Kara delik de ölümlüdür

Fizik

Kuantum fiziği ile Albert Einstein’ın genel görelilik teorisini belli ölçüde birlikte kullanan Cambridge Üniversitesi profesörlerinden Stephen Hawking, 1970’lerin başında yaptığı oldukça ünlü çalışmasında şu sonuca ulaşmıştır: “Kara delikler çok da kara değiller!” Bu kısa yazıda, Hawking’in ne demek istediğini anlamaya çalışacağız. Princeton Üniversitesi’nden John A. Wheeler 1967’de “kara delik” ismini vermeden önce bu nesneler “çökmüş yıldız” veya “donmuş yıldız” olarak biliniyorlardı.

Kara delikler ve evrenin büyük patlama zamanındaki durumu, kuantum fiziği ile çekim teorilerinin aynı anda etkin oldukları ve beraber uygulanmalarının zorunlu olduğu iki alandır. Bu yazıya konu olan kara deliklerin “termodinamiği”, “radyasyon-ışık yayması” ve “ölümleri” (bu kavramları kısaca izah edeceğiz) henüz teorik seviyede olan bilgilerdir, elimizde astrofizikten veri yoktur. Bu konudaki bütün çalışmalar teoriktir. Örneğin, teorik fizik literatüründe “Kara deliklerin son 8 dakikası” gibi başlıklara sahip makaleler bulmak mümkündür.

Jean-Pierre Luminet, kara delikleri anlatırken eski bir Acem hikâyesinden bahseder: Kelebekler ateşin-alevin mahiyetini, ne olduğunu anlamak için bir araya gelirler. Ortaya pek çok model atılır ama hiç birisi pek ikna edici değildir. Cesur bir kelebek, gidip ateşe bakıp gerçeği öğreneceğini söyler. En yakın kaleye gider, mum alevini izler ve arkadaşlarının yanına döner. Gördüklerini anlatır ama kelebeklerin büyüğü olan bilgin kelebek açıklamayı tatmin edici bulmaz ve şöyle der: “Daha önceki bilgilerimizin üstüne bir şey koyamadık.” İkinci bir kelebek, alevi anlamak için yola çıkar, kanatlarından birisini mum alevine değdirir ve bin bir güçlükle geri döner, yaşadıklarını anlatır. Bilgin kelebek yine tatmin olmamıştır, üçüncü bir kelebek yola çıkar ve kendisini aleve atar, yanar. Uzaktan bu durumu izleyen bilgin kelebek hükmü verir: “Dostumuz, alevin sırrını öğrendi ama bu sırrı sadece o bilebilir!” Kelebeklerden biraz daha zor durumdayız: Kara deliklerin sırrını, asla geri dönemeyecek cesur bir astronotun da öğrenmesi mümkün değil, çünkü yakınımızda kara delik yok!

Güneşten çok daha büyük yıldızların sonu pek hazindir: Nükleer yakıtları bitince, ışığın kaçmasını tolere edemeyecek kadar yoğunlaşırlar ve klasik genel görelilik teorisine göre, kütleleri ile orantılı olarak uzayın bir parçasını, çıkışı olmayan bir hapishaneye çevirirler. Bu (küresel) hapishanenin fiziksel bir materyalden “oluşmayan”, “görünmez”, tek taraflı geçirgen bir duvarı vardır: Bu duvara “olay ufku” denir. Burada önemli olan kavram “yoğunluk”tur. Dünya’nın kara delik olabilmesi için bir kestane küçüklüğüne sıkıştırılması gerekmektedir. Güneş’in de kara delik olabilmesi, yarı-çapının 3 kilometreye inmesi ile mümkündür.

Klasik teoriye göre kara delikler

Gözlem yapan astrofizikçilerin elde ettiği veriler, kara deliklerin “varlığı” konusunda bilim insanları arasında büyük ölçüde bir fikir birliği oluşturmuştur. “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. Kuantum fiziğinin prensiplerini kara delik bulunan bir uzaya uyguladığımız zaman (Hawking bunu yapmıştır), kara deliğin bu “asla ışık ve madde vermez” tavrı değişir. Kara delikler, sıcaklığı olan her nesne gibi ışıma yapmaktadırlar. Bu sonuca ulaşmak çok da kolay olmamıştır.

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 delik ile 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 kızılötesi ışınlar yayar; güneş veya ampul, dışarıdan bakıldığında birkaç bin derece sıcaklığa sahip oldukları için elektromanyetik radyasyonun önemli bir kısmını daha şiddetli, görünür spektrumdaki ışık şeklinde yayarlar (tabii ki güneşten, kızılötesi ve zararlı morötesi ışınlar da, görünür ışığa kıyasla az miktarda gelmektedirler). Evrenin kendisi de yaklaşık 2,7 Kelvin’lik sıcaklığı nedeniyle (yıldızları ihmal edersek [ki kolaylıkla ihmal edebiliriz] evrende çok az yer kaplıyorlar) koca bir mikrodalga fırın gibi çalışmakta ve mikrodalga ışınlar yaymaktadır.

 

Bir yıldızı parçalayan kara delik

Kara cisim ışıması, 20. yüzyıl başına kadar oluşan klasik Newton, Maxwell teorisi ile açıklanamamıştır. Max Planck 20. yüzyıl başında kara cisim ışımasının nasıl olduğunu ve deneyde elden edilen verileri, kuantum fiziğini ortaya atarak izah etmiştir. Işığın nasıl oluştuğunu ve tanecikli yapısını anlamak için kuantum fiziğine ihtiyaç vardır. Acaba kara delikler, kara cisim ışıması resmi ile nasıl örtüşmektedir? Klasik teoriye göre bir kara delik hiç ısıma yapmaz, yani “sıcaklığı” mutlak olarak “sıfır”dır. Peki, kuantum fiziği bu resmi nasıl değiştirir? Aslında bu soruya, bütün fizikçileri tatmin edecek bir cevap henüz bulunamamıştır. Bu sorunun cevabı halihazırda sadece adı var olan hipotetik “kuantum gravitasyon” teorisi tarafından verilebilir. Ama Hawking, Jacob Bekenstein ve başka pek çok fizikçinin katkısı ile belli ölçüde makul bir cevap verilmiştir: 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 atmaktadırlar. 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. Radyasyon yayarak küçülen kara deliğin, kütlesini tamamen kaybetmesini bekleriz, ama bu süre çok uzundur. Güneş’in kütlesindeki bir kara delik, 10 üzeri 65 yıldan fazla yaşar. Dolayısıyla büyük kara deliklere bakarak Hawking radyasyonu ölçme ümidimiz yok. Evrenin başlangıcındaki (yani, yaklaşık 14 milyar yıl önceki) müthiş şartlar nedeni ile Ağrı Dağı’nın kütlesine sahip küçük bir kara delik oluştuğunu varsayarsak, şu sıralar çok parlak bir şekilde, evrene radyasyon yayıyor olmalı, 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 geçebilmektedirler. Tünelleme mekanizması, elektronları içeren başka deneylerde binlerce defa gözlenmiştir, hatta bu mekanizmayı kullanan tünelleme mikroskopları piyasada satılmaktadır!

Prof. Dr. Bayram TEKİN
ODTÜ Fizik Bölümü

Bu yazı Bilim ve Ütopya'nın şubat 2008 sayısında yayımlanmıştır.

Etiketler
kara delik
fizik
black hole
kara delik ölümü
uzay
yıldızlar
black hole dying
bilim ve ütopya
bayram tekin