Karadeliklerin “Saçı” Varsa, Birleşme Sırasındaki Halka Sesinde (Ringdown) Bunu Göreceğiz

Teoride bir karadeliğin yapısı son derece sade; yalnızca kütle, dönme ve elektrik yükü gibi üç özelliğe bağlıdır. Ancak yeni bir çalışma, gerçek karadeliklerin “saçsızlık teoremi”ni ihlal etmesi durumunda bunun birleşmeleri sırasında yaydıkları yerçekimi dalgalarında gözlemlenebileceğini ortaya koyuyor. Nagoya Üniversitesi’nden Ariadna Uxue Palomino Ylla önderliğindeki ekip, standart karadelik modelleriyle saçlı olarak nitelendirilen alternatif modelleri karşılaştırarak her birinin birleşme sonrasındaki “halka sesi” (ringdown) frekanslarının birbirinden farklı olduğunu hesapladı. Bulgu, yerçekimi dalı gözlemcilerinin henüz bu farkları yakalamaya yeterli hassasiyete sahip olmamasına rağmen, gelecekte geliştirilecek yeni araçlarla karadeliklerin kütlesi ve dönmesi dışında daha fazlasını ifade edebileceğine işaret ediyor.

Saçsızlık teoremi: Karadeliğin yalnızca üç özelliği vardır

Bir karadeliği oluşturmak için yeterince sıkıştırmak yeterli; radyoaktif atıklar, eski vergi beyannameleri ya da dev bir helyum bulutu fark etmez. Bunlardan herhangi biri karadeliğe dönüşünce atomik yapı ve o nesneye ait tüm bilgiler anlamsızlaşır. Karadelik işte kadar sadeidir — en azından saçsızlık teoremine göre. Bu teorem, bir karadeliğin yalnızca kütle, dönme ve elektrik yüküyle tanımlandığını öne sürer; başka hiçbir “saç”, yani ayırt edici ayrıntı taşımaz.

Saçsızlık teoremi ismini John Wheeler’dan alır. Wheeler, bunu küreyi belirli özelliklerle kaplamanın nasıl mümkün olduğunu anlatan matematiksel “tüyülü top” (hairy ball) teoremine karşıt düşündüğü için bu adı verdi. Karadeliğin olay ufkunun kendine özgü hiçbir özelliği olmadığından, ona göre “karadeliklerin saçı yoktur.” Ancak saçsızlık teoremi genel olarak kanıtlanmamıştır: Genel göreliliğe göre herhangi bir durağan durum karadeliğinin saçı yoktur, ancak birleşen karadeliklerden söz edildiğinde işler bulanıklaşır. İşte yeni araştırma tam da bu noktaya geliyor.

Saçlı modeller: Hayward ve Bardeen karadelikleri

Klasik karadeliklerin saçsız olduğu için araştırmacılar standart modeli birkaç varyant modelle karşılaştırıyor. Bunlardan biri Hayward karadeliği olarak biliniyor. Sean Hayward tarafından, ilk başta karadelik denklemlerinden tekillikleri (singularite) ortadan kaldıracak bir yöntem önermek amacıyla ortaya konuldu. Genel göreliliğe uysa da, madde bir şekilde tekil olmayan kuantum durumuna ulaşıyor gibi varsayar. Tekil bir noktası kesin olarak bulunmadığı için Hayward karadelikleri kesin bir olay ufkına da sahip değildir ve saçsızlık teoremi onlara uygulanamaz.

Araştırmacıların incelediği başka bir model ise Bardeen karadeliğidir. James Bardeen, daha çok yerçekimi termodinamiği yasaları üzerindeki çalışmayla tanınır. Karadelikler Stephen Hawking’in öngördüğü gibi ışıma yaparsa, termodinamik yasalara uyarlar. Bardeen karadeliği ise ışmasının bir elektromanyetik yapı taşıması nedeniyle saça sahip olan bir modeldir.

Halka sesleri: Her model kendine özgü iz bırakır

Ekip, iki Hayward karadeliğinin birleşmesiyle ile iki Bardeen karadeliğinin birleşmesi durumunda ne olacağını hesapladı ve sonuçları standart karadeliklerin birleşmeleriyle karşılaştırdı. Her modelin halka sesinde (ringdown) kendine özgü bir imza taşıdığını buldu; hem halka sesi frekansı hem de sönümlenme hızı modele göre farklıydı. Ayrıca ekip, halka sesinin karadeliğin olay ufkı bölgesindeki uzay-zamanın yapısını araştırmak için nasıl kullanılabileceğini de gösterdi: Bu bölgeler gerçekten Genel Göreliliğin öngördüğü gibi boşluk (vakum) mu, yoksa kuantum dalgalanmaları mı rol oynuyor?

Karadelik birleşmelerinin bize, birleşen karadeliklerin kütlesi ve dönmesi ile yükleri dışında çok daha fazlasını anlatması mümkündür; halka sesindeki farklar bu yapıyı ifade eder.

Ariadna Uxue Palomino Ylla, Nagoya Üniversitesi

Bu bulgu, karadeliklerin yalnızca kütle ve dönme gibi makro özellikleriyle değil, olay ufkındaki kuantum etkileriyle de ilişkilendirilebileceğine dair umut veriyor. Ancak güncel yerçekimi dalı gözlemcilerinin bu farkları yakalamaya yeterli hassasiyete sahip olmadığı belirtiliyor; ancak yeni araçların geliştirilmesiyle bu farklılıklar ortaya çıkarılabilir.

Gelecek: Yeni nesil gözlemciler ve uzay-zamanın yapısı

Mevcut yerçekimi dalı deneyleri, halka sesindeki ince farkları tespit etmeye henüz yetecek kadar hassas değil. Ancak yeni teknolojilerin geliştirilmesiyle bu işaretlerin ortaya çıkarılması bekleniyor. Bu da karadelik birleşmelerinin, kütle ve dönme gibi temel özelliklerin ötesinde, uzay-zamanın olay ufkı bölgesindeki doğasını anlamaya yönelik güçlü bir araç sunabileceğini gösteriyor.