Karanlık Maddenin Sırrı İlkel Kara Deliklerde mi Saklı?
Steril nötrinolar, aksiyonlar ve zayıf etkileşimli büyük kütleli parçacıklar (WIMP’ler) gibi parçacıkların yanı sıra, evrenin soğuk karanlık maddesi için önde gelen adaylardan biri de ilksel kara deliklerdir – Büyük Patlama’dan sonraki ilk saniyelerde atom altı parçacıkların aşırı yoğun kümelenmelerinden oluşan kara delikler.
İlksel kara delikler (PBH’ler) klasik olarak kararlıdır, ancak Stephen Hawking’in 1975’te gösterdiği gibi, neredeyse bir kara cisim gibi ışıyarak kuantum etkileri yoluyla buharlaşabilirler. Dolayısıyla bir ömürleri vardır; bu ömür başlangıç kütlelerinin küpü ile orantılıdır. Büyük Patlama’dan bu yana 13,8 milyar yıl geçtiğine göre, yalnızca başlangıç kütlesi bir trilyon kilogram veya daha fazla olan PBH’lerin günümüze kadar ulaşmış olması gerekir.
Bununla birlikte, bir kara deliğin taşıdığı bilgi yükünün onu buharlaşmaya karşı stabilize ettiği hafıza yükü etkisi nedeniyle bir kara deliğin ömrünün Hawking’in tahmininden çok daha uzun olabileceği öne sürülmüştür.
Dolayısıyla, şimdiye kadar buharlaştığı düşünülen PBH’ler, yaklaşık 10 milyon kilogramdan daha hafif, soğuk, karanlık madde olarak hala mevcut olabilir.
Japonya’dan bir araştırma ekibi şimdi PBH’leri üreten ilkel eğrilik pertürbasyonlarının neden olduğu yerçekimi dalgalarını inceleyerek varsayımsal PBH karanlık maddesini tespit etmeyi önerdi. Çalışmaları Physical Review D’de yayınlandı.
Tokyo’daki Japonya Ulusal Astronomi Gözlemevi’nden ve ülkedeki diğer bazı fizik araştırma kuruluşlarıyla bağlantılı Kazunori Kohri, “Bu araştırma, PBH’lerin karanlık madde olduğuna dair kanıtların gelecekteki kütleçekim dalgası gözlemleriyle doğrulanacağını öne süren dünyadaki ilk araştırmadır” dedi.
Çok sayıda (şimdiye kadar) deneysel araştırmaya rağmen fizikçiler henüz parçacık hızlandırıcılarında, yeraltı ve buz altı dedektörlerinde ve uzayın araştırılması yoluyla doğrudan ya da dolaylı olarak karanlık maddenin işaretlerini göremedi.
Kohri ve ortak yazarları, “Bu durum devam ederse, karanlık maddenin kabus senaryosu, yani sadece kütleçekimsel olarak etkileşen karanlık maddenin olduğu senaryo önemli hale gelecektir” diye yazıyor. Makroskopik karanlık madde, PBH’ler günümüze kadar gelebildiyse PBH senaryosu gibi bir cevap olabilir.
Hawking’in kara deliklerin ışıma yaptığı sonucuna varması, eninde sonunda tamamen buharlaşıp yok olacakları anlamına geliyor. Ancak Hawking’in hesaplaması, buharlaşan kara delikte yaratılan parçacıkların kuantum geri reaksiyonunu göz ardı ederek, tüm ömrü boyunca yarı klasik bir kara delik varsaymıştır.
Tam tedavi, Gürcü teorik fizikçi Gia Dvali tarafından 2018 yılında keşfedilen bir hafıza yükü etkisini ortaya koyuyor. Bir kara deliği, kütleçekim kuvvetinin varsayılan taşıyıcıları olan gravitonların bir yoğunlaşması olarak gören mikro kuantum durumları, kara deliğin entropisinden sorumludur.
“Hafıza” kara delikte depolanan bilgiyi ifade eder; depolanan bu bilgi kara deliği stabilize ederek çürümeye karşı daha dirençli hale getirir. Kara deliğin bir durumu, kendi hafızasının yüküyle stabilize olur. Bir kara delik başlangıçtaki kütlesinin yaklaşık yarısını kaybettiğinde bu etki önemli hale gelir.
“Kohri, ”Kuantum yerçekimi alanında sıcak bir konu olan Bellek Yükü Etkisi’ne inanırsak, son derece az belirsizliğe sahip bir teori inşa edebiliriz” dedi.
Hafıza yükü önemli hale geldiğinde bir kara deliğe ne olduğu henüz tam olarak belli değil – muhtemelen Hawking buharlaşması bastırılıyor ya da belki de kara delik bazı topaklara ve kütleçekim dalgalarına dönüşüyor.
Kohri ve ortak yazarları ilk olasılığa odaklandı. Dvali ve çalışma arkadaşları Hawking emisyon oranının kara deliğin entropisinin bazı tamsayı güçleri tarafından bastırıldığını ileri sürdüler.
Kara delikler çok büyük miktarda entropiye sahiptir; güneş kütlesine sahip bir Schwarzschild kara deliğinin entropisi Boltzmann sabiti birimiyle 1077’dir. Karşılaştırmak gerekirse, güneşin entropisi 1058’dir.
Yani bir kara deliğin ömrü büyük ölçüde uzar. Kozmolojik kısıtlamalar, oyundaki PBH’lere alt ve üst sınırlar koymaktadır: Kohri ve meslektaşları bu nedenle başlangıç kütlesi 100 kg’dan 10 milyon kg’a kadar olan PBH’lere odaklanmaktadır.
Popüler bir PBH üretim mekanizması, son derece gelişmiş uzay-zaman eğrilik pertürbasyonları ile erken kozmolojik yamaların yerçekimsel çöküşüdür. Evrenin radyasyon ağırlıklı bu döneminde, PBH’nin başlangıç kütlesiyle bire bir örtüşen tipik bir frekansla, önemli miktarlarda kütleçekim dalgaları da indüklenir.
Günümüz evreninde bu kütleçekim dalgalarının gözlemsel özelliklerini inceleyen kapsamlı hesaplamalar, frekansın bir fonksiyonu olarak günümüzde var olacak kütleçekim dalgalarının spektrumlarını ve ayrıca gelecekte önerilen kütleçekim dalgası gözlemevleriyle bir yıllık gözlemler için beklenen sinyal-gürültü oranını ortaya çıkarmıştır.
Beklenen indüklenmiş kütleçekim dalgası spektrumlarına ilişkin hesaplamalar, yeterince ağır bellek yüklü PBH karanlık maddesinin, nispeten düşük frekanslı kütleçekim dalgalarını indükledikleri için bugün gözlemlenebilir olabileceğini ortaya koymaktadır.
Uzay tabanlı LISA (Laser Interferometer Space Antenna), Japonya’daki DECIGO (Deci-hertz Interferometer Gravitational wave Observatory), Avrupa Uzay Ajansı (ESA) tarafından önerilen ve süresi dolduğunda LISA’nın yerini alacak olan Big Bang Observatory (BBO) ve diğerleri gibi gelecekteki gözlemevleri bu hedef göz önünde bulundurularak tasarlanmaktadır.
Kohri ve meslektaşları, dalgaların frekansı açısından beklenen spektrumların grafiklerini ürettiler ve gerçek gözlemlerde görülebilecek sinyal-gürültü oranlarını tahmin etmek için denklemlerini genişlettiler.
Araştırmacılar ayrıca kütleçekim dalgası astronomlarının bellek yüklü PBH karanlık madde senaryosunu doğrulayabilecekleri ya da dışlayabilecekleri kriterler de sunuyorlar. Yine de, bellek yüklü PBH karanlık maddesinin doğrusal olmayan dinamikleri, kütleçekim dalgalarının ayrıntılı biçimini belirleyecektir.
İndüklenen dalgaların tepe frekansı 30 megahertz kadar yüksek olabilir, bu da ABD’deki iki LIGO’nun tespit edebildiği 10 kilohertzlik tepe frekansından 3,000 kat daha yüksektir. Ancak hesaplamalar spektrumda daha düşük tepe frekanslarına işaret eden kızılötesi bir iz olduğunu gösteriyor.
Bunlar, LIGO ile aynı L-şekilli tasarıma sahip olacak, ancak LIGO’nun 4 km yerine 40 km uzunluğunda interferometre kolları olan üçüncü nesil yer tabanlı bir yerçekimi dalgası gözlemevi olan Cosmic Explorer tarafından tespit edilebilir.
Kaynak: https://phys.org/
Kara Deliklerden Gelen Mesaj mı Var? Bilim İnsanlarını Zora Soktu!