Bir kara deliğin içinde ne olduğunu merak ettiyseniz, bu makale süreci ve Schwarzschild yarıçapını açıklayacaktır. Bu kavramları öğrendikten sonra şu soruyu cevaplayabileceksiniz: Bir kara deliğin içinde ne var? Temel bilgileri anladığınızda, kara delikler hakkında daha karmaşık sorulara geçmeye hazır olacaksınız. Bu makalede, Schwarzschild yarıçapını ve olay ufkunu tartışacağız.
Etkinlik
Süper kütleli bir kara deliğin içine düşerseniz ne olur? Her şeyden önce, uzay-zamanda tüm madde ve enerjiye kapalı bir genişlik olan olay ufkunun içinde sıkışıp kalırsınız. İçeri girdikten sonra, kara deliğin tüm iletişimleri kaybolduğu için, kara deliğin dışındaki kimseyle iletişim kurma şansınız olmaz. Bununla birlikte, düşüşten sağ çıktıysanız, harika bir macera yaşayacaksınız!
Bir kara delik, çok küçük bir alana sıkıştırılmış çok fazla kütlenin sonucudur. Bu noktada yerçekimi ve yoğunluk sonsuz ve uzay-zaman eğrileri süresiz hale gelir. Ortaya çıkan tekillik sonsuz derecede güçlüdür ve tüm fizik yasaları çöker. İçine düştüğünüzde ondan kaçamayacak olmanız şaşırtıcı değil. Ama bir kara deliğin içindeki olay nedir?
Kuantum güvenlik duvarı fikri oldukça tartışmalı ve kabul edilmekten çok uzak. Andrew Hamilton’ın sitesi, bir gözlemci onu geçerken ufkun nasıl değiştiğini açıklayan geleneksel kara delikler görüşüne iyi bir giriş sağlar. Daha fazlasını öğrenmek istiyorsanız, The Event Inside of a Blackhole adlı makalesini okumanızı tavsiye ederim.
Schwarzschild Yarıçapı
Karadeliğin Schwarzschild yarıçapı, bir kütle miktarının karakteristik yarıçapı olan temel bir fiziksel parametredir. Kara delikleri ve Einstein’ın alan denklemlerinin Schwarzschild çözümünü incelemek için kullanılan fiziksel bir parametredir. Herhangi bir kütle miktarının karakteristik yarıçapıdır. İşte Schwarzschild kara deliklerinin bir örneği ve karakteristik yarıçapı:
Bir karadeliğin Schwarzschild yarıçapı, olay ufku ile küresel olarak dağılmış kütlenin merkezi arasındaki mesafedir. Kütle ne kadar büyükse, Schwarzschild yarıçapı o kadar büyük olur. Schwarzschild yarıçapı ilk olarak Karl Schwarzschild tarafından 1916’da dönmeyen küresel bir yıldız için hesaplanmıştır. Klasik bir yaklaşım kullanılarak hesaplanabilir. Cismin kütlesi yeterince büyük olduğunda, Schwarzschild yarıçapı ışık hızına eşittir.
Bir cismin karadelik olabilmesi için, kütlenin hacme oranı olan kütle ve yoğunluğa sahip olması gerekir. Bu nedenle karadelik olması için belirli bir yarıçapa sıkıştırılması gerekir. Bu yarıçapa Schwarzschild yarıçapı denir. Güneş kütlesi olan bir karadelik yaklaşık 6 km genişliğinde olacaktır. Schwarzschild yarıçapına ulaşıldığında, nesne bir karadelik haline gelir.
1965’te Roy Kerr ve Peter W. Cohen dönen karadelikler için ilk ölçümü sundu. Çoğu kara deliğin Schwarzschild karadeliği olmasına rağmen, kütleleri Evrenin sınırlayıcı kütlesinden çok daha yüksektir. Bu metrik daha sonra 1965’te gökbilimciler tarafından keşfedildi. 1915’te Birinci Dünya Savaşı sırasında Alman ordusunda görev yaparken Einstein’ın denklemlerinin en basit küresel simetrik çözümünü keşfeden Karl Schwarzschild’di. Birkaç yıl sonra bir oto bağışıklık hastalığından öldü.
Schwarzschild Alanı
Einstein’ın kara delikler teorisi uzun zamandır tartışmalıdır. Einstein, kara deliklerin varlığını fiziksel varlıklar olarak asla tam olarak kabul etmese de, kara deliğin içinde bir Schwarzschild alanının varlığını varsaymıştı. Kara delik uzay-zamanda nötr bir bölgedir ve Schwarzschild alanları madde ve enerjinin etkileşiminin sonucudur. Einstein’ın şüpheciliğine rağmen, bu teori geniş çapta benimsenmiş ve birçok teorik modelde test edilmiştir.
Schwarzschild karadeliğinin merkezi bir noktadır ve alan parçacıklardan oluşur. Schwarzschild alanı içindeki atomlar ve moleküller, farklı gelgit kuvvetleriyle birbirine bağlanır. Bu nedenle, bir Karadelikteki bir atom diğeriyle çarpıştığında, birbirine sıkıştırıldığı söylenir. Bu farklı gelgit kuvveti, vücudun bölümlerini içe doğru yönlendiren şeydir.
Bir Karadeliğin içindeki Schwarzschild alanının yarıçapı, kütlesi ve hacmi ile orantılıdır. Sonuç olarak, bir kütlenin Schwarzschild yarıçapı, nesnenin fiziksel yarıçapına eşittir. Bir Karadeliğin olay ufku olarak adlandırılan Schwarzschild yarıçapı, Güneş için 2,95 km ve Dünya için 8,86 mm’dir. Bu fark, kara deliğin aşırı yoğunluğunu yansıtır.
Düşen bir parçacık periyodik olarak bir ışık parlaması bırakacaktır. Karadeliğe doğru düşmeye devam ederse, flaşlar arasındaki süre uzayacaktır. Bu durumda, iki olay arasındaki süre daha uzun olacak ve parçacık yavaşlamış gibi görünecektir. Fakat bu etki geçicidir. Dış gözlemci Schwarzschild alanı hakkında bilgi sahibiyse, olayların oldukça hızlı gerçekleştiğini fark edebilir. Bu olduğunda, fotonlar karışık, kararsız bir yörüngede yakalanacaklar.
Schwarzschild Süreci
Kara delik teorisi, Einstein’ın denklemlerinin tam bir çözümüdür. Dönme olmaksızın nokta benzeri bir kütledir. Alanı bir Schwarzschild metriği ve bir Scwarzschild tensörü ile tanımlanır. Bu ölçüm, kara deliği çevreleyen uzay-zamanı tanımlar. Aslında Schwarzschild metriği, kara delikler için en basit matematiksel modellerden biridir.
Schwarzschild metriği, on boyutlu Poincare grubunun bir alt grubudur. Tanımı Poincare grubuna benzer, ancak parametre olarak zaman eksenini alır. Döndürmeleri ve uzamsal ötelemeleri korur, ancak artırmaları atlar. Dört bağlı bileşeni vardır: i+, i-, r ve c. Kara delik büyüdükçe olay ufkunu da genişletiyor.
Schwarzschild metriği, hızlandırılmış parçacıkların yörünge dinamiklerini tanımlar. Schwarzschild metriğinde bir karadeliğe giren parçacıklar, r>6GM sabit dairesel yörüngeye ve r=3GM yarıçaplı kararsız yörüngeye sahiptir. Sınırsız yörüngeler, Newton yerçekimindeki kesin konik kesitleri tanımlayacaktır. Bariyeri geçemezlerdi, ancak 3GM’nin altına dalabilirler ve 2GM’nin üzerinde kaldıkları sürece ortaya çıkabilirler.
Einstein, Schwarzschild sürecini tarafsız bir durum olarak nitelendirdi. Kara delikler doğal olarak nötr olduğundan, bu kara delikler için ideal bir modeldir. Bu, dış dünyaya bilgi veremeyecekleri anlamına gelir. Bu kuantum mekaniğinin önemli bir özelliğidir. Özellikle kara delikler standart dışı davranışlar sergiler. Doğrudan gözlemlenemezler, bunun yerine termodinamiğe meydan okuyan davranışlar sergilerler. Bu fenomen aynı zamanda kara delikler teorisi de dahil olmak üzere birçok evren teorisinin nedenidir.
Penrose Süreci
Penrose süreci, giden parçacıkların enerjisini artırmak için uzay ve zamanın göreliliğini kullanan matematiksel, geometrik ve mekanik bir süreçtir. Bu enerji kara deliğin dönüşü pahasına kazanılır ve sadece ergosfer içinde mümkündür. Penrose sürecinin yaklaşık yüzde 20 verimli olduğu tahmin edilmektedir. Ancak, önemli ölçüde geliştirilebilir. Süreci daha ayrıntılı olarak inceleyelim.
Penrose sürecindeki ilk adım, olay ufkunun dışında kalan ergosferi içerir. Bu ergosfer, kara deliğin dönen gövdesiyle birlikte dönen uzay benzeri bir bölgedir. Negatif enerjili parçacıklar kara deliğin içine düşerken, pozitif enerjili parçacıklar içinden kaçar. Enerji çekilirken kara delik yavaş yavaş yavaşlar. Sonunda, kara deliğin kalan enerjiyi yakalamak için yavaşça dönmesi gerekecek. Ancak Penrose süreci, Blandford-Znajek süreci ile mümkün oldu.
Penrose süreci, termodinamik yoluyla kara deliklerin tanımlanmasında önemli bir adımdır. Penrose’un çalışması mevcut teorileri geliştirdi ve bilim adamlarının onları yeni yollarla anlamalarına izin verdi. Penrose’un çalışması, kara delikler ve özellikleri hakkında yeni bir anlayışın yolunu açtı. Zamanla, Penrose süreci Hawking radyasyonunun keşfine yol açtı. Bu bulgu ile bu alanda bir dizi atılım yapılmıştır.
Süper Kütleli Kara Delik
Kara deliğin en büyük formu, süper kütleli kara delik olarak bilinir. Bu tür bir kara deliğin kütlesi, güneşimizin kütlesinden milyonlarca ila milyarlarca kat daha fazladır. Ama süper kütleli bir kara delik tam olarak nedir? Hadi bulalım. Bu kara delik türü bilim tarafından bilinen en büyük kara deliktir. Kütlesi, Güneş’in kütlesinden milyarlarca kat daha büyüktür, yani hepsinin en büyüğüdür.
Samanyolu galaksisinde Sagittarius A* adlı süper kütleli bir kara delik var. Güneşimizin merkezine olan benzerliği, yıldızın etrafındaki yörüngesinden kaynaklanmaktadır. M87 galaksisi de dahil olmak üzere başka süper kütleli kara delikler de tespit edildi. Bu kara delik 38 milyar kilometre çapında ve kütlesi yaklaşık dört milyar Güneş’tir. Bununla birlikte, çoğu karadelik süper kütleli değildir ve bu nedenle süper kütleli olarak kabul edilmez.
Bilim adamları, yeni nesil teleskopları kullanarak bu nesnelerin x-ışını emisyonlarını gözlemlemek için çalışıyorlar. Bilim adamları, NASA’nın James Webb uzay teleskopunun fırlatılmasının beklendiği 2028 yılına kadar bu nesneleri tespit etmeyi umuyorlardı. Bu zorluklara rağmen, bu gizemli evreni keşfetmek için birçok olasılık var. Süper kütleli bir kara delik, erken evren için bir tohum olabilir. Bu senaryo gerçekleşirse, sonunda yıldızların ve gazın nasıl ortaya çıktığını anlayacağız.