Kırmızıya Kayma: Nasıl Gerçekleşiyor ve Ne Anlama Geliyor?

Kırmızıya kayma, astronomik bir nesnenin spektrumunun daha uzun (kırmızı) dalga boylarına doğru yer değiştirmesidir. Belirli bir dalga kaynağı (örneğin ışık veya radyo dalgaları) ve bir gözlemci birbirlerine göre hareket halinde olduklarında ortaya çıkan dalga boyundaki bir değişiklik olan Doppler etkisine atfedilir.
Kırmızıya kayma

Kırmızıya kaymanın bilimsel anlamı nedir ve uzaydaki nesnelerin uzaklığı ve evrenin genişlemesi hakkında bize ne anlatıyor? Kırmızı kayma Büyük Patlama teorisini doğurarak ve evrenin kökenini anlamamızı sağladı. Gökbilimciler kırmızıya kayma sayesinde her geçen zaman uzaydaki daha uzak nesneleri keşfederek evrenimizin büyüklüğünü ve yaşını ortaya çıkarıyor.

Kırmızıya kayma, uzaydaki bir nesnenin ışığının esneyerek dalga boyunun uzaması ve böylece renk spektrumunda kırmızıya yaklaşmasıdır. Uzayda bizden uzaklaşan bir nesnenin ışığı, uzaklık arttıkça kırmızıya kayıyor. Tam tersi, bize yaklaşıyorsa maviye kayar. Kırmızı ışığın dalga boyu mavi ışıktan iki kat yüksek olduğundan görünür ışığı esnetmek kırmızı görünmesine neden oluyor. Tıpkı bir balonun üzerine çizilen dalgaların balon şiştikçe uzayıp düzleşmesi gibi Büyük Patlama'dan bu yana evren 13,8 milyar yıldır genişliyor. Göksel nesnelerden yayılan ışık da o zamandan beri esniyor ve dalga boyu uzuyor.

Kırmızıya Kayma Nasıl Ölçülüyor?

Yukarıdaki renk spektrumunda solda Güneş'in soğurma çizgileri ile sağda uzak galaksiden bir yıldızın soğurma çizgileri görülüyor.
(Görsel: Georg Wiora, Wikimedia CC BY-SA 3.0)

Yukarıdaki renk spektrumunda solda Güneş'in soğurma çizgileri ile sağda uzak galaksiden bir yıldızın soğurma çizgileri görülüyor. Galaksinin ince siyah spektrum çizgileri kırmızı tarafa kayıyor ve daha uzakta olduğunu gösteriyor. (Işığın frekansı azalıyor).

Yıldızlardan galaksilere uzayda ışık saçan çoğu şeyin kırmızıya kaymasını ölçebiliyoruz. Gökbilimcileri bu amaç için spektroskopiyi kullanır yani yıldız ışığı spektrumundaki siyah çizgilere bakar. Prizmaya ışık tutarsanız diğer uçtan gökkuşağı renkleri çıkar. Ancak prizma ile ışık arasında helyum gazı olursa gazın ışığı engellediği noktalar diğer tarafta karanlık çıkacaktır. Helyum gazı tıpkı hidrojen ve diğer gazlar gibi yalnız belirli frekansta ışıkları engelliyor. Her atom ve molekülün oluşturduğu spektrum çizgileri daima bellidir ve her zaman aynı boşluklara sahiptir. Gökbilimciler yıldızların ve galaksilerin kimyasal yapısını da böyle ortaya çıkarıyor.

Gökbilimciler, çizgilerin spektrumdaki uzaklığını ölçerek, yıldızın veya galaksinin Dünya'ya göre hızını ve hatta galaksinin dönüşünü hesaplayabiliyor. Galaksinin bir yüzünün kırmızıya kaymasını diğer yüzle kıyaslayarak hangi yüzün bizden uzaklaştığını veya yakınlaştığını görebiliyorlar.

Evren genişledikçe ışığın dalga boyunun nasıl gerildiğini ve kırmızıya kaydığını gösteren NASA animasyonu. (Hazırlayan: NASA/JPL-Caltech)

Çoğu galaksi bizden uzaklaşsa da Andromeda Galaksisi (M31) saniyede yaklaşık 300 km'lik maviye kaymaya sahip. Yani bize doğru ilerliyor ve 4 milyar yıl içinde Samanyolu ile çarpışacak.

Kırmızıya kayma ile gizli gezegenleri açığa çıkarabilirsiniz. Bir yıldızın ışığı bazen kırmızı bazen maviye kayıyorsa yakınındaki bir gezegenin itme ve çekme kuvvetine maruz kaldığını gösterir. Yalpalama denilen bu harekette spektrum çizgisindeki değişime bakarak çekim etkisini uygulayan gizli gezegenin kütlesi ve yıldıza uzaklığı bulunabiliyor. Böylece yaşanabilir olup olmadığı bile anlaşılıyor.

Kırmızı kayma var çünkü ışık da bir dalga

Bir nesne ne kadar uzaktaysa, ışığı o kadar uzun bir dalga boyuna dönüşür - buna kırmızıya kayma diyoruz.
Bir nesne ne kadar uzaktaysa, ışığı o kadar uzun bir dalga boyuna dönüşür – buna kırmızıya kayma diyoruz.

Kırmızıya kayma "Doppler etkisi"ne benzer. Bir ses kaynağı ile gözlemci birbirine yaklaşıyorsa gözlemcinin duyduğu sesin frekansı artar. Ses gözlemciden uzaklaşıyorsa duyulan frekans azalır. Etki 19. yüzyılda matematikçi Christian Andreas Doppler tarafından keşfedildi. Gündelik örnekler arasında ambulans sireni yaklaşırken ses perdesinin artması (dinleyiciye daha çok ses dalgası ulaşır) ve uzaklaşıyorken düşmesi (dinleyiciye daha az ses dalgası ulaşır) var. Edwin Hubble 1929'da evrenin genişlediğini kırmızıya kayma ile keşfetti. Çünkü ışık da ses gibi bir dalgadır ve kaynağının konumu değiştikçe Doppler etkisi görülür. Edwin Hubble çoğu galaksinin Samanyolu'ndan uzaklaştığını fark etti çünkü galaksiler uzaklaştıkça onlardan yayılan ışık da kızıllaşıyor yani dalga boyu uzuyordu.

Işık saniyede 300 milyon metre hızla giderken sesten (340 m/sn) çok daha hızlı hareket ettiğinden kırmızıya kaymayı günlük yaşamda fark edemiyoruz. Ancak uzak bir gezegen, galaksi veya kuasarın kırmızıya kaymasını kolayca görebiliriz. Ses dalgası değişiminde sesin perdesi değişirken, ışık dalgası değişiminde rengi değişiyor. Örneğin, uzayda hızlı hareket eden bir ampul size yaklaşırken mavi, uzaklaşırken daha kırmızı görünür. Işığın frekansındaki bu değişimleri ölçerek uzaydaki her nesnenin hızını, dolayısıyla uzaklığını ölçebiliyoruz. Çünkü nesnenin hızını bulmak uzaklığını hesaplamayı sağlar.

Işığın yaydığı atomik emisyon ve emilim çizgilerinin renk spektrumunda oluşturduğu çizgilere bakmak uzaklaşan bir göksel nesnenin ışığa kaymasını verir. Buna astronomik tayf ölçümü deriz.

Kırmızıya Kayma Aslında Uzaklığı Göstermiyor

Garip gelebilir ancak uzak nesnelerde gözlenen kırmızıya kayma aslında nesnenin değişen konumundan değil evrenin genişlemesinden geliyor. Örneğin, iki nesnenin konumu değişmiyor olabilir ancak aradaki uzay genişlediğinden kırmızıya kayma gözlenecektir. Evrenin genişlemesini ve kırmızıya kaymayı anlatırken kullanılan bir benzetme var: Havasız bir balonun üzerine noktalar çizer ve sonra balonu şişirirseniz noktalar arasındaki uzaklık git gide artar. Noktalar aslında sabit olmasına rağmen birbirlerini uzaklaşıyor görürler.

Kırmızıya kayma doğrudan uzaklık anlamına gelmiyor. Çünkü evren ilk oluştuğunda normalden çok hızlı genişledi ve bugün de artan hızda genişliyor. Her şeyin Samanyolu Galaksisi'nden uzaklaşıyor görünmesi bize evrenin merkezinde, özel bir noktada olduğumuzu düşündürebilir. Ancak öyle değil çünkü Büyük Patlama tek bir noktada başlamadı. Uzay ve madde her bir yönden genişledi ve genişleyen bir balonda her şey sizden uzaklaşıyor görünecektir.

Kırmızı Kayma Nasıl Keşfedildi?

Kırmızıya kayma gökbilimindeki en önemli keşiflerden biridir. Onun sayesinde evrenin genişlediğini keşfettik. Kırmızıya kayma ilk kez 1910'larda Lowell Gözlemevi'nden gökbilimciler tarafından fark edildi. Çoğu galaksiden ulaşan ışığın kırmızıya kaydığını görmüşlerdi. Yani evrendeki çoğu galaksi Dünya'dan uzağa yol alıyordu. Belçikalı bilimci Georges Lemaitre bu durumun nedeninin evrenin genişlemesi olabileceğini söyledi. Edwin Hubble 1929'da kırmızıya kaymayı tanımlayan ilk kişi oldu ve onu evrenin genişlemesiyle ilişkilendirdi. Hubble, bir galaksi ne kadar uzaktaysa o kadar hızlı uzaklaştığını keşfetmişti. Bu ilişkinin adı Hubble Yasası'yken 2018'de Hubble-Lemaitre Yasası olarak yeni bir ad aldı.

Kırmızıya Kayma Hesaplaması

Uzaydaki bir nesnenin kırmızıya kayma değeri hesaplanırken dalga boyundaki değişime bakılıyor. Gözlenen dalga boyu ile yayılan dalga boyu gözlenen dalga boyuna bölünür. Kırmızıya kaymanın değeri olan z, nesnedeki ışığın, evren şu anki boyutunun 1 / (1 + z) büyüklüğündeyken yola çıktığını gösterir.

λgözlenen spektral çizginin gözlemlenen dalga boyu ve λdurgun kaynak hareketsizken ışığın sahip olacağı dalga boyu:

z = (λgözlenen – λdurgun) / λdurgun

Yani kırmızıya kayması 7 olan bir kuasar, evren şu anki boyutunun 1/8'iyken oluşmuş ve ışığını yaymaya başlamış oluyor. Büyük Patlama'dan hemen sonra (380.000 yıl sonra) oluşmuş olan Kozmik Mikrodalga Arka Plan Işıması yaklaşık 1000 z değerine sahip yani evren mevcut boyutunun henüz 1/1000'i kadarken oluştu.

J0313-1806 adlı kuasar z = 7,64 değerine sahip ve bize bilinen en uzak kuasardır. Merkezinde oldukça parlak bir süper kütleli kara delik olan bu kuasarın 13 milyar ışık yılı uzaklıkta yer almasıyla Büyük Patlama'dan 670 milyon yıl sonra oluştuğunu anlıyoruz. Yine GN-z11 galaksisi bilinen en eski ve uzak galaksidir ve kırmızıya kayma değeri z = 11,09'dur. Bu değer 13,4 milyar ışık yılı uzaklığa karşılık geliyor. Büyük Patlama'dan 400 milyon yıl sonrasına.

Aşağıdaki tablo, ışığın yolculuk süresi ile uzaklık arasındaki z değerlerini veriyor:

zIşığın yolculuk süresiNesneye şu anki uzaklık
0,00007151 milyon yıl1 milyon ışık yılı
0,101,286 milyar yıl1,349 milyar ışık yılı
0,252,916 milyar yıl3,260 milyar ışık yılı
0,55,019 milyar yıl5,936 milyar ışık yılı
17,731 milyar yıl10,147 milyar ışık yılı
210,324 milyar yıl15,424 milyar ışık yılı
311,476 milyar yıl18,594 milyar ışık yılı
412,094 milyar yıl20,745 milyar ışık yılı
512,469 milyar yıl22,322 milyar ışık yılı
612,716 milyar yıl23,542 milyar ışık yılı
712,888 milyar yıl24,521 milyar ışık yılı
813,014 milyar yıl25,329 milyar ışık yılı
913,110 milyar yıl26,011 milyar ışık yılı
1013,184 milyar yıl26,596 milyar ışık yılı

Kaynaklar: