Uranüs ve Neptün’ün keşfi, astronomi tarihinin en ünlü hikâyeleri arasındadır. Güneş Sistemine yapılan ilk modern eklemeler açısından, eskiden bilinen klasik gezegenlere katılan buz devleri evrene bakışımızı sonsuza kadar değiştirdi. Bunlardan biri de Neptün keşfidir. Neptün’ün keşfi gözlem ve teori arasındaki tutarsızlığı gideren, dramatik ve aynı zamanda kozmosa bakışı yeniden oluşturacak doğru bir tahminin sonucudur.
Hikâye böylece özetlense de aslında Neptün’ün keşfi öyle kolay olmadı. Önemli karakterlerle, kaçırılan fırsatlarla ve hatta uluslararası entrikalarla dolu bir hikâyedir bu. Ancak sonunda 150 yıllık maratonun sonu önemli bir şans doğmasıyla mutlu bitti.
Yeniden keşfedilen bir keşif
18. Yüzyılda Güneş Sisteminin son derece basit ve anlaşılır bir yer olduğu düşünülürdü. Sistemimizin Güneş, Yer dâhil yedi gezegen, Ay, Jüpiter’in dört uydusu, Satürn’ün beş uydusu ve birkaç periyodik kuyrukluyıldızdan oluştuğu düşünülüyordu. Mars ve Jüpiter arasındaki, şimdi asteroitlerle dolu olduğunu bildiğimiz bölge o zamanlar boş olarak biliniyordu. Satürn’ün ötesinde ve sabit yıldızlarla çevrelenmiş bir dış Güneş Sistemi, Aristoteles’in zamanından beri çoğu özelliğinden yoksundu. Ve tüm Güneş Sistemi cisimleri Newton’un Kütle Çekim Yasasına göre düzenli ve tahmin edilebilir şekilde hareket ediyordu.
Ancak bu eski ve zarif tablo, William Herschel’in Mart 1781’de Uranüs’ü keşfetmesiyle paramparça oldu. Aslında bu keşif arka arkaya gelecek diğer keşiflerin başlangıcıydı: Yeni gezegenin yörüngesi matematikçilerin öngörüsünü boşa çıkaracak bir yol çiziyordu. Bu da başka ve daha uzakta bir gezegenin varlığıyla açıklanabilirdi.
1821’de artık büyük ölçüde ismini unuttuğumuz gökbilimci Alexis Bouvard uzun yıllar üzerinde çalıştığı Uranüs’ün hareketlerini içeren tablolarını yayınladı. Bouvard, aslında bir çoban çocuğuydu. Ancak merakı ve yeteneği onu Paris Gözlemevi yöneticisi olmaya kadar yükseltti. Uranüs’ün yıldız kataloglarındaki (en erkeni 1690) gözlemler ve Herschel’in keşif verilerini birleştirmeye çalışmıştı.
Ancak başarılı olamadı. Eski gözlemleri bir kenara attı ve bir an için Uranüs’ün gözlenen hareketi nedeniyle teoriyle uzlaştığını varsaydı. Ancak bu fikir 1821’de çöpe atıldı. 1821’den önce yakındaki cisimlere dayanarak yapılan hesaplamalara göre Uranüs daha hızlı hareket ediyor görünüyordu. Birkaç yıl içinde daha yavaş hareket ettiği ortaya çıktı. Bouvard buna bilinmeyen başka bir gezegenin sebep olabileceğini düşündü ancak bunun için hiçbir şey yapmadı.
Cevap aranıyor
Yıllar geçtikçe Uranüs’ün yörüngesini ve dolayısıyla gelecekteki yolunu açıklamadaki zorluk daha da kötüleşti. Sonunda iki matematikçi gökbilimci soruya odaklanmaya karar verdi.
Bunlardan biri olan Cornwall’lı John Couch Adams, St. John’s College’de bir lisans öğrencisiyken matematik alanında neredeyse tüm ödülleri almış ve bir de burs kazanmıştı. Diğeri, zamanının çoğunu gök mekaniği araştırmalarına adayan École Polytechnique’de bir özel öğretmen olan Fransalı Urbain Jean Joseph Le Verrier’di.
Adams, başlangıçta tek başına uğraştığı Uranüs probleminde 1841’de ilk planını hazırladı. Güneş Sisteminin kararlılığı hakkında zaten önemli çalışmalar yayınlamış olan Le Verrier 1845’de Paris Gözlemevinin o zamanki yöneticisi François Arago tarafından işe alındı. Arago, yeğeni Bouvard tarafından ele alınan Uranüs probleminde ilerleme kaydedilmemesinden dolayı hüsrana uğramıştı.
Günümüzde çok az insan klasik gök mekaniğinin inceliklerini bilmektedir. Neredeyse hiç kimse bir zamanlar kâğıt ve kalemle yapılan inanılmaz hesaplamaları yapmaz. Bu tür hesaplamalar yüksek ve uzun süreli konsantrasyon gerektirdiğinden, sürekli internet ve medya içerikleriyle dolu beynimizin algılamamızın ötesindedir. Sonuçta Adams ve Le Verrier’in belirledikleri sorunun ne kadar zor olduğunu günümüzde hayal etmek çok da mümkün değil.
Tahminlerde bulunmak her zaman matematiksel gökbilimcilerin işi olmuştur. Eliptik yörüngelerine göre gezegenlerden kaynaklanan bozulmaları hesaba katmak için Newton’un Kütle Çekim Yasanını Kepler’in eliptik hareketlerine uyguladılar. Bunların hepsi çok karmaşık ve sıkıcıydı, bu ancak cisimlerin doğru yörünge öğelerine sahip olunması ve tahminlerden çok uzak konumda olmaması şartıyla mümkündür. (Bir süper bilgisayarla bile, üç cisim etkileşimlerinin uzun vadeli etkilerini kısa sürede hesaplatmak zordur.)
Adams ve Le Verrier problemin çözümü için operasyonları tersine çevirdi. Uranüs’ün yörünge öğeleriyle başlamak ve bilinmeyen düzensizliğin hareketlerini hesaplamak yerine, Uranüs’ün hareketleriyle başlamaları ve onları açıklayan yörünge öğelerini sağlam bir şekilde saptamaya çalışmaları gerekiyordu. Yale Üniversitesinde gökbilimci ve sayısal benzetim uzmanı olan Greg Laughlin: “Yapmaya çalıştıkları şey olan çok parametreli minimizasyonu günümüz bilgisayarlarıyla bile hesaplatmak kolay değildir” diyor.
Neyse ki Adams ve Le Verrier bu zor göreve hazırdı. Adams, hem çalışmalarında hem de eğitim sorumluluklarında olağanüstü derecede çalışkandı ve Uranüs hobisini sadece tatil zamanlarına ayırmıştı. Le Verrier gibi kafasında uzun ve zorlu hesaplamaları hiç aksatmadan yapabiliyordu.
Adams, Greenwich’teki Kraliyet Gözlemevinden elde edilen Uranüs’ün gözlenen hareketiyle ilgili verileri temel alarak, gözlemle teoriyi uzlaştırmak için bilinmeyen gezegen hipotezini kullanmaya çalıştı. Sonunda Adams farklı hipotezler kullanarak altı hesaplama yaptı. İlk iki hesaplaması çembersel bir yörüngenin basitleştirici varsayımıydı. Biri hariç tüm hesaplar Yer’in varsayımsal yörüngesinin hesabı için kullanılan yarı deneysel Bode yasasına dayanıyordu. Bu yasaya göre her gezegen Güneş’e yakınlığına göre önündeki gezegenden yaklaşık iki kat uzakta dolanır.
Hesaplamalarını Eylül 1845’te tamamladı ve ertesi ay küçük düzeltmeler yaptı. Bunlar varsayılan gezegen için teorik konumları gösterdi. Görünüşe göre o sırada Neptün’ün gerçekten bulunduğu yerin, hesaplanan noktanın her iki tarafında 2 derecelik açılık alan içinde olması gerektiğini gösterdi. Buna rağmen kimse bu yeni dünyayı aramadı.
Adams ilk sonucu öğretmeni ve Cambdridge Gözlemevi müdürü James Challis’e iletti. Masasında yığınla iş bulunan Challis, Adams’a bu fikrini daha yüksek bir otoriteye götürmesini önerdi.
Bu otorite Kraliyet Gökbilimcisi George Beddell Airy idi. Adams, Airy’ye bir tanıtım mektubu ile resmi randevu almadan ziyaret etmek istedi. Adams bunun için üç girişimde bulundu. Airy tarafından kabul edilmeyince Adams bir not bıraktı. Airy ise buna yine bir soru içeren yanıt mektubu ile karşılık verdi.
Adams buna hiç yanıt vermedi. Geç gökbilimci tarihçisi Craig Waff, 2004 yılında Truro Records ofisini ziyaret ettiğinde Adams’ın Airy’e yzdığı mektupları fark etti. Göndermemesinin nedeni ise asla bilinemedi; belki de sadece daha fazla ertelemeye uğrama endişesiyle başka görevlere odaklanmasıydı. Tarihin akışında olduğu gibi bu hikâyede hüzünlü bir yapı içerir.
Berlin’deki keşif
Adams, 1845’in sonunda yaptığı bir hesaplama dışında Uranüs hobisini bir kenara bıraktı. 1846’nın başlarında Challis’in kuyruklu yıldız yörüngelerini hesaplamasına yardım etti. Uranüs’ün yörüngesini açıklama girişimi Le Verrier ve Fransızlara kaldı.
Le Verrier, önemli hesaplama yetenekleriyle probleme sarıldı. Paris Gözlemevinde yüksek lisans öğrencisi olan Guy Bertrand’a göre, O bir hesap makinesiydi. “Her hesaplamayı iki kez kontrol etti ve birçoğunu zihninden yaptı.” Doktorasında Le Verrier’in tüm hesaplarını kullandı ki bunların kısa bir özetini yayınladığı düşünülürse elde ettiği başarı küçük sayılmaz. Bertrand, “bu çalışma kâğıtlarından binlercesi var ve hiçbir yerde hata bulamadım” diyordu.
1 Haziran 1846’da Le Verrier o ana kadar ki sonuçlarını açıkladı ve gezegen için Airy’nin fark ettiği gibi Adams’ın önceki sonbaharda önerdiği konuma bir ek yaptı. Airy bunu bir fırsat olarak gördü ve Cambridge Gözlemevindeki Challis’in 11.6 inçlik Northumberland teleskopunu kullanarak gökyüzünün o bölgesini aramak için başvurdu.
Challis mecbur kalarak sonunda gezegenin keşfine yol açan oldukça ağır ilerleyen kapsamlı bir av başlattı. Ağustos başında Neptün’ü iki kez kaydetti ancak gözlemler arasında değişen konumunu karşılaştırmayı başaramadı.
Bu arada Fransa’da Le Verrier ilgisizlikten başka bir şeyle karşılaşmadı. Sonunda gezegeni gerçekte bulunduğu yerden bir derecenin biraz üzerine çıkaran yeni bir hesaplama yayınladıktan sonra gökbilimcilerin ilgisiyle karşılaştı ve bu sırada da aradığı ekibi buldu. Bu ekip Berlin Gözlemevinde çalışan Johann Galle ve Berlin’de o sırada henüz yayınlanmış bir yıldız haritası öneren Heinreich Louis d’Arrest adlı bir öğrenciden oluşuyordu.
23 Eylül 1846’da teleskopla bir saatlik gözlemden sonra Galle yıldızların konumlarını söylerken d’Arrest ise kontrol ediyordu ki birden: “O yıldız haritada yok” dedi. Ayrıntılı inceleme sonrası Galle: “Göklerdeki Tanrım, bu büyük bir adam!” diye haykırdı. Gerçekten de öyleydi. Neredeyse Uranüs büyüklüğündeki bir gezegen Güneş Sistemine eklenen son dev olmuştu.
Uluslararası tepki
Neptün’ün keşfinin bundan sonraki kısmı keşfin süreci kadar ilginçtir. Adams ve Challins’in sonuca ermeyen çabaları gün ışığına çıktı ve İngiliz-Fransız ilişkilerinin gergin olduğu dönemde uluslararası bir krize dönme tehdidine döndü. Bu, Le Verrier ve Adams’ın ikisinin de keşfi paylaşması üzerine çözüldü. Birkaç tarihçi İngilizlerin Fransızlara komplo kurduğunu iddia etse de buna ilişkin hiçbir kanıt bulunmamaktadır.
Öte yandan son araştırmalar keşfe yol açan hesaplamalarla ilgili yeni bakış açıları ekledi. Neptün’ün keşfinden kısa süre sonra Amerikalı matematikçi Benjamin Peirce, Adams ve Le Verrier’in bazı varsayımlarında iyi değil çok şanslı olduklarını ileri sürdü: Özellikle Uranüs ve Neptün arasındaki 2:1 yörünge rezonansı ile ilgili olanlar (Neptün Güneş çevresinde bir turunu tamamladığında Uranüs iki tur atar). Bu tür rezonanslar kütle çekimi tahribatına yol açarak gezegenlerin yörüngelerinin kararsız duruma gelmesine yol açar.
Adams ve Le Verrier, Neptün’ün rezonansının buna uygun olmadığını ve yörüngesinin sabit kaldığını varsaydı. Ancak bu yanlış bir varsayımdı ve hemen öne çıkan ipuçları hatayı gösterdi. Adams altıncı ve son hesaplamalarını düzeltirken gergindi: Gezegenin tahmin edilen yörüngesi 2:1 rezonansına rahatsız edici bir şekilde yaklaşıyordu, bu da onun var olma ihtimalini ortadan kaldırıyordu. Ama bu endişe yersizdi. Aslında Neptün’ün 2:1 rezonansının hemen içinde yer aldığı keşfinden sonra belirlenmişti. Sonuç olarak Peirce, Le Verrier ve Adams’ın hesaplamalarının görünürdeki doğruluğunun “şans eseri” olduğunu savundu.
Adams ve Le Verrier de dahil çoğu gökbilimci, Peirce’in eleştirisini reddetti. Sonuçta tahminler Neptün’ü başarılı bir şekilde bulmak için yeterince doğruydu. Ama Peirce de doğru bir noktadan bakıyordu. Buz devleri arasındaki 2:1 rezonansın gezegenlerin kütle çekimlerinin birbirlerinin yörüngelerini nasıl etkilediğinin son derece önemli olduğu ortaya çıktı.
Bu, 1990’da Hong Kong Çin Üniversitesindeki (CHUK) bir araştırmacı ekibi klasik gök cisimlerinin karmaşık gizemini ortadan kaldırarak, pertürbasyon sorununun ana özelliklerini basitleştiren bir makale yayınladılar. Modellerinde Neptün’ün 2:1 rezonansıyla Uranüs’ün yörünge hareketini Le Verrier ve Adams’ın varsaydığından daha büyük bir sırayla bozduğunu gösterdiler. Le Verrier ve Admas, Uranüs’ün yörüngesi için eksantrikliği ve Güneş’ten ortalama uzaklığı da olmak üzere yanlış değerler kullandıkları için bu etkileri hiçbir zaman ortaya çıkaramamıştı.
Yörüngesel bozulmaların Le Verrier ve Adams’ın düşündüğünden çok daha güçlü olmasının nedeni 2:1 rezonansının kesin olmamasıyla ilgilidir. (Neptün’ün yörünge dönemi Uranüs’e göre iki katından yüzde 2 farklıdır.) Le Verrier ve Adams, 2:1 rezonansın hesaplamalarını kararsızlaştırmasından endişe etse de gerçekte rezonansın bir yan etkisi olduğunu düşünemediler. Yani, Uranüs’deki yörüngesel bozulmalar iki nesne rezonansta iken, akortu yapılmamış bir müzik aletinin tellerinin genliğinin yavaş değişimlere uğraması gibi yan “vuruşlara” yol açar.
Bu analizin ışığında Le Verrier ve Adams’ın pertürbasyon teorisini eksik anlamaları onları iki hataya yönlendirdi. İlki 1822 Uranüs-Neptün kavuşumu sırasında çevresindeki sapmaların simetrik olmasıydı. Bu dönemde maksimum olduğunu düşündükleri ortalama hareketten sapma aslında minimumdu. İkincisi, Neptün için Güneş’in karşı konumunda, birinciden 180 derece farklı olan başka bir olası konumu gözden kaçırmalarıydı! O sırada gezegene yakın bir konum belirlemeleri gerçekten de ‘şanslı’ bir andı.
Tüm bunlara karşın çabaları önemli bir başarıyı temsil ediyordu. 1990 tarihli makalenin yazarlarından CUHK fizikçisi Kenneth Young’a göre “Le Verrier ve Adams’ın hesaplamaları, kullandıkları teorinin sınırları içinde geçerliydi.” Aslında Young, “gerçekten eklenenlerden çok daha az parametreye sahip bir arama bile elektronik bilgisayarların olmadığı günlerde büyük bir hesaplama çabası olurdu” diyerek işin zorluğunu anlatıyor.
Böylece, d’Arrest’in “O yıldız haritada yok!” şaşkınlığı keşfe yol açmıştı. Sonraki araştırmacılar tarafından beklendiği gibi gelecekteki gezegen keşifleri için bu modelin kullanılamayacağı da anlaşıldı. Bunun yerine gökbilim tarihinde bir daha tekrarlanması muhtemel olmayan tuhaf bir keşif gerçekleşmiş oldu.
