1.Dünya Ay’ı çekiyorsa, Ay neden bize yaklaşmıyor?

Üzerine hiç bir kuvvet uygulanmayan cisimler düz bir doğru boyunca sabit hızla hareket eder. Eğer Dünya Ay’ı kendine doğru çekmeseydi, o zaman Ay da bir doğru boyunca hareket eder ve Dünya’dan tamamen uzaklaşırdı.

Ay’ın Dünya çevresinde bir yörünge izlemesinin tek nedeni bu çekim kuvveti. Kuvvet, Ay’ın hareket yönünün sürekli değişmesine, bu yönün Dünya’ya doğru çevrilmesine neden oluyor. Bundan dolayı da Ay, bizden neredeyse aynı uzaklıkta kalmaya devam ediyor.

Newton’un kütleçekim yasası ve hareket yasalarına göre, sadece Dünya’nın çekim etkisi altında hareket eden bütün cisimler elips şeklinde bir yörünge izler. Ay da, neredeyse daireye benzeyen, basıklığı çok az olan eliptik bir yörüngede hareket ediyor.

Aynı nedenden dolayı, sürtünmenin etkileri ihmal edildiğinde yeryüzünde havaya fırlatılan herhangi bir cisim de eliptik bir yörünge izler. Bir elmayı yana doğru fırlattığımızda, aslında elma böyle bir elipsin çok küçük bir kısmı üzerinde hareket ediyor.

Dolayısıyla, Newton’un da zamanında üzerinde durduğu gibi, elma ve Ay aslında aynı hareketi yapıyor. Bu iki hareket arasındaki tek fark, elmanın eninde sonunda yere çarpması.

Ama Ay, yeryüzünden çok yüksekte ve Dünya da yuvarlak. Bu nedenle Ay hiçbir zaman yere çarpmıyor. Böylece düşme hareketini, yani elmanın yaptığı hareketi sonsuza kadar devam ettiriyor.

2. Hawking ışıması nedir?

1974 yılında İngiliz fizikçi Stephen Hawking, bazı kuantum etkilerini dikkate alarak yaptığı kuramsal çalışmaya dayanarak bütün karadeliklerin ışıma yapması gerektiği sonucunu çıkarmıştı.

Kuantum kuramıyla kütleçekiminin, yani genel göreliliğin bağdaştırılması bugün çok büyük bir kuramsal problem olarak görülüyor. Yani, hem kuantum etkilerini hem de genel göreliliği içeren daha kapsamlı bir kurama ihtiyaç var. Fakat henüz ortada tam bir kuram yok. Hawking’in çalışması da bu alanda. Dolayısıyla böyle kapsamlı bir kuramın olası bir sonucu olarak Hawking ışıması kuramcılar için oldukça önemli. Buna karşın, bazı bilim insanları, kapsamlı bir kuramın yokluğunda Hawking’in yaptığı hesaba temkinli yaklaşılması gerektiğini söylüyor.

Kuantum kuramına göre uzaydaki boşluk, hiç de boş değil. Bomboş uzayda bile karmaşık süreçler yaşanıyor. Parçacık ve karşıt parçacık çiftleri kendiliğinden beliriyor. Daha sonra bunlar çok kısa bir süre içinde yeniden birleşerek yok oluyor. Boşluk böyle yaratılma ve yok olma olaylarının sürekli yaşandığı dinamik bir ortam.

Bu şekilde ortaya çıkan parçacık çiftlerinden birisi mutlaka negatif enerjiye, diğeri de pozitif enerjiye sahip olmalı. Burada, negatif enerji ifadesi, parçacığın olası en küçük enerjiden, sıfır enerjiden de daha düşük bir enerjiye sahip olduğunu belirtiyor. Böyle parçacıklar gerçekte var olamazlar ve uzayda serbestçe hareket edemezler. Fakat, kuantum kuramı sadece çok kısa bir süre için, bir parçacığın bu derece düşük enerjilere sahip olmasına izin veriyor. Böyle bir parçacık kısa zamanda karşıt parçacığıyla birleşerek yok olmak zorunda. Sürekli devam eden ortaya çıkma ve bunu takip eden yok olmalar nedeniyle, biz bu parçacıkların varlığını tespit edemiyoruz ve uzayı boşmuş gibi görüyoruz.

Parçacık ve karşıt parçacık çiftleri sadece kısa bir süre için ortaya çıkıyor, ama zamanın göreliliğinden dolayı bu süre kimilerine göre uzun gelebilir. Özellikle, bir karadeliğin olay ufkunun yanı başındaki saatler oldukça yavaşladığı için burada çok kısa bir süreliğine meydana çıkan parçacıklar, uzaktaki gözlemcilere göre çok daha uzun yaşar.

Fakat bundan da önemlisi, olay ufku çok yakında olduğu için, bu parçacıklardan biri ufuktan içeriye girebilir. Eğer ufku geçen pozitif enerjili parçacıksa, o zaman negatif enerjili diğer parçacık dışarıda serbestçe dolaşamaz; zorunlu olarak o da ufku geçer ve yok oluş süreci içeride yaşanır.

Ama eğer, bu çiftlerden negatif enerjiye sahip olanı olay ufkunu geçerek içeriye girerse, o zaman bu parçacıktan artık bir daha haber alınamayacağı için, bir yeniden yok oluş sürecinin gerekliliği de ortadan kalkar. Bu durumda, pozitif enerjiye sahip diğer parçacık karadelikten uzaklaşarak Hawking ışımasını oluşturuyor. Elbette, kütleçekimsel kızıla kayma nedeniyle, parçacık karadelikten tamamen kurtulduğunda enerjisi de oldukça düşüyor.

Bu ışıma çoğunlukla düşük frekanslı ışık ve nötrino yayınından oluşuyor. Elektron gibi büyük kütleli parçacıkların olay ufkunda ortaya çıkması, ortaya çıksa bile karadelikten tamamen kaçması olasılığı oldukça düşük.

Işıma bir “siyah cisim” ışıması karakterine sahip. Üzerine düşen bütün ışığı soğuran cisimlere siyah cisim deniyor. Sabit bir sıcaklığa sahip bütün siyah cisimler, o sıcaklığa özgü belli bir ışıma yapar. Örneğin, köz haline gelmiş kömür böyle bir ışımanın iyi bir örneği. Karadelikler de, tıpkı böyle bir siyah cisim gibi, belli bir sıcaklığa sahip ve bu sıcaklığa özgü ışık yayıyor.

Fakat, karadeliklerin sahip olduğu söz konusu sıcaklık son derece düşük. Örneğin, Güneş kütlesinde bir karadeliğin sıcaklığı, mutlak sıfır noktasının ancak derecenin 17 milyonda biri kadar üstünde. Böyle bir durumda karadeliğin yaptığı ışıma da radyo frekanslarında ve ölçülemeyecek kadar zayıf. Üstelik, karadelik büyüdükçe bu sıcaklık ve dolayısıyla yapılan ışıma miktarı da düşüyor.

Hawking ışımasında ufuktan içeri giren negatif enerjili parçacık, karadeliğin toplam enerjisinin azalmasına neden oluyor. Bu mekanizmayla kaybedilen enerji de, dışarıda kalıp karadelikten kurtulmayı başaran pozitif enerjili diğer parçacık tarafından delikten uzaklaştırılıyor. Kütleyle enerjinin eşdeğerliğinden dolayı bu, ışıma yaptıkça karadeliğin toplam kütlesinin azalması demek. Sonuç olarak da olay ufku geriliyor ve delik küçülüyor.

Dışarıdan enerji soğurmayan kendi halinde bir karadeliğin, bu ışımayla bütün enerjisini kaybetmesi ve bir gün tamamen ortadan kaybolması gerekiyor. Fakat, yıldızların çökmesi sonucu oluşan karadeliklerin yaptığı ışıma miktarı o kadar az ki, tamamen buharlaşıp yok olmaları için gereken süre oldukça uzun. Hatta bu süre evrenin bugünkü yaşıyla kıyaslanamayacak kadar büyük. Buna ek olarak, böyle karadelikler diğer yıldızlardan gelen ışığı, hatta kozmik mikrodalga ışınımını soğurarak, kaybettiklerinden daha fazla kütle kazanıyor.

Nasıl daha büyük karadelikler daha az ışıma yapıyorsa, daha küçük olanları da daha fazla ışıma yapar. Kütlesi 1 kg kadar olan bir karadeliğin yaptığı ışıma o kadar fazla ki, tüm enerjisini saniyenin katrilyonda birinden de kısa bir sürede kaybederek yok oluyor. Böyle bir karadeliğin yanında olmak istemezsiniz, çünkü artık patlama dememiz gereken bu ışıma büyük bir nükleer bombanınkine eşdeğer bir yıkıma yol açar. Mini karadelik olarak adlandırılan bu kadar küçük karadeliklerin yıldız çökmesi sonucu oluşamayacakları açık. Fakat, evrenimizin doğduğu büyük patlama sırasında, yoğunluk ve bundaki oynamalar çok yüksekti. Bazı kuramlar, bu koşullar altında mini karadeliklerin oluşmuş olabileceğini söylüyor ama henüz kesin bir şey yok.

3. Eğer elektron, kuark gibi temel parçacılar noktasal ise, bunlar neden karadelik olmuyor?

Bu parçacıkların genellikle noktasal olduğu düşünüyoruz. Ama bu, bugünkü bilgilerimize dayanarak oluşturduğumuz bir model. Bu parçacıkların nasıl oldukları konusunda üzerinde görüş birliği olan herhangi bir kuram henüz yok. Üstelik, bugün üzerinde çalışılan sicim kuramında bu parçacıklar bir nokta gibi değil de, çok kısa bir sicim olarak modelleniyor.

Noktasal, sicim gibi ya da başka bir şekilde olsalar bile, bu temel parçacıkların neden karadelik olmadığının doyurucu bir açıklaması kuantum ve genel görelilik kuramlarını bağdaştıran kapsamlı bir kuram öne sürüldüğünde verilebilir. Dolayısıyla, şu anda bu soruyu cevaplayabilecek durumda değiliz.

Ama Hawking ışıması olası bir cevaba ışık tutabilir. Bu ışımanın bir özelliği, daha küçük karadeliklerin daha sıcak olup, daha fazla ışıma yapması. Örneğin, 1 kilogramlık bir karadelik, çok yüksek enerjili parçacıklar yayarak saniyenin katrilyonda birinden de kısa bir sürede tamamen buharlaşır. Kütle Planck ölçeğindeyse, yani gramın 50 binde biri kadarsa, o zaman sıcaklık o kadar yükselir ki, ışıma sırasında açığa çıkan parçacıkların ortalama enerjisi, karadeliğin toplam enerjisine eşit olur. Dolayısıyla, bundan daha küçük bir karadeliğin, sahip olduğundan daha yüksek miktarda enerjiyi ışımayla yayması gerekir. Bu da imkansız. Bu nedenle bilim insanları, olası en küçük karadeliğin ancak Planck kütlesinde olabileceğini ve oluşur oluşmaz anında buharlaşacağını düşünüyor.

Buna karşın, mikro karadelik denen daha da küçük karadeliklerin var olabileceğini öngören kuramlar da var. Fakat bu kuramların çoğu, uzayın çok sayıda boyutu olması gibi henüz hiçbir deneysel desteği olmayan çeşitli varsayımlara dayanıyor. Bu nedenle, bu türden kuramların daha da olgunlaşıp, deneysel olarak sınanabilir düzeye gelmesini beklemeliyiz. O zamana kadar da elektron gibi temel parçacıkların karadelik olup olmaması sorusunu doyurucu bir şekilde açıklamak mümkün değil.

4. Büyük patlama anındaki sonsuz yoğunluk nedeniyle tüm evrenin bir karadelik olması gerekmez miydi?

Eğer bir cismin tüm kütlesi, o kütleye bağlı belli bir yarıçapı olan bir kürenin içine sıkışmışsa, o zaman cismin bir karadelik olduğunu söylüyoruz. Schwarzchild yarıçapı denen bu mesafe Güneş kütlesi için 3 km kadar ve kütleyle doğru orantılı. Bir cismin karadeliğe dönüşmesi koşulu için çoğunlukla kullandığımız kriter bu.

Dolayısıyla, sadece bu kritere dayanarak, evrenimizi başlatan büyük patlama anındaki sonsuz yoğunluk durumunda tüm evrenin bir karadelik olduğunu söylememiz gerekirdi. İlk anı takip eden, yoğunluğun hala çok yüksek olduğu anlarda da aynı sonuç söz konusu. Burada yanlış olan şey yukarıda verdiğimiz kriter. Bu koşullarda artık kriterimiz geçerliliğini yitiriyor.

Yukarıda verdiğimiz kriter, sadece yıldızlar gibi maddenin görece durağan ve uzay-zamanın da görece sabit olduğu durumlarda geçerli. Büyük patlama anında, evreni dolduran her şeyle beraber uzay-zaman da hızla genişlemekteydi. Bu koşullarda, karadeliklerin ne zaman oluştuğunu ve olay ufkunun nerede olduğunu belirlemek için bu genişlemeyi de dikkate almak gerekiyor.

Evrenin içinde yer aldığı uzayın genişlemesi bugün de devam ediyor. Biz bunu çoğunlukla Hubble yasası olarak biliyoruz. Yani, farklı galaksi grupları, aralarındaki uzaklıkla doğru orantılı bir hızla birbirinden uzaklaşmakta. Aslında burada tam olarak olan şey, bu galaksilerin içinde yer aldığı boşluğun zamanla genişlemesi. Bu nedenle, evrenbilimciler bu genişlemeyi incelerken, doğal olarak genel görelilik kuramını uyguluyor. Kurama göre de, uzaydaki genişlemeden dolayı büyük patlama anında veya daha sonra evrenin bir karadelik olması söz konusu değil.

5. Beyaz delik nedir?

Klasik kütleçekim yasasının özelliklerinden birisi, zaman tersinmesi simetrisine sahip olması. Bunun anlamı şu: Kütleçekim etkisi altında hareket eden çok sayıda cismin oluşturduğu bir sistemin filmini çekelim. Daha sonra da filmi tersten oynatalım. Oynayan filme baktığımızda, cisimlerin yapıyor göründüğü bütün hareketlerin de kütleçekim yasasıyla uyumlu olduğunu görürüz.

Örneğin, Dünya’nın çevresinde dönmekte olan Ay’ı aniden durdursak ve tam ters yönde aynı miktarda hız versek, bu durumda da Ay’ın aynı yörüngeyi ters yönde izlediğini görürüz.

Benzer şekilde, yeryüzünde düşen bir cismin hareketini filme alır ve filmi tersten oynatırsak, yine doğa yasalarına uygun bir hareket gözleriz.

Genel görelilik kuramındaki denklemler de aynı simetriye sahip. Dolayısıyla, genel görelilikten elde edilen çözümlerden birisini alıp, zamanı tersine çevirirsek, yine kuramla uyumlu bir çözüm elde ederiz.

Karadelikler, genel görelilik kuramından elde edilen çözümlerden biri. Eğer, karadelik çözümlerini alıp, zamanı tersine çevirirsek, yine kuramla uyumlu “beyaz delik” olarak adlandırılan çözümler elde ederiz. Beyaz deliklerin tüm özellikleri, karadeliklerin benzer özelliklerinden zamanı ters çevirmek suretiyle elde edilebilir.

Tıpkı karadelikler gibi, beyaz deliklerin de olay ufukları var. Bu olay ufkunun içinde de zaman ile uzayın bir koordinatı yer değiştirmiş durumda. Yalnız bu defa, beyaz deliklerde gelecek merkezden ufka doğru. Dolayısıyla, olay ufkunun içindeki herhangi bir şey, mecburen dışarı çıkmak zorunda. Yani karadelikler yutuyor, ama beyaz delikler dışarıya atıyor.

Beyaz deliklerin bu özelliklerinden dolayı, dışarıdaki hiçbir şey içeriye giremez. Yani burada da ufuk tek bir yönde geçilebilir; ama bu defa sadece içeriden dışarıya doğru.

Fakat beyaz delikleri karşıt yerçekimi gibi düşünmek yanlış. Beyaz delikler de, olay ufkunun dışındaki cisimleri kendine doğru çeker. Nasıl karadeliklerin çevresinde yörüngede dolanan gökcisimlerinin bulunması mümkünse, beyaz delikler için de aynı şey mümkün. Örneğin karadeliklerde, ışığın dairesel bir yörünge boyunca delik çevresinde dolanması mümkün. O halde, ışık beyaz deliklerin de çevresinde uygun bir yörüngede dolanabilir.

Beyaz delikler kuramsal olarak ilginç cisimler. Ama gerçekte var olma olasılıkları çok düşük. Bunu da yine zaman tersinmesine başvurarak görebiliriz. Nasıl karadelikleri yok etmek mümkün değilse, beyaz delikleri de yaratmak mümkün değil.

Beyaz deliğe doğru düşen bir cisim hiçbir zaman olay ufkuna ulaşıp bu ufku geçemez. Burada da, tıpkı karadeliklerde olduğu gibi zaman genleşmesinin garip etkisini görüyoruz. Çok uzaktaki bir gözlemciye göre, düşen cismin ufka ulaşması sonsuz zaman alır. Fakat, düşen cismin üzerindeki bir saate göre bu sonlu bir süre.

Buna karşın nasıl karadelikler yaratılabilirse, beyaz delikler de yok olabilir. Bu nedenle, çok uzaktaki bir gözlemci, düşen cismin ufka ulaşması için sonsuz süre geçtiğini, ama bundan önce beyaz deliğin yok olduğunu görür. Aynı sonuç düşen cisimdeki gözlemci için de geçerli; ama bu defa beyaz deliğin ortadan kaybolması bu gözlemciye göre çok kısa sürer.

Beyaz delikler ayrıca kurt deliği denen, uzayın iki farklı yerini birleştiren kısa yollarda da ortaya çıkıyor. Genel görelilik kuramı, ilkesel olarak kurt deliklerinin varlığına izin veriyor. Ama, bu deliklerin kararsız olması, oluşur oluşmaz hemen yok olma eğiliminde olmaları gibi sorunlar var. Bazı tür kurt deliklerinin bir ucu karadelik, diğer ucu da beyaz delik gibi davranıyor. Dolayısıyla, karadelik tarafından giren madde, kısa bir sürede beyaz delik olan diğer uçtan çıkıyor. Kurt delikleri, uzayın birbirinden çok uzakta olan yerlerini kısa bir yolla birleştirmesi söz konusu. Bu nedenle, uzun bir mesafeyi çok kısa sürede kat etme olanağı sunuyorlar.