Connect with us

Fizik / Astrofizik

Geleceğin İtki Sistemleri 8 – Solucan Delikleri

Bu yazıyı yaklaşık 33 dakikada okuyabilirsiniz.

Bu yazımızda günümüzde tamamen matematiksel konseptler olan, fiziki olarak çeşitli durumlarda mümkün olabilen ancak doğada rastgele bulunma ihtimalleri pek bulunmayan “solucan delikleri”nden bahsedeceğiz.

Büyük ve geçilebilir solucan deliklerini evrenin derinliklerinde bulmayı beklemiyoruz. Doğal yollar ile stabil bir şekilde açık kalamazlar. Ancak yapay yöntemler sayesinde, yani teknoloji ile açık kalabilme ihtimalleri var. Bir gün uzakta bir yerde bir solucan deliği keşfedersek bu onu oraya birilerinin koyduğunu, yani evrende yalnız olmadığımız anlamına gelecektir.

Eğer biz inşa edebilirsek, bizi gitmek istediğimiz her yere dakikalar içinde ulaştırabilecek bir geçide, milyarlarca ışık yılı mesafeyi önemsiz kılacak bir kestirme yola sahip olmuş olacağız. Binlerce, on binlerce yıldız sistemini solucan delikleri ile birbirine bağlayıp uçsuz bucaksız bir medeniyet kurabiliriz. Veya bu düşünce sonsuza kadar bir hayal olarak kalabilir.

İlginizi çekmeyi başardıysak devam edelim.

Başımızı kaldırıp gökyüzüne baktığımızda sayısız yıldız görürüz. Bu yıldızların hepsi galaksimizde bulunur. (Gözüne güvenenler Andromeda’yı görmeyi deneyebilirler) Betelgeuse‘ın son 500 yılda erken bir süpriz yapmamış olduğunu varsayarsak, gördüğümüz yıldızların hepsi de canlı, hala ışıldayan yıldızlar. Ancak hiçbirini ömrümüz içinde yakından göremeyeceğiz. Işık hızına yaklaşabilen bir gemiye yada en basitinden mikroskobik bir sondaya sahip olsak bile ömrümüz sadece birkaçına ulaşmaya yeter. Hayallerimizi süsleyen warp sürücüleri için de yakın gelecekte bir gelişme olacağa benzemiyor.

Varsayımsal solucan delikleri, bizlere uzay zaman dokusu üzerinde daha çabuk yol alma şansı “sunabilir”.

 

İş yıldızlar arası yolculuklara gelince şu anki teknolojimizin sınırları bile bize fazla seçenek sunmuyor. Füzyon roketleri, antimadde roketleri ve Güneş yelkenlileri bizi mutlak sınır olan ışık hızının yüksek yüzdelerindeki relativistik hızlara yaklaştırabiliyor ancak asla ötesine geçiremiyor. Dürüst olalım; saniyede onbinlerce kilometre kat ettiren relativistik hızlar bütün bu güzel şeyleri görmek için fazlasıyla yavaş. Belki yakın yıldızlara gidip keşfedeceğimiz gezegenleri kolonize edebilir, zaman içinde yavaş yavaş bütün galaksiye yayılabiliriz. Ancak bu milyonlarca yıl sürer. Kendi ömürlerimiz içerisinde asla galaksimizin kalbindeki süper-kütleli karadelik Sagitarrius A’nın görkemine şahit olamayız, bir pulsarın güzelliğini göremeyiz yada bir magnetarın görünür manyetik çizgilerinde neredeyse ışık hızıyla akan parçacık sellerine tanık olamayız.

Uzak ufuklar için uç sınırlarda olan, imkansıza yakın fikirler aramamız bundandır. İmkansıza yakın fikirlerimizden en bilinenlerinden biri olan warp sürücülerinden daha önce uzun uzun bahsettik ve ne yazık ki mümkün olup olmadıklarını henüz bilmiyoruz. Uzay-zamanı bükmek için ihtiyaç duyduğumuz “negatif enerji” sahibi egzotik maddeler henüz anlayışımız dahilinde olmayan bir spekülasyon ve ne yazık ki bir başka hayalimiz olan solucan delikleri de benzer egzotik maddelere ihtiyaç duyuyor. Bir solucan deliğini stabil bir şekilde açık tutmak için kusursuz bir matematiğe ve tabi ki yine negatif enerjiye ihtiyacımız var. En cazip iki ışıktan-hızlı ulaşım metodunun aynı imkansızlığa ihtiyaç duyması rastlantı değil. İmkansız hayallerimiz için uzay-zaman sürekliliğine hakim olmalıyız. Kuantum kütleçekiminin sırlarını çözmeli, karanlık maddenin ne olduğunu açığa çıkarmalıyız.

Şimdilik, şu anki kısıtlı bilgi dağarcımız ile solucan deliklerini tanıyalım. Fikir çok güzel ancak acaba solucan deliği gerçekte nasıl bir şeydir, nasıl işler ve acaba uzay-zamanı milyonlarca ışık yılı uzağa, geçmişe yada başka evrenlere “kapı açacak” kadar nasıl manipüle edebiliriz?

SOLUCAN DELİKLERİ NEDİR? 

Solucan deliği, iki “ağız” diye tabir edilen kütleçekim kuyularını birbirine bağlayan “boğaz” adındaki ortak bir bölgeden oluşan yapılardır. Bu bölge, aynı varış noktasına giden diğer yollardan topolojik olarak farklıdır.

Topolojik olarak farklı dedik, peki bu ne anlama geliyor? Bir karıncayı düşünün. Üstünde durduğu elmanın bir ucundan diğerine gitmek istese, bunun için izleyebileceği birçok yol vardır. Bu yollar topolojik olarak farklı değillerdir. Ancak elmanın içinden geçen, bir kurtçuğun açtığı tünel varış noktasına bir alternatif sunar. Bu alternatif, karıncanın yaşadığı iki boyutlu elma yüzeyini takip etmek yerine, elmayı çevreleyen üç boyutlu uzaydan geçen bir yoldur. İşte bu yol topolojik olarak farklıdır.

Bilimkurgu ve popüler bilim bize neredeyse her zaman solucan deliklerini kestirme olarak gösterir. Solucan deliklerini kat ederek normalde ışık yıllarıyla birbirinden uzak olan noktalar, dakikalar içerisinde kat edilir. Ancak teorik fiziğe göre her solucan deliği kestirme olmak zorunda değildir. Solucan deliğinin izlediği yol çok daha uzun olabilir.

Örneğin yandaki görseldeki solucan deliği kestirme bir yol değildir. Harici bir gözlemcinin gözünden konvensiyonel yollar ile birkaç yıl sürecek bir yolculuğun binlerce yıl sürmesine neden olabilir.

Solucan delikleri, Einstein’ın hesaplamalarındaki klasik karadelik çözümlerinde geçer. Bunlar kat edilmeleri mümkün olmayan, yolculuk yapmaya yaramayan Schwarzchild solucan delikleridir. Çünkü oluştukları gibi çökerler ve var oldukları tek an içinde tek bir foton bile bunlardan geçemez.

Geçilebilir spekülatif solucan delikleri ise ünlü fizikçiler Michael Morris ve Kip Thorne bu solucan deliklerinin nasıl işleyeceklerinin prensiplerini kağıda dökünce ortaya çıktılar. Bunlara bilim insanları Lorentzian solucan delikleri der. Yapılan hesaplamalar açık kalmaları için negatif yoğunluk, negatif basınç, negatif enerji yoğunluğu gibi karakteristiklere sahip “egzotik” maddeye ihtiyaç olduğunu göstermiştir. Böylesi egzotik maddelerden warp sürücüleri yazımızda bahsettik, bu yazımızda da değineceğiz. Ancak ne yazık ki bu özelliklere sahip egzotik maddeler doğada bulunmuyor. Sadece kuantum fiziğinde bazı durumlarda negatif basınç ve enerji halleri gösteren mekanikler açığa çıkabiliyor.

Bu olaylar kuantum seviylerde yaşandığı için kuantum kütleçekimi ile ilişkili ölçeklerde (10^-33 cm & Plank uzunluğu) etkili olabiliyorlar. Yani bu ölçeklerde bir solucan deliğini açık tutabilirler ancak bu pek işimize yaramaz. Bunlar gözlemlemeyi bile hayal edemediğimiz ölçeklerdir.

Daha büyük solucan delikleri için de bu kuantum mekaniklerinden faydalanmak şu anda mümkün gözükmüyor. Tabii birde kuantum kütleçekimi bilim dünyasının pek hakim olduğu bir konu değil.

Matematik bize solucan delikleri için birden çok denklem/çözüm sunar. Bunlardan fikre öncülük eden Einstein-Rosen köprüsü olarak bildiğiniz Schwarzchild solucan deliklerinden başlayalım.

SCHWARZCHILD SOLUCAN DELİĞİ (EINSTEIN-ROSEN KÖPRÜSÜ)

Einstein-Rosen köprüleri veya Schwarzchild solucan delikleri, farklı iki evreni birbirine bağlayan matematiksel çözümlerdir. Bu solucan delikleri kendi olay ufuklarına sahiptirler ve bu geçilemez olma nedenlerinin başındadır. Genel solucan delikleri fikri aksine iki yönlü işleyen çözümler değillerdir, bir giriş ve bir çıkış noktaları bulunur. Birazdan bahsedeceğimiz tanımlar ve veriler solucan deliklerinin matematiksel yapılarının açıklamaları niteliğindedir.

120613_entanglement

Ömrünün son yıllarında ünlü bilim insanı Albert Einstein elektromanyetizma ile kendi genel görelilik teorisini birleştirmeye çalışıyordu. Bu çabaları asla amaçladığı meyveyi verememiş olsa da, bu dönemde bir meslektaşı ile hazırladığı önerme, bilimkurgu yapıtlarına konu olacak kadar ilgi çekici ve gözardı edilemeyecek kadar “olasıydı”.

Genel göreliliğe göre herhangi bir kütle, tıpkı 1916’da Karl Schwarzschild’ın hesapladığı gibi, çevresindeki uzay-zaman sürekliliğinde eğriler yaratır. Bu eğrilerin her birinin bir kaçış hızı vardır; 1 tonluk bir uzay aracının kütlesinin yarattığı eğriden kaçmak için saniyede bir kaç milimetrelik bir hız yeterlidir. Dünya’nın yarattığı uzay-zaman eğrisinden kaçmak için saniyede 40.27 kilometre ile kütle merkezinden uzaklaşmak gerekir. Yine Schwarzchild’ın hesaplarına göre yeterince dar bir alana sıkışan/çöken herhangi bir kütle, kendisinden kaçış hızının ışık hızına eşit yada büyük olduğu bir uzay-zaman eğriliği yaratır. Bu eğrinin merkezinde bütün matematiksel değerlerin sonsuza ulaştığı tekililik dediğimiz, sonsuz küçüklükte ve yoğunlukta bir nokta vardır. Yani evet, bir karadelikten bahsetmekteyiz. Schwarzchild, denklemleri ile herhangi bir kütlenin nasıl bir yarıçapa sıkışırsa, ışığın bile kaçamayacağı bir tekililiğe dönüşebileceğini hesaplamıştı. Teorik olarak küçük bir taş parçasını bile yeterince sıkıştırarak bir tekililiğe dönüştürebilirsiniz.

Einstein ve Nathan Rosen, fizik dünyasını matematiksel değerlerin sonsuza ulaştığı bu tekililiklerden arındırmak için çalışıyorlardı.

Einstein ve Rosen’in 1935’te yayınladıkları makale Schwarzschild’ın çalışmalarının yeniden yorumlandırılmış bir halini içeriyordu. Bu yorumlandırma bir matematik çözümdü, bizim anlayacağımız dilden ise şöyle bir önermesi vardı: Bir karadeliğin olay ufkunun derinlerinde, tekililik olması gereken merkeze doğru bir rota izlenir, ancak merkezde bir tekililik ile karşılaşmak yerine farklı bir yerde bulunan, farklı bir uzay-zaman sürekliliğine ulaşılır. Tekililik olmayan “boğaz” (Throat) bölgesi geride bırakılmıştır.

(Boğaz: Solucan deliklerinin en dar bölgesi, geçilebilir solucan delikleri için iki farklı uzay-zaman bölgesinin ortak noktası. Buranın sahip olduğu stabil bir şekilde açık kalma süresi [geçilebilir Lorentzian solucan deliklerinin en büyük sorunu] mevcut geometrik alan ve kütleçekimsel gel-git şiddetleri gibi değişkenler, solucan deliğinin geçilebilir mi yoksa geçilemez mi olduğunu belirleyen faktörlerdir.)

İçinden geçilen bu geometrik yapıda uzay-zaman sürekliliği, tıpkı bir karadelikte olacağı gibi çökmüştür ancak bu çökmeye sebep olan tekililik, bir karadelikte olacağı yerde değildir.

Bu yorumlama kendisinden önce, 1916’da Schwarzchild’ın çalışmalarını inceleyen Ludwig Flamm’in ortaya koyduğu fikirler ile benzer bir sonuca varıyordu. Flamm, Schwarzchild’ın kara deliklerinin sonunda “beyaz delik” olarak adlandırılan ve kara deliğin tersi özelliklere sahip yapılar olabileceği fikrini üretmişti.

Ek Bilgi: Beyazdelikler

Beyazdelikler matematiksel olarak kütlesiz karadeliklerdir. Tamamen matematiksel konseptlerdir ve bizim evrenimizin fizik kuralları var olmalarına izin vermez. Fikir olarak bir beyazdelik, kendisini oluşturan karadeliğin yuttuğu maddeleri, kendi olay ufkundan uzaya saçan, zamanın tersine aktığı spekülatif bir yapıdır. Olay ufuklarının içinde kesinlikle kütle bulunmaz, tek bir atom bile beyazdelik olay ufkundan içeri süzülürse bütün yapı matematiksel olarak çöker. Bazı fizikçiler evrendeki bütün karadeliklerin “sonunda” başka evrenlere açılan beyazdelikler olabileceğini söyler.

Son yıllarda “Loop Quantum Gravity” ismi verilen modele göre, karadeliklerin tekililikleri, oluşumlarının hemen ardından olabilecek en küçük alana kadar sıkışır ve ardından “quantum bounce” denen dışarı doğru bir basınç ile beyazdeliğe dönüşürler. Bütün bunlar bir saniyenin binde biri kadar kısa bir sürede gerçekleşir ancak bir gözlemci karadeliklerin yaşadığı bu dönüşümü milyarlarca ve milyarlarca yıl içinde fark edebilir çünkü karadeliğin oluşum anındaki tekililiği uzayı-zamanı öyle bükmüştür ki, ışığın genişlemesi ve zaman kayması, bize karadelikten başka bir şey göstermez.

Meraklıları için, Hal M. Haggard ve Carlo Rovelli’nin bu konudaki çalışmalarına buradan ulaşılabilir.

Beyazdelikler hakkında bir başka ilginç fikirde, evrenimizi oluşturan Büyük Patlama’nın bir beyazdelik fenomeni olabileceği yönündedir. Büyük Patlama muazzam miktarda madde ve enerjinin bir anda ortaya çıktığı bir genişleme olayıdır. Yani bir karadeliğin merkezindeki çökme olayının tersidir. Spekülatif olarak evrenimiz, başka bir evrende bulunan bir yıldızın (yada bizim evrenimizdeki yıldızlara eş değer kütlenin) kompakt bir alana sıkışıp çökmesi ile karadeliğe dönüşmesi sonucu oluşmuş olabilir. Yine spekülatif olarak her karadelik, bir evrenin doğumunu müjdeliyor olabilir.

(Sevgili okurlar, lütfen bunu mutlak gerçek gibi düşünmeyiniz. Bu, evreni tekilliklerden arındırmak için ortaya atılan matematiksel bir çözümdür.)

Beyazdelikler ile ilgili bu teoriler geliştirilmeden önce, Flamm bir tekililiğin giriş (karadelik) ve çıkış (beyazdelik) noktalarının tamamen farklı evrenleri birbirine bağlayabileceğini fark etmişti. Ne yazık ki fizikçiler Flamm’in bu çözümlemesine gereken önemi vermemiş ve fikrin 1935’te Einstein ve Rosen tarafından, Flamm’in çalışmalarından tamamen habersizce yeniden keşfedilmesi gerekmişti. Bu sebeple Flamm’in çalışmalarından hala haberi olmayan bazı fizikçiler Einstein-Rosen köprsü terimini kullansalar da, doğrusu Flamm-Einstein-Rosen köprüsüdür. Böylelikle günümüzde solucan deliği ismi ile anılan evrenin ve belkide çoklu evrenlerin kestirme yolları fikri doğmuş oldu.

SCHWARZCHILD SOLUCAN DELİKLERİ VAROLABİLİR Mİ?

Schwarzchild metriği hem pozitif karekök hemde negatif karakök çözümleri içerir. Yani geometrik olarak bir karadelik, bir beyazdelik ve solucandeliği ile birbirine bağlı iki evrenden oluşur. Negatif kök çözümünü bir beyazdelik temsil eder ancak beyazdelikler termodinamiğin ikinci kanununu ihlal etmektedir. Yani evrenimiz sınırları içerisinde bir beyazdeliği gözlemlemeyi beklemeyin. Tabii bu imkansızlık daha önceden de belirttiğimiz gibi, çöken bir yıldızın beyazdeliğe dönüşüp Büyük Patlama ile yeni bir evren doğurması ihtimalini elemiyor.

Ne yazık ki doğada başka bir evrene solucan deliği oluşturmuş doğal bir karadelik bulamayız. Gerçek yıldızların çöktüklerinde solucan deliği oluşturmaları normal bir olay değildir. Nitekim oluştursalar dahi bu solucan deliği, stabil olamayacak ve çökecektir.

Bu üç boyutlu canlandırmada gördüğünüz bir solucan deliğinin oluşması ve çökmesidir. Delik oluştuktan bir an sonra Schwarzchild solucan deliği bozulur. Özellikle çok büyük olmayan, görece küçük ölçekli Schwarzchild solucan deliklerinin dinamik yapıları sebebi ile boğazdaki kütleçekimsel gel-git kuvvetleri (tidal forces) çok şiddetlidir. Sadece bir an varolan boğazdan bir foton dahi geçemez.

Yapının bozulma anı bir başka ciddi sorunu daha ortaya çıkarıyor. Bir uzay aracı ile tam aradaki köprü oluştuğu anda solucan deliğini kat etmeye çalışırsak, köprü bozulduğu an kat ettiğimiz geçit bir tekilliğe dönüşecektir. Kendimizi bir anda bir karadeliğe ait olay ufkunun derinliklerinde bulabiliriz. Gitmek istediğimiz yerden yansıyan yıldızların ışığını solucan deliğini kat ederken görürüz. Hatta kat ettikten sonra solucan deliği arkamızdan çökerken oluşacak tekilliğin çekim kuvvetine kapıldığımızda bize çok daha yoğun miktarda ışık ulaşacaktır. Yine tekillik sonucu oluşacak zaman kayması (Time Dilation) ile kütleçekimi kuvvetleri tarafından parçalamadan önce milyonlarca yıllık bir ışık şölenine maruz kalabiliriz. Çünkü zaman kaymasına kapılan biz ölene dek dışarıda milyonlarca yıl geçebilir.

Sonuçta Schwarzchild solucan deliklerinin yada diğer isimleri ile Flamm-Einstein-Rosen köprülerinin gerek instabil yapıları gerek çok kısa ömürleri sebebi ile geçilemez olduklarını biliyoruz. Zaten kendileri aslen matematik çözümlerdir, doğal yollar ile oluşmalarını bekleyemeyiz. Büyük bir yıldızın ölümü bir karadelik ile sonuçlandığı zaman olay ufkunun gerisinde başka bir evrene kısa süreli bir geçit açılma ihtimali yada yeni bir evren oluşması ihtimali henüz spekülasyondan öteye geçemez.

EUCLIDIAN SOLUCAN DELİĞİ

Konumuzun eğlenceli kısmı olan kullanılabilir solucan deliklerine geçmeden önce sicim teorisinin beyin yakan Euclid solucan deliklerinden kısaca bahsedelim.

Bunlar kuantum alan teoricileri tarafından hesaplanan, bizim bildiğimiz, yaşadığımız zaman gidişatından farklı hayali bir zaman sisteminde bulunurlar.  Bunların ne olduğunu klasik fizik ve kütleçekimi kanunları ile incelememiz neredeyse imkansızdır. Temel özelliklerini anlamak için bile ciddi miktarda kuantum fiziği bilgisine ihtiyaç vardır. İlgilenenler anlamayı deneyebilir.

KERR SOLUCAN DELİĞİ/KARADELİĞİ

Bir başka solucan deliği modeli keşfi de, vakum Einstein sahaları için 1963’te türetilen Kerr çözümünden gelir.

Kabaca anlatmak gerekirse (oldukça kaba bir şekilde), bir tekililiği alıp kendi ekseni etrafında döndürmeye başlarsak bir yerden sonra bu obje nokta halini koruyamaz ve kütle bir halka şeklini alır. Ortada oluşan donut şeklindeki delik de başka bir evrene açılan bir kapı olur. Bahsettiğimiz şey Kerr Karadeliği yadaKerr Halkası olarak da bilinir. İsmini Roy Kerr’den alan bu tekillik modeli; yükü olmayan, kendi ekseni etrafında dönen ve evrende bulunma ihtimalleri olan matematik çözümleridir.

Kırmızı bölge kendi ekseni etrafında dönen halka şekilli tekilliği temsil eder, yeşil bölge ise bu tekilliğin ortasındaki bölgede oluşan solucan deliğidir.

Kırmızı bölge kendi ekseni etrafında dönen halka şekilli tekilliği temsil eder, yeşil bölge ise bu tekilliğin ortasındaki bölgede oluşan solucan deliğidir.

 

Bu karadeliklerin oluşumu için, kendilerini oluşturacak yıldızın yüksüz ve kendi çevresinde hızlı bir dönüşünün olması gerekir. Oluşacak karadelik halka şekilli bir tekilliğe, iç ve dış olmak üzere iki olay ufkuna, ergosfer bölgesine (dönen karadeliğin, etrafındaki uzay-zamanı etkilediği, olay ufkuna yaklaşıldıkça cisimleri parçalayacak kadar güçlü olabildiği, karadeliklerden enerji elde etmek isteyenlerin hayali olan bölge) ve statik limite sahip olur. (Ergosfer ve normal uzay arasında sınır bölge)

3

Matematik der ki; Kerr karadeliğindeki iki olay ufkunda da uzay-zamanın rolleri tersine döner. Yani iki olay ufkundan geçerken uzay-zaman tersinecektir. Bunun gerçekteki etkilerini kestirmek oldukça güç. Halka şekilli tekilliğe ise ufuk/dönüş hizasından yaklaşılırsa negatif basınç etkileri hissedilir. Tekillik, çekmek yerine iter! Kutup bölgesinden yaklaşılırsa bu seferde merkezde bulunan solucan deliğinden başka bir evrene geçilir. Eğer solucan deliği yerine halka şekilli tekilliğe temas edilirse bu durumda “negatif evren” denen, tanımını yapamayacağımız, sadece matematiksel olarak izah edilebilen bir evrene geçilir.

213123

Yukarıdaki Penrose grafiği bir Kerr karadeliğine aittir. Koyu mavi çizgi bu karadelikten geçmeye çalışan gözlemcidir. Yola bizim evrenimizden, normal uzaydan çıkar. Sırayla uzay-zaman tersinmelerinin yaşandığı dış ve iç olay ufuklarından geçer, geçiş sırasında tekillik bölgelerinden kaçınır, ve sonunda solucan deliğinden geçerek diğer evrene ulaşır. Açık mavi olan ikinci gözlemci ise tekilliğe ulaşarak, negatif evrene giriş yapar. (Kütleçekim etkileri tarafından yok edilmediğini varsayarsak)

Spekülatif olarak negatif evrene giriş yaptığımızda, arkamızdaki karadeliğin kütleçekimi, çekmek yerine itecektir. Yani tam tersi bir etki gösterir. Aynı sebeple burada bir olay ufku bulunmaz. Negatif evrende tekillik, gözle görünebilen bir “çıplak tekilliktir”. Son gariplik olarak da bu çıplak tekilliğin çevresinde hız sınırı bulunmayan bir bölge mevcuttur. Yani sonsuz hız dolayısı ile zaman yolculuğu mümkündür.

Bu yazdıklarımızın tamamı Kerr karadeliğinin matematiğidir, teoriktir ve özellikle negatif evrenle ilgili bölümler spekülasyondan öteye geçemez. Çünkü dışarıdan gelebilecek en ufak bir kütle bir Kerr çözümünü destabilize ederek Kerr karadeliğinden yolculuğu gerçek dışı yapar.

Yazdıklarımız gerçekten yaşanacak olaylar değildir, matematiğin gerçeğe nasıl yansıdığını anlatmaya çalıştığımız bir çabadır. Hesaba bizim veya başka bir kütlenin dahil edilmesi, çözümü bozar.

WHEELER SOLUCANDELİKLERİ; “MİKROSKOBİK VE SANAL SOLUCANDELİKLERİ”

Bir başka solucandeliği modeli de çok küçük, mikroskobik seviyelerde bulunur. Bu mikroskobik solucan delikleri fikrini ve bizzat “Solucan deliği/Wormhole” kelimesini fizik dünyasına kazandıran ünlü teorik fizikçi John Archibald Wheeler’ın ta kendisidir. Wheeler solucan delikleri yanında karadelikler kelimesini de fizik dünyasına kazandırmıştır. Başlıca çalışmaları arasında 1930’larda parçacık fiziklerinin temeline kuantum alan teorisini yerleştiren “s-matrix” teorisini geliştirmiş, Niels Bohr ile birlikte nükleer fisyonu kuantum seviyelerinde incelemiş, genel göreliliğe katkılarda bulunmuş ve Einstein’e bütün doğa güçlerini birleştirmesi umut edilen “Grand Unified” teorisinde yardımcı olmuştur.

Solucan Delikleri

Wheeler uzay-zaman sürekliliğinin yapısını açıklamak için kuantum köpüğü (quantum foam) hipotezini geliştirmiştir. Bu hipoteze göre uzay-zaman aslında düz ve stabil değil, kuantum seviyeler olarak tabir edilen çok küçük ölçeklerde dalgalı ve değişken bir yapıya sahiptir. Bu yapıda yoktan varolan sanal parçacıklar açığa çıkar.

Bu yazımızda sanal parçacıkların yanısıra kuantum dalgalanmalarını açıklamaya çalışmıştık.

Sanal parçacıkların açığa çıktığı bu seviyelerde Wheeler, kuantum karadeliklerin ve solucan deliklerinin açığa çıkıp kaybolduğunu teorisini üretmiştir. Ancak bu karadelikler ve  solucan delikleri o kadar küçüktür ki tespit edilebilmeleri mümkün değildir. Boyutları 10^-33 cm kadardır (0.000000000000000000000000000000001 cm) ve 10^-43 saniyede buharlaşarak yok olurlar.

Solucan Delikleri

Planck seviyelerinde uzay-zaman sürekliliğinin temsili bir görseli. Şu anda ölçemediğimiz kadar kısa sürelerde sayısız kuantum seviye karadelik ve solucan deliği oluşup kayboluyor olabilir.

 

Varsayalım ki biz bu solucan deliklerini tespit edebildik. Hatta bir tanesini kaybolmadan önce izole ettik. Biraz negatif kütleye sahip egzotik madde ile bu solucan deliğini genişletebiliriz. Belki de içinden bilgi yada araç gönderecek kadar büyütebiliriz. Tabii diğer ucu bir yıldızın kalbinde ya da bir karadeliğin olay ufkunun altında bitiyorsa bu pek hoş olmazdı. Yine de bir Wheeler solucan deliğini, geçilebilir bir Lorentzian solucan deliği olarak kullanmak spekülatif olarak diğer alternatiflerden çok daha kolaydır. Bazı fizikçiler bu küçük ölçeklerde çok küçük bebek evrenlerin oluşup bizimkinden kopabileceğini de teorize etmişlerdir. Tabii tahmin edebileceğinizi üzere bütün bunların henüz kanıtı yoktur.

LORENTZIAN SOLUCANDELİĞİ (GEÇİLEBİLİR SOLUCAN DELİKLERİ)

Solucan delikleri hem halkın hemde bilim insanlarının ilgisini çeken ortak bir konudur. İnsanlar ışıktan hızlı yolculuk, zaman yolculuğu, başka evrenlere yolculuk gibi fikirler ile hayal gücünü beslerken, akademik personeller de genel görelilik, kozmoloji, nedensellik, süper sicim teorisi, kuantum kütle çekimi gibi konularda sıra dışı fikirler sunarlar.

Umarız bütün bunlar bir gün bizim hayallerimiz yerine mühendislerin problemi olur. Geçilebilir solucan delikleri inşa edilebilir mi ve mümkünler mi? İnceleyelim.

Solucan Delikleri

Geçilebilir solucan delikleri kendi aralarında birçok alt türde sınıflandırılır. İlk olarak onları kalıcı ve geçici olarak ayırırız. Kalıcı ve geçici türlerde kendi aralarında evren-içi ve evrenlerarası olarak ayrılır. Son olarak bütün Lorentzian solucan deliği türlerinin mikroskobik ve makroskobik türleri mevcuttur. Mikroskobik olanlar, daha öncede bahsettiğimiz planck seviyesinde bulunur. Bu geçilebilir solucan delikleri ile ilgili çözümleri hazırlayan ünlü bilim insanları Kip Thorne ve Mike Morrisdir. Belki Kip Thorne’u Interstellar filminin fizik danışmanı olmasından hatırlayabilirsiniz. Thorne ve Morris, daha sonra Ulvi Yurtseverin katkılarıyla solucan deliklerinin enerji halleri ve nasıl zaman makineleri olarak kullanılabilecekleri konularını pekiştirmişlerdir. Ardından Matt Visser 1995’te hazırladığı çalışmalar ile kendisinden sonra yapılacak birçok araştırmaya temel oldu ve böylece solucan delikleri ile ilgili fikirler yavaş yavaş çoğaldı, teorik altyapı oluşurken sayısız yeni hipotez geliştirildi.

Önceki bölümlerde bahsettiğimiz kat edilmesi yada bizim makro fiziki dünyamızda varolması mümkün olmayan solucan delikleri 1988’de Morris ve Thorne’a geçilebilir solucan delikleri ile ilgili ilhamı verdi. Hazırladıkları ilk çalışmada geçilebilir solucan deliklerinin ilk matematiksel prensiplerini ortaya çıkardılar.

LORENTZİAN SOLUCAN DELİĞİ PRENSİPLERİ

1) Küresel bir simetri ve statik metrik.

2) Einstein’ın alan denklemlerinde çözüm olarak üretilebilmeleri.

(Fiziki olarak mümkün olmalarının temelinde öncelikle matematiksel olarak mümkün olmaları yatar)

3) Boğaz bölgesinin iki asimptotik düz uzay-zaman bölgesini birbirinine bağlaması.

(Özetlersek; birbirine bağlı iki uzay-zaman bölgesinde solucan deliği boğazından/kütle çekimsel alanından uzaklaşıldıkça uzay-zaman eğriliğinin azalması, neredeyse eğrisiz denebilecek normal bir hal alabilmesi gerekmektedir. Bildiğimiz uzayda işler zaten böyle işler. Örneğin Güneş’ten uzaklaştıkça kütleçekimi ve dolayısı ile çevresindeki uzay-zaman eğriliği azalır. Ancak matematikte işlerin böyle yürümediği vakum çözümleri mevcuttur.)

4) Olay Ufku olmaması.

5) Kütleçekimsel gelgitler ve stres miktarları geçiş yapacak araçların ve yolcuların dayanabileceği kadar olmalı.

(Statik bir yapı olması gerekse de, bir solucan deliğinin uzay-zaman eğriliği yıkıcı olabilir. Örneğin bir karadeliğe düşerken eğriliğin arttığı tekilliğe yaklaştıkça ayağınızdan başınıza kadar her milimetrenizin maruz kaldığı kütleçekimi ölümcül farklılıklar gösterecektir.

6) Dışarıda bulunan harici bir gözlemciye göre kabul edilebilir geçiş süreleri.

(Eğer açılan solucan deliği kestirme değil de, yolu uzatacak bir geometriye sahipse pek işimize yaramaz. Geçiş yapacaklar için zaman yavaşlayacaktır ancak boğaz bölgesinin geometrisi teorik bir üst boyutta (Bulk) uzun bir yol izliyorsa harici gözlemci için binlerce yıl geçebilir. Benzer bir durum ışık hızına yakın hızlarda seyreden bir yıldız gemisi örneğine benzer; gemidekiler yavaş akan zamanın keyfini sürerken, bizler için onlarca yıl geçer.

7) Fiziksel olarak tahammül edilebilir enerji – momentum stres tensörü.

(Bu sıradışı uzay-zaman bölgesinde kütleçekimi dışında maruz kalınabilecek kuvvetlerde limitler içinde olmalı.)

8) Harici etmenlere karşı stabil olmalı.

(Yakınından geçecek büyük bir asteroidin kütleçekimi veya milyarlarca ışık yılı ötedeki karadeliklerin çarpışmasından kaynaklanan kütleçekim dalgaları yada bir Güneş patlamasından kaynaklanan yüksek enerjili parçacık bombardımanı, stabiliteyi bozmamalı.)

9) Fiziksel olarak mantıklı/mümkün üretim yöntemleri ve malzemeleri.

(Warp sürücüleri yazımızda bahsettiğimiz üzere çeşitli warp denklemlerinin Jüpiter kütlesi kadar egzotik madde gerektirmesinin mantıklı bir yanı yok. Evrenin kütlesinden daha fazla madde gerektiren denklemlerden hiç bahsetmeyelim bile. Aynı şekilde inşa etmek istediğimiz solucan deliği fiziksel olarak mümkün olmayan yada absürd şeyler gerektiriyorsa yapamayız. Herhangi bir yerde Dünya yörüngesi çapında nötron yıldızı maddesini ışık hızına yakın hızlarda döndürerek solucan deliği yaratmak gibi bir fikir okursanız, bu maddeyi hatırlayın.)

İlerleyen yıllarda yapılan çalışmalar ile bu gereksinimler biraz daha rahatlatıldı. Ancak bütün stabil solucan deliği çözümlerinden ortak nokta olarak karşımıza bir eşitsizlik çıkıyor. Boğaz bölgesindeki negatif kütle-enerji yoğunluğu. Bu noktada Warp sürücüleri yazımızda bahsettiğimiz egzotik madde, negatif enerji ve negatif kütle başlıklarını buraya taşıyarak ne olduklarını hatırlatmakta fayda var.

Egzotik Madde:

Yukarıda bahsi geçen egzotik maddeler, normal maddeden ve antimaddeden farklı karakteristik ve fiziksel özelliklere sahip spekülatif madde çeşitlerine denir ve bu spekülatif maddelerin bazı çeşitleri fizik kanunlarını ihlal eder. Egzotik maddelerin yapıtaşları bizim yapıtaşlarımızdan farklı olabilir. Hepimizi oluşturan baryonlar (proton ve nötronlar) yerine farklı atomaltı parçacıklar içerebilirler. Egzotik madde örnekleri şunlar olabilir;

Bose-Einstein Yoğunlaşması: Normalde mutlak sıfıra çok yakın, düşük sıcaklıklarda gözlemlenen, kuantum mekaniklerinin makroskopik boyutlarda vuku bulduğu, bir maddenin bütün atomlarının tek bir atommuş gibi birlik halinde titreşmesi durumudur. Bu, yüksek sıcaklıklarda gerçekleşmesi durumunda teleportasyondan, oda sıcaklığında süper iletkenlere kadar birçok inanılmaz uygulaması bulunabilecek bir madde halidir.

Kuark-Gluon Plazması: Normal şartlarda çok yüksek sıcaklık ve yoğunluklarda (örneğin Büyük Patlama sonrasındaki ilk bir kaç milisaniyede) vuku bulabilecek bir madde halidir. CERN gibi parçacık hızlandırıcılarda 4-5 trilyon Kelvin derecelik sıcaklıklarda oluşturulmaya çalışılan bu plazmada maddenin en temel yapı taşları kuarklar ve gluonlar kendilerini bir arada tutan kuvvetlerden kurtulurlar. Yani bu plazmada atom bulunmaz, atomu oluşturan yapıtaşları serbest halde bulunur.

Karanlık Madde: Nede olsa kütleçekimi haricinde normal madde ile hiç bir etkileşimini henüz gözlemleyemedik. Ne olduğunu bilmediğimiz için egzotik demekte henüz bir sakınca yok

Takyon: Işıktan hızlı hareket ettiği öne sürülen, normal madde ile kesinlikle hiçbir etkileşimi ve gerçekliğine dair hiçbir kanıt bulunmayan spekülatif parçacıklar.

Yukarıdaki egzotik madde çeşitleri ardından konumuzda ismi geçen, uzay-zaman düzlemini bükmek için gerekli olduğu düşünülen negatif kütle sahibi maddeye bakalım;

Negatif Kütleli Madde: Antimadde yada Karanlık Madde ile karıştırmayınız. Teorik fizikte, negatif kütle sahibi madde, 0 kilogram kütleden daha düşük kütleye sahip, hiçbir şeyden daha hafif diye tabir edebileceğimiz ve kütleçekimi tarafından çekilmeyen, tersine itilen spekülatif bir egzotik maddedir ve bir yada daha fazla enerji durumunu ihlal eder. Bir tartı üzerine koyarsanız tartıya ters basınç uygular ve -10 kg gibi bir sonuç görürsünüz. Eğer evrende negatif kütleli egzotik madde çeşitleri varsa, gezegenlerin, yıldızların hatta galaksilerin kütle çekimleri tarafından çok uzaklara itilmiş ve belki de hiçbir zaman ulaşamayacağımız galaksiler arası derin uzayda kaybolmuş olabilirler.

Peki fizik kanunlarını ihlal ediyorsa nasıl gerçek olabilecekmiş gibi konuşabiliyoruz? Böyle bir şeyin bizim evrenimizde bulunmaması gerekmez mi? Katı haldeki negatif kütleli madde ancak mükemmel sıvı diye tabir edilen bir halde negatif kütle sahibi madde bulunabilir. Kanada, Montreal Üniversitesi’ndeki kozmologlar Saoussen Mbarek ve Manu Paranjape mükemmel sıvı haldeki negatif kütle sahibi bir maddenin hiçbir enerji durumunu ihlal etmediğini açığa çıkardı. Gereken tek şey bu maddeyi Büyük Patlama sırasında üretmiş olabilecek bir mekanizma.

Kısacası şu anda böyle bir maddenin gerçekliğini ne inkar edip imkansız diyebilecek, nede onaylayabilecek bir durumdayız.

Negatif Enerji: Negatif enerji, adından da anlaşılacağı üzere eksi değerleri olan enerji seviyelerine denir. Karanlık Enerji ile karıştırmayınız. Tamamen kuramsal olan negatif kütleli madde aksine negatif enerji çeşitli kuantum durumlarında stabil olmayan şekilde mümkün olabiliyor. Bununla birlikte karakteristik olarak negatif enerjiye oldukça benzeyen ancak negatif enerji sayılmayan ve çok küçük ölçeklerde gerçekleşen Casimir etkisinden de bahsedelim.

1933’te Hendrik Casimir, kuantum teorisinin kanunlarını kullanarak garip bir öngörüde bulundu. Casimir’e göre vakum içerisindeki iki adet paralel, yüksüz metal plaka birbirlerini itecekti. Normalde yüksüz olan bu plakaların sabit durması gerekmekteydi ancak bu iki plaka arasındaki vakum boş değildi. Gerçekliğe giriş çıkış yapan sanal parçacıklar ile doluydu.

Bu vakum, çok kısa ömürlü elektronların ve pozitronların ortaya çıkıp birbirlerini imha ederek yok olduğu kuantum aktiviteleri ile doludur. Normalde bu yoktan varolan ufak madde-antimadde olayları enerjinin korunumu kanununu ihlal ediyor gibi görünsede belirsizlik ilkesi sebebiyle bu küçük patlamalar inanılmaz ölçüde kısa ömürlü olup, net enerjide değişikliğe sebep olmamaktadır. Böylece Casimir, bu kısa ömürlü olayların plakalar arası vakumda bir basınç yaratacağını ve bu basıncın plakaları iteceğini keşfetti. Normalde bu plakalar birbirinden uzakken bu etki gerçekleşmezken, plakalar yaklaştırıldıkça aralarında bu enerji açığa çıkmaya başlar. Bu enerji 1948’de laboratuvarda, Casimir’in öngördüğü gibi gözlemlendi. Bu enerjiyi ölçmek için inanılmaz hassas ve sanat eseri sayılabilecek ekipmanlar gerektiğinden 1996’da ilk hassas ölçüm yapıldığında bu etkiden kaynaklanan basıncın bir karıncanın ağırlığının 30.000’da 1’i kadar olduğu bulundu. Tahmin ettiğiniz gibi uzay-zamanı bükmek için pek yeterli değil.

Son olarak negatif enerjiye başka bir örnekte kara deliklerin buharlaşma sürecinde açığa çıkan, Hawking radyasyonu mekanizması sırasında oluşan kısa ömürlü sanal parçacıklar verilebilir.

Gördüğünüz üzere durum warp sürücüleri ile aynı dertten muzdarip. İhtiyaç duyduğumuz şeylerin mümkün olup olmadığı veya oldukça zayıf olan casimir etkisinden nasıl faydalanabileceğimizi bilmiyoruz. Düşünün ki arabanız için dünyanın en güçlü motorunu yaptırdınız, ancak ihtiyaç duyduğu yakıt fizik kurallarını çiğniyor.

O halde solucan delikleri konumuza geri dönelim.

İnşa edeceğimiz solucan deliğinin matematiksel olarak geçilebilmesi için boğaz bölgesinde negatif enerji-kütle değerleri gerekiyor. Negatif enerji-kütle uygulamasının mühendislik olarak nasıl yapılacağını konusunda henüz bir fikrimiz yok. Bu sebeple yukarıda bahsettiğimiz 9 ana prensipten 7 ve 9 numaralı maddeler canımızı sıkıyor.

Madde 7 canımızı sıkıyor, çünkü negatif enerji-kütle seviyelerinin boğazda yaratacağı momentum – stres tensörü limitlerin çok üstünde olabilir. Normal diyebileceğimiz şekilde solucan deliğinin kütle-çekim kuyusunda boğaza doğru ilerlerken, boğaz bölgesine yaklaştıkça maruz kalınacak momentum, basınç, enerji değişikliği astronomik değerlerde olabilir. Giderek artan bir kütleçekimi değerinden bir anda negatif bir kütleçekim alanına geçmek zaten yıkıcı olacaktır. Eğer solucan deliği inşa edeceksek, bu geçişi “yumuşatacak” ve boğaz bölgesindeki değişken kuvvetleri hafifletecek çözümler bulmamız gerekecektir.

Yine madde 7’ye bağlı olarak, boğazdaki egzotik madde geçiş yapacaklar için sorun olabilir. Bunun için solucan deliğinin yapısını değiştirip polihedral gibi simetrik olmayan hatta daha ileri gidip torus yada düz şekilli solucan delikleri mümkün olabilir.

Madde 9 da canımızı sıkıyor çünkü ihtiyaç duyulan negatif kütle-enerjinin mümkün olması gerekmekte.

Morris ve Thorne bize Madde 1-6 ve Madde 8 hususlarında işleyen solucan delikleri modelleri sunuyor. Madde 7 ve 9’u bilim, teknoloji ve mühendislik yöntemleri ile biz, siz ve gelecek nesiller mümkün yapmak zorunda. Aksi takdirde solucan delikleri mümkün olamaz.

LORENTZIAN SOLUCAN DELİKLERİNİN “HARİKALAR DİYARI”

İnşa edeceğimiz solucan deliğimiz hedef olarak ikiye ayrılır; İlki, Schwarzchild solucan deliklerinden de beklediğimiz, iki farklı evreni birbirine bağlayan yani teknik dille nedensellik yönünden birbirine bağlı olmayan iki asimptotik düz uzay-zaman bölgesi arasında köprü kuran geçitler. Diğeri de aynı evren içerisinde köprü kuracak solucan delikleridir ve bunlar ilk başta aklımıza gelmeyen sorunları da beraberinde getirir.

1) Birbirine bağlı uzay-zaman bölgelerinde zaman farklı hızlarda akabilir. Bu da eğer yeteri kadar beklerseniz, solucan deliğini zaman makinesi olarak kullanabileceğiniz anlamına gelir. Örneğin bilimkurguya giderek Interstellar filmine benzer bir durumdan bahsedelim. Solucan deliğinin bir ucu Dünya yörüngesinde, diğer ucu galaksimiz merkezindeki SagA karadeliğine çıkıyor. Gemimizle diğer tarafa geçip, karadeliğin çevresinden – özellikle kütle çekiminin zamanı ciddi ölçüde yavaşlatacak kadar yakınından – şöyle bir tur attık ve Dünya’ya döndük. Bizim için belki bir kaç hafta süren bu yolculuk esnasında, Dünya’da yüzlerce yıl geçmiş olabilir.

İki boyutlu Möbius bantının tek bir yüzü ve tek bir sınırı vardır, istediğiniz bir yönde ne kadar giderseniz gidin, içinde bulunduğunuz uzayın bütün noktalarından geçip tekrar başa döneceksinizdir.

İki boyutlu Möbius bantının tek bir yüzü ve tek bir sınırı vardır, istediğiniz bir yönde ne kadar giderseniz gidin, içinde bulunduğunuz uzayın bütün noktalarından geçip tekrar başa döneceksinizdir.

2) İki farklı bölgeyi bağlayan solucan deliği tünelinde bize farklı “harikalar” sunabilir. Tünel bir Möbius bantı yada Klein şişesi gibi yön belirlemenin mümkün olmadığı bir geometrik yapıya sahip olabilir.

Klein şişesi de başka bir iki boyutlu örnektir. Burada hiçbir yön vektörü tutarlı bir şekilde tanımlanamaz. Eğer bir yol seçip takip ederseniz sizi baş aşağı farklı bir yerde çıkartır.

Klein şişesi de başka bir iki boyutlu örnektir. Burada hiçbir yön vektörü tutarlı bir şekilde tanımlanamaz. Eğer bir yol seçip takip ederseniz sizi baş aşağı farklı bir yerde çıkartır.

Peki tüm bunların solucan delikleri ile ilgisi ne diye düşünüyorsanız hemen açıklayalım. Solucan deliğinin boğazı da eğer böyle bir yapıya sahipse diğer taraftan çıktığınızda yükleriniz aynalanmış olur. Yani kendinizin antimaddesi olursunuz. Spekülatif olarak ilginç bir düşünce ancak madde ve antimadde sağ ve sol bakımından kuantum seviyelerde birbirlerinin aynası değildir. CP ihlali denen bir durum ile madde ve antimaddenin geçirdiği radyoaktif bozunumlarda birbirlerinin aynalanmış eşdeğeri olmayan parçacıklar açığa çıkardıkları bilinmektedir. Yani antimadde desek bile maddenin birebir ayna karşılığı değildir. Bu sebeple yön belirlemenin mümkün olmadığı geometrik yapıların %100 aynalanmış sonuçlar çıkarması beklense de, bizim standart modelimiz buna izin vermez.

Böyle bir duruma izin veren spekülatif evrenlere teorik fizikte “Alice Evreni” adı verilir. Bu evrenlerdeki evren-içi tünel kuran, yön belirlemenin mümkün olmadığı solucan deliklerinden geçen herhangi bir madde kendisinin antimaddesine dönüşecektir. Böylece bu evrende yük tanımlaması artık mümkün olmaz. Lokal olarak X bölgesindeki – yüklü parçacık, örneğin elektron solucan deliğinden geçerek Y bölgesinde + yüklü pozitron olarak ortaya çıkar. Radyoaktif bozunum mükemmel gerçekleşeceği için neyin madde neyin antimadde olduğu tanımı ortadan kalkar.

BİR SOLUCAN DELİĞİ NASIL İNŞA EDİLİR

Bir solucan deliğini açık tutmanın teknolojimiz dışında olduğunu biliyoruz. Bir tanesini yaratmak da öyle.

En “kolay” diyebileceğimiz yolu planck seviyelerindeki her an varolup yok olan solucan deliklerinden bir tanesini ani, ultra-yüksek frekansta negatif enerji bombardımanına maruz bırakmak. Daha sonrasında solucan deliğinin çökmemesi için stabilize edici ünite ile boğazdaki egzotik madde/enerji seviyeleri ayarlanır. Hatta elektromanyetik sahaları kontrol ederek, egzotik madde/enerjinin boğaz içerisinde kalması ve geçiş yapanları tehlikeye atmamaları sağlanabilir.

Tabii unutmayalım; negatif enerji/madde konusunda elimizde hiçbir kaynak olmamasının yanısıra, büyüteceğimiz solucan deliğinin diğer ucunun nerede olduğunu bilemeyiz. Eğer işimize yaramayacak bir yerde ise onu gitmek istediğimiz yere ulaştırmak imkansız olabilir. Bir solucan deliğini hareket ettirmek için solucan deliğinin bütün uzay-zaman yapısını hareket ettirmeliyiz. Yani bir tür warp etkisi kullanmalıyız.

Bunun yanında makroskobik bir solucan deliğini uzayda, herhangi bir yerleşim yerinden/gezegenden uzakta yapmak gerekir, Dünya’da yaratmak kesinlikle tehlikelidir. Sonuçta bir uzay zaman bükülmesidir ve kapandığı anda çökme kütleçekim kuyusu tekillk benzeri bir etki yaratıp kısa süreli bir olay ufku yaratabilir. Geçicide olsa karadelik benzeri bir yapı bizim için hiç hoş olmaz.

“KAPIYI AÇIK TUTMAK!”

Morris ve Thorne 1988’deki çalışmalarında kabul edilebilir kütleçekimsel gel-git (< 1g) ve kat ediş süresi (< 1 yıl) gösteren bazı solucan deliği denklemleri kurmuşlardı. Bu solucan deliklerinin  açık kalabilmesi ve olay ufku oluşturmalarının önüne geçmek için gereken negatif kütle-enerji durumuna sahip egzotik maddeleri tamamen imkansız kılan bir mekanizma olmadığını biliyoruz. Yinede yapılan denklemler yıllar içinde farklı boyutlardaki solucan delikleri için oldukça değişken egzotik madde/enerji ihtiyaçları gösteriyor.

Morris ve Thorne’un modellediği bir solucan deliği Dünya ve Güneş arasındaki mesafenin 600 katı bir boğaz bölgesine sahipti! Böyle bir solucan deliğini açık tutabilmek için 10^8 Güneş kütlesi kadar egzotik maddenin boğazda bulunmasına ihtiyaç vardı. Başka bir solucan deliği modelinde ise 1 metre çapındaki boğazı açık tutmak için 1 Jüpiter kütlesinde egzotik madde sıkıştırmak gerekiyor. Hala biraz fazla.

Neyse ki ilerleyen yıllarda kuantum fiziği bize daha umut vaad eden sonuçlar sundu. Kuantum teorisi sayesinde vakumda parçacıkların yoktan varolup tekrar kaybolduğu dalgalanmalar olduğunu biliyoruz. Fizikçiler, bu kuantum dalgalanmalarını bastırarak (average null energy condition denen enerji durumunu ihlal ederek) negatif enerji yayan egzotik atomların ortaya çıkabileceğini düşünüyorlar. Üstelik solucan deliğinin mimarisi mükemmele yakın olursa, ihtiyaç duyulan egzotik madde astronomik yerine mikroskobik miktarlarda olabilir.

Her koşulda solucan deliklerinin warp sürücülerinden daha ekonomik olacağı aşikar.

SONUÇ

Gördüğünüz üzere, solucan deliği fikri akademik ve bilimkurgu açısından oldukça ilginç olsa da, pratik kullanım için henüz imkansızdır. Birçok teknolojik imkansızlığın aşılmasının gerekmesinin yanı sıra, uzay-zamana tam bir hakimiyet, 11 boyutlu evren ve çoklu evrenler fikirlerinin toplandığı M-teorisinin daha iyi anlaşılması, bilinmeyenlerinin çözülmesi gerekmektedir. Şu anki teknolojimiz ve gelişim hızımıza bakacak olursak geçilebilir bir solucan deliğinin inşasından henüz yüzlerce yıl gerideyiz. Ancak umutsuzluğa kapılmaya gerek yok. Bugün geçmiştekilerin imkansız dedikleri şeyler hayatımızın sıradan bir parçası artık. Bu sebeple umudumuzu yitirmeyelim. Warp sürücüleri ve solucan delikleri arasından hangisi daha zor/imkansız kestiremiyoruz. İkisi de aynı türde egzotik maddeye ihtiyaç duyuyorlar. Yıldızlararası mesafeleri birbirine bağlayan solucan deliği inşasında iki ağzıda yanyana inşa edersek, bir tanesini gitmek istediğimiz yere götürmemiz gerekirken, bir warp sürücüsü çok yüksek miktarda egzotik madde istiyor. Bu sebepler ile şimdilik warp ve solucan delikleri erişimimiz dışında. Yıldızlararası mesafeleri aşmak için elimizdeki en büyük şanslar hala ışık yelkenlileri ve antimadde roketleri. Bir sonraki yazımızda görüşmek üzere, hoşçakalın.

Berkan Alptekin

http://arxiv.org/pdf/gr-qc/9710001v2.pdf
http://arxiv.org/pdf/1603.08503v2.pdf
https://en.wikipedia.org/wiki/Wormhole
http://arxiv.org/abs/1407.0989
http://casa.colorado.edu/~ajsh/schww.html
Lorentzian Wormholes: From Einstein to Hawking (1996 baskısı) – Matt Visser

Black Holes & Time Warps – Kip S. Thorne
The Science of Interstellar – Kip S. Thorne

Fizik / Astrofizik

Negatif Enerji ve Negatif Kütleli Madde Nedir?

• İçerik Üreticisi:

Bu yazıyı yaklaşık 3 dakikada okuyabilirsiniz.

Negatif enerji ve negatif kütle, özellikle “warp sürüşü” veya “solucan deliği” gibi kavramların konuşulduğu ortamlarda sıklıkla dile getiriliyor.

Bu kavramların gerçekliği her ne kadar tartışmalı olsa ve bilim insanlarının büyük kısmı tarafından spekülasyon olarak görülse de, ne olup olmadıklarını açıklamak gerektiğini düşündük.

Negatif Kütleli Madde

Negatif kütleli madde denildiğinde çoğumuzun aklına Antimadde ya da Karanlık Madde geliyor. Ancak, bunlarla karıştırmayınız. Teorik fizikte, negatif kütle sahibi madde, 0 ağırlıktan daha düşük kütleye sahip, “hiçbir şeyden daha hafif” diye tabir edebileceğimiz ve kütle çekimi tarafından çekilmeyen tersine itilen spekülatif bir egzotik maddedir.

Bir ya da daha fazla enerji durumunu ihlal eder. Bir tartı üzerine koyarsanız tartıya ters basınç uygular ve -10 kg gibi bir sonuç görürsünüz. Eğer evrende negatif kütleli egzotik madde çeşitleri varsa, gezegenlerin, yıldızların hatta galaksilerin kütle çekimleri tarafından çok uzaklara itilmiş ve belki de hiçbir zaman ulaşamayacağımız galaksiler arası derin uzayda bulunuyor olabilirler.

Peki fizik kanunlarını ihlal ediyorsa nasıl gerçek olabilecekmiş gibi konuşabiliyoruz? Böyle bir şeyin bizim evrenimizde bulunmaması gerekmez mi? Katı haldeki negatif kütleli madde, ancak “mükemmel sıvı” diye tabir edilen bir halde negatif kütle sahibi maddede bulunabilir.

Kanada, Montreal Üniversitesi’ndeki kozmologlar Saoussen Mbarek ve Manu Paranjape mükemmel sıvı haldeki negatif kütle sahibi bir maddenin hiçbir enerji durumunu ihlal etmediğini açığa çıkardı. Gereken tek şey, bu maddeyi Big Bang esnasında üretmiş olabilecek bir mekanizma. Kısacası şu anda böyle bir maddenin gerçekliğini ne inkar edip imkansız diyebilecek ne de onaylayabilecek bir durumdayız.

Negatif enerji

Negatif enerji, adından da anlaşılacağı üzere eksi değerleri olan enerji seviyelerine denir. Karanlık Enerji ile karıştırmayınız. Tamamen kuramsal olan negatif kütleli madde, aksine negatif enerji çeşitli kuantum durumlarında stabil olmayan şekilde mümkün olabiliyor.

Bununla birlikte karakteristik olarak negatif enerjiye oldukça benzeyen ancak negatif enerji sayılmayan ve çok küçük ölçeklerde gerçekleşen Casimir etkisinden de bahsedelim. 1933’te Hendrik Casimir, Kuantum Teorisi’nin kanunlarını kullanarak garip bir öngörüde bulundu. Casimire göre; (alttaki resimde görülen) vakum içerisindeki iki adet paralel, yüksüz metal plaka birbirlerini itecekti.

Normalde yüksüz olan bu plakaların sabit durması gerekmekteydi ancak bu iki plaka arasındaki vakum boş değildi, gerçekliğe giriş, çıkış yapan sanal parçacıklar ile doluydu. Bu noktada sanal parçacıklarla ilgili yazımıza göz atmanız faydalı olacaktır. (Bkz. Belirsizlik ve Kuantum Dalgalanmaları)

Bu vakum, çok kısa ömürlü elektronların ve pozitronların ortaya çıkıp birbirlerini imha ederek yok olduğu kuantum aktiviteleri ile doludur. Normalde bu yoktan var olan ufak madde-antimadde olayları Enerjinin Korunumu Kanunu’nu ihlal ediyor gibi görünse de; belirsizlik ilkesi sebebiyle bu küçük patlamalar inanılmaz ölçüde kısa ömürlü olup, net enerjide değişikliğe sebep olmamaktadır. Böylece Casimir bu kısa ömürlü olayların plakalar arası vakumda bir basınç yaratacağını ve bu basıncın plakaları iteceğini keşfetti. Normalde bu plakalar birbirinden uzakken bu etki gerçekleşmezken, plakalar yaklaştırıldıkça aralarında bu enerji açığa çıkmaya başlar.

Bu enerji 1948’de laboratuvarda, Casimir’in öngördüğü gibi gözlemlendi. Bu enerjiyi ölçmek için inanılmaz hassas ve sanat eseri sayılabilecek ekipman gerektiğinden, 1996’da ilk hassas ölçüm yapıldığında bu etkiden kaynaklanan basıncın bir karıncanın ağırlığının 30 binde 1’i kadar olduğu bulundu. Tahmin ettiğiniz gibi uzay-zamanı bükmek için çok yeterli değil.

Negatif enerjiye başka bir örnek de, kara deliklerin buharlaşma sürecinde açığa çıkan ve Hawking radyasyonu mekanizması sırasında oluşan kısa ömürlü sanal parçacıklar verilebilir.

Hazırlayan: Berkan Alptekin

Okumaya devam et

Fizik / Astrofizik

Hologram Evren Kavramı Ne Anlama Geliyor?

• İçerik Üreticisi:

Bu yazıyı yaklaşık 6 dakikada okuyabilirsiniz.

Yaşadığımız evrenin aslında bir hologram olduğu söylemi son yıllarda fizik ile ilgili ortaya çıkan en büyük yanlış anlamalardan birine sebep olmakta. Bu yazıda konuda geçen kavramları ele alacağız, fizikçiler aslında ne demek istiyor onu açıklayacağız.

Hayır evrenimiz hologram değil. Bu sözcük evrenin olması gerektiği düşünülen bazı özelliklerini tanımlamak için kullan bir metafor. Bilimkurguda rastladığımız “bir simülasyonun içinde yaşama” eylemini sağlayan hologramla ilgisi yok. Bunu netleştirelim ve konunun bel kemiğini oluşturan Holografik İlke aslında ne demek ona bakalım.

Holografik İlke

Öncesinde başka bir konuya, entropiye bakmamız gerekiyor. Bir kara deliğin olay ufku sınır kabul edilir ve entropisi olay ufku yüzey alanının 4’e bölünmesiyle bulunur. Evrende, içinde madde barındıran, kara delik dışında bir bölge düşünün. Bu bölgenin kara deliğe benzer bir şekilde toplam entropisinin bir limiti var mıdır?

Biraz düşünecek olursak; eğer bu bölgenin içine madde eklemeye başlarsak bölgenin entropisini arttırırız. Fakat madde eklemeye devam ederken belli bir noktadan sonra o bölgede o kadar çok madde birikir ki, sonunda bu bir karadelik oluşturur.

Yani evrende bir bölgenin entropisini sonsuza kadar arttıramıyoruz. Limit var; çünkü entropi arttırmak için aynı hacime daha çok madde eklemek eninde sonunda kara delik oluşturuyor. Dolayısıyla evrende bir bölgede olabilecek en yüksek entropi nedir diye merak ediyorsak; o bölgenin yüzey alanının 4’e bölmemiz gerekiyor. (sanki kara deliğin entropisini ölçüyormuş gibi)

Entropiye aslında bir bilgi ölçeği de diyebiliriz. Evrendeki her madde, her parçacık, her dalga bilgi, yani enformasyon taşır. Bir yerde ne kadar çok madde varsa, o kadar çok bilgi vardır, dolayısıyla entropi o kadar yüksektir. Bu çıkarım bir fiziksel ilke, yani uymak zorunda kalınan bir kural. Holografik ilke adı verilen bu kural kısaca demekte ki; bir miktar hacmin içerisindeki bilgi miktarı, o hacme tanımlanan toplam bilgi miktarını geçemez.

Fizikte ilke/prensip adı altında geçen tanımlamalar, bir konuyla ilgili teorileri formülize etmek için kullanılır. Holografik ilke ise, Kuantum yerçekimi teorisini oluşturabilmek için kullanılması gereken bir ilkedir. Kuantum yerçekimi teorisi oluşturmak için işe koyulduysanız, bulduğunuz teori ya bu ilkeye uymak zorunda, ya da bu ilkeyi ihlal ediyorsa neden ihlal ettiğini çok iyi açıklayabilmek zorunda. Yoksa, teoriniz tutarsız olur.

Yapısı gereği deneysel olarak test edilebilecek tahminlere sahip olmayan bu gibi bilimsel ilkeler, belirli bilimsel teorileri oluşturmak için kullanılırlar yukarıda belirttiğimiz gibi. Dolayısıyla, prensibin tek başına varlığı, evrenin hologram olduğu veya evrenin bu prensibe gerçekten uyduğu anlamına gelmez.

Evrenin Holografik ilkeye uyup uymadığı ifadesi ise test edilmesi gereken bir önermedir. Fakat bunun yapılabilmesi için önce işe yarar, çalışan bir kuantum yerçekimi teorisi oluşturmak gerekiyor.

Dolayısıyla, eğer biri size evrenin hologram olduğundan bahsediyorsa, o kişinin aslında neyden bahsettiği hakkında bir fikri olmadığı söylenebilir. Medyada son zamanlarda çokça ortaya çıkmaya başlayan evrenin hologram olduğu kanıtlandı benzeri haberler de benzer bir şekilde yanıltıcı ifadelerle son zamanlarda yapılan çalışmaları anlatmaya çalışıyor.

The Matrix, hologram kavramının ötesinde, dijital sanal bir evren tasvir eder.

Bu haberlerin yapıldığı makaleler aslında biri AdS diğer CFT adında iki gerçek olmayan teorinin bağlantısını ifade eden AdS/CFT konjektürü adlı matematiksel tanımlamaya dayanmakta ve bu, yaşadığımız evren ile ile ilgili bir şey de söylememekte.

Konuyu genel hatlarıyla anlayabilmeniz için bu iki karışık matematiksel teorinin detaylarını bilmeniz gerekmiyor merak etmeyin. Sadece uzayı farklı şekilde tanımlayan iki farklı matematiksel modelin olduğunu ve bu ikisinin birbirleriyle ilişkisinin üzerine çalışıldığını söylüyorum. Aşağıda iki teoriye de kısaca değineceğim.

O zaman neden bu AdS/CFT’ye ihtiyaç duyuluyor?

Yukarıda anlattığımız holografik prensip sadece sözlerden oluşan bir şey ve sözler keskinlik konusunda iyi değillerdir, hesaplanamazlar. Fizikçiler düşünceleri matematiksel denklemler halinde yazmayı severler, böylece bahsedilen şeyin niteliği ve niceliği analiz edilebilir olur.

AdS/CFT konjektürü de bu şekilde holografik prensip’e dayanan matematiksel bir modeldir. Fakat bu matematiksel model gerçek değil yani bizim evrenimizi tanımlamıyor. Peki madem gerçek değil, o zaman neden üzerinde çalışıyor?

Fizikte “Oyuncak Teori” olarak da bilinen bir kavram bu. Gerçek olmadığı bilindiği halde bu gibi teorilerin üzerinde çalışılmasının iki nedeni var.

1 – Basit bir model olduğu için daha karmaşık ve gerçek olan modellerde yapılamayan hesaplamaları yapmaya olanak sağlamaları.

2 – Gerçekçi bir modelimizin olmadığı bir alanda, elimizdeki verilerle ne yapabildiğimize bakabilmek.

Peki o zaman AdS/CFT konjektürü bize ne anlatıyor? Teknik detayına girmediğimizde bunun sicim teorisinde tanımlanan D3-zarıyla uğraştığını söyleyebiliriz.

Bu zara iki farklı perspektiften bakılıyor. Bir perspektiften bakıldığında 5 boyutta (kuantum) yerçekimi teorisi gibi duruyor, buna AdS tarafı deniliyor. Diğer perspektiften yani CFT tarafından bakıldığında ise yerçekiminin dahil olmadığı 4 boyutlu teori gibi duruyor.

adc67216f99baacc75f599e955427160

Fakat zar aynı zar olduğu için, hangi perspektiften bakarsak bakalım aynı şekilde davranması gerekmekte. Yani aynı hesaplamaları 5 boyutlu teoride de 4 boyutlu teoride de yaptığımızda aynı sonuçları almalıyız.

Bir şeyin bu şekilde iki farklı tanımının olması, yani modelin ikili yapısı, hesaplamalar yaparken oldukça kullanışlı, faydalı oluyor. Hesaplanmak istenen şey eğer yerçekiminin dahil olduğu AdS tarafında hesaplanması çok zor ise, yerçekimsiz olan CFT teorisinde hesaplanarak bulunabiliyor.

AdS/CFT modeline konjektür yani varsayım sıfatını vermemin nedeni daha tam kanıtlanamamış olması. Fakat bu konjektürün doğru olabileceğine dair birçok veri var. Bunlar yukarıda anlattığımız gibi hesaplamaların iki farklı perpektiften de bakılarak yapılıp karşılaştırılmasıyla ve sonuçların tutmasıyla olmakta. Fakat sonuçların her zaman tutarlı olacağı henüz söylenememekte.

Bilim sitelerinde “fizikçiler evrenin hologram olduğuna dair kanıt buldular” diye haberlere rastladığınız zaman, o habere konu olan makalenin aslında demek istediği şey AdS/CFT konjektüründe tutarlı olan bir hesaplama daha bulunduğu. Fakat tekrar edelim, bu bizim evrenimizle ilgili bir şey söylememekte, sadece gerçek olmayan model hakkında daha yeni bir bilgi vermekte.

Modelin gerçek olmamasının nedenlerine gelecek olursak:

  • Model sırtını sicim teorisine dayamakta ve aslında sicim teorisi de “Oyuncak Teori” sınıfına girmekte. Sicim teorisi evrenimizi ile ilgili gerçek bir tanımlama yapmamakta. Sanal bir evren tanımı yapmakta ve bu evren bazı açılardan bizim evrenimiz ile benzerlikler taşıyor fakat bazı açılardan oldukça farklı.

  • Yerçekiminin de dahil olduğu perspektife AdS deniliyor çünkü bu evreni “Anti de Sitter” adında özel bir geometri ile tanımlıyor. Evrenimiz bu geometriye sahip değil. Hatta bunun tam tersi olan “de Sitter” ile tanımlanmış durumda. Dolayısıyla AdS bizim evrenimize bağlı bir tanım yapmıyor.

  • Yerçekiminin dahil olmadığı perspektif olan CFT ise evreni Conformal Simetri adında özel bir geometri ile tanımlıyor. Bu nedenle adı Conformal Field Theory/Conformal Alan Teorisi. Fakat evrenimiz hem conformal simetriye sahip değil hem de yerçekimi var. Dolayısıyla CFT de bizim evrenimize bağlı bir tanım yapmamakta.

Sonuç olarak; AdS/CFT konjektürü sanal bir evren modeli tanımlıyor ve bu tanımladığı evren bizim evrenimiz değil. Holografik ilkenin matematiksel bir karşılığı. Oldukça önemli olmasına ve teorik fizikte bir çok uygulama alanı olmasına rağmen bizim evrenimizle bir ilişkisi yok.

Yine de Holografik ilenin gerçek olmayan matematiksel bir modeli olan AdS/CFT çalışmaları, ileride bizim evrenimize de uygulanabilecek gerçek bir model için zemin hazırlamakta ve serimizin ilk yarısında belirttiğimiz gibi işleyen bir kuantum yerçekimi teorisi ortaya çıktıktan sonra holografik prensibin empirik olarak sınanmasının da önü açılacak.

Hazırlayan: Taylan Kasar

Konuyla ilgili diğer yazılarımız:
Evren bir simülasyon mu? – 1
Evren bir simulasyon mu? – 2

Okumaya devam et

Fizik / Astrofizik

Yıldızların Rengi ve Sıcaklığı Arasındaki İlişki

• İçerik Üreticisi:

Bu yazıyı yaklaşık 3 dakikada okuyabilirsiniz.

Yıldızların rengi ve sıcaklığı arasındaki ilişki bazen kafa karıştırıcı olabiliyor. Astronomi sitelerinde vakit geçirmeyi seven pek çoğumuz şu bilgi notuyla karşılaşmışızdır; ”Zannedilenin tersine mavi yıldızlar, kırmızılardan çok daha sıcaktır.” Peki ama neden?

Günlük yaşamımızdan da bildiğimiz üzere, ısındığı için ışık yayan cisimlerin yaydıkları ışığın rengi, cismin sıcaklığıyla ilgilidir (fluoresan ve led türü soğuk ışık kaynakları şu anki konumuz değil). Yıldızlar dahil olmak üzere, ısısı nedeniyle ışık yayan tüm cisimler aslında kara cisim ışıması yaparlar.

Örneğin kırmızımsı – turuncu renkte gördüğümüz elektrikli sobanın çubuklarının sıcaklığı 2.000 santigrat derece kadardır. Evlerimizde kullandığımız Edison tipi bir akkor ampulün içindeki flaman sarımsı ışık yayar. Bu flamanın sıcaklığıysa yaklaşık 3.000 derece civarındadır.

hand-holding-lit-lightbulb

Eğer bir cismi daha fazla ısıtabilirsek renginin giderek maviye döndüğünü görebiliriz. Bir odunu yaktığımızda, odunun bitişiğinde yanmakta olan ateş mavi renktedir. Yanan ateş, kaynağından uzaklaştıkça, alevi oluşturan partiküller soğuduğu için maviden kırmızıya doğru kayar. Bunu bir çakmak veya kibrit yaktığımızda da gözleyebiliriz.

Örneğin bir kibrit yanarken ateş, kaynağına en yakınken mavi renktedir. Fakat, kaynağından uzaklaşıp havadaki görece düşük sıcaklıkla karşılaştıkça yavaş yavaş sıcaklığını kaybeder, mavi renkten beyaza, beyazdan sarıya, sarı renkten de kırmızıya döner ve gözden kaybolur.

Tabi bu arada şunu belirtmek lazım; Dünya üzerinde gördüğümüz alevlerin rengini sadece sıcaklık belirlemez. Alevi oluşturan kimyasal madde de renge etki eder. Kibrit ve çakmak örneğinde mavi alevli kısım aslında 1.000 santigrat dereceden düşük sıcaklıkta olmasına rağmen mavidir, çünkü alevi oluşturan kimyasallar bu rengi yayarlar. Ancak, bunu göz ardı edersek, “öğretici örnekleme” açısından uygundur.

1010419_391319711014514_490058086_n

Türlerine göre yıldızlarının evrende bulunma oranları. Her 1 adet O-B sınıfı yıldıza karşı diğer yıldız türlerinden kaç tane olduğu. Şu makalemize de göz atabilirsiniz.

 

İşte yıldızlarda da durum buna çok benzerdir. Elbette yıldızlarda alev yoktur. Sıcaklık, yıldızın çekirdeğindeki nükleer reaksiyon sonucu alevsiz olarak oluşur. Daha başka bir deyişle, yıldızları ısıtan şey ateş değildir. Fakat bizler Dünya üzerinde sıcaklığın sadece “kimyasal bir reaksiyon olan” ateş ile oluştuğunu gözlemlediğimiz için, yıldızları da birer alev topu olarak düşünürüz. Bu, içine düştüğümüz bir yanılgıdır.

Sıcak yıldızların ışığı mavi, soğuk yıldızlarınkiyse kırmızıdır. Yıldızın rengini, çekirdek bölgesindeki nükleer reaksiyonun miktarı belirler. Büyük ve sıcak yıldızlarda bu reaksiyon çok fazla olduğu için yıldız da orantılı olarak o kadar fazla ısınır ve rengi de bununla bağlantılı olarak kırmızıdan maviye doğru (sırasıyla kırmızı, sarı, beyaz, mavi) değişir.

Burada kırmızı yıldızlara soğuk demekteyiz fakat soğuk değildirler, bu “göreli” bir tanımlamadır. Mavi renkli yıldızlar 30.000 santigrat dereceden fazla sıcak olabilirken, kırmızı renkli yıldızlar 2.500 – 3.000 derece kadar sıcaktırlar. Haliyle 30.000 derecelik bir sıcaklığa karşı 2.500 derece, 12 kat soğuktur.

Yıldızların renkleriyle sıcaklıklarının ilişkisini gerçek anlamda anlayabilmek ve yıldız asrofiziği açısından ele alabilmek için; şu üç yazımızı muhakkak okumalısınız:

  1. Tayf
  2. Tayf Türleri
  3. Kara Cisim Işıması

Hazırlayan: Kemal Cihat Toprakçı
Bu yazımız, sitemizde ilk olarak 8 Mart 2015 tarihinde yayınlanmış, güncellenerek tekrar yayına sunulmuştur.

Okumaya devam et

Fizik / Astrofizik

Güneş Sistemi’nin Oluşumu: Modern Laplace Teorisi

• İçerik Üreticisi:

Bu yazıyı yaklaşık 10 dakikada okuyabilirsiniz.

Modern Laplace Teorisi günümüzde Güneş Sistemi’nin oluşumunu en iyi anlatan ve en kabul görmüş teoridir. Ancak, Güneş Sistemi’nin oluşumunu açıklamaya çalışan teorileri geçmişten günümüze doğru anlatmaya çalıştığımız yazı dizimizi eğer okumadıysanız, öncelikle birinci ve ikinci bölümlerini okumanızı öneririz.

Laplace’ın ortaya attığı orjinal teorideki açısal momentum sorunu Roche’nin denemesinden başlayarak 100 yılı aşkın süre boyunca çözülmeye çalışılmış, bir çok farklı model denenmiştir. (Açısal momentumun ne olduğu ve nasıl bir sorun yarattığı yazı dizimizin önceki bölümlerinde anlatılmıştı.)

Bu uğraşlar sayesinde Güneş Sistemi’nin oluşum sürecindeki farklı olaylara zaman içinde açıklıklar getirilmiş, 1974’te astronom Andrew Prentice tarafından Modern Laplace Teorisi adı altında daha bütünlüklü bir teori oluşturulmuştur. Teori, kendisinden birkaç sene önce ortaya konulan Güneş Nebulası Teorisi’nin bir devamı gibi durmasının yanında gezegen oluşumlarını ele alışı Protoplanet Teorisi ile benzerlik taşır.

Güneş Sistemimizi oluşturan ana nebulanın çapının 20 parsek (1 parsek = 3.26 ışık yılı, yani 31 trilyon km) olduğu düşünülmektedir. Güneş sistemi bu nebulanın sadece 0.01-0.1 parsek çapındaki bir parçasının çökmeye, yoğunlaşmaya başlamasıyla meydana gelmiştir.

orion_nebula_complex_wide

Fotoğrafta görülen Orion bulutsusu 3.5 parsek (1 parsek = 3.26 ışık yılı) büyüklüğündedir ve 700 civarı yıldıza ev sahipliği yapmaktadır.

 

Güneş öncesi nebulası adını verdiğimiz bu parçada yoğunlaşmaya neden olan, daha doğrusu katalizör görevi gören şeyin süpernovalardan yayılan şok dalgaları olabileceği tahmin edilmiştir. Bu şok dalgaları sayesinde ortamdaki gaz ve toz kümelenmeye başlar ve kütle çekimi etkisiyle yıldız sistemleri meydana gelir. Süpernovalar kütlesi oldukça yüksek olan ve dolayısıyla kısa ömürlü olan yıldızların ömürlerinin sonuna gelince infilak etmeleri sonucu etrafa şok dalgasıyla birlikte içlerindeki materyali de saçarlar.

Demir elementinin kararsız izotoplarından olan 60Fe ve benzer şekilde aluminyum izotopu 26Al, sadece süpernova patlamalarıyla ortaya çıkan ürünlerdendir ve Dünya’ya düşmüş meteoritlerde bu izotoplar bulunmuştur. 60Fe daha eser miktarda bulunduğu için Güneş Sistemi’ni oluşturan etkiyi yaratacak patlamadan çok daha önceki çevrimlerden arta kaldığı düşünülmektedir fakat 26Al miktarı, etrafta 20 Güneş kütlesinden daha büyük bir yıldızın Güneş Sistemi oluşmadan önce patladığını ve sistemimizi oluşturacak gaz ve toza etki ettiğini doğrulamakta.

Supernova’dan gelen şok dalgasının etkisiyle kümelenmeye başlayan bulutsu kütle çekimsel olarak baskın hale geldiğinde çökmeye başlar. Merkezde yoğun bir çekirdek oluştuktan sonra kütle çekimsel alan büyüyüp etraftaki gazları da çekmeye başlar ve daha da büyür. Akresyon adı da verilen bu süreçle etraftaki gazlar sistemin içine dahil edilir ve sistem dışarıdan bağımsız bir hale gelir. Bu andan itibaren içsel süreçlerle evrilme devam eder.

Merkezdeki çekirdek, etrafından madde aldıkça daha az hacme sıkışan bulutsu açısal momentumunu korumak için çok daha hızlı bir şekilde dönmeye başlar. (bir patencinin kendi etrafında dönmeye başladığı sırada kollarını ve bacaklarını bir araya topladığında hızlanması da aynı nedenden dolayıdır.)

Sisteme yandan baktığımız zaman, nebulanın yukarısından ve aşağısından çekilen parçacıkların çarpışmaları ve dikey enerjilerini bu şekilde yok etmeleri nedeniyle sistem yüksekliğini kaybedip genişleyerek bir disk şeklini almaya başlar. Gezegenlerin Güneş ile neredeyse aynı düzlemde yer almalarının nedeni budur.

starbirthdisc477512

Bu ilustrasyonda görülen başlangıç diski ortalama 100 AU genişliktedir. Merkezinde proto yıldız olan bu diskte açısal momentum ve sıcaklık nedeniyle gazlar kenarlara doğru gittikçe genişleyen bir biçimde ilerlerken daha ağır maddeler kütle çekimi etkisiyle içeriye doğru sürüklenir. Modern Laplace Teorisi’ne göre nebula ortalama 100,000 yıl içinde disk şeklini almıştır.

 

Disk küçülmeye devam ederken 10 milyon yıl içinde gaz yapılı dış gezegenler oluşur. Kayaç gezegenlerin oluşması 10-100 milyon yıl içinde gerçekleşir. 50 Milyon yıl içinde ise merkezdeki T-Tauri benzeri proto yıldızın (ön yıldız) kütlesinin yarattığı basınç ve sıcaklık Hidrojen füzyonu başlatacak seviyeye ulaşır, Güneş doğar.

Maddenin nasıl dağıldığına bakacak olursak; bu disk oluşumu sırasında Güneş’e 4 AU (1 AU “astronomik birim” = 150 milyon km) kadar yakın konumlarda hafif gazlar sıcaklık ve basınç dolayısıyla kendilerine yer bulamazken yüksek sıcaklıklarda yoğunlaşma özelliğine sahip olan Kalsiyum ve Alüminyum açısından zengin oluşumlar Güneş’e yakın konumlarda toplanmaya başlarlar.

Kalsiyum-Alüminyum oluşumlarının biraz daha ötesinde ise milimetre ve daha ufak ölçeklerde Krondül adı verilen ve serbestçe dolaşan erimiş damlalar olan silikat küreleri oluşur. En yaygın meteorit tipi olan Krondrit’lerde yani kaya meteoritlerinde bulunurlar.

Yoğunlaşan bu gibi moleküllerin ve demir, nikel alüminyum gibi metal elementlerinin birleşmesiyle oluşan taş ve kaya parçacıkları Güneş Sistemi’nin iç kesimlerinde, çapı 10km’ye varan, Planetesimal‘ler adını verdiğimiz yapıları meydana getirmeye başlarlar ve disk halkalı bir yapıya dönüşme sürecine girer.

Allende_meteorite

Fotoğrafta Allende meteoritinden bir kesit görülmekte. Meteoritin üstündeki beyaz lekeler Güneş sisteminin ilk zamanlarında oluşmuş olan Kalsiyum-Alüminyum’lardır.

 

Gaz ve tozdan oluşan bu diskin iç kısımlarında su molekülleri sıcaklıktan dolayı kristalleşip donamaz. Dış kısımlara doğru gidildikçe, buz hattının ötesinde su molekülleri donmaya başlar. İç kısımlardaki metaller ve silikatlara göre çok daha yüksek miktarda bulunan bu moleküller, donup çarpışmaya ve daha büyük yapıları; buz kayaları oluşturmaya başlarlar.

Yeterince büyüyüp gezegenimsiler halini aldıklarında hızlı bir şekilde birkaç milyon yıldır var olan gaz diskinin en büyük parçasını oluşturan hidrojen ve helyum ile beslenmeye başlarlar. 3 milyon yıl içinde Dünya’nın kütlesinin 4 katı kadar kütle kazanabilirler ve bu gezegenimsiler 10 milyon yıl içinde gaz devlerini oluştururlar.

Bu sebeple güneş sistemimizdeki dış gezegenler, iç gezegenlere oranla çok daha hızlı bir şekilde oluşmuştur. Jüpiter‘in buz hattının hemen ötesinde olması bir rastantı değildir. Buz hattına geçince yoğunlaşmaya başlayan materyaller bir bariyer görevi görerek ortalama 5 AU uzaklıkta birikmeye neden olmuş ve gezegenimsinin oluşum sürecini hızlandırmıştır.

Satürn ise Jüpiter‘den birkaç milyon yıl sonra oluşumunu tamamlamıştır, Jüpiter’den daha düşük kütleli olmasının nedeni etraftaki hidrojen ve helyum gazlarının büyük bir kısmının daha önce Jüpiter tarafından ele geçirilmesinden kaynaklanmaktadır.

olusumdiski54454545

Uranüs ve Neptün‘ün ise günümüzde bulundukları bölgede oluşma ihtimali düşük görülmekte. Materyal dağılımına bakıldığı zaman bu kadar fazla kütleye sahip olmaları oldukça zor görünmesinin yanında, oluşmaları için geçen süre de birkaç yüz milyon yıla yayılıyor.

Bu nedenle Uranüs ve Neptün’ün Güneş’e daha yakın bir konumda, Jüpiter ve Satürn civarlarında gezegen çekirdeklerini oluşturduklarını ve daha sonra yörüngelerinin değiştiğine dair geliştirilmekte olan yörünge göçü modellerinden Nice 2 Modeli günümüzde çalışılmakta. Bu teoriye göre, buz devleri ilk evrelerinde rezonansa (Satürn ve Jüpiter’in kütle çekimsel itimine) kapılmış durumdalar ve oluşumlarından milyonlarca yıl kadar sonra günümüzdeki yörüngelerine yerleşiyorlar.

Dış gezegenlerin yaşadıkları rezonanslar ve yörünge göçleri, Güneş sisteminin daha dış bölgelerindeki yapıların oluşumunda da pay sahibiler.

Neptün’ün ötesindeki Kuiper kuşağı, saçılma diski ve Oort Bulutu buzul yapıya sahip olan kuyruklu yıldızların kaynağını oluşturmaktalar. Güneş’ten oldukça uzakta olan bu bölgelerde yeterli kütle olmadığı için madde akresyona (kümelenmeye) uğrayamaz ve gezegenler oluşturamaz.

olusumdiski454784212

Çizimde yeşil yörünge Jupiter’i, turuncu yörünge Satürn’ü, turkuaz yörünge Uranüs’ü ve koyu mavi yörünge Neptün’ü temsil etmekte.

 

Kuiper kuşağı günümüzde 30-55AU uzaklıkları arasında olsa da Güneş sisteminin ilk zamanlarında daha yakın konumdaydı ve yoğunluğu daha fazlaydı. Dış kısımları 30AU’ya kadar uzanırken içeride günümüzde Neptün ve Uranüs’ün bulunduğu yörüngeleri kapsamaktaydı.

Modele göre Jüpiter ve Satürn’ün, yörüngelerini temizlerken ilk 500 milyon yıl içinde 2:1 oranında rezonansa girmeleri (yani Satürn Güneş çevresinde 2 tam tur atarken Jüpiter’in 1 tam tur atması), çevrelerinde kütle çekimsel bir itki etkisi oluşturuyor ve bu nedenle önceden Güneş’e daha yakın olan Neptün, Uranüs’ün ötesine doğru sürükleniyor. Bu sırada eski Kuiper Kuşağı kalıntılarını da süpürüyor.

Buz devlerinin yörüngelerinin ötelenmesiyle birlikte daha dışarıdaki ufak buz kayaları da onların çekim etkisiyle birlikte iç bölgelere doğru yöneliyorlar. Jüpiter’in etkisiyle çok daha eliptik ve parabolik yörüngelere girmeye başlayan bu cisimlerin bir kısmı sistemin dışına doğru yol almaya başlıyor ve Oort Bulutu’nun da bu şekilde olduştuğu tahmin ediliyor.

oort-cloud457821

Buz hattından daha yakınlarda ise diskteki katı materyalleri bünyesine katan gezegenimsiler, biraz daha karmaşık bir oluşum süreci geçirirler. Güneş sisteminin iç kesimindeki silikat ve metal ağırlıklı cisimler çarpışmalar ve birleşmeler sonucu 1km civarı boyutlara ulaştıklarında, yakın çevrelerini kütleçekimsel olarak etkileyebilen planetesimal’ler dediğimiz ufak parçaları; gezegenimsi parçalarını oluştururlar.

Bir çok planetesimal çarpışmalar sonucu dağılır fakat aralarından bazıları çekimlerine kapılan ve türbülanslar sonucu bünyesine dahil ettiği kaya parçalarıyla sıkışmaya ve büyümeye devam eder. Böylelikle boyutları birkaç yüz km’yi bulan gezegenimsileri oluşur.

Çarpışmaya ve birleşmeye süreçleriyle Güneş Sistemi’nin erken dönemlerinde 50-100 civarı Ay/Mars büyüklüğünde gezegenimsi oluştuğu tahmin edilmektedir. 100 milyon yıl süresince bu gezegenimsiler kütleçekimsel olarak birbirlerini etkiler, çarpışmaya ve büyümeye devam ederler ve sonucunda 4 adet iç gezegeni (Merkür, Venüs, Dünya, Mars) oluştururlar.

theia-smashes-earth

Bu dönemin sonlarına doğru ortalama büyüklüğü Mars kadar olan gezegenimsilerden birinin Dünya’ya çarpması sonucu ise uydumuz Ay oluşmuştur.

İlk 10 milyon yılda dış gezegenler, 100 milyon yılda ise iç gezegenler oluşmakta. Fakat hem iç gezegenlerin oluşum sürecinden arta kalan planetesimaller, hem de dış gezegenlerin yörünge değişimleri nedeniyle Kuiper Kuşağı ve saçılım diskine etki etmeleri nedeniyle; Güneş Sistemi’nde 4.1 ila 3.8 milyon yıl öncesine uzanan, iç gezegenlere yönelik yüksek sayıda meteorit çarpışmasının yaşandığı düşünülen Ağır Bombardıman Dönemi adı verilen bir zaman aralığı vardır.

Ay’daki en büyük kraterler incelendiğinde tarihlenmeleri bu zaman aralığına denk gelir. Dünya’daki suyun da bir kısmı bu dönemde çarpan buz meteoritlerinden gelmektedir.

ay45478211255

Geç Ağır Bombardıman dönemi sonlarında artakalan planetesimal’lerinin bazıları gezegenlerin yörüngeleri tarafından yakalanıp uyduları meydana getirir. Mars’ın uyduları ve Jüpiter gibi devlerin yüksek deklinasyona sahip uyduları bu şekilde yakalanmış cisimlerdir.

Asteroit kuşağı da iç gezegenlerin oluşum döneminde gezegenimsilerin olduğu bir bölgedir. Fakat dev gezegenlerin yörünge değişiklikleri döneminden kalma parçalar pek yoktur. Daha çok Ağır Bombardıman Dönemi sonrası arta kalan gezegenimsiler ve asteroidlerden oluşur. Jüpiter’in çekim gücü nedeniyle yörünge hızları, enerjileri yükseldiği için çarpışma şiddetleri birleşmelerini sağlamaktan çok parçalanmalarını sağlayacak düzeyde olmaktadır.

Hazırlayan: Taylan Kasar

Bu yazımız, sitemizde ilk olarak 1 Nisan 2015 tarihinde yayınlanmış, gözden geçirip hatalardan arındırılarak tekrar yayına sunulmuştur. 

Okumaya devam et

Çok Okunanlar