımız ise henüz yok. Yani “sıfır anına” kadar güvenle gidemiyoruz.

Ortada yalnızca fikirler var. Belki zamanın kendisi Büyük Patlama’yla başladı ve “öncesi” sorusu, Stephen Hawking’in sık kullandığı bir benzetmeyle, Güney Kutbu’nun güneyinde ne olduğunu sormak kadar anlamsız. Belki evren daha önceki bir büzülme evresinden “sekerek” çıktı. Belki de enflasyon, bizimkinin yalnızca biri olduğu çok sayıda evren üretiyor. Bu fikirlerin hiçbiri bugün gözlemle sınanabilmiş değil; bilim insanları tartışmayı sürdürüyor.

Sık yapılan bir yanlışı da düzeltelim: Büyük Patlama modeli evrenin “neden” var olduğunu açıklamaz. Evrenin çok sıcak ve yoğun bir hâlden bugüne nasıl evrildiğini anlatır. Ve bunu şaşırtıcı bir isabetle yapar. Galaksilerin uzaklaşması, mikrodalga arka plan ve hafif elementlerin oranı birbirinden bağımsız üç sağlam kanıt. O ilk sıcak noktadan bugün ne kadar büyük bir evren çıktığını görmek istersen Gözlemlenebilir evren ne kadar büyük? yazımız seni bekliyor.

---

Özetle: Büyük Patlama bir noktada patlayan bir bomba değil, her yerde aynı anda başlayan bir genişlemeydi. Galaksilerin birbirinden uzaklaşması, evrenin her yanını dolduran mikrodalga ışıması ve hidrojenle helyumun oranı bu modeli güçlü biçimde destekliyor. Ama ilk anların ve “öncesinin” fiziği hâlâ bilimin en büyük açık sorularından biri.

Kaynaklar

• ESA — Planck and the cosmic microwave background
• Nobel Prize — The Nobel Prize in Physics 2006
• Hubble, E. (1929). “A Relation between Distance and Radial Velocity among Extra-Galactic Nebulae”. Proceedings of the National Academy of Sciences, 15, 168–173.
• Guth, A. H. (1981). “Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems”. Physical Review D, 23, 347.
• Planck Collaboration (2020). “Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters”. Astronomy & Astrophysics, 641, A6. arXiv:1807.06209