e mc2

Kara deliklerin termodinamiği

Kuantum fiziği ile Albert Einsteinin genel gorelilik teorisini belli olcude birlikte kullanan cambridge Üniversitesi profesörlerinden steven hawking 1970’lerin başında yaptığı oldukça ünlü çalışmalarında su sonuca ulaşmıştır kara delikler cok da kara değiller bu kısa yazıda hawkingin ne demek istediğini anlamaya çalışacağız. Princeton Üniversitesinden John A. Wheeler 1967dekara delikismini vermeden önce bu nesnelerçökmüş yıldızveyadonmuş yıldız` olarak biliniyorlardı.

Hemen belirtmekte fayda var: kara deliklerle ilgili gözlemsel ve teorik bilgilerimiz henüz tatmin edici düzeyde değil. Nötron yıldızlarını anladığımız seviyede kara delikleri anlamak isteriz, ama çok uzun ve yoğun çalışmalara rağmen bu bilgi düzeyinden uzaktayız. Kara delikler ve Evrenin büyük patlama zamanındaki durumu, kuantum fiziği ile gravitasyon teorilerinin aynı anda etkin oldukları, beraber uygulanmalarının zorunlu olduğu, iki alandırlar. Belki de bu nedenle kara delikleri anlamak pek çok bilim insanının temel hedeflerinden birisidir. Bu gizemli nesneler hakkında 15,000den fazla bilimsel makale yayınlanmış ve binlerce bilim insanı fikir üretmiştir. Bu yazıya konu olan kara deliklerin termodinamigi ve kara deliklerin de radyasyon-ışık yayması ve en nihayetinde ölümleri ( bu kavramları kısaca izah edeceğiz ) henüz teorik seviyede bilgilerdir, astrofizikten elimizde veri elimizde yoktur. Bu konudaki bütün çalışmalar teorikdir. Örneğin teorik fizik literatüründe “ Kara deliklerin son 8 dakikaları 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 cok model atılır ama hiç birisi pek ikna edici değildir. Cesur bir kelebek `gidip ateşe bakıp gerçeği öğreneceğini’ söyler. En yakin kaleye gider ve mum alevini izler ve arkadaşlarının yanına döner. Gördüklerini anlatır ama kelebeklerin büyüğü, bilgin kelebek açıklamayı tatmin edici bulmaz ve şöyle der “daha önceki bilgilerimizin üstüne bir şey koyamadık”. ikinci bir kelebek alevi anlamak icin yola cikar, kanatlarından birisini mum alevine değdirir ve bin bir güçlükle geri doner, 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, ışgın kaçmasını tolere edemeyecek kadar yoğunlasirlar ve klagib Genel Gorelilik teorisine göre, kütleleri ile orantılı olarak, uzayın bir parçasını çıkısı olmayan bir hapishaneye çevirirler. Bu (küresel) hapishanenin fiziksel bir materyelden olusmayan, gorunmez, tek taraflı geçirgen bir duvarı vardır: bu duvara olay ufku denir. Burada önemli olan kavram yogunluktur. Dünyanın kara delik olabilmesi için bir kestane küçüklüğüne sıkıştırılması gerekmektedir. Güneşin de kara delik olabilmesi yarıçapının 3 Km`ye inmesi ile mümkündür. [Bu rakamları ve aşağıda vereceğim rakamları doğru olarak çıkartabilmek için detaylı bir fizik bilgisine ihtiyaç vardır, bu yazıda rakamları veren formülleri çıkarmak mümkün degildir. ]

Her iki kütleyi de bu kadar yoğun hale getirecek bir mekanizma bilmiyoruz. Ancak, galaksilerin merkezinde ve baska yerlerde kendi çekim kuvveti ile bir kara deliğe çökecek yeterince büyük kütleli yıldızlar vardir. Gözlem yapan astrofizikçilerin elde ettiği veriler kara deliklerin varlığı konusunda bilim insanları arasında büyük ölçüde bir fikir birligi oluşturmuştur. Klagib ( kuantum olamayan ) teoriye gore kara delikler bahsi geçen büyük yıldızların bütün yakıtlarını tükettikten sonraki halidir. Klagib 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 hiç bir maddenin veya ışığın çıkısına 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 olmamıştı.

Öncelikle şu gerçeği hatırlayalım: sıcaklığı olan her cisim elektromagnetik dalga yayar, güneş, insan, dünya, ampul, tavşanın gözleri vesaire. Bu ışımaya Kara cisim ışıması denir (buradaki kara’nın kara delik ile doğrudan bir ilgisi yok ). 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 ısınlar yayar, güneş veya ampul dışarıdan bakıldığında bir-kaç bin derece sıcaklığa sahip oldukları için elektromagnetik radyasyonun önemli bir kısmını daha şiddetli, görünür spektrumdaki ışık şeklinde yayarlar. [Tabi ki güneşten, kızılötesi ve zararlı mor-ötesi ışınlar da, görünür ışığa kiyasla, az miktar da gelmektedirler.] Evrenin kendisi de yaklaşık 2.7Kelvinlik sıcaklığı nedeniyle yıldızları ihmal edersek ki kolaylıkla ihmal edebiliriz evrende çok az yer kapliyorlar koca bir mikro dalga fırın gibi çalışmakta ve mikrodalga ışınlaryaymaktadir`.

Kara cisim ışıması 20. yy başına kadar oluşan klagib Newton, Maxwell teorisi ile açıklanamamıştır. Max Planck 20. yy başında kara cisim ışımasının nasıl olduğunu ve deneyde elden edilen verileri, kuantum fiziğini ortaya atarak izah etmistir. Işığın nasıl oluştuğunu ve tanecikli yapısını anlamak için kuantum fiziğine ihtiyaç vardır. Acaba kara delikler kara cisim ışıması resmi ile nasıl örtüşmektedir? Klagib teoriye göre bir kara delik hiç ısıma yapmaz, yani sıcaklığı mutlak olarak sıfırdır. Peki, kuantum fiziği bu resmi nasıl değiştirir? Aslında bu soruya, bütün fizikçileri tatmin edecek bir cevap henüz bulunamamıştır. Bu sorunun cevabı hali-hazırda 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. Dunya bir kara delik olsaydi sicakligi 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 sure cok uzundur. Güneşin kütlesindeki bir kara delik 10 üzeri 65 yıldan fazla yaşar. Dolayısıyla büyük kara deliklere bakarak Hawking radyasyonu ölçme ümidimiz yok. Evrenin başlangıcındaki ( yani yaklagib 14 milyar yil önceki) müthiş şartlar nedeni ile Ağrı dağının kütlesine sahip küçük- bir kara delik oluştuğunu varsayarsak, su sıralar çok parlak bir şekilde evrene radyasyon yayiyor olmalı, ama bu tür küçük kara delikleri de henüz gözlemlemiş degiliz.

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, klagib fiziğin esaslarına göre kara deliğin olay ufkunu dışarıya doğru, kara delikten kaçacak şekilde geçemeyen parçacıklar, daha doğru olan kuantum fiziğin prensiplerine göre geçebilmektedirler. Tünelleme mekanizması elektronları içeren başka deneylerde binlerce defa gözlenmiştir, hatta bu mekanizmayı kullanan Tünelleme Mikroskoplarını piyasa satılmaktadır!