İlkel kara delikler gizli bir beşinci boyutta yaşıyor olabilir

Evrenin ilk anlarında oluşmuş olabilecek minik kara delikler, gözümüzden saklı bir beşinci boyutun etkisiyle sanılandan çok farklı davranıyor olabilir. Physical Review D dergisinde yayımlanan kuramsal bir çalışma, "karanlık boyut" adı verilen senaryoda ilkel kara deliklerin nasıl oluşacağını ve ne kadar yaşayacağını hesapladı. Sonuç çarpıcı: Uygulanabilir oluşum yollarının neredeyse tamamı, eninde sonunda beş boyutlu kara deliklere varıyor.

İlkel kara delik nedir?

Bugün bildiğimiz kara delikler, ömrünü tamamlayan büyük kütleli yıldızların çökmesiyle ya da galaksilerin merkezinde zamanla büyüyerek oluşuyor. İlkel kara delikler ise farklı bir kökene sahip varsayımsal nesneler: Büyük Patlama'dan hemen sonra, maddenin aşırı yoğun olduğu bazı bölgelerin doğrudan kütleçekimsel çöküşüyle meydana gelmiş olabilirler. Fikri ilk kez 1966'da Yakov Zeldoviç ile İgor Novikov ortaya attı, ayrıntılı ilk incelemeyi ise 1971'de Stephen Hawking yaptı.

Bu nesneler yıldızlardan doğmadıkları için çok küçük kütlelerde olabilirler. Ancak küçüklüğün bir bedeli var: Hawking ışıması adı verilen kuantum süreciyle kara delikler yavaş yavaş enerji kaybeder ve kütle ne kadar küçükse bu buharlaşma o kadar hızlı ilerler. Standart hesaplara göre kütlesi yaklaşık 10^12 kilogramın altında olan ilkel kara delikler, bugüne kadar çoktan buharlaşıp yok olmuş olmalı. Daha büyük olanlar ise hâlâ çevrede olabilir ve bazı araştırmacılara göre karanlık maddenin bir kısmını, hatta tamamını oluşturabilir. Bugüne kadar hiçbir ilkel kara delik kesin olarak saptanmadı.

Karanlık boyut fikri

Standart kozmolojide evrenin üç uzay ve bir zaman boyutu var. Karanlık boyut senaryosu buna, gözle görülmeyecek kadar küçük bir uzay boyutu ekliyor. Fikri 2022'de Miguel Montero, Cumrun Vafa ve Irene Valenzuela, kuantum kütleçekiminin hangi kuramlara izin verdiğini sorgulayan "bataklık" (swampland) programından yola çıkarak öne sürdü. Bu ekip, karanlık enerjinin gözlenen son derece küçük değerini kuantum kütleçekimi varsayımlarıyla birleştirerek, yaklaşık bir mikron, yani metrenin milyonda biri ölçeğinde tek bir ek boyut bulunması gerektiği sonucuna vardı.

Senaryoya göre sıradan madde ve bildiğimiz kuvvetler dört boyutlu uzay-zamana hapsolmuş durumda; yalnızca kütleçekimi bu ek boyuta da yayılabiliyor. Bu yüzden ek boyut gündelik deneylerde kendini belli etmiyor, ama mikron ölçeğindeki çok küçük nesneler için durum değişebiliyor. Bir mikron, ilkel kara deliklerin olası boyutlarıyla kıyaslanabilir bir ölçek olduğundan, bu kara delikler ek boyutu "hissedebilir".

Çalışma ne buldu?

Lehman Koleji'nden Luis Anchordoqui'nin yönettiği, Alek Bedroya ve Dieter Lüst'ün de yer aldığı ekip, ilkel kara delik üretimi için önerilen başlıca mekanizmaları tek tek ele aldı: kozmik şişme, faz geçişleri ve kozmik sicimler. Çalışma tümüyle kuramsal; herhangi bir gözleme dayanmıyor. Araştırmacılar önerilen kuantum kütleçekimi kurallarını uygulayarak kara deliklerin bu çerçevede dört boyutlu mu yoksa beş boyutlu mu nesneler gibi davranacağını sınadı.

Sonuca göre düşük enerjilerde egzotik yeni bir fizik varsayılmadıkça, uygulanabilir her mekanizma beş boyutlu ilkel kara deliklere yol açıyor. Bazı kara delikler başlangıçta sıradan dört boyutlu nesneler gibi davranıyor, ardından kararsızlaşıp beş boyutlu hâle geçiyor. Kozmik sicimlerden doğanlar ise en baştan beş boyutlu.

Bu farkın önemli bir sonucu var. Ekibin önceki çalışmalarına göre beş boyutlu ilkel kara delikler, aynı kütledeki dört boyutlu benzerlerinden daha büyük, daha soğuk ve daha uzun ömürlü. Yeni makale, kozmik sicimlerden oluşan ilkel kara deliklerin ömrünün evrenin yaşıyla, yani yaklaşık 13,8 milyar yılla kıyaslanabilir olabileceğini gösteriyor. Başka bir deyişle, standart hesapta çoktan buharlaşmış olması gereken kütlelerdeki bazı kara delikler bugün hâlâ var olabilir.

Bir nötrino bağlantısı

Ekip, makalenin ön baskısında bu senaryoyu Akdeniz'in derinliklerindeki KM3NeT dedektörünün yakaladığı rekor enerjili nötrinoyla da ilişkilendiriyor. KM3-230213A adı verilen bu olay 13 Şubat 2023'te Sicilya açıklarındaki ARCA dedektöründe kaydedilmiş, tahmini enerjisi yaklaşık 220 petaelektronvolt olarak hesaplanmış ve Şubat 2025'te Nature dergisinde duyurulmuştu. Anchordoqui ve meslektaşları daha önceki bir çalışmada, böyle bir parçacığın beş boyutlu bir ilkel kara deliğin son buharlaşma evresinden gelmiş olabileceğini önermişti. Bu, şimdilik sınanması gereken bir olasılık olarak duruyor.

Neden önemli?

Hem ilkel kara delikler hem de ek boyutlar fiziğin en çok tartışılan, ama henüz gözlemle doğrulanmamış fikirleri arasında. Çalışma bu iki varsayımı tek bir çerçevede birleştiriyor; yani bir anlamda iki gizemi tek bir büyük gizeme dönüştürüyor. Buna karşılık senaryo sınanabilir öngörüler de üretiyor. Ekip daha önceki bir çalışmasında, karanlık maddenin tamamını oluşturabilecek beş boyutlu kara deliklerin, X-ışını pulsarlarının ışığında yaratacakları mikromercek etkisiyle aranabileceğini önermişti.

Bu kara deliklerden biri gerçekten bulunursa, hem karanlık maddenin doğası hem de erken evrenin yüksek enerjili fiziği hakkında bugün başka hiçbir yolla ulaşılamayan ipuçları elde edilebilir.

Kısaca

• İlkel kara delikler, erken evrende doğrudan çöküşle oluşmuş olabilecek varsayımsal nesneler.
• Karanlık boyut senaryosu, yalnızca kütleçekiminin yayıldığı yaklaşık bir mikronluk ek bir boyut öngörüyor.
• Yeni hesaplara göre ilkel kara deliklerin büyük kısmı bu çerçevede beş boyutlu nesnelere dönüşüyor.
• Kozmik sicimlerden doğanlar evrenin yaşı kadar uzun yaşayabilir.
• Ne ilkel kara delikler ne de ek boyut henüz gözlemle doğrulandı.