Bu yılki fizik dalı Nobel madalyaları kara delikler üzerine ciddi çalışmalar yapan üç bilim insanına verildi. Bu yazıda kara deliklerin doğası üzerine 100 yılı aşkın süredir yapılan çalışmaların kısa bir özetini ve Nobel’e uzanan o uzun yolu bulacaksınız.
Bugün adına kara delik dediğimiz bu garip cisimlerin olabileceğini söyleyen ilk kişiler 18. yüzyılda yaşamış John Michell ve Pierre-Simon Laplace’dı. Başka bir yazımda kara deliklerin ne olduğundan bahsetmiştim. Yazının geri kalanını okumadan önce o yazıyı okumanızı tavsiye ederim. Yazım şurada.
Eğer kara deliğe düşersek ne olur diye merak ediyorsanız işte hazırladığım ve başka bir yerde bulamayacağınız özel video.
Hikayemize evrene bakış açımızı değiştiren genel görelilik teorisinin ortaya atıldığı tarihten başlayalım. Sene 1915. Birinci Dünya Savaşı sürekli açılan yeni cephelerle devam ediyordu. O cephelerden birinde bir fizikçi vardı. Alman fizikçi Karl Schwarzschild. Schwarzschild rahatsızlanıp hastaneye kaldırıldı. Ancak bilimsel araştırmalarına devam ediyordu. Umuyorum günümüzün tembel öğrencileri Schwarzschild’ın bu çalışma azmini örnek alır. Toplumsal mesajı da verdikten sonra cephedeki Schwarzschild’a geri dönelim. Einstein genel görelilik makalesini aynı yıl yayımlamıştı. Makalenin Schwarzschild’in eline geçmesi uzun sürmedi. İki hafta makale üzerinde çalışan Schwarzschild sonunda çok ilginç bir bulguya ulaştı. Bir noktadan sonra ışığın bile kaçamadığı cisimler olmalıydı. Schwarzschild Einstein’ın alan denklemlerini çözerek küresel simetrik ve dönmeyen bir kütle etrafındaki bükülmüş uzayzaman örtüsünü tanımladı. Hayat bazen (aslında çoğu zaman) çok acımasızdır. Schwarzschild çözümü bulduktan yaklaşık 4 ay sonra hastalıktan öldü. Ancak onun tanımladığı Schwarzschild Yarıçapı kara delikleri anlayabilmek için bugün hâlâ kullanılıyor. Kara deliklerde olay ufku dediğimiz dönüşü olmayan bir ‘kabuk’ (kara delikleri üç-boyutlu olarak hayal edin) bulunuyordu.
1930’lara gelindiğinde radyo astronomi gelişmeye başlamıştı. Galaksimizin derinliklerinden gelen radyo sinyallerinin belirlenmesi çok uzun sürmedi. Farklı dalga boylarına özgü teleskoplar ve ölçüm cihazları yapmaya devam eden insanoğlu önce içinde bulunduğu galaksiyi, daha sonra ise trilyonlarca başka galaksiye ev sahipliği yapan evreni daha iyi anlamaya devam ediyordu. Acaba o güçlü radyo sinyallerinin kaynağı ne olabilirdi? Bu uzunca bir süre soru işareti olarak kalacaktı. Ancak o gün hiç kimse bu kaynakların bazılarının galaksi dışından geldiğini düşünmüyordu.
1950’lerin sonunda, bizden 730 milyon ışık yılı ötede (1 ışık yılı yaklaşık 10 trilyon km’ye eşittir!) ve galaksimizin toplam ışınım gücünden 1000 kat daha fazla ışınım gücüne sahip bir kuazar keşfedildi. Kuazarlar önceleri galaksi merkezlerinde konumlanmış bir çeşit dev yıldız zannedilse de bazı galaksilerin merkezlerinde görülen bu tarz ekstrem kompakt objeler bugün Aktif Galaksi Çekirdekleri (AGN) olarak sınıflandırılmaktadır. AGN içeren galaksi merkezleri süper kütleli kara deliklerin baskın olduğu galaksi merkezleridir. Bizim galaksimiz AGN içermiyor. Yani ekstrem bir kara deliğe sahip değil. Bunu da anlayabilmek için 50 yıl beklemek gerekecekti.
1965 yılında Roger Penrose yeterince yoğun herhangi bir cismin genel göreliliğin önerdiği şekilde kara delik oluşturabileceğini gösterdi. O güne kadar yapılan hesaplar küresel simetrik bir maddenin içe çökmesini dikkate alırken Penrose küresel simetrinin olmadığı durumlarda ne olacağını araştırdı ve matematiksel fizikçi olarak ‘hapsedilmiş yüzey’ (trapped surface) adı verilen bir çözüm önerdi. Penrose bunu yapabilmek için yeni matematiksel metotlar icat etmek zorunda kalmıştı. Küresel simetrik bir kara delik için Shwarzschild yarıçapından daha küçük herhangi bir yüzey hapsedilmiş yüzey oluyor. Hapsedilmiş yüzeyin kara deliğin küresel simetrik olup olmamasına bağlı olmadığı anlaşıldı. Penrose, bir kez hapsedilmiş yüzey oluştuğunda merkezdeki tekilliğin oluşmasının kaçınılmaz olduğu sonucuna vardı.
Penrose’un 1965 tarihli makalesindeki kara delik çizimine dikkat ederseniz hapsedilmiş yüzeyi geçtiğiniz anda, kara deliğin merkezini işaret eden radyal doğrultu artık zaman oluyor. Yani artık mekanın bir anlamı yok. Artık anlam ifade eden tek şey zaman! Ve merkezdeki tekillikte zaman da sonlanıyor. Kara deliğin olay ufkundan geçen bir cismin neden geri dönemeyeceğini (veya neden dönmesinin inanılmaz derecede zor olacağını) Penrose şöyle açıklıyordu: Hapsedilmiş yüzeyden içeri girildiğinde radyal eksen artık zamandır (Yıldızlararası filminde dev kara deliğe giren Cooper’ı hatırlayın! Zamanla nasıl da oynuyordu!).