Evrenin her yerinde kütleçekimi vardır; yıldızları, gezegenleri ve galaksilerin hareketini şekillendirir. Ancak Einstein’ın genel görelilik kuramı üzerinden bir asrı aşkın süredir kütleçekimini incelesek de, bilim insanları bu alanın farklı koşullarda nasıl davranabileceğine dair yeni kuramsal olasılıklar geliştirmeye devam ediyor. Şili’deki Adolfo Ibáñez Üniversitesi’nden Felipe A. Asenjo ile Columbia Üniversitesi’nden Luca Comisso, kütleçekim alanının da belirli senaryolarda “yeniden bağlanma” benzeri bir süreçle yeni konfigürasyonlara geçebileceğini hesaplarla gösterdi.
Kütleçekim ile elektromanyetizmayı buluşturan benzetim
Genel görelilikte kütleçekimi, yalnızca “çekim kuvveti” gibi düşünülen bir etki değil; kütle ve enerjinin uzay-zamanı eğriltmesi olarak tanımlanan bir alanla açıklanıyor. Bu eğriliği betimleyen denklemler, yıldız ışığının bükülmesinden kara deliklerin çarpışmasıyla oluşan kütleçekim dalgalarına kadar pek çok olguyu öngörmeye yarıyor.
Araştırmacılar bu kez kütleçekimin davranışını, başka alanların nasıl evrildiğini anlamak için kullanılan bir çerçeveyle ilişkilendirdi. Güneş’teki dev manyetik alanlar, yüklü plazmanın içinden geçerken bazen “manyetik yeniden bağlanma” denilen süreçle alan çizgilerinin bağlantı düzenini değiştirebiliyor. Bu yeniden düzenlenme, güneş patlamalarını besleyen enerjiyi açığa çıkarabiliyor.
Comisso, kütleçekimi ile elektromanyetizma arasında kuramsal düzeyde benzerlikler kurulabildiğini uzun süredir bildiklerini; ancak bu analojinin hangi noktaya kadar uzanabildiğini adım adım yapılan analitik hesaplarla daha yakından incelediklerini anlatıyor. Bulgular, kütleçekim alanının, plazmadaki manyetik alanların bazı temel ilkelerini izleyebilecek kadar benzer bir mantık taşıyabildiğini ortaya koyuyor.
“Frozen-in” bağlantı bozulunca: kütleçekimsel yeniden bağlanma
Bu çalışma, daha önce Comisso ve Asenjo’nun üçüncü ortakları Maricarmen A. Winkler ile birlikte yayımladığı bir düşünce zincirinin üzerine inşa ediliyor. Söz konusu önceki çalışmada, belirli koşullar altında kütleçekim alanının “bağlantılarının korunur” gibi davranabildiği; uzay-zamanın dinamikleri değişse bile farklı bölgeler arasındaki bağlantıların sürdürülmesine benzer bir mekanizmanın çalıştığı gösterilmişti. Bu davranışın, elektrik yüklü plazmadaki manyetik alanlarda “bağlantıların donmuş kalması” fikrine denk gelen çarpıcı bir analoğu bulunuyor.
Fakat manyetik alanlar her zaman aynı şekilde davranmıyor. Bağlantıyı koruyan koşullar bozulduğunda, alan yeniden düzenlenebiliyor ve bağlantıların nasıl değiştiği “manyetik yeniden bağlanma” ile açıklanıyor. Araştırmacılar da benzer bir soruyu kütleçekim için sormuş: Kütleçekim alanında da böyle bir bağlantı değişimi mümkün olabilir mi?
Yanıt, Einstein denklemlerinin kütleçekimi elektromanyetizmaya benzer bir biçimde açığa çıkaran matematiksel bir formülasyonla yeniden incelenmesiyle aranmış. Comisso ve Asenjo, bağlantıyı koruyan ideal koşulların geçerliliğini yitirdiği durumlarda, kütleçekim alanının yeni konfigürasyonlara yeniden bağlanabildiğini buluyor. Bu süreç, “kütleçekimsel yeniden bağlanma” olarak adlandırılıyor.
Araştırmacılara göre kütleçekim alanı, üç boyutlu uzayda uzanan çizgiler gibi değil; uzay-zamanın dört boyutunda (üç uzay boyutu ve bir zaman boyutu) uzanan “yüzeyler” şeklinde matematiksel olarak betimleniyor. Bu yüzeyler, alanda bağlantıların görselleştirilmesine yardım eden matematiksel yapılardan oluşuyor. Uzay-zaman evrildikçe söz konusu yüzeyler gerilebiliyor, bükülebiliyor ve koşullara bağlı olarak kırılıp farklı bir düzenle yeniden bağlanabiliyor. Burada kastedilen, uzay-zamanın kendisinin fiziksel olarak “yırtılması” değil; kütleçekim alanının uzay-zamanın farklı bölgelerini nasıl bağladığının değişmesi.
Gözlemsel etkiler ne kadar izlenebilir?
Bu tür bir yeniden bağlanma evrende gerçekleşse bile etkileri her zaman doğrudan gözlemlenebilir olmayabilir. Örneğin kütleçekim dalgaları, zaten çok zorlu bir hassasiyetle ölçülüyor: Kara deliklerin çarpışması gibi büyük olaylar bile LIGO’nun 4 kilometrelik kollarındaki değişimi protonun genişliğinden daha küçük mertebelerde gösteriyor.
Yine de bu kuramsal çerçeve, enerji aktarımının arkasındaki mekanizmaları yorumlamak açısından değerli olabilir. Kütleçekim dalgaları üreten büyük ölçekli olayların uzay-zaman dinamiği, günümüzde süper bilgisayar simülasyonlarıyla dramatik biçimde modellenebiliyor. Ancak simülasyonların “enerjinin nasıl aktarıldığını” açıklamak için her zaman yeterli mekanizmayı doğrudan göstermediği durumlar olabiliyor. Güneş’teki manyetik yeniden bağlanmanın, enerji açığa çıkışını anlamada somut bir örnek sağlaması gibi, kütleçekimsel yeniden bağlanma fikri de kütleçekim alanının maddeyle enerji ve momentum alışverişini hangi ilkelere göre yaptığına dair daha derin bir yorum getirebilir.
Bu noktada çalışma, henüz gözlenen bir olgu değil; kütleçekimsel yeniden bağlanmanın teorik bir olasılık olduğunu vurguluyor. Araştırmacılar, bu sürecin birleşen kara delikler ya da çöken yıldızlar gibi farklı astrofizik senaryolarda ortaya çıkabileceğini düşünüyor. Numel simülasyonların, hangi koşullarda meydana geldiğini ve sürecin nasıl ilerlediğini ortaya koymaya yardımcı olacağı belirtiliyor.
Öne çıkan olasılıklardan biri, kütleçekimsel yeniden bağlanmanın birleşen kara deliklerden yayılan kütleçekim dalgalarında ayırt edici bir iz bırakabilme ihtimali. Eğer böyle bir işaret ortaya çıkarsa, LIGO-Virgo-KAGRA verilerinde neye bakılabileceğine dair yönlendirme sağlayabileceği ifade ediliyor.
Araştırma Physical Review D’de yayımlandı. Makale, Fiona MacDonald tarafından doğruluk kontrolü ve editoryal düzenleme süreçlerinden geçti.
