Kara delik oluşumunun en kritik noktasında, uzay-zamanın kendisi oldukça tuhaf özellikler sergileyebiliyor.
Bu bölge, bildiğimiz fizik kurallarının ürkütücü derecede garipleştiği bir yerdir ve evrendeki süreçlerin nasıl işlediğini anlamak, genellikle daha soyut matematiksel yaklaşımlar ve yaratıcı çözümler gerektirir.
Şimdi ise fizikçiler, kara delik oluşumu eşiğindeki uzay-zaman geometrisinin bir tuhaflığını ilk kez matematiksel olarak ortaya koydular.
Bu eşikte, uzay-zamanın kendi eğriliği, zaman içinde atomik desenleri tekrarlayan egzotik madde halleri olan "zaman kristallerini" andıran, oldukça düzenli ve tekrarlayan bir duruma organize olabiliyor.
Ve işler daha da ürkütücü bir hal alıyor: En ufak bir enerji dokunuşuyla, bu kristal benzeri uzay-zaman desenleri mikroskobik kara deliklere dönüşebiliyor.
Bir fizikçi, "Bazen küçük, görünüşte önemsiz bir neden, büyük ve dramatik bir değişimi tetiklemeye yeter" diyor. "Sıfır derece Celsius'taki sıvı suyu düşünün. Suyun donması için çok küçük bir değişiklik yeterlidir. Su molekülleri daha sonra kendiliğinden düzenli bir desen oluşturarak buz kristali meydana getirir."
Evrenin büyük çoğunluğunda fizik, kusursuz bir şekilde işler. Gezegenlerin yörüngelerinden galaksi çarpışmalarına kadar, Einstein'ın genel görelilik teorisi, kütleçekimini olağanüstü bir hassasiyetle açıklar.
Ancak kara delik oluşumu eşiğinde – kritik çökme olarak bilinen bu rejimde – kütleçekimi o kadar karmaşık hale gelir ki, Einstein'ın denklemleri analitik olarak çözülmesi neredeyse imkansız hale gelir. Bu durum, fizikçileri büyük ölçüde bilgisayar simülasyonlarına bağımlı kılar.
Bu eşik, kütleçekiminin kara delik oluşumunun tam sınırında bulunduğu hassas bir rejimi tanımlar. Bu durum iki şekilde sonuçlanabilir: Etkisiz bir şekilde dağılabilir ya da tamamen bir kara deliğe çökelebilir.
1993 yılında teorik fizikçi Matthew Choptuik önemli bir atılım gerçekleştirdi. Bilgisayar simülasyonları kullanarak, kara delik oluşumu eşiğindeki kritik durumun, uzay-zamanda daha küçük ölçeklere doğru yankılanan tekrarlayan desenler olarak bilinen "kesikli öz-benzerlik" gösterdiğini keşfetti.
Fizikçiler, "Bu uzay-zaman kristali çok tuhaf ve büyüleyici bir nesne" diye açıklıyor. "Bir tür ara durum, iki farklı yönde gelişebilen kararsız bir nokta. Kendiliğinden tekrar çözülebilir, arkasında serbestçe hareket eden parçacıklarla dolu sıradan bir uzay-zaman bırakabilir. Ancak çok az miktarda enerji eklenirse, evrim tamamen farklı bir yola girer: Bu sıradan görünen uzay-zaman kristali bir kara deliğe dönüşür."
Choptuik'in öncü çalışmasından bu yana geçen otuz yıl boyunca, fizikçiler bu uzay-zaman kristallerini yalnızca hesaplamalı olarak inceleyebilmişlerdi. Kritik çökme eşiğindeki Einstein denklemlerini çözmenin zorluğu nedeniyle, onları tanımlayacak bir matematik geliştirmek kimseye nasip olmamıştı.
Grumiller ve meslektaşlarının bulduğu çözüm, standart dört boyutlu uzay-zaman anlayışının dışına çıkarak düşünmekti.
Evrenimizde uzay-zaman, üç uzamsal boyuta ve bir zamansal boyuta sahiptir. Ancak matematiksel olarak genel görelilik, herhangi bir sayıda boyut için yazılabilir.
Araştırmacılar, problemi şu zihinle yaklaştılar: Evreni çok daha fazla sayıda boyuta sahipmiş gibi hayal edersek ne olur?
Bir fizikçi, "Bizim evrenimiz dört boyuta sahiptir – üç uzay boyutu ve bir zaman boyutu. Ancak prensipte, fizik denklemlerini daha fazla sayıda boyut – beş boyut, kırk iki boyut, hatta sonsuz sayıda boyut – için yazmamıza hiçbir engel yoktur" diye belirtiyor.
Kulağa ne kadar garip gelse de, evrenin devasa sayıda boyuta sahip olduğunu varsaymak, Einstein denklemlerini çözmeyi aslında daha kolay hale getirebilir; kütleçekimi daha az yaygın ve çöken bölgeye daha lokal olarak yoğunlaşır.
Yüzlerce boyuttan oluşan bir evreni hayal ederek, araştırmacılar kara delik çökmesi sırasında kendiliğinden ortaya çıkan uzay-zaman eğriliğindeki tekrarlayan, fraktal benzeri yapıları tanımlayan analitik formüller türetebildiler.
Bu denklemler sadece absürt derecede yüksek boyutlu evrenlerde değil, aynı zamanda daha düşük boyutlarda da aynı matematiksel yapıların devam ettiğini göstererek, bu garip kristal benzeri durumların kütleçekimi hakkında temel bir şeyi yansıtıyor olabileceğini düşündürdü.
Evrenin yüzlerce gizli boyuta sahip olup olmadığı bilinmeyebilir. Ancak araştırmacılar, bunları hayal ederek, aksi takdirde anlaşılması olağanüstü derecede zor olacak aşırı rejimlerde ortaya çıkan kütleçekimsel karmaşıklık hakkında derinlemesine bilgi edinebiliyorlar.
Bir başka fizikçi, "Tekniğimiz dikkat çekici derecede kararlı çıktı. İstenen hassasiyete bağlı olarak, formüllerimizi ek yaklaştırma yöntemleri kullanarak sistematik olarak iyileştirebiliriz" diyor. "Bu bize daha önce analitik olarak analiz edilemeyen kara deliklerle ilgili olguları incelemek için yeni bir yöntem sunuyor."
Bulgular Physical Review Letters dergisinde yayınlandı.
