İki solucan deliği çarpışınca ne olur? İlk 3B simülasyon küçülen bir kara delik buldu

Çalışmanın önemi, solucan deliklerinin var olduğunu kanıtlaması değil; böyle bir şey var olsaydı gökyüzünde nasıl bir iz bırakacağını ilk kez ayrıntılı biçimde hesaplaması. Kara delik çarpışmalarını bugün yerçekimi dalgası dedektörleriyle duyabiliyoruz. Solucan delikleri de çarpışsaydı, onların sesi kara deliklerinkinden ayırt edilebilir miydi?

Hangi solucan deliği?

Popüler kültürde en çok anılan tür, Einstein ve Nathan Rosen'in 1935'te tarif ettiği "Einstein-Rosen köprüsü"dür. Ancak bu köprü içinden geçilebilecek kadar uzun süre açık kalmaz; bir şey içeri girmeye vakit bulamadan kapanır. Araştırmacılar bu yüzden başka bir modeli seçti: 1973'te Amerikalı fizikçi Homer Ellis ile Rus fizikçi Kirill Bronnikov'un birbirinden bağımsız bulduğu Ellis-Bronnikov solucan deliği. Ellis buna "drainhole", yani lavabo deliği adını vermişti.

Bu modelde iki ayrı uzay bölgesini bağlayan dar bir boğaz vardır. Boğazı açık tutan şey, "hayalet" ya da "fantom" skaler alan denen varsayımsal bir alandır. Bildiğimiz madde ve enerji, kütle çekimiyle her şeyi bir araya toplar; boğaz da bu yüzden kendi üstüne çöker. Fantom alan ise negatif enerji taşıyarak bu çöküşe karşı koyar. Böyle bir alanın doğada bulunduğuna dair hiçbir gözlem yok. Fizikçiler onu, "bir solucan deliğini açık tutmak için neye ihtiyaç olurdu?" sorusunun matematiksel cevabı olarak kullanıyor.

Bu yapının bilinen bir zaafı da var: kararsızdır. En küçük sarsıntıda boğaz ya çöküp kara deliğe dönüşür ya da hızla şişerek genişler. Bu kararsızlık 2000'lerin başından beri farklı ekiplerin simülasyonlarında defalarca gösterildi; ama hep tek bir solucan deliği için.

Simülasyonda ne yapıldı?

Ekip, kara delik çarpışmalarını modellemek için geliştirilen açık kaynaklı GRChombo kodunun grafik işlemcilerde çalışan sürümü GRTeclyn'i kullandı. Bilgisayara iki solucan deliği yerleştirildi ve farklı başlangıç koşullarında ne olacağı izlendi: kafa kafaya yaklaşma, yandan hızla geçip gitme ve bir miktar yörünge hareketiyle birbirine düşme.

İlk kontrol tek bir solucan deliğiyle yapıldı. Simülasyonda ölçülen bozulma hızı, kuramın önceden hesapladığı değerle yüzde 1,9 içinde örtüştü. Bu, kodun güvenilir çalıştığını gösteren bir sağlama işi gördü.

Ardından ilginç bir ayrıntı çıktı. Her solucan deliğinin boğazı, fantom alandan kaynaklanan bir tür "skaler yük" taşıyor. Zıt işaretli yüklere sahip iki solucan deliği birbirini çekerken, aynı işaretliler itiyor. Kurama göre çekimin itmeye oranı tam 3/2 olmalıydı; simülasyon 1,462 ± 0,022 buldu. Yazarlar aradaki küçük farkı, solucan deliklerinin nokta gibi değil belli bir genişliği olan cisimler gibi etkileşmesine bağlıyor.

Çarpışma: ortak ufuk ve küçülen kara delik

İki solucan deliği kafa kafaya çarpıştığında, ikisini birden içine alan ortak bir görünür ufuk oluştu. Görünür ufuk, ışığın bile dışarı kaçamadığı bölgenin o anki sınırı; kara deliğin "olay ufku"nun simülasyonda ölçülebilen karşılığı. Kısacası çarpışma bir kara delik doğurdu. Yazarlara göre ufuk baştan ortak doğuyor: hiçbir an solucan deliklerinden yalnız birinin etrafında kapanmıyor.

Asıl tuhaflık bundan sonra geldi. Ufkun alanı simülasyon süresince yaklaşık yüzde 28 küçüldü. Bu, Stephen Hawking'in 1971'de ortaya koyduğu kara delik alan teoremine aykırı görünüyor. Teoreme göre bir kara deliğin ufuk alanı zamanla asla azalmaz; iki kara delik birleştiğinde ortaya çıkanın alanı, ikisinin toplamından küçük olamaz.

Ama burada bir çelişki yok. Hawking'in teoremi, enerjinin her yerde pozitif olduğunu varsayan bir koşula (fizikçilerin "boş enerji koşulu" dediği şeye) dayanıyor. Fantom alan tam da bu koşulu çiğniyor. Kara delik negatif enerjili alanı yuttukça kütlesi ve ufku küçülüyor. Yani sonuç, teoremi çürütmekten çok, teoremin dayandığı varsayım kalktığında ne olduğunu gösteriyor.

Simülasyon görüntüleri araştırmanın ek dosyaları arasında yer alıyor. First Interstellar Institute adlı YouTube kanalının yayımladığı aşağıdaki videoda, iki solucan deliğinin kafa kafaya çarpışıp kara deliğe dönüşmesi izlenebiliyor.

Yandan geçişler: birleşme yok, ağızlar şişiyor

Solucan delikleri her zaman birleşmedi. Yeterince hızlı ve yandan yaklaştıklarında birbirlerinin yanından geçip gittiler. Bu durumda ortak ufuk oluşmadı, iki solucan deliği de bozulmadan yoluna devam etti. Ancak yakın geçiş sırasında hem yerçekimi dalgası hem de fantom alana ait dalgalar yaydılar ve ağızları belirgin biçimde şişti.

Kara deliklerden farklı bir ses

İki kara delik birbirinin etrafında dönerek yaklaşırken, yaydıkları yerçekimi dalgalarının hem şiddeti hem frekansı giderek artar. LIGO dedektörlerinin 2015'ten beri kaydettiği bu sinyale, ses kaydına çevrildiğinde kuş cıvıltısını andırdığı için "chirp" (cıvıltı) deniyor.

Solucan deliği çiftlerinde ise böyle bir sarmal yaklaşma evresi yok. Yazarlar bunu üç nedene bağlıyor: tek bir solucan deliği kararsız olduğu için uzun süre yaşamıyor; her karşılaşmada yayılan fantom dalgası, yerçekimi dalgasıyla benzer büyüklükte ama ters işaretli enerji taşıyor; ve bu negatif enerji, yörüngeyi daraltacağı yerde ona enerji pompalıyor. Sonuçta bu çiftler ya ilk karşılaştıkları anda çarpışıyor ya da ayrılıp gidiyor.

Dolayısıyla solucan deliği karşılaşmaları, uzun bir cıvıltı yerine kısa ve keskin patlama biçimli sinyaller üretiyor. Ayırt edici iz, son çınlama evresinden önce geliyor: kara delik çiftinde frekans yükselirken, solucan deliği sinyalinde düşüyor ya da kayıyor. Ancak işin zor yanı da burada. Yazarların hesabına göre kara delik sinyali için hazırlanmış şablonlar, bu patlamalarla yüzde 89 ile yüzde 99,5 arasında uyum gösterebiliyor. Yani gerçek bir dedektör verisinde böyle bir olay, sıradan bir kara delik birleşmesi sanılabilir.

Bulgunun sınırları

Çalışmanın kendi yazarları da sınırları açıkça belirtiyor. Birincisi, evrende iki Ellis-Bronnikov solucan deliğini bir araya getirecek bilinen bir astrofiziksel süreç yok. İkincisi, böyle nesneler evrenin ilk anlarında doğmuş olsa bile, kararsız oldukları için bugünkü LIGO ya da gelecekteki LISA gibi dedektörlerin duyabileceği kadar yakın zamanda var olmalarını sağlayacak bilinen bir mekanizma bulunmuyor.

Üçüncüsü, model tamamen klasik fizikle kurulmuş. Negatif enerjili "hayalet" alanların kuantum düzeyinde boşluğu kararsız kılması bilinen bir sorun ve simülasyon bunu hesaba katmıyor. Son olarak makale henüz hakem süzgecinden geçmemiş bir ön baskı.

Sırada ne var?

Yazarlar, farklı skaler alan modelleriyle, daha yüksek boyutlu senaryolarla ve daha geniş başlangıç koşulu yelpazesiyle yeni simülasyonlar öneriyor. Çalışmanın kodu ve verileri herkese açık paylaşıldı; bu da başka ekiplerin sonuçları bağımsız olarak sınamasına imkân veriyor.

Belki de en somut katkı şu: yerçekimi dalgası astronomları artık, "kara delik" etiketiyle kaydettikleri kısa ve tuhaf bir sinyalin başka bir şey olup olmadığını sorarken bakabilecekleri bir referansa sahip. Solucan delikleri hâlâ yalnız denklemlerde yaşıyor; ama denklemler artık onların nasıl ses çıkaracağını da söylüyor.

Fotoğraf: Les Bossinas (Cortez III Service Corp.), Public domain, Wikimedia Commons