Normalde bir fotoğrafı tek bir anın kaydı olarak kabul ederiz. İster en mutlu anılarınızı saklayan bir anlık görüntü olsun, ister gece gökyüzünde yıldızların yavaş hareketini izleyen uzun pozlama olsun, bir fotoğrafın zamanla her zaman doğrudan bir ilişkisi vardır.
Ancak kara deliklerin etrafında bu ilişki dağılır. Orada, uzay-zamanın aşırı bükülmesi sayesinde, tek bir görüntü, kaynağını farklı zamanlarda terk edip nihayet gözlemciye ulaşan ışığı birleştirebilir. Bu karmaşık durumu fizikçiler genellikle "hızlı" ve "yavaş" ışık modelleriyle açıklarlar.
Şimdi Kolombiya Ulusal Üniversitesi'nden Daniel Rojas-Paternina ve Wake Forest Üniversitesi'nden Alejandro Cárdenas-Avendaño, Physical Review D'de yayımlanmaya kabul edilen bir makalelerinde, ışık seyahatindeki bu gizli farkların ne zaman önemli olduğunu ve ne zaman güvenle göz ardı edilebileceğini gösterdiler.
Cárdenas-Avendaño, "Kullanışlı bir başlangıç noktası, sıradan bir fotoğraftır," diyor. "Bir kamera, kısa bir pozlama süresince dedektöre ulaşan fotonları kaydeder. O fotonların hepsi tam olarak aynı anda nesneden ayrılmamıştır… Ancak ışık hızı o kadar büyüktür ki, fotoğrafı normalde tek bir anın kaydı olarak kabul ederiz."
Bugüne kadar bilim insanları, uzak bir galaksideki M87* ve Samanyolu'nun merkezindeki Sgr A* olmak üzere iki süper kütleli kara deliği görüntülemeyi başardılar. Elbette bu görüntüler kara deliklerin kendisini göstermiyor. Bu görüntüler, parıldayan turuncu bir hale ile çevrili karanlık bir gölgeyi gösteriyor. Bu parıldayan hale, bir yığılma diski içinde kara deliğin etrafında dönen aşırı ısınmış gazın bir girdabından geliyor ve on milyonlarca ışık yılı uzaktan görüntülenmesini sağlayacak kadar parlak bir şekilde ışıldıyor.
Gözlemleri gelişmiş simülasyonlarla birleştiren bilim insanları, bu malzemenin zamanla nasıl değiştiğine dair modeller oluşturabilirler. Bu da onların gözlemleri teoriyle karşılaştırmalarına ve hatta bir kara deliğin etrafında akan madde ve ışığın simüle edilmiş filmlerini oluşturmalarına olanak tanır.
Bir vakumdaki ışık hızı, Evren'in temel sabitlerinden biridir ve bu yeni makale bunu değiştirmedi. Daha ziyade, "hızlı" ve "yavaş" ışık terimleri, ışığın bir kara deliğin etrafında nasıl seyahat ettiğini modellemek için kullanılır.
Cárdenas-Avendaño, "Bir kara deliğin yerçekimi ışığı çok güçlü bir şekilde bükebilir," diye açıklıyor. "Bazı fotonlar bize neredeyse düz yollar izlerken, diğerleri dedektöre ulaşmadan önce kara deliğin etrafında dönebilir. Bu, aynı görüntü karesine ulaşan fotonların farklı zamanlarda yayılan gazdan ayrılmış olabileceği anlamına gelir."
Hızlı ışık modeli, kara delik gözlemlerini, köpeğinizin bir fotoğrafını ele aldığınız gibi ele alır ve fotonların yolculuklarına başladıkları anlardaki küçük farkları göz ardı eder. Burnundan gelen ışık kuyruğundan biraz daha geç yayılmış olabilir, ancak siz bunu tek bir an olarak kabul edersiniz.
Yavaş ışık modeli ise bu gecikmeleri olduğu gibi tutar. Ancak yavaş ışık modelinde saklanan bu zaman gecikmesi bilgisi bir bedelle gelir. Hesaplama açısından çok daha maliyetlidir, bu nedenle fizikçiler bazen basitlik ve hız için hızlı ışık modelini tercih edebilirler.
Cárdenas-Avendaño, "Hızlı ışıkta, yığılma akışının tek bir anlık görüntüsü alınır ve bu görüntülenir. Sonra bir sonraki ana geçilir ve işlem tekrarlanır," diye açıklıyor. "Yavaş ışıkta, tek bir görüntü karesi bile yığılma akışının birçok anlık görüntüsünü gerektirebilir, çünkü farklı pikseller farklı emisyon zamanlarına karşılık gelir."
Önceki çalışmalar, hızlı ışık yaklaşımının birçok gözlem için yeterince doğru olduğunu öne sürmüştü. Parıldayan yığılma diskinin aniden pek değişmediğini hayal edin. Bir fotonun diğerinden biraz daha geç ayrılmasının pek bir önemi olmazdı – temelde hala aynı sahneye bakıyorsunuzdur.
Şimdi ise türbülanslı gazın şiddetle titreştiğini, akışın etrafında düğümler ve girdaplar yarattığını hayal edin. Tek bir karede, bir parlamadan önceki ve sonraki fotonlara bakıyor olabilirsiniz; aniden, o zaman farkı büyük önem taşır.
Sorun, iki saat arasında bir rekabet haline gelir: parıldayan gazın ne kadar hızlı değiştiği ve fotonların seyahat sürelerinin ne kadar farklı olduğu.
Hızlı ve yavaş ışık arasındaki boşluğu kapatmak için araştırmacılar, ne tam olarak hızlı ne de tam olarak yavaş olmayan, hızlı ışık adını verdikleri bir orta yol oluşturdular.
Cárdenas-Avendaño, "Hızlı ışık, tüm görüntüyü tek bir kaynak zamanına sıkıştırır. Yavaş ışık, görüntü boyunca tam zaman gecikmesi haritasını korur. Hızlı ışık ise ara bir reçetedir," diyor. "Tam yavaş ışığa kıyasla hesaplama maliyetini azaltırken, baskın zaman gecikmesi yapısını korur. Bazı durumlarda, tam maliyeti gerektirmeden yavaş ışık sonucuna yaklaşır."
İyi haber şu ki, M87* ve Sgr A*'nın bu ikonik görüntüleri için baştan başlamamıza gerek yok. O kara delikler, Olay Ufku Teleskobu tarafından üretilen görüntüler için hızlı ışık yaklaşımının hala işe yaradığı açılardan izlendi. Gerçek fayda, fast-light zamanlamasının doğru görünebilecek ancak hala yanlış zamanlama bilgisine sahip olabilecek bir görüntü üreteceği rejimlerde çalışmayı amaçlayan yeni nesil kara delik gözlemevleriyle gelebilir.
Kara Delik Kaşifi gibi yeni nesil gözlemevleri, foton halkaları gibi daha ince özellikleri incelemeyi umuyor. Bu halkalarda fotonların göreceli varış zamanları sinyalin bir parçası haline gelir. Foton halkası sinyali, akan yığılma malzemesinden ziyade, kara deliğin etrafındaki uzay-zamanın geometrisi tarafından domine edilir. Halka, kara deliğin etrafında farklı yollar izleyen fotonlar tarafından şekillendirildiği için, bu gizli zaman gecikmelerini korumak çok daha önemli hale gelir.
Cárdenas-Avendaño, "Yığılma akışını tek bir anda görmeyeceğiz. Her kare birkaç farklı zamanda yayılan ışığı birleştirecek," diye belirtiyor. "O sınırlı ama kesin anlamda, bir kara delik filmi sıradan bir filmden daha tuhaf."
Şu anda Olay Ufku Teleskobu işbirliği, M87*'nin bir filmini yapmak için çalışıyor. Kara deliğin etrafındaki süreçlerin net, ayrıntılı gözlemlerinden çok uzaktayız, ancak onları eylem halinde görmeye her zamankinden daha yakınız.
O gün geldiğinde, her kare göründüğünden çok daha fazlası olacak – Evren'in en tuhaf uzay-zaman rejimlerinden birinin yakın tarihinin birden çok anını ortaya çıkaran bir zaman makinesi.
Makale, Physical Review D'nin gelecek sayısında yayımlanmak üzere kabul edilmiştir. O zamana kadar, arXiv'de ön baskı sürümünü okuyabilirsiniz.
