Kara Delikler

1783 yılında John Michell isimli hemen her konuya ilgi duyan ve acayip fikirler öne süren bir adam, zamanın meşhur bilim adamlarından Henry Cavendish'e bir mektup yazar. Mektubunda enteresan bir öngörüsünü paylaşır:

     

       " Eğer Güneşin 500 katı yoğunluğunda ve Güneşle aynı yarıçapa sahip bir küre üzerine bir cisim uzaydan düşecek olsaydı, yere çarpma hızı ışık hızından fazla olacaktı. Eğer ışığın da kütle tarafından çekildiğini var sayarsak, böylesine bir kütleden dışarı ışığın çıkması imkânsız olurdu. Çünkü böyle yoğun ve büyük bir kürenin kendi yer çekim kuvveti, ışığın çıkmasına engel olurdu. "

Bu satırlar bizim bugün kara delik olarak adlandırdığımız cisimlerin tarihteki ilk öngörüsü oldu. Çok uzun yıllar bu öngörü pek dikkate alınmadı, Çünkü kütlesiz olan ışığın yer çekiminden nasıl etkileneceğini kimse anlamıyor ve ihtimal vermiyordu.

20. yüzyılda bu görüş değişti. 1915'te Einstein genel izafiyet teorisini kurdu ve pek çok kıymetli fizikçinin katkılarıyla teori gelişti. Bugün gözlemsel verilerin de desteklediği gibi, ışık uzaydaki gök cisimlerinin kütlesinden etkileniyor ve büyük kütleli gök cisimlerinin yanından geçerken bükülmeye maruz kalıyor. Eğer kütle çekim kuvveti yeterince büyükse, ışığın o kütle tarafından yutulması da mümkün.

Kara delikler, aslında gençliklerini çok büyük ve parlak yıldızlar olarak geçirmiş ölü yıldızlardır. Yıldızlar, en başta çok büyük gaz ve toz bulutları olarak vardılar. Zamanla bu bulutu oluşturan maddenin kütle çekimi etkisiyle bir araya toplandığını ve sürtünme ile ısındığını biliyoruz. Sıkışan ve son derece yüksek hızlara kadar ısınan kütle içinde atomlar nükleer füzyon ile birleşmeye başlıyor. Bu da içeri doğru çöken kütlenin içeriden dışarı doğru bir ters basınç oluşturmasını sağlıyor. Nihayet bizim bildiğimiz anlamda yıldızlar ortaya çıkıyor. 

Yıldızlar içinde iki büyük etki var. Birincisi, yıldızı kendi merkezine doğru çökmeye zorlayan kütle çekim kuvveti. Diğeri de nükleer patlamalardan kaynaklanan ve yıldızın dışına doğru basınç uygulayan kuvvet. Bu iki etki bir yıldızın yaşamında milyonlarca yıl birbirlerini dengeler ve yıldızlara durağan bir görüntü verirler. 

Ancak, nükleer füzyona giren elementler bir gün tükenir. Önce Hidrojen Helyuma, sonra Helyum Karbon, Azot ve Oksijene vs. dönüşür. Bir noktada yıldızın içindeki ısı ve basınç bu dönüşümü sağlamaya yetmez. (Yüz milyonlarca derece sıcaklık bile büyük atom çekirdeklerini birleştirmek için yetersiz kalabilir). Nihayet yıldızın nükleer enerjisi biter ve geriye kütle çekim kuvveti kalır. Bu kuvvet yıldızı merkezine doğru çökertir.

Giderek sıkışan ve küçülen yıldız, eğer kütlesi çok büyükse belli bir aşamada kâinatta eşi benzeri olmayan korkunç bir patlama yaşar. Milyonlarca yıldızın parlaklığını tek başına bu patlama çıkarabilir. Sıcaklık yüz milyar dereceye kadar çıkar. Dile kolay, bu sıcaklık, güneşin merkezindeki sıcaklığın yaklaşık 10bin katı kadar yüksek bir sıcaklıktır. Süpernova adı verilen bu patlamanın yanında yıldız çekirdeklerinin sıcaklığı o kadar düşüktür ki, kaynayan demirin yanında dondurma gibi kalır.

Bildiğimiz anlamda ağır çekirdekler, radyoaktif elementler işte bu süpernova patlamaları esnasında yaratılır. Patlamadan geriye, dev yıldızın içine çökmüş çekirdeği kalır. Çekirdeğin kütlesi o kadar büyüktür ki, çökme devam eder. Koca Dünya'yı bir elma kadar küçülttüğünüzü düşünün. Süpernovadan arta kalan yıldız çekirdeği bundan daha yoğundur.

Yer çekimi, gök cisminin kütlesiyle doğru orantılı olmakla birlikte, kütle merkezine uzaklıkla ters orantılıdır. Bahsettiğimiz yıldız çekirdeğinin yüzeyi, merkezine çok yakındır, çünkü çökme devam etmekte ve hacim sürekli azalmaktadır. Bir noktadan sonra kütle çekimi o kadar fazla olur ki, çekirdeğin yüzeyinden ışık olsanız kaçamazsınız. Bu noktada bir kara delik etmiş oluyoruz. 

Kara deliğin yakınında yöresinde ne varsa, kütle çekimine kapılır ve bir daha ondan haber alınamaz. Çünkü kara delikten tek bir foton tanesi dahi kurtulamaz. Bu da, kara deliğin içinden bilgi edinilmesini imkânsız kılar. 

Kara delikler, ışığı da yuttukları için görünmezler. Bu yüzden isimleri karadır. Ancak, etraflarındaki toz bulutları, gezegenler, yıldızlar, ne varsa, yutulurken ışık hızına yakın hızlarda kara deliğe düşerler. Bu esnada aşırı ısınıp X ışınları yayarlar. Tıpkı ısınan metalin ak kor halinde ışıması gibi. İşte astronomlar kara delikleri böyle keşfediyorlar. 

Kara delikleri keşfetmenin bir yolu daha var. Uzayda kendi yörüngesinde gezinen bir kara delik, arka tarafında kalan yıldızların ve galaksilerin ışığını büker. Hatta tam önünden geçerken tüm ışığı yutar. Uzayda devasa bir mercek varmış gibi, yıldızların ve galaksilerin görüntüsünde bozulmalar olur. Bu sayede o doğrultuda bir kara deliğin varlığı bilinir. Işığın bükülme miktarına göre kara deliğin kütlesini öngörmek mümkündür. 

Kara delikler hemen her galaksinin merkezinde bulunur. Bir galaksi milyarlarca yıldızdan oluşur. Normalde bu yıldızlar kendi kütle çekimleriyle birbirlerini çekmeli ve merkezde çarpışmalıdırlar. Ancak tüm galaksiler kendi merkezleri etrafında dönerler. Samanyolu galaksimiz de yaklaşık 200 milyon yılda bir tur atar. Yıldızlar, galaksi dönerken merkez kaç kuvvetiyle dışa doğru savrulur ve kendi kütleleri sebebiyle galaksi merkezine doğru çökmekten kurtulurlar. Ancak, merkeze çok yakın pek çok yıldız ve madde, kütle çekim kuvvetine yenik düşerek merkeze çökerler. İşte bunların oluşturduğu dev kara delikler neredeyse tüm galaksilerin merkezinde vardır. Samanyolu galaksisinin merkezindeki kara delik Güneş'in yaklaşık 4 milyon 300 bin katı daha ağır.

Uzayda yıldızların çoğunluğu çift yıldız sistemleridir. Çift yıldız sistemi, birbirlerinin kütle çekimine kapılarak bağlanmış, birbirleri etrafında dönen yıldızlar demektir. Gökyüzüne baktığımızda biz bunları tek bir yıldız gibi görürüz çünkü yıldızların bize uzaklığı, onları birbirlerinden ayırmamıza engel olur. Tıpkı iki farı olan bir arabanın çok uzaktayken tek bir ışığa sahip görünmesi gibi. Bu yıldız çiftlerinden birisi zamanla kara deliğe dönüşürse, ve diğer yıldızdan kütle çalarak onu yutmaya başlarsa, daha önce bahsettiğimiz X ışınları yayar ve böylece kara delikleri gözlemlemek mümkün olur.

Bir kara delik, oluştuğu günden itibaren etrafındaki kütle ve enerjiyi yutarak büyür. Hatta öyle ki, etrafında madde namına hiçbir şey bulunmasa dahi, tüm uzayı dolduran ve uzayın sıcaklığının 2,7 Kelvin olmasını sağlayan (evet, boşluğun bile sıcaklığı vardır), kozmik fon ışınımı adı verilen enerjiyi yutarak büyümesine devam eder.

1974'te Hawking çok enteresan bir teori ortaya attı. Kuantum alan teorisini kara deliklerin sınırlarında uygulayarak, kara deliklerin zamanla erimesi gerektiğini öne sürdü. Kuantum alan teorisine göre, bizim boşluk olarak adlandırdığımız şey aslında sürekli yaratılıp yok olan parçacık çiftleriyle doludur. Bu parçacık çiftlerinin biri bildiğimiz anlamda madde, diğeri anti-maddedir. Anti madde ile madde yan yana gelince birbirlerini yok ederler. Eğer bu parçacık çifti kara deliğin sınırında yaratılırsa, anti-maddenin karadeliğe düşmesi, maddenin ise kurtulması olasıdır. Bu durumda anti-madde karadelik içindeki bir maddeyi yok edecektir. Yeteri kadar süre sonra kara delklerin yok olmasını bekleyebiliriz. Yutulmaktan kurtulan diğer parçacık ise dışarı doğru ışıma yapacaktır. Bu ışımaya Hawking radyasyonu deniyor. Bu ışımanın termal değeri de kara deliğin kütlesi ile ters orantılıdır.

Ancak yapılan hesaplamalarda evrendeki kara deliklerin Hawking radyasyonunun erime için yeterli düzeyde olmadığını gösterdi. Öyle ki, Hawking radyasyonu boşluğun sıcaklığı olan 2,7 Kelvinden çok daha düşüktür. Hawking radyasyonu  ile kütle kaybeden kara delik, boşluktan aldığı enerjiyle bu kaybını fazla fazla geri kazanıyor. Dolayısıyla henüz kütlesi azalan bir kara delik gözlemlenmedi.

Hawking radyasyonu ile erimesi beklenen bir kara deliğin kütlesi ancak Ay'ın kütlesi kadardır. Dolayısıyla eğer varsa, bu kadar küçük kara deliklerin zamanla yok olması beklenebilir. Hawking radyasyonunun etkisi, kara delik küçüldükçe daha da artacaktır. Dolayısıyla günümüz parçacık hızlandırıcılarda oluşması muhtemel mini kara delikler, oluşur oluşmaz buharlaşacaktır. Örneğin, CERN'de hadron çarpışmaları neticesinde oluşması umulan mikro kara deliklerin saniyenin katrilyon kere trilyonda birinde yok olacağı hesaplanmıştır. Geçen yıllarda CERN ve benzeri laboratuarlarda oluşacak bu mikro kara deliklerin Dünya'yı yutabileceğine dair spekülasyonlar yapılmıştı. Hawking radyasyonu bu ihtimali ortadan kaldırıyor.