Einstein'ın denklemlerinde yerçekimsel yeniden bağlanma olasılığı ortaya çıktı

Albert Einstein'ın yerçekimi kuramını geliştirmesinin üzerinden yüzyılı aşkın zaman geçti. Yine de denklemleri hâlâ yeni sürprizler barındırıyor. Fizikçiler, yerçekimi alanlarının altında yatan yapıların kopup yeniden bağlanabileceğini, bu sırada da enerjinin yerçekiminden maddeye akabileceğini öne süren kuramsal bir olasılık buldu. Araştırmacılar bu sürece "yerçekimsel yeniden bağlanma" adını veriyor.

Güneş'in patlamalarına şaşırtıcı benzerlik

Çalışma, Columbia Üniversitesi Astronomi ve Fizik bölümlerinde ve Columbia Astrofizik Laboratuvarı'nda görevli araştırmacı Luca Comisso ile Şili'deki Universidad Adolfo Ibáñez'den Felipe A. Asenjo'ya ait. İkili, Einstein'ın denklemlerine alışılmışın dışında bir matematiksel açıdan bakınca yerçekimi ile plazmaların, yani elektrik yüklü gazların davranışı arasında dikkat çekici bir benzerlik fark etti.

Benzetmenin dayanağı manyetik yeniden bağlanma olayı. Mıknatısın çevresinde demir tozlarının oluşturduğu desenler ya da Güneş yüzeyinin üzerinde yükselen devasa manyetik halkalar, manyetik alanı eğri çizgilerle gösterir. Yüklü parçacıklardan oluşan plazmada bu alan çizgileri çekilebilir, bükülebilir ve gerilebilir. Belirli koşullarda bağlantıları ani biçimde değişir ve depolanmış manyetik enerji çevredeki parçacıklara aktarılır. Güneş patlamalarını besleyen bu mekanizma, evrendeki en önemli enerji boşalma yollarından biri sayılıyor.

Comisso olayı şöyle özetliyor: alan çizgileri belirli bir düzende kopup farklı bir düzende yeniden tutunuyor ve bu sırada enerji açığa çıkıyor. Ona göre süreç, manyetik alandan enerji alıp plazmadaki parçacıklara veriyor; sonuçta patlamalar ve yüksek enerjili olaylar ortaya çıkıyor.

Çizgiler yerine tabakalar

Yerçekimi için durum biraz daha karmaşık. Çünkü yerçekimi, üç uzay ve bir zaman boyutundan oluşan dört boyutlu uzay-zamanda işliyor. Bu da matematiksel yapısını sıradan bir manyetik alandan farklı kılıyor. Comisso'ya göre uzay-zaman üç değil dört boyutlu olduğu için yerçekiminde alan çizgileri yerine "tabakalar" söz konusu. Bir çizgiye bir boyut eklediğinizde düzlem elde ediyorsunuz; bunu birçok çizgiyi yan yana getirip bir tabaka oluşturmak gibi düşünebilirsiniz.

Burada önemli bir ayrıntı var: Bu tabakalar fiziksel yüzeyler değil, matematiksel temsiller. Yani uzayda gerçekten yırtılan bir perde yok. Yeniden bağlanma, yerçekimi alanının enerjiyi maddeye aktarabileceği bir yolu tarif ediyor. Manyetik alan çizgilerinin bağlantı değiştirmesi gibi, bu tabakalar da uygun koşullarda bağlantılarını yeniden düzenleyebiliyor.

Denklemlerdeki gizli kısıtlar

Sonuca ulaşmak için araştırmacılar, Einstein denklemlerinin olağan yazımında göze çarpmayan özelliklerini incelediler. Çalışma, daha önce uzay-zamanın nasıl bükülüp gerilebileceğine ve zamanla nasıl değişebileceğine dair tanınmamış kısıtlar ortaya koyan bir araştırmaya dayanıyor. Yeni makale "Reconnection of Gravitational Fields" başlığıyla American Physical Society'nin dergisi Physical Review D'de yayımlandı. Öncül çalışma ise Comisso, Asenjo ve Maricarmen A. Winkler imzasıyla Physical Review Letters'ta çıkmıştı.

Bu kısıtlar, uzay-zaman geometrisindeki hangi değişimlerin mümkün olduğunu belirliyor. Einstein kuramının içinde zaten bulunuyorlardı ancak bu biçimde fark edilmemişlerdi. Asenjo'nun sözleriyle, denklemlerin uzay-zamanın nasıl evrilebileceğine dair açık olmayan sınırlamalar içerdiği görülüyor; bu gizli özellikleri çözmek, yerçekimsel yeniden bağlanmanın temel kurallarını anlamanın ilk adımı. Son çalışmada ikili, bağlantıları normalde koruyan ideal koşullar bozulduğunda ne olacağını araştırdı.

Arka plan

Genel görelilik, yerçekimini bir kuvvetten çok kütle ve enerjinin uzay-zamanın geometrisini eğmesi olarak tanımlar. Denklemleri son derece doğrusal olmayan bir yapıya sahip olduğundan, kara delik çarpışması gibi uç durumlarda çözümler genellikle bilgisayar simülasyonlarına bırakılır. Ancak uzay-zamanın şiddetle çarpıldığı bölgelerde en güçlü simülasyonların çıktılarını yorumlamak bile zorlaşabilir.

Plazma fiziğinde ise manyetik yeniden bağlanma uzun süredir iyi bilinen bir konu. Güneş atmosferindeki patlamalardan Dünya'nın manyetik alanı çevresindeki olaylara kadar birçok olgunun açıklamasında yer alıyor. Bu kadar köklü bir kavramın yerçekimi diline uyarlanması, iki farklı fizik dalı arasında yeni bir köprü kurma potansiyeli taşıyor.

Neden önemli?

Araştırmacılar bu yaklaşımın, yerçekimi alanlarının davranışını yöneten temel kuralları ortaya çıkarmaya yardımcı olabileceğini düşünüyor. Özellikle kara deliklerin çarpışması gibi aşırı koşullarda yerçekiminin nasıl davrandığına dair yeni ipuçları sunabilir.

Yine de bu bulgunun kuramsal bir çerçeve olduğunu vurgulamak gerekiyor. Gözlemle doğrulanmış bir olaydan değil, denklemlerin matematiksel incelemesinden söz ediyoruz. Yerçekimsel yeniden bağlanmanın gerçek astrofiziksel sistemlerde nasıl ortaya çıkacağı ise bundan sonraki çalışmaların konusu olacak.