Einstein'ın denklemlerinde gizli süreç: Kütleçekim alanı kopup yeniden bağlanabilir mi?

Albert Einstein'ın genel görelilik denklemlerinin içinde, bugüne kadar fark edilmemiş bir olasılık saklı olabilir: kütleçekim alanının iç yapıları kopup yeniden bağlanabilir ve bu sırada enerji kütleçekimden maddeye aktarılabilir. Columbia Üniversitesi'nden Luca Comisso ile Şili'deki Universidad Adolfo Ibáñez'den Felipe A. Asenjo, bu sürece "kütleçekimsel yeniden bağlanma" adını verdi. Çalışma Physical Review D dergisinde yayımlandı ve Columbia Üniversitesi'nin açıklamasına göre şimdilik tamamen kuramsal bir bulgu.

Fikrin ilginç yanı, Güneş'in en şiddetli patlamalarını yöneten bir olguya benzetilmesi. Araştırmacılar, kütleçekimin denklemlerini plazma fiziğindeki denklemlere şaşırtıcı biçimde benzeyen bir yazımla ele aldı. Plazma, elektrik yüklü parçacıklardan oluşan gazdır; Güneş'i oluşturur, füzyon deneylerinde kullanılır ve yıldızlar arası boşluğun büyük bölümünü doldurur.

Manyetik yeniden bağlanma nedir?

Mıknatısın çevresine serpilen demir tozlarının oluşturduğu desen ya da Güneş yüzeyinin üstünde yükselen dev manyetik halkalar, manyetik alanı eğri çizgilerle göstermenin tanıdık örnekleridir. Plazmada bu alan çizgileri çekilebilir, bükülebilir ve gerilebilir. Belirli koşullarda çizgilerin bağlantıları aniden değişir; depolanmış manyetik enerji çevredeki parçacıklara aktarılır. Buna manyetik yeniden bağlanma deniyor ve Güneş patlamalarını besleyen başlıca mekanizmalardan biri sayılıyor.

Comisso bunu şöyle özetliyor: alan çizgileri belirli bir düzenekte kopup farklı biçimde yeniden bağlanıyor ve bu sırada enerji açığa çıkıyor. Enerji manyetik alandan plazmadaki parçacıklara geçiyor; sonuçta patlamalar ve enerjik olaylar ortaya çıkıyor.

Çizgi yerine "levha"

Kütleçekim ise üç uzay ve bir zaman boyutundan oluşan dört boyutlu uzay-zamanda işliyor. Comisso'ya göre bu yüzden kütleçekimin matematiksel yapısı sıradan bir manyetik alandan farklı: Bir çizgiye bir boyut eklenince düzlem elde edilir, dolayısıyla burada çizgiler yerine alan "levhaları" söz konusu. Açıklamada vurgulandığı üzere bu levhalar, gerçekten yırtılan fiziksel yüzeyler değil, matematiksel gösterimler. Yeniden bağlanma ise kütleçekim alanının enerjiyi maddeye aktarabileceği bir yolu tanımlıyor.

Denklemlerdeki gizli kurallar

Yeni çalışma, aynı ekibin daha önceki bir çalışmasına dayanıyor. Comisso, Asenjo ve Maricarmen A. Winkler, Physical Review Letters'ta yayımlanan "Frozen-In Gravitational Fields" başlıklı makalede, uzay-zamanın geometrisinin hangi biçimlerde değişebileceğini sınırlayan matematiksel kısıtları ortaya koymuştu. Bu kısıtlar Einstein'ın kuramında zaten vardı ama bu biçimde fark edilmemişti. Asenjo'ya göre denklemler, uzay-zamanın nasıl evrilebileceğine dair ilk bakışta görünmeyen kısıtlar içeriyor.

Makalenin arXiv'deki özetine göre yeni çalışma, genel göreliliğin "tetrad" biçimindeki yazımında, kütleçekim alanının "ideal" (donmuş) evriminin bozulduğu durumu inceliyor. İdeal koşulda kütleçekim akıları korunuyor ve alan levhalarının bağlantı yapısı değişmiyor. Bu koşul bozulduğunda bağlantılar değişebiliyor; yazarlar yeniden bağlanma hızını ölçen büyüklükler türetiyor ve olayın kütleçekim "sarmallığının" evrimini nasıl değiştirdiğini gösteriyor. Özette ayrıca, yeniden bağlanmanın kütleçekim ile madde arasındaki enerji-momentum alışverişini değiştirdiği belirtiliyor.

Kullanılan yazım, Einstein'ın denklemleriyle matematiksel olarak denk; yani yeni bir kuram önerilmiyor, aynı fizik farklı değişkenlerle ifade ediliyor. Bu görünüm, plazma fiziğinde geliştirilmiş yöntemlerin kütleçekim alanlarına uygulanmasına kapı açıyor. Comisso, denklemlerin tamamını çözmeden bile uzay-zamanın belirli kısıtlara uymak zorunda olduğunu bilmenin bazı örüntüleri öngörmeye yardım ettiğini söylüyor.

Kara delik çarpışmaları için ne anlama gelebilir?

En umut verici uygulama alanı kara delik birleşmeleri. İki kara delik yaklaşıp birleşirken uzay-zamanı aşırı ölçüde çarpıtıyor ve bu olaylar genellikle süper bilgisayar benzetimleriyle inceleniyor. Araştırmacılar başlangıç koşullarını belirleyip sistemin zaman içindeki değişimini hesaplıyor; sonuçlar, LIGO gibi dedektörlerin ölçtüğü kütleçekim dalgalarının tahmin edilmesinde kullanılıyor. Yeni kurallar bu benzetimleri tamamlayabilir ve başka türlü fark edilmesi güç örüntüleri görünür kılabilir.

Sınırlar ve sıradaki adım

Burada önemli bir uyarı gerekiyor: Kütleçekimsel yeniden bağlanmanın gerçek astrofiziksel ortamlarda nasıl işlediği ya da etkilerinin gözlenip gözlenemeyeceği henüz bilinmiyor. Bulgu şimdilik kuramsal düzeyde ve doğrudan bir gözlem ya da ölçüme dayanmıyor.

Sıradaki adım, olayı belirli durumlarda, özellikle kara deliklerin birleştiği senaryolarda incelemek. Comisso, çalışmanın sonunda bu tür olaylarda ne kadar enerji açığa çıktığının tahmin edilmesini ve yeniden bağlanmanın kütleçekim dalgası sinyallerinde tanınabilir izler bırakıp bırakmadığının anlaşılmasını umuyor. Böyle öngörüler geliştirilip sınanabilirse yaklaşım, kütleçekimi uç koşullarda araştırmak için yeni bir yol sunabilir. Çalışma ABD Ulusal Bilim Vakfı (NSF) ve NASA tarafından desteklendi.