Kara deliklerin etrafındaki bölgeler, evrenin başka hiçbir yerinde bulunmayan fizik kurallarıyla yönetilen sert, çalkantılı ortamlardır. Nottingham Üniversitesi’nden bilim adamlarının liderliğindeki bir araştırma ekibi, bu olayları laboratuvar koşullarında incelemeyi başardı. Aşırı soğuk sıcaklıklara soğutulmuş süperakışkan helyumda dönen bir kuantum girdabı yarattılar ve esasen Dünya’daki bir kara deliği simüle ettiler.
“Kuantum kasırgası”, özel bir özelliğe sahip olan süperakışkan bir sıvının yüzeyinde küçük dalgalar yarattı; neredeyse mutlak sıfırda gözlemlenen sürtünme ve diğer egzotik özelliklerin yokluğu. Bir kuantum girdabıyla dalga etkileşiminin bir sonucu olarak, dönen kara deliklerin yakınında meydana gelenlere benzer koşullar yaratıldı.
“Süper akışkan helyumun kullanılması, yüzey dalgalarını suyla yapılan önceki deneylere göre daha ayrıntılı ve hassas bir şekilde incelememize olanak sağladı. Süperakışkan helyumun çok düşük viskozitesi sayesinde, bunların kuantum girdabı ile etkileşimlerini dikkatli bir şekilde inceleyebildik ve sonuçları teorik tahminlerimizle karşılaştırabildik” dedi Nottingham Üniversitesi’nden araştırma grubunun lideri Patrick Svankara.
Bu deneyin kara deliklerin doğasını daha iyi anlamamıza neden yardımcı olduğunu anlamak için Albert Einstein’ın 1915’te ortaya attığı genel görelilik teorisine geri dönebiliriz. Bu teoriye göre uzay ve zaman birdir ve yerçekimi, büyük nesnelerin uzay-zamanı bükmesiyle ortaya çıkar.
Kara delikler, son derece yoğun ve kompakt kütlenin yarattığı uzay-zaman bölgeleridir; olağan fizik yasalarının ihlal edildiği bir tekillik. Olay ufku adı verilen bu bölgelerin dış sınırı, fotonların dahi olay ufkunu terk edecek kadar hızlı olmadığı kısımdır.
Kara delikler bilinen üç parametreyle karakterize edilir: elektrik yükü, kütle ve açısal momentum (spin). Kerr kara deliği olarak bilinen dönen bir kara delik açısal momentuma sahiptir ve uzay-zamanı kendi dönüş yönünde kendisiyle birlikte sürükler. Bu, Lense-Thirring etkisi olarak bilinen ve onu ilk öneren bilim adamlarının adını taşıyan bir etkidir.
Lenz-Thirring etkisinin ve Kerr kara deliğinin etrafındaki maddenin davranışının çevredeki bölgeyi nasıl etkilediğini hesaba katan bilim insanları, bir sıvıdaki girdabın veya atmosferdeki bir kasırganın uzay-zamanın bu tür bölgelerinin kabaca bir benzeri olduğunu öne sürdüler. . Ancak tamamen yeni olan şey, bir kara deliği simüle eden bu girdabın, sıradan sıvıyla yapılan önceki deneylerde daha önce gözlemlenmemiş olmasıdır. Bu, neredeyse mutlak sıfıra kadar soğutulmuş süperakışkan bir ortamda gerçekleştirildi.
Deneyi gerçekleştirmek için araştırma ekibi, -271 santigrat derecenin altındaki bir sıcaklığa soğutulan birkaç litre helyum için özel bir kriyojenik sistem geliştirdi. Bu, -273,15 santigrat derece olan mutlak sıfırın 3-4 derece üzerindedir. Mutlak sıfır, atomik hareketin durduğu teorik olarak mümkün olan en düşük sıcaklıktır.
Deneyde ulaşılan sıcaklıklarda sıvı helyum, büyük girdapların oluşmasına izin vermeyen kuantum özellikleri kazanıyor. Bir araştırma ekibi, birçok küçük bileşeni kullanarak aşırı soğuk bir süperakışkanda bir “kuantum kasırgası” yarattı.
“Süper akışkan helyum, genellikle ayrılma eğiliminde olan kuantum girdapları içerir. Bu kuantum girdaplarından onbinlercesini, kuantum sıvıları bağlamında rekor güçte bir girdap akışı yaratan, küçük bir kasırgaya benzeyen kompakt bir nesnede toplamayı başardık” diye açıkladı Svankara.
Araştırmacılar “kuantum kasırgası” ile kara deliklerin yerçekiminin uzay-zamanı nasıl etkilediği arasında paralellikler keşfettiler. Ekip, deneylerinin, kara deliklerin etrafındaki uzay-zamanın egzotik özelliklerinin modellenmesi de dahil olmak üzere, kavisli uzay-zamanda kuantum fiziğinin daha derin simülasyonlarına yol açabileceğini umuyor.
“2017’deki ilk analog deneyimizde kara delik fiziğinin açık işaretlerini ilk kez gözlemlediğimizde, bu, incelenmesi imkansız olmasa da zor olabilecek bazı karmaşık olguları anlamak için çığır açıcı bir andı. Şimdi, daha karmaşık bir deneyin yardımıyla, bu araştırmayı yeni bir düzeye taşıdık; bu, sonuçta astrofiziksel kara deliklerin etrafındaki kavisli uzay-zamandaki kuantum alanlarının davranışını tahmin etmeye yol açabilir” dedi. Kara Delik Laboratuvarı deneyin yapıldığı yer.
