22 Ocak 2014'te Stephen Hawking, fizikçilerin makale ön baskılarını paylaştığı arXiv sunucusuna iki sayfalık bir not yükledi. Not, bir önceki ağustos Santa Barbara'daki Kavli Kuramsal Fizik Enstitüsü'nde verdiği konuşmanın metniydi. İçindeki bir cümle iki gün sonra Nature'ın haber sitesinde başlık oldu: "Karadelik yoktur."12
Hawking, gökbilimcilerin yıllardır gözlediği cisimleri inkâr etmiyordu. Aynı cümlenin devamında neyi kastettiğini açıkça yazmıştı: ışığın sonsuza hiçbir zaman kaçamadığı bölgeler anlamında karadelik yoktu. Tartışılan şey karadeliği tanımlayan sınırdı, yani olay ufku. Bu soruyu doğuran da Hawking'in kırk yıl önce yaptığı kendi hesabıydı.
- Güneş kütlesindeki bir karadeliğin bugün neden küçülmek yerine büyüdüğü.
- Fizikçilerin tek bir ufuk yerine neden iki ayrı sınır tanımladığı.
- Bir karadelik tamamen buharlaşırsa olay ufkuna ne olduğuna dair iki farklı model.
- Teleskop görüntülerindeki karanlık lekenin olay ufkundan neden daha büyük olduğu.
Karadelik neden küçülür?
Hawking, 1 Mart 1974'te Nature'da yayımlanan kısa makalesinde kuantum etkilerini hesaba katınca karadeliğin bir sıcaklığı olduğunu ve ısı yayan her cisim gibi enerji kaybettiğini gösterdi.3 Ayrıntılı hesap ertesi yıl geldi.4 Bu ışımaya bugün Hawking ışıması deniyor. Sıcaklık kütleyle ters orantılı; karadelik büyüdükçe soğuyor.
Rakamlar bu yüzden şaşırtıcı çıkıyor. Güneş kütlesindeki dönmeyen bir karadeliğin Hawking sıcaklığı yaklaşık 62 nanokelvin, yani mutlak sıfırın 62 milyarda bir derece üstü. Evreni dolduran kozmik mikrodalga arka plan ışıması ise 2,7 kelvin. Böyle bir karadelik yaydığından çok daha fazla ışıma yutar ve bugün küçülmez, yavaş yavaş büyür. Sıcaklığın arka planı geçmesi için kütlenin kabaca 4,5×10²² kilogramın altına inmesi gerekiyor. Bu, Ay'ın kütlesinden az. Yıldız çöküşüyle oluşan en hafif karadelikler bile birkaç Güneş kütlesinde.
Yalın formülle hesaplanınca Güneş kütlesinde bir karadeliğin buharlaşıp bitmesi yaklaşık 2×10⁶⁷ yıl sürüyor; evrenin yaşı 13,8 milyar yıl. Don Page 1976'daki ayrıntılı hesabında, erken evrende oluşmuş olabilecek ilkel bir karadeliğin bugüne kadar tükenmesi için başlangıç kütlesinin yaklaşık 5×10¹⁴ gramın, yani 500 milyon tonun altında olması gerektiğini buldu.5
Bir karadeliğin iki sınırı
Gündelik anlatımda karadeliğin tek bir sınırı var. Genel görelilikte bu sınır iki ayrı yoldan tanımlanıyor ve buharlaşma başlayınca iki tanım birbirinden ayrılıyor.
Olay ufku, içinden çıkan ışığın evrenin uzak bölgelerine hiçbir zaman ulaşamadığı bölgenin sınırı. Tanımdaki "hiçbir zaman" belirleyici: bir noktanın olay ufkunun içinde kalıp kalmadığını bilmek için o noktadan çıkan ışığın bütün geleceğini bilmek gerekiyor. Hawking 2014 notunda bu özelliği açıkça yazdı; olay ufkunun yeri yerel olarak belirlenemiyor, uzay-zamanın geleceğine bağlı.1 Görünür ufuk ise o anda tanımlanabilen bir yüzey. Dışa doğru gönderilen ışığın bile o anda dışa ilerleyemediği yüzeylerin en dıştakine bu ad veriliyor. Hiçbir şey yutmayan ve yaymayan, hareketsiz bir karadelikte iki yüzey tam üst üste biniyor.
Buharlaşma bu çakışmayı bozuyor. North Carolina Üniversitesi'nden James York 1983'te ışıyan, dönmeyen bir karadelikte görünür ufkun olay ufkunun biraz dışında kaldığını gösterdi.6 İki yüzey arasındaki ince kabuğa "kuantum ergosferi" adını verdi. Bu kabuktan çıkan ışık uzun süre ufka yakın oyalansa da sonunda uzaklara ulaşabiliyor.
Buharlaşma bitince ne kalır?
Hawking'in 1976'daki tablosunda karadelik buharlaşıp kaybolur ama içerideki tekillik, yani yoğunluğun sonsuza gittiği bölge, uzay-zamanın bir parçası olarak kalır. Olay ufku bu tabloda vardır ve son ana kadar küçülür. Hawking aynı makalede bunun bedelini de yazdı: içeri düşen şeyin bilgisi ışımayla geri gelmez, kuantum kuramının temel bir ilkesi bozulur.7 Bilgi paradoksu tartışması buradan başladı.
Bern Üniversitesi'nden Petr Hajíček 1987'de bu tabloyla oynadı. Buharlaşmanın son anına denk gelen, Planck ölçeğindeki küçücük bir bölgede uzay-zamanın yapısını değiştirince olay ufkunu istediği kadar ileri kaydırabildi, hatta tamamen ortadan kaldırabildi. Bu değişiklik buharlaşma bitene kadar dışarıdan hiçbir gözlemle fark edilmiyordu ve Hawking ışıması olay ufku olmadan da sürüyordu.8 Hajíček ışımanın görünür ufukla ilişkili olduğu sonucuna vardı.
Sean Hayward 2006'da tekillik içermeyen bir model yayımladı.9 Modelde karadelik oluşuyor, uzun süre durgun kalıyor, sonra buharlaşıyor. Merkezde tekillik yerine yoğunluğu sonlu bir çekirdek bulunduğu için dış ufkun yanında küçük bir iç ufuk da oluşuyor. Buharlaşma ilerledikçe dış ufuk küçülüyor, iç ufuk büyüyor. İkisi buluşunca tek ve kapalı bir yüzey olarak kayboluyor, geriye boş uzay kalıyor. Hayward'ın makalesine göre bu modelde ne tekillik ne olay ufku var. Durgun bölge ise istenildiği kadar uzun süre karadelikten ayırt edilemiyor; bu yüzden Hayward ona yine karadelik demeyi öneriyor.
Hawking'in 2014 notu da aynı yöne gidiyordu. Çöküş görünür ufuklar üretiyor ama arkasında bilginin kaybolduğu olay ufukları üretmiyordu. Hawking karadeliği kütleçekim alanının uzun ömürlü ama kalıcı olmayan bir bağlı hali olarak yeniden tanımlamayı önerdi.1 Bunu kanıtlayacak kuantum kütleçekim kuramı henüz yok. Hawking, Nature'a doğru açıklamanın hâlâ bilinmediğini söylemişti.2
Teleskoptaki karanlık leke
Olay Ufku Teleskobu ekibi 10 Nisan 2019'da M87 galaksisinin merkezindeki karadeliğin, 12 Mayıs 2022'de de Samanyolu'nun merkezindeki Sagittarius A*'nın görüntüsünü yayımladı.1011 Ortadaki karanlık bölgeye gölge deniyor. Dönmeyen bir karadelikte gölgenin çapı, genel göreliliğe göre olay ufkunun çapının kabaca 2,6 katı. Olay ufkunun kendisi hiçbir fotoğrafta görünmez, çünkü yerini evrenin geleceği belirliyor.
Bu karadeliklerde buharlaşma şimdilik yalnızca kâğıt üzerinde. Sagittarius A* yaklaşık 4,3 milyon Güneş kütlesinde, Hawking sıcaklığı 10⁻¹⁴ kelvin mertebesinde ve yalın hesapla ömrü 10⁸⁷ yılı aşıyor. Hawking ışıması bugüne kadar hiçbir karadelikte ölçülmedi.
Son anların fiziğine dair ilk gözlem, bugün tükenmekte olan ilkel bir karadeliğin gama ışını patlamasından gelebilir. Meksika'daki HAWC gözlemevi 959 günlük veride böyle bir patlama aradı ve bulamadı; 2020'de yayımlanan sonuca göre Güneş'in çevresinde bir küp parsek başına yılda 3.400'den fazla patlama olmuyor.12 Aranan adaylar, Page'in 1976'da hesapladığı 500 milyon tonluk sınırın hemen altında doğmuş karadelikler.
Dipnotlar ve Kaynaklar
- Hawking, S. W. (2014). "Information Preservation and Weather Forecasting for Black Holes." arXiv:1401.5761. ↩
- Merali, Z. (2014). "Stephen Hawking: 'There are no black holes'." Nature News, 24 Ocak 2014. doi:10.1038/nature.2014.14583 ↩
- Hawking, S. W. (1974). "Black hole explosions?" Nature, 248, 30-31. ↩
- Hawking, S. W. (1975). "Particle creation by black holes." Communications in Mathematical Physics, 43, 199-220. ↩
- Page, D. N. (1976). "Particle emission rates from a black hole: Massless particles from an uncharged, nonrotating hole." Physical Review D, 13, 198. ↩
- York, J. W. (1983). "Dynamical origin of black-hole radiance." Physical Review D, 28, 2929. ↩
- Hawking, S. W. (1976). "Breakdown of predictability in gravitational collapse." Physical Review D, 14, 2460. ↩
- Hajíček, P. (1987). "Origin of Hawking radiation." Physical Review D, 36, 1065. ↩
- Hayward, S. A. (2006). "Formation and evaporation of nonsingular black holes." Physical Review Letters, 96, 031103. ↩
- Event Horizon Telescope Collaboration (2019). "First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole." The Astrophysical Journal Letters, 875, L1. ↩
- Event Horizon Telescope Collaboration (2022). "First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. I." The Astrophysical Journal Letters, 930, L12. ↩
- Albert, A. ve ark., HAWC (2020). "Constraining the local burst rate density of primordial black holes with HAWC." Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 2020(04), 026. ↩
kafa1milyon
Meraklı bir kafa. Bilimsel makaleleri, arşiv belgelerini ve saha notlarını okuyup gündelik dile çeviriyor; bilinmeyeni bilinmiyor diye yazmaktan çekinmiyor.
