Smadar Naoz

Süper kütleli kara deliklerin arkadaşları var mıdır? Galaksi oluşumunun doğası, yanıtın ‘evet’ olduğunu ve aslında süper kütleli kara delik çiftlerinin evrende yaygın olması gerektiğini gösteriyor.

Ben bir astrofizikçiyim ve ilk galaksilerin oluşumundan kara deliklerin, yıldızların ve hatta gezegenlerin kütle çekimsel etkileşimlerine varana kadar, astrofizik alanında çok çeşitli teorik sorunlarla ilgileniyorum. Kara delikler ilgi çekici sistemlerdir ve süper kütleli kara delikler ile onları çevreleyen yoğun yıldız ortamları evrenimizdeki en uç yerlerden birini temsil eder.

Galaksimizin merkezinde bulunan ve ‘Sgr A*’ (Sagittarius A*) diye adlandırılan süper kütleli kara delik, Güneş’in yaklaşık 4 milyon katı kütleye sahiptir. Bir kara delik, kütle çekiminin inanılmaz derecede güçlü olduğu ve ne parçacıkların ne de ışığın kendisinden kaçamayacağı bir yerdir. Sgr A*’nın etrafını yoğun bir yıldız kümesi sarar. Gökbilimcilerin bu süper kütleli kara deliğin varlığını teyit etmesine ve kütlesini ölçmesine de işte bu yıldızların yörüngelerinin kesin biçimde ölçülmesi olanak sağladı. Bilim insanları, 20 yılı aşkın bir zamandır bu yıldızların süper kütleli kara deliğin etrafında kat ettikleri yörüngeleri izliyorlar. Meslektaşlarım ve ben, gördüklerimize dayanarak, eğer bu kara deliğin orada bir arkadaşı varsa Güneş’in kütlesinin en az 100.000 katı büyüklükte bir kara delik olabileceğini düşünüyoruz.

Süper kütleli kara delikler ve arkadaşları

Samanyolu da dahil olmak üzere hemen her galaksinin merkezinde Güneş’ten milyonlarca ve hatta milyarlarca kez büyük bir kütleye sahip olan süper kütleli bir kara delik bulunur. Gökbilimciler hâlâ galaksilerin merkezinin neden genellikle süper kütleli bir kara deliğe ev sahipliği yaptığını araştırıyorlar. Destek gören bir fikir, süper kütleli kara deliklerin bir eşlikçiye sahip olma olasılığına bağlanıyor.

Bu fikri anlamak için, evrenin yaklaşık 100 milyon yaşında olduğu zamanlara, ilk galaksilerin oluştuğu döneme geri dönmemiz gerekir. Onlar, bugünkü gökadalardan çok daha küçüktü ve Samanyolu’ndan yaklaşık 10.000 kat ya da daha az kütleye sahiptiler. Bu ilk galaksilerde ölen ilk yıldızlar Güneş’in kütlesinin on ilâ bin katına varan bir kütleye sahip kara delikler yarattılar. Bu kara delikler ağırlık merkezine, yani ev sahibi galaksilerinin merkezine sürüklendi. Galaksiler birleşerek ve birbirleriyle çarpıştırarak evrimleştikleri için, galaksiler arasındaki çarpışmalar süper kütleli kara delik çiftlerini meydana getirir ve bu olay hikâyenin önemli bir parçasını oluşturur. Ardından kara delikler de çarpışırlar ve boyutları büyür. Güneşimizin kütlesinin bir milyondan fazla katı büyüklükte olan bir kara delik, ‘süper kütleli’ olarak kabul edilir.

Eğer gerçekten de bu süper kütleli kara deliğin çevresinde, yakın yörüngede dönen bir arkadaşı mevcutsa, galaksinin merkezi karmaşık bir dansa kilitlenir. İkilinin kütle çekimsel etkileri de yörüngelerini bozan yakın yıldızlara kendi çekim etkilerini uygularlar. İki süper kütleli kara delik birbirlerinin yörüngesinde döner ve aynı zamanda her biri etrafındaki yıldızlara kendi çekiminin kuvvetini uygular.

Kara deliklerden kaynaklanan kütle çekimi kuvvetleri bu yıldızları onlara doğru çeker ve yörüngelerini değiştirir; farklı biçimde söylersek, süper kütleli kara delik çiftinin etrafında gerçekleşen bir dairesel dönüşten sonra, bir yıldız tam olarak başladığı noktaya geri dönmeyecektir.

Gökbilimciler, muhtemel bir süper kütleli kara delik çifti ile etraflarındaki yıldızlar arasındaki kütle çekimsel etkileşime dair anlayışımızı kullanarak, yıldızlara ne olacağını öngörebilirler. Meslektaşlarım ve benim gibi astrofizikçiler, tahminlerimizi gözlemlerle karşılaştırabilir, ardından yıldızların muhtemel yörüngelerini belirleyebilir ve süper kütleli kara deliğin kütle çekimi etkisi uygulayan bir arkadaşı olup olmadığını anlayabilirler.

‘S0-2’ adlı iyi bildiğimiz ve her 16 yılda bir galaksinin merkezinde bulunan süper kütleli kara deliğin çevresindeki yörüngesini tamamlayan bir yıldızı kullanarak, Güneş’in kütlesinin 100.000 katından büyük ve Güneş ile Dünya arasındaki mesafenin yaklaşık 200 katından daha uzak olan ikinci bir süper kütleli kara delik olduğu fikrini zaten eleyebiliriz. Eğer böyle bir eşlikçi olsaydı, ben ve meslektaşlarım S0-2’nin yörüngesine yapacağı etkileri saptayabilirdik.

Ancak bu durum, daha küçük bir eşlikçi kara deliğin yine de orada saklanamayacağı anlamına gelmiyor. Bu tür bir gökcismi, kolaylıkla ölçebileceğimiz bir biçimde S0-2’nin yörüngesini değiştirmeyebilir.

Süper kütleli kara delik fiziği

Süper kütleli kara delikler son dönemde çok revaçta. Özellikle, M87 Galaksisi’nin merkezinde bulunan bu tür bir devle ilgili son görüntüler, kara deliklerin arkasında yatan fiziği anlamak için bizlere yeni bir pencere araladı.

Samanyolu’nun galaktik merkezinin yakınlığı -yalnızca 24.000 ışık yılı mesafede-, süper kütleli kara delikler hakkındaki temel fiziğe ilişkin sorunları değerlendirmek noktasında bizlere eşsiz bir laboratuvar ortamı sunuyor. Mesela, benim gibi astrofizikçiler, galaksilerin merkezi bölgeleri üzerindeki etkilerini ve galaksi oluşumu ile evriminde oynadıkları rolü anlamak isterler. Galaktik merkezinde bir süper kütleli kara delik çiftinin bulunduğunun tespit edilmesi, Samanyolu’nun geçmişte başka bir galaksiyle birleştiğini gösterecektir.

Etraftaki yıldızları gözlemlemenin bize anlatabileceği tek şey bu değil. S0-2 yıldızıyla ilgili ölçümler, bilim insanlarının Einstein’ın Genel Görelilik teorisi hakkında benzersiz bir deney gerçekleştirmelerine olanak sağladı. S0-2, 2018 yılının Mayıs ayında süper kütleli kara deliğe doğru, Dünya’nın Güneş’e olan uzaklığından yalnızca 130 kat fazla bir mesafeye kadar yaklaştı. Einstein’ın teorisine göre, yıldızın yaydığı ışığın dalga boyunun, süper kütleli kara deliğin derin kütle çekim kuyusundan tırmanırken uzaması gerekir.

Einstein’ın öngördüğü -ve yıldızın daha kırmızı görünmesine neden olan- uzayan dalga boyu tespit edildi ve Genel Görelilik teorisinin bu aşırı kütle çekimi bölgesinde var olan fiziği isabetli biçimde tanımladığı ispatlandı. S0-2’nin yaklaşık 16 yıl içinde gerçekleşecek olan ikinci en yakın geçişini sabırsızlıkla bekliyorum; çünkü astrofizikçiler, yıldızların uzamış yörüngesinin yönelimindeki değişim de dahil olmak üzere, Einstein’ın Genel Görelilik’le ilgili öngörülerini daha fazla test edebilecekler. Yine de süper kütleli kara deliğin bir eşlikçisi mevcutsa, bu durum beklediğimiz sonucu değiştirebilir.

NASA / ESA ortaklığıyla faaliyette olan Hubble Uzay Teleskobu’ndan elde edilen bu görüntü, iki büyük boyutlu gökada arasında yaşanan galaktik çarpışmanın sonucunu gösteriyor. Bu yeni yıldız kaosu, ağır ağır devasa bir eliptik galaksiye dönüşmek üzere evrim geçiriyor. Görsel: ESA / Hubble ve NASA, Judy Schmidt.

Son olarak, şayet galaktik merkezde birbirinin etrafında dönen iki büyük kara delik varsa, ekibimin de önerdiği üzere, yerçekimi dalgaları yayacaklardır. 2015 yılından bu yana, LIGO-Virgo gözlemevleri, yıldız kütleli kara delikler ve nötron yıldızlarının birleşmesinden ortaya çıkan kütle çekim dalgası radyasyonunu tespit edebiliyor. Bu çığır açan tespitler, bilim insanlarının evreni anlamaları için yeni bir yol açtı.

Varsayımsal kara delik çiftimizin yayacağı dalgalar, LIGO-Virgo detektörlerinin algılayamayacağı kadar düşük frekanslarda olacaktır. Diğer yandan, LISA adıyla bilinen planlanmış bir uzay bazlı detektör, astrofizikçilerin galaktik merkezdeki kara deliğimizin yalnız mı yoksa bir arkadaşı mı olduğunu anlamalarına yardım ederek bu dalgaları saptayabilir.

Makalenin orijinali The Conversation sitesinde yayımlanmıştır. (Çeviren: Tarkan Tufan)

Gazete Duvar