Dönen kara deliğin enerji hilesi radyo dalgalarıyla masaüstünde canlandırıldı

Bir kara delikten enerji almak bilimkurgu gibi görünse de fizikte bunun bir tarifi yarım asırdır mevcut. New York Şehir Üniversitesi'nden (CUNY) bir ekip, bu tarifin dayandığı temel fiziği ilk kez kontrollü bir laboratuvar düzeneğinde gözlemlediklerini açıkladı. Gerçek bir kara delik yerine dönen bir sistemin etkisini taklit eden, zamanla değişen bir radyo devresi kullanan araştırmacılar, uygun koşullardaki dalgaların sistemden enerji çekerek güçlendiğini ölçtü.

Penrose'un fikri: Dönmeden enerji çalmak

İngiliz matematikçi ve fizikçi Roger Penrose, 1969'da dönen kara deliklerin olağanüstü bir özelliğine dikkat çekti. Dönen bir kara delik, çevresindeki uzay-zamanı da kendisiyle birlikte sürükler. Olay ufkunun hemen dışında, ergosfer adı verilen bir bölge vardır; burada uzay-zaman o kadar güçlü sürüklenir ki hiçbir şey yerinde sabit duramaz. Penrose'un hesabına göre bu bölgeye giren bir parçacık ikiye bölünürse, parçalardan biri kara deliğe düşerken diğeri içeri girenden daha fazla enerjiyle kaçabilir. Aradaki fark, kara deliğin dönme enerjisinden karşılanır; kara delik bu süreçte çok az da olsa yavaşlar.

Fikir daha sonra dalgalara genişletildi. Sovyet fizikçi Yakov Zel'dovich, 1970'lerin başında dönen, ışığı soğurabilen bir cismin üzerine düşen dalgaların, belirli bir frekans koşulu sağlandığında soğurulmak yerine güçlenerek geri saçılabileceğini gösterdi. Koşul basit bir eşitsizlik: Cismin dönme hızı, dalganın kendi açısal hızından büyük olmalı. Bu "süper saçılma" olgusu, Penrose sürecinin dalga karşılığı olarak bilinir ve astrofizikte dönen kara deliklerin çevresindeki alanların nasıl büyüyebileceğini açıklayan modellerin temelinde yer alır.

Sorun şu ki Zel'dovich'in koşulunu mekanik bir cisimle sağlamak neredeyse imkânsız. Örneğin görünür ışık için, dönen bir silindirin yüzeyinin akıl almaz hızlara çıkması gerekir; hiçbir malzeme buna dayanamaz. Bu nedenle etki uzun süre yalnızca kâğıt üzerinde kaldı. Glasgow Üniversitesi'nden bir ekip 2020'de ses dalgaları ve dönen bir soğurucu disk kullanarak akustik bir versiyonu göstermeyi başarmıştı; elektromanyetik dalgalarla gösterim ise hâlâ bekleniyordu.

Dönmeyi taklit eden devre

CUNY ekibi gerçekten dönen bir cisim kullanmak yerine, dönmenin etkisini zamanla değişen bir elektronik sistemle yarattı. Düzenekte radyo dalgalarını taşıyan bir devrenin özellikleri belirli bir ritimle modüle ediliyor; bu periyodik değişim, dalga açısından hızla dönen bir cisimle etkileşime girmekle aynı matematiksel sonucu doğuruyor. Böylece mekanik bir sistemin hiçbir zaman ulaşamayacağı "dönme hızları" elektronik olarak elde edilebiliyor.

Ekip, dalgaların bu sistemle nasıl etkileştiğini çözümlemek için periyodik olarak değişen sistemleri incelemeye yarayan Floquet teorisini kullandı. Ölçümler, beklenen frekans koşulunu sağlayan dalgaların sistemden çıktığında giriştekinden daha güçlü olduğunu gösterdi. Koşulu sağlamayan dalgalar ise sıradan bir soğurucuda olduğu gibi zayıfladı. Bu ayrım, Penrose-Zel'dovich sürecinin temel imzası olarak kabul ediliyor.

Çalışmanın baş yazarı Hadiseh Nasari, sonucun aşırı dönme dinamiklerine ilişkin fikirleri teoriden deneye taşıdığını söylüyor. Ortak yazarlardan doktora öğrencisi Hady Moussa ise uygun özelliklere sahip dalgaların sistemden enerji çekerek güçlendiğini ve bunun sürecin temel fiziksel özelliklerini doğruladığını vurguluyor.

Neden önemli, neden değil

Deneyin bir enerji kaynağı vaat etmediğini baştan söylemek gerekiyor. Dalgaların kazandığı enerji, sistemi modüle eden elektronik düzenekten geliyor; ortada bedava enerji yok. Önemli olan, uzayda yalnızca dolaylı yollarla incelenebilen bir mekanizmanın, parametreleri tek tek değiştirilebilen bir masaüstü deneyinde canlandırılabilmesi.

Bu tür "analog kütleçekim" deneyleri son yıllarda giderek yaygınlaşıyor. Su tanklarında oluşturulan girdaplar, soğuk atom bulutları ve optik sistemler, kara deliklerin ışıma ve saçılma davranışlarını taklit etmek için kullanılıyor. Radyo frekanslı devreler ise bu aileye görece ucuz ve esnek bir yöntem ekliyor. Astrofizikte dönen kara deliklerin çevresinde biriken alanların kararsız hâle gelip gelmediği, bazı varsayımsal hafif parçacıkların kara delik çevresinde "bulut" oluşturup oluşturmadığı gibi sorular doğrudan süper saçılmaya dayanıyor. Bu süreçleri laboratuvarda ayrıntılı biçimde test edebilmek, teorik modellerin hangi koşullarda geçerli kaldığını anlamaya yardımcı olabilir.

Çalışmanın bir başka değeri de mühendislik tarafında. Zamanla değişen devrelerde dalgaların güçlendirilmesi, radyo ve mikrodalga sinyallerini yükseltmek için kullanılan parametrik yükselteçlerle yakından akraba. Kara delik fiziğinden ilham alan bu bakış açısı, iletişim teknolojilerinde yeni tasarım fikirlerine de kapı aralayabilir.

Kısacası CUNY deneyi kara deliklerden enerji çekmeyi mümkün kılmıyor; ama Penrose'un 1969'da kâğıda döktüğü ve onlarca yıl gözlemlenemeyen bir fiziğin, artık laboratuvar tezgâhında ölçülebilir hâle geldiğini gösteriyor.