Astrofizikçiler, Süper Kütleli Kara Delik Birleşmelerindeki "Son Parsek Problemi"ni Çözmüş Olabilir!

2023 yılında astrofizikçiler, Evren'e yayılan kütleçekim dalgalarının bir uğultusunun tespit edildiğini duyurmuştu. Bu arka plan sinyalinin, her biri Güneşimizden milyarlarca kat daha kütleli olan milyonlarca süper kütleli kara delik çiftinin birleşmesinden kaynaklandığını öne sürdüler.

Ancak teorik simülasyonlar, bu gök cisimlerinin çiftleri birbirine yaklaştıkça, birbirlerinden yaklaşık bir parsek (3,26 ışık yılı mesafe) uzaklaştıklarında bu yakınlaşmanın ve dolayısıyla birleşmenin durduğunu gösterdi.

Bu "son parsek problemi" sadece birleşen süper kütleli kara deliklerin kütleçekimsel dalga arka planının kaynağı olduğu teorisiyle çelişmekle kalmıyor, aynı zamanda süper kütleli kara deliklerin daha az kütleli kara deliklerin birleşmesi sayesinde büyüdüğü teorisiyle de uyuşmuyordu. Toronto Üniversitesi ve McGill Üniversitesi'nde doktora sonrası araştırmacı olan Dr. Gonzalo Alonso-Álvarez şöyle anlatıyor:

Daha önce göz ardı edilen karanlık madde etkisini dahil etmenin, süper kütleli kara deliklerin bu son parsekteki ayrılığı yenip ve birleşmelerine katkı sağlamış olabileceğini gösteriyoruz. Hesaplamalarımız, daha önce düşünülenin aksine, bunun nasıl gerçekleşebileceğini açıklayabiliyor.

Süper kütleli kara deliklerin çoğunun galaksinin merkezinde bulunduğu düşünülüyor ve iki galaksi çarpıştığında, bu süper kütleli kara delikler birbirlerinin yörüngesine giriyor. Birbirlerinin etrafında dönerken, yakındaki yıldızların kütleçekim gücü onları etkiler ve yavaşlatır. Sonunda birbirlerine doğru birleşme yönüne doğru spiral çizerek birbirlerine yakınlaşırlar.

Önceki birleşme modelleri, süper kütleli kara delikler yaklaşık bir parsek mesafeye yaklaştıklarında içine içinde oldukları karanlık madde bulutu veya karanlık madde halesiyle etkileşime girmeye başladıklarını gösteriyordu. Eski modellere göre spiral çizen süper kütleli kara deliklerin çekim kuvvetinin karanlık madde parçacıklarını sistemden uzaklaştırıyor. Bu, kara delik çiftinden enerji çekilememesi ve dolayısıyla için yörüngeler arası mesafenin azalmamasına neden oluyordu.

Bu modeller karanlık maddenin süper kütleli kara deliklerin yörüngeleri üzerindeki etkisini göz ardı ederken Dr. Alonso-Álvarez ve ekibinin Physical Review Letters dergisinde yayınladığı yeni modeli, karanlık madde parçacıklarının birbirleriyle, dağılmayacak şekilde etkileşime girdiğini ortaya koyuyor.^[1]

Karanlık madde halesinin yoğunluğu, parçacıklar ve süper kütleli kara delikler arasındaki etkileşimlerin süper kütleli kara deliklerin yörüngelerini bozmaya devam edeceği kadar yüksek olduğundan birleşmeye giden yolu açtığı söylenebilir. Dr. Alonso-Álvarez şöyle açıklıyor:

Karanlık madde parçacıklarının birbirleriyle etkileşime girme olasılığı, bizim yaptığımız bir varsayım. Bu, diğer tüm karanlık madde modellerinde olmayan ekstra bir bileşen. Bizim iddiamız, sadece bu bileşeni içeren modellerin son parsek problemini çözebileceğidir.

Bu devasa kozmik çarpışmaların oluşturduğu arka plan uğultusu, astrofizikçilerin ilk kez Lazer Girişimölçerli Kütleçekimsel Dalga Gözlemevi'nde (İng: "Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory" - LIGO) 2015'te ilk kez tespit ettikleri kütleçekimsel dalgalardan bile daha uzun dalga boyuna sahip kütleçekimsel dalgalardan oluşuyor.

BU uzun dalga boyuna sahip kütleçekimsel dalgalar, her biri Güneş'in kütlesinin yaklaşık 30 katı olan iki kara deliğin birleşmesinden kaynaklanıyordu. Arka plan uğultusu, son yıllarda Pulsar Zamanlama Dizisi (İng: "Pulsar Timing Array") üzerinde çalışan işleten bilim insanları tarafından tespit edildi. Bu dizi, hızla dönen ve güçlü radyo sinyalleri yayan nötron yıldızları olan pulsarlardan gelen sinyallerdeki küçük değişimleri takip ederek kütleçekimsel dalgaları tespit ediyor. McGill Üniversitesi ve CERN'de astronom olan Profesör James Cline şöyle açıklıyor:

Öne sürdüğümüz modeldeki öngörülere göre pulsar zamanlama dizileri sayesinde tespit ettiğimiz kütleçekimsel dalgaların spektrumu, düşük frekanslarda daha yumuşak bir eğilim göstermelidir. Mevcut veriler zaten bu eğilime işaret ediyor. Yeni veriler bu öngörüyü doğrulamamıza yardımcı olabilir.

Çalışmanın sonuçları, süper kütleli kara delik birleşmeleri ve kütleçekimsel dalga arka plan sinyali hakkında yeni bilgiler sağlamanın yanı sıra, karanlık maddenin doğası konusunda bildiklerimize yeni bir bakış açısı katıyor. Dr. Alonso-Álvarez yorumlarını şöyle aktarıyor:

Çalışmamız, karanlık maddenin parçacık doğasını anlamamıza yardımcı olacak yeni bir yol sunuyor. Kara deliklerin yörüngelerinin evriminin karanlık maddenin mikrofiziğine çok duyarlı olduğunu ortaya koyduk. Bu, süper kütleli kara deliklerin birleşmelerini gözlemleyerek karanlık madde parçacıkları hakkında daha fazla bilgi edinebileceğimiz anlamına geliyor.

Araştırmacılar, çalışmalarında kullandıkları modeldeki karanlık madde parçacıkları arasındaki etkileşimlerin aynı zamanda galaksileri çevreleyen karanlık madde halelerinin şekillerini de açıklayabildiğini keşfetti. Dr. Alonso-Álvarez, şöyle bitiriyor:

Çalışmamız sonucunda gördük ki son parsek probleminin ancak karanlık madde parçacıkları galaktik ölçekte karanlık madde dağılımını değiştirebilecek bir hızda etkileşime girerse çözülebilir. Bu beklenmedik bir durumdu çünkü süreçlerin gerçekleştiği fiziksel ölçekler birbirinin üç katı, hatta ondan bile fazla büyüklüklerde. Bu, gerçekten heyecan verici.