Bir kara delik ikiye bölünebilir mi? Hesaplar kapıyı yalnız en hızlı dönenlere aralıyor

İki kara deliğin çarpışıp tek bir kara deliğe dönüşebildiği biliniyor. Peki tersi mümkün mü: Tek bir kara delik iki küçük kara deliğe bölünebilir mi? Güney Danimarka Üniversitesi'nin (SDU) 23 Ekim'de duyurduğu ve Physical Review D dergisinde yayımlanan kuramsal çalışma bu soruyu ele alıyor. Kısa yanıt şöyle: Sıradan kara delikler için hayır; ancak mümkün olan en yüksek hıza yakın dönen kara delikler için kapı tümüyle kapanmış değil.

"When Black Holes Admit Pair-of-pants Topologies" (Kara Delikler Pantolon Topolojisine İzin Verdiğinde) başlıklı makalenin yazarları; Napoli Federico II Üniversitesi ve SDU Kuantum Alan Kuramı Merkezi'nden Francesco Sannino, Paris'teki CNRS–Sorbonne Üniversitesi ortak laboratuvarı LPTHE'den Giacomo Cacciapaglia ile SDU'dan Manuel Del Piano ve Vania Vellucci. Sannino çalışmanın amacını, bir kara deliğin ikiye bölünmesini normalde hangi fizik yasalarının engellediğini ve bazı koşulların buna izin verip vermediğini araştırmak olarak özetliyor.

Bölünmenin önündeki engel: entropi

En büyük engel termodinamikten geliyor. Kara deliklerin de fizikçilerin entropi dediği bir niceliği var. Entropi kabaca, bir sistemin dışarıdan aynı görünürken mikroskobik düzeyde kaç farklı biçimde düzenlenebileceğinin ölçüsü. Kara deliklerde bu nicelik, Bekenstein–Hawking yasası uyarınca olay ufkunun alanıyla orantılı.

Dönmeyen sıradan bir kara delik iki küçük parçaya ayrılsaydı toplam entropi azalırdı; bu da süreci termodinamik açıdan elverişsiz kılıyor. Makalenin özetine göre klasik genel görelilikteki Bekenstein–Hawking alan yasası, dönmeyen (Schwarzschild tipi) kara delikler için böyle bir bölünmeyi yasaklıyor.

Hızlı dönüş bir boşluk açıyor, ama dar

Ekibin hesapları, hızlı dönen kara deliklerin bu kurala karşı olası bir boşluk sunduğunu gösteriyor. Ne var ki iş entropiyle bitmiyor. Sannino'nun açıklamasına göre ortaya çıkan iki kara deliğin hemen yeniden birleşmek yerine birbirinden uzaklaşabilmesi de gerekiyor. Bu şart hesaba katıldığında pencere büyük ölçüde yeniden kapanıyor; açık kalan tek olasılık, mümkün olan en yüksek dönme hızına yakın dönen kara delikler.

Makale özetinde bu durum şöyle ifade ediliyor: Dönen (Kerr tipi) kara delikler için yalnız hareket koşullarına dayalı, yani kinematik kısıtlar, entropinin izin verdiği durumlarda bile bölünmeyi engelliyor; istisna ancak dönme sınırına çok yakın kara deliklerde olabilir.

Böyle bir bölünme gerçekleşseydi, kara deliğin dış sınırı olan olay ufku zaman içinde pantolona benzeyen bir biçim alırdı: tek bir gövdenin iki "paçaya" ayrılması. Çalışmanın alışılmadık "pantolon topolojisi" adı buradan geliyor.

Ek boyutlar ve Einstein'ın ötesi

Yazarlar daha egzotik olasılıkları da inceliyor. Uzayın ek boyutlarını içeren kuramlarda, kararsızlaşıp parçalanmaya başlayan kara delik benzeri cisimler zaten biliniyor; makale bunlar arasında Gregory–Laflamme kararsızlığını anıyor. Ekip ayrıca süperradyant kararsızlıkların, yani dönen bir kara deliğin çevresindeki dalgaların kara delikten enerji çekerek güçlenmesine dayalı süreçlerin ve kütleçekimin Einstein'ın kuramından saptığı modellerin etkisini değerlendiriyor.

Bu koşulların bazılarında bölünme termodinamik açıdan elverişli hâle gelebiliyor; özellikle ortaya çıkan kara deliklerden biri diğerinden çok daha küçükse. Ancak araştırmacılar bunun parçalanmanın gerçekten yaşanacağını kanıtlamadığının altını çiziyor: Sonuç yine başlangıçtaki hareket koşullarına bağlı.

Bir bölünme nasıl fark edilebilir?

Sannino, bir kara deliğin bölünme olasılığı için henüz tek bir sayı veremediklerini, bunun kütleçekimin Einstein'ın kuramının ötesinde nasıl davrandığına bağlı olduğunu ve bunu nicelleştirmek için çalıştıklarını söylüyor. Ekip, evrenin ilk anlarında oluştuğu varsayılan küçük ilkel kara deliklerin, çok daha büyük astrofiziksel kara deliklerden daha kolay bölünebileceğini öngörüyor.

Bölünmenin doğrudan görülmesi beklenmiyor, ama dolaylı bir iz aranabilir. Sannino'ya göre Fermi-LAT gibi gama ışını teleskopları, kara delik birleşmeleri sırasında oluşabilecek minik kara delik parçalarından gelen sinyalleri arayabilir.

Gözlem değil, sınır çizen bir hesap

Çalışma tümüyle kuramsal: Bir kara deliğin bölündüğüne dair herhangi bir gözlem yok. Makalenin katkısı, bölünmenin hangi koşullarda kesinlikle yasak olduğunu ve hangi dar aralıkta tartışmaya açık kaldığını netleştirmek. Asıl açık soru, kütleçekimin Einstein'ın kuramının ötesinde nasıl davrandığı. Bu soru yanıtlanmadıkça kara deliklerin bölünüp bölünemeyeceği de kesinlik kazanmayacak.