Kara delikler de ölümlüdür! - Sarkaç
Ana Sayfa Fiziksel Bilimler Kara delikler de ölümlüdür!
Galaksi merkezinde bulunduğu düşünülen süperkütleli bir kara deliği gösteren bilgisayar simülasyonu. Ortadaki siyah bölüm olay ufkununun 1.5 katı kadar yarıçapa sahip; kara delik güçlü yerçekimiyle etrafındaki uzayı ve arkaplandaki yıldızların ışığını değiştiriyor. (NASA, ESA, and D. Coe, J. Anderson, and R. van der Marel (STScI))
Kuantum fiziği ve Albert Einstein’in Genel Görelilik teorisini belli ölçüde birlikte kullanan Cambridge Üniversitesi profesörlerinden Steven Hawking 1970’lerin başında yaptığı oldukça ünlü çalışmalarında şu sonuca ulaşmıştı:
“Kara delikler çok da kara değiller!”
Bu kısa yazıda Hawking’in ne demek istediğini anlamaya çalışacağız. Princeton Üniversitesinden John A. Wheeler 1967`de “kara delik” ismini yaygın kullanıma sokmadan önce bu nesneler “çökmüş yıldız” veya “donmuş yıldız” olarak biliniyorlardı. Hemen belirtmekte fayda var: kara deliklerle ilgili kuramsal çalışmalar (bu nesnelerin isimleri eskiden farklı olsa da) 1916 yılında, yani Genel Görelilik teorisi bulunduktan hemen sonra, başladı. Kara deliklerin doğrudan gözlemi ilk defa 2019 yılında Olay Ufku Teleskopu ile yapıldı. Bu radyo teleskopuyla bize uzaklığı yaklaşık 55 milyon ışık yılı olan M87 galaksisinin merkezindeki 6.5 milyar güneş kütlesine sahip kara deliğin çevresinin “fotoğrafı”, yani kara deliğin gölgesinin görüntüsü çekildi. Olay Ufku Teleskopu’nun bütün gözlemleri Görelilik teorisi ile uyumlu.
Kara deliklerin bir kısım özellikleri ve evrenin başlangıçtaki durumu, kuantum fiziğiyle gravitasyon (kütleçekimi) teorilerinin aynı anda etkin oldukları, beraber uygulanmalarının zorunlu olduğu, iki alan. Belki de bu nedenle kara delikleri anlamak pek çok bilim insanının temel hedeflerinden birisi.
Bu yazıya konu olan kara deliklerin termodinamiğiyle kara deliklerin de radyasyon-ışık yayması ve en nihayetinde bir anlamda “ölümleri” henüz teorik seviyede bilgiler, elimizde astrofizikten gözlemsel veri yok. Örneğin teorik fizik literatüründe “Kara deliklerin son 8 dakikaları” gibi başlıklara sahip makaleler bulmak mümkün.
Güneşten çok daha büyük yıldızların sonu pek hazindir: nükleer yakıtları bitince, kendi kütle çekimlerinin etkisiyle ışığın kaçmasına izin vermeyecek kadar yoğunlaşırlar. Klasik Genel Görelilik teorisine göre, uzayın bir parçasını kütleleriyle orantılı boyutlarda, çıkışı olmayan bir hapishaneye çevirirler. Bu (küresel) hapishanenin fiziksel bir malzemeden oluşmayan, görünmez, yalnız dışarıdan içeri geçişe izin veren tek taraflı bir duvarı vardır: bu duvara olay ufku denir.
Kuramsal olarak elimizdeki herhangi miktarda bir kütleyi yeterince sıkıştırabilsek kara delik oluşturabiliriz ama küçük kütleleri o kadar sıkıştırmak mümkün değil: kuantum fiziği buna izin vermiyor. Örneğin Dünyanın kara delik olabilmesi için bir kestane küçüklüğüne sıkıştırılması gerekir. Güneşin de kara delik olabilmesi yarıçapının 3 km’ye inmesiyle mümkün. [Bu rakamları ve aşağıda vereceğim rakamları doğru olarak çıkartabilmek için detaylı bir fizik bilgisine ihtiyaç olduğunu belirtelim.] Güneş’i veya Dünya’yı bu kadar yoğun hale getirecek bir mekanizma bilmiyoruz. Güneş ve benzeri yıldızlar kara delik olabilecek kütleye sahip değiller; Güneş bütün yakıtını bitirince bir süre sonra büyüklüğü Dünya büyüklüğüne inecek ve elektron basıncı ile bir arada duran, kütle çekimine karşı çökmeyen (aynı Sirius B yıldızı gibi) bir Beyaz Cüce olacak.
Galaksilerin merkezinde ve başka yerlerde kendi çekim kuvvetiyle bir kara deliğe çökecek yeterince büyük kütleli yıldızlar var. Örneğin Samanyolu galaksisinin merkezinde bize 26 bin ışık yılı ötede 4.1 milyon Güneş kütleli Sagittarius A* isimli bir kara delik var. Bu bilgileri galaksi merkezi etrafında dönen yıldızların yörüngelerinden gelen 25 yıllık veriler ile biliyoruz. Yakın zamanda Olay Ufku Teleskopu’nun bu kara deliğin görüntüsünü de yayınlamasını bekliyoruz.
Klasik teoriye göre ölümsüz ama kuantum teorisine göre ölümlü!
Klasik (kuantum olamayan) teoriye göre kara delikler bahsi geçen büyük yıldızların bütün yakıtlarını tükettikten sonraki halidir. Klasik teoriye göre, bir yıldız kara deliğe çöktükten sonra artık sonsuz ömrü vardır, üzerine düşen, olay ufkuna giren, madde ve ışığı alır ve kütle olarak büyür ama olay ufkunun dışına hiçbir maddenin veya ışığın çıkışına izin vermez. Yani klasik teori bir kara deliğin asla küçülemeyeceğini söyler.
Kuantum fiziğinin prensiplerini kara delik bulunan bir uzaya uyguladığımız zaman (ki Hawking bunu yapmıştır) kara deliğin bu “asla ışık ve madde vermez” tavrı değişir ve kara deliklerin de sıcaklığı olan her nesne gibi ışıma yaptıkları ortaya çıkar. Bu sonuca ulaşmak fizikçiler için çok da kolay olmamıştı.
Öncelikle şu gerçeği hatırlayalım: sıcaklığı olan her cisim elektromanyetik dalga yayar; güneş, insan, dünya, ampul, tavşanın gözleri vesaire. Bu ışımaya kara-cisim ışıması denir (buradaki kara’nın kara delikle doğrudan bir ilgisi yoktur). Işımanın şiddeti ve yayılan ışığın hangi dalga boyunda olduğu (veya görünür spektrumda ise, hangi renkte olduğu) o nesnenin sıcaklığı tarafından belirlenir. Vücut sıcaklığı normal olan bir insan gözle görülemeyen kızıl-ötesi ışınlar yayar (ormanda gece yürüyen bir kişiyi termal kamera ile görmek mümkündür). Güneş veya ampul dışarıdan bakıldığında bir-kaç bin derece sıcaklığa sahip oldukları için elektromanyetik radyasyonun önemli bir kısmını daha şiddetli, görünür spektrumdaki ışık şeklinde yayarlar. [Güneşten, kızılötesi ve zararlı mor-ötesi ışınlar da gelirler. ] Evrenin kendisi de yaklaşık 2.7 Kelvin’lik sıcaklığı nedeniyle koca bir mikro-dalga fırın gibi çalışıyor ve mikrodalga ışınlar “yayıyor”. (Burada evrende çok az yer kapladıklarından yıldızları kolaylıkla ihmal ediyoruz)
Sıcaklığı sıfır Kelvin’den farklı her cismin yaptığı kara cisim ışıması 20. yy başına kadar oluşan klasik Newton, Maxwell teorisi ile açıklanamamıştı. Max Planck, 20. yüzyılın hemen başında kara cisim ışımasının nasıl olduğunu ve deneyde elden edilen verileri, kuantum fiziğini ortaya atarak izah etmişti (Detaylar için Planck sabiti nedir?). Planck’in temel öngörüsü ışımayı yapan nesnelerin (bir maddenin atomları ya da molekülleri) sürekli bir ışıma yerine kesikli enerji paketçikleri şeklinde ışıma yaptıklarıydı. Sonuç olarak, bir cisimden yayılan ışığın nasıl oluştuğunu anlamak için kuantum fiziğine ihtiyaç var.
Acaba kara delikler kara cisim ışıması resmiyle nasıl örtüşüyor?
Yukarıda bahsettiğimiz gibi, klasik teoriye göre bir kara delik hiç ışıma yapmaz, yani sıcaklığı mutlak olarak sıfırdır. Peki, kuantum fiziği bu resmi nasıl değiştirir? Aslında bu soruya, bütün fizikçileri tatmin edecek bir cevap henüz bulunamadı. Bu sorunun tam cevabı hali-hazırda sadece adı var olan hipotetik “kuantum gravitasyon” teorisi tarafından verilebilir. Ama soruya, Hawking, Jacob Bekenstein, ve başka pek çok fizikçinin katkısıyla, belli ölçüde makul bir cevap verildi:
Astrofiziksel kara deliklerin çok düşük de olsa sıcaklığı vardır ve radyasyon (Hawking radyasyonu) yayarlar. Hatta kütleleri küçük olan kara delikler ışığın haricinde pek çok maddeyi de uzaya atarlar. Küçüldükçe sıcaklıkları artar ve daha büyük kütleli temel parçacıkları atarlar.
Dünya bir kara delik olsaydı sıcaklığı 0.02 Kelvin olurdu, Güneş kara delik olsaydı sıcaklığı 1 Kelvin’in 10 milyonda biri kadar olurdu. Dünya ve Güneş kütleli cisimlerin kara delik oluşturmasını sağlayan bir mekanizma bilmiyoruz demiştik, sıklıkla rastlanan büyük karadeliklerin de sıcaklıkları o kadar düşük ki, onlara bakarak Hawking radyasyonu ölçme ümidimiz yok. Örneğin M87 galaksisi merkezindeki kara deliğin sıcaklığı yaklaşık 10-17 Kelvin; evrenin ortalama sıcaklığı olan 2.7 Kelvin’e göre çok düşük bir sıcaklık bu, dolayısıyla bu sıcaklığı ölçmemiz mümkün değil.
Radyasyon yayarak küçülen kara deliğin kütlesini tamamen kaybetmesini bekleriz, yani karadelikler de ölümlüdür, ama bu süre çok uzun. Güneş’in kütlesindeki bir kara delik 1065 yıldan fazla yaşar.
Büyük kara deliklere bakarak Hawking radyasyonu ölçemesek de, Evrenin başlangıcındaki (yani yaklaşık 14 milyar yıl önceki) şartlar nedeniyle Ağrı Dağı’nın kütlesine sahip (yaklaşık 1013 kg) küçük bir kara delik oluştuğunu varsayarsak, şu sıralar çok parlak bir şekilde evrene radyasyon yayıyor olmalılar, ama bu tür küçük kara delikleri de henüz gözlemlemiş değiliz.
Kara delikler hangi mekanizma ile radyasyon yayar sorusunun henüz cevabını vermedik. Bu sorunun maalesef kolay verebileceğimiz bir cevabı yok. Kısaca şunu söylemekle yetinelim: buradaki etkin mekanizma kuantum mekaniğindeki tünelleme olayıdır. Yani, klasik fiziğin esaslarına göre kara deliğin olay ufkunu dışarıya doğru, kara delikten kaçacak şekilde geçemeyen parçacıklar, daha doğru olan kuantum fiziğinin prensiplerine göre geçebilirler. Tünelleme mekanizması elektronları içeren başka deneylerde binlerce defa gözlendi, hatta bu mekanizmayı kullanan tünelleme mikroskoplarını satın almak bile mümkün!
Önceki İçerikYine ve yeniden deprem
Sonraki İçerik2019 Nobel Fizik Ödülü I: Ötegezenlerin keşfi