21. Yüzyılda Karadelik Araştırmaları: Karadeliklerin Yeri Nasıl Tespit Edilir?

Var olduklarına dair ilk kanıtları 20. yüzyılda elde ettiğimiz karadelikler hakkında yıllardır araştırmalar yapılmaktadır. Samanyolu Galaksisi ve ötesindeki karadelikleri keşfedip inceleyebildiğimizden bizim için artık anlaşılmaz birer cisim olmaktan çıkmışlardır. Peki, karadeliklerin yeri nasıl tespit edilmektedir?

Klasik fiziği kullanarak bir gök cisminin etrafında döndüğü şeyin kütlesini hesaplayabiliyoruz. Örneğin, galaksimizin merkezindeki yıldızlardan biri olan S2 yıldızının etrafında döndüğü gök cisminin kütlesini hesapladığımızda milyarlarca güneş kütleli bir cisim olduğu ortaya çıkmakta fakat buna uygun bir ışıma yapmamaktadır. Buradan hareketle, bunun bir karadelik olması gerektiğini söyleyebiliyoruz. Örneğin, UCLA’da Fizik ve Astronomi profesörü olan Andrea Ghez ve diğer astronomlar, yıllardır galaksimizin merkezinde ne olduğu sorusunu yanıtlamaya çalışıyorlardı. Hawai’de bulunan W.M. Keck Teleskobu ile yaptıkları çalışmalar sonucunda Samanyolu’nun merkezinde süper kütleli bir karadelik olduğunu kanıtladılar. Karadeliğin etrafında dönen yıldızların yörünge ve hızlarını hesaplayarak elde ettikleri veriler sayesinde bizden 26 bin ışık yılı uzaklıktaki Sagittarius A* isimli bu süper kütleli karadeliği keşfetmiş oldular. Bu, yüzyılın en iyi keşiflerinden biriydi. Şimdi biliyoruz ki çoğu galaksinin merkezinde bir süper kütleli karadelik bulunmaktadır. Ve bu karadelikler galaksinin oluşumundan yıldızların doğumuna kadar pek çok şeyi etkilemektedir.

Wikiwand

Süper kütle kavramını biraz açalım. Karadelikler çok farklı boyutlarda olabilmektedir: 1- Yalnızca birkaç güneş kütlesine sahip yıldız kaynaklı (Stellar) karadelikler, 2- Evrenin ilkel dönemlerinden kalmış olabilecek veya yıldız kaynaklı karadeliklerin birleşmesiyle oluşabilecek orta kütleli karadelikler, 3- son olarak da milyonlarca hatta milyarlarca güneş kütlesine sahip olabilecek süper kütleli karadelikler. Farklı kütlelere sahip bu karadelikler hayatları boyunca aynı kütlede kalmayıp çevrelerindeki cisimleri yutarak (akresyon yoluyla) veya diğer karadeliklerle birleşerek hızla büyüyebilirler.

Lynx Gözlemevi karadelikler konusunda araştırmalar yapmaktadır. Hassas X ışını detektörleri ile gözlem yaparak karadeliklerin doğumları ve büyümeleri hakkında çalışmalar sürdürmektedir. NASA’nın stratejik misyonlarından biri olan Lynx, gelişmiş teleskopları sayesinde evreni anlamaya yönelik çalışmalarımızda bize yardımcı olacaktır.

Tam da bu noktada, geçtiğimiz yıllarda bilim dünyasında büyük ses getiren kütleçekim dalgalarından da bahsedebiliriz. Albert Einstein’ın genel görelilik teorisinde varlığını öngördüğü kütleçekim dalgaları, çok yüksek kütlelerdeki cisimlerin ivmelenmesiyle oluşan uzay-zamandaki dalgalanmalardır. Böyle bir dalgalanma, karadelik bir nötron yıldızını yuttuğunda veya iki karadelik birbirinin yörüngesine girdiğinde oluşmaktadır. Örneğin, 2015 yılında LIGO (The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) tarafından keşfedilen, ışık hızında hareket eden ve 1,3 milyar ışık yılı uzaklıktaki çarpışan iki karadelikten gelen bir kozmik dalgalanma, insanlığın en büyük bilimsel başarılarından biri olarak tarihe geçebilir.

ESA ve NASA işbirliği ile gerçekleşecek olan LISA'nın da (Laser Interferometer Space Antenna) benzer araştırmalar yapacağını biliyoruz. Kütleçekim dalgalarını tespit edecek olan üçgen şeklindeki bu antenin boyutu ise oldukça büyük (5 milyon km). Bilim insanlarının böylesine büyük bir tasarıma ihtiyaç duymasının nedeni, her ne kadar kütleçekim dalgalarını karadelik gibi çok güçlü yapılar oluşturuyor olsa da, bu dalgaların oldukça zayıf ve tespit edilmesi güç olmasıdır.

Bir Karadelik Gözlemi Nasıl Yapılır?

Karadelikler doğrudan gözlemlenememektedir. Bu görünmeyen nesnenin bir karadelik olduğunu gösteren en güçlü kanıt, bulunduğu yerden X ışını yaymasıdır. Bu milyarlarca Kelvin değerindeki sıcaklığın göstergesidir. Biliyoruz ki X ışınları dahil hiçbir ışık türü karadeliğin olay ufkundan kaçamaz. Bizim gözlemlediğimiz X ışınları, karadeliğin toplanma diskinden yayılmaktadır.

Toplanma diski (İng: "accretion disk"), karadeliğin etrafında dönen gazların oluşturduğu bir kuşaktır. Buradaki gazlar karadeliğe düşerken iyonize olur ve yüksek hızlara ulaşırlar. Ek olarak sürtünme de diskteki parçacıkları milyonlarca dereceye kadar ısıtır. Tüm bunların sonucunda X ışınları yayılmaya başlar. Bilim insanları bu X ışınlarını gözlemleyerek karadeliklerin kütleleri ve dönüş hızları gibi somut veriler elde edebilirler.

Wikiwand

NASA’nın Chandra X-Ray gözlemevi tam olarak bu işi yapmaktadır. Chandra, karadeliklerin toplanma diski gibi yüksek sıcaklıktaki yerlerden yayılan X ışınlarını gözlemlemek için tasarlanmış özel bir teleskoptur. X ışınları Dünya atmosferi tarafından absorbe edildiğinden Chandra gözlemevi 139.000 km yükseklikteki yörüngesinde dönmektedir.

Chandra, Event Horizon Telescope (EHT) tarafından yürütülen gözlem sırasında da kullanılmıştır. Elde edilen X ışını verileri ve diğer tüm gözlemlerle birlikte 2019 yılının Nisan ayında ilk kez bir karadelik fotoğrafı elde edilmiştir. Messier 87(M87) galaksisinin merkezinde yer alan bu süper kütleli karadelik bizden 55 milyon ışık yılı uzaklıkta ve 6.5 milyar Güneş kütlesine sahiptir.

NASA’nın NuStar gözlemevi de 2012 yılından bu yana benzer bir görevi sürdürmektedir. Süpernova kalıntılarını ve çökmüş yıldızları inceleyen teleskop, Samanyolu’nun merkezini ve galaksinin dışını da gözlemlemektedir. NASA’nın Chandra ve ESA’nın XMM-Newton gözlemevine göre X ışınlarına çok daha hassas olan NuStar, karadelik tespitlerinde ve gözlemlerinde oldukça önemli bir yere sahiptir. Yaklaşık 600 km yükseklikteki yörüngesinde dönerek milyarlarca ışık yılı mesafedeki süper kütleli karadelikler üzerinde çalışmaktadır. Ek olarak AXIS ve Athena da aynı amaç doğrultusunda çalışan X ışını gözlemevleri arasında.

Karadelik Araştırmaları Neden Önemlidir?

Her şeyden önce, içerisinde yaşadığımız evreni tanımaya çalışıyoruz. Karadelikler birkaç yıl önce bizim için yabancı ve korkutucuydu. Gözlemler ve elde edilen veriler ışığında onları çok daha yakından tanıma fırsatı bulduk. Hala cevaplanmamış sorular olsa da karadelikler artık varsayımsal birer cisim olmaktan çıkmışlardır. Aynı şeyi karanlık madde ve karanlık enerji için de diliyoruz. Chandra Gözlemevi aynı zamanda bu alandaki çalışmalara da katkı sağlamaktadır. Bildiğimiz üzere çoğu galaksinin merkezinde bir süper kütleli karadelik bulunuyor. Bu karadelikler, galaksilerin evriminde ve yıldızların oluşumunda çok büyük rol oynuyorlar. Öyle ki Big Bang’ten bu yana varlığını sürdüren ilkel karadelikler bile olabilir. Tüm bunlar evrenimizin oluşumuna dair bizlere eşsiz bilgiler verebilir. Harvard-Smithsonian Astrofizik Merkezi'nde Event Horizon Telescope (EHT) direktörü Shep Doeleman’a göre karadelikler bizim için doğal birer laboratuvar. Karadelikler sayesinde onların maddeyi içine çekerek evrenin şekillenmesine nasıl yardımcı olduğunu da inceleyebiliriz.

Astronomi dışında fizik için de oldukça değerli olan karadelikler, Her Şeyin Teorisi için bize yol gösterebilir. Bilinen tüm kuvvetleri, parçacıkları ve etkileşimleri tek bir çerçevede birleştirmek isteyen bu teori, kuantum fiziği ve genel göreliliği bir araya getirdiğinde nihai amacına ulaşmış olacak. Genel görelilik kuramı ve kuantum fiziğinin geçerli olduğu karadelikler bu nedenle fizik araştırmaları için de oldukça önemlidir. Son yapılan çalışmalara göre NASA’nın Chandra Gözlemevi, bu teorinin deneysel testleri için kullanılacak.