Stephen Hawking Düşüncesi ile Kara Delikler

Stephen Hawking bilim hayatının büyük bir bölümünü Kara Delikler üzerine araştırmalar yaparak geçirmiştir. Hawking bu araştırmalarında bilim dünyasına oldukça faydalı gelişmeler sunmuştur. Bu Blog yazısında Hawking'in kara delikler üzerine yaptığı araştırmaların ve sunmuş olduğu kanıtların sadece bir bölümünden bahsedilecektir.

Kara Delik İfadesinin Kökeni

Kara delik ifadesinin kökeni çok yakın bir tarihe dayanır. Bu ifade 1969'da Amerikalı bilim insanı John Wheeler tarafından, ışığa ilişikin iki kuramın olduğu, en az iki yüz yıl öncesine dayanan bir fikrin görsel bir betimlemesi olarak ortaya atılmıştır. Kara deliklerin varlıkları ilk olarak Einstein'ın genel görelilik teorisi tarafından 1915 yılında öngörülmüştür.

Kara Delik Oluşumu

Bir kara deliğin nasıl oluştuğunu anlamak için ilkin bir yıldızın yaşam döngüsünü anlamamız gerekmektedir. Bir yıldız çok fazla miktarda gazın (büyük oranda hidrojenin) kütleçekimsel çekim dolayısıyla kendi üzerine çökmesi sonucu oluşur. Aradaki büzüşme arttıkça gazın atomları birbirine daha hızlı çarpmaya başlar ve gaz ısınmaya başlar. Bu sıkışma sonucunda çarpışan hidrojen atomları birleşerek helyum oluştururlar. Bu sıkışma insanlığın en büyük başarılarından birisi olan (?)Hidrojen Bombasının kontrollü patlatılması olayında olduğu gibi bir ısı yayar. Bu olayda yıldızın parlamasını sağlayan şeydir. Oluşan bu fazladan ısı gazın basıncını da kütleçekimsel çekimi dengelemeye yetene kadar arttırır ve gaz büzüşmeye son verir. Fakat en nihayetinde yıldızın hidrojeni ve diğer nükleer yakıtları tükenir. Bir döngü olarak, bir yıldız ne kadar çok yakıt ile başlarsa, yakıtını o kadar kısa sürede tüketir. Bunun sebebi yıldızın kütleçekimsel çekimi dengelemek için daha sıcak olmaya ihtiyaç duymasıdır. Böylelikle yıldız ne kadar sıcaksa , yakıtını da o denli hızlı kullanacaktır. Haliyle yakıtı/enerjisi biten bir yıldız soğumaya ve bunun gösterdiği etki ile küçülmeye başlayacaktır. Yıldız soğumaya devam ettikçe füzyon tepkimeleri giderek yavaşlar; ancak kütleçekimin etkisi değişmez. Kütleçekimi ağır bastıkça, hidrostatik denge bozulmaya başlar ve yıldız kendi içine doğru çökmeye başlar.

Yıldız Çöktükten Sonra İşler Nasıl İlerler?

Bir yıldızın kara delik oluşturmak üzere çökmesi sırasında ne görüleceğini anlamak için görelilik kuramında mutlak uzay diye bir şeyin olmadığının hatırlanması gerekir. Buna göre her bir gözlemci kendine ait bir zaman ölçüsüne sahiptir. Yıldızdaki bir kişi için zaman yıldızın kütleçekimsel alanından ötürü kendisinden uzakta olan birine göre farklı olacaktır. Sözgelimi çöken yıldızın yüzeyinde yıldızla birlikte içe doğru çöken cesur bir astronotun, elinde bulundurduğu saate göre yıldızın etrafında dönen uzay gemisine saniyede bir sinyalin yollandığını varsayalım. Saatinin gösterdiği bir zamanda, diyelim ki saat 11.00, yıldız kütleçekimsel alanının hiçbir şeyin kaçamayacağı kadar büyük olacağı kritik yarıçapın altına küçülecek ve astronotun sinyalleri uzay gemisine artık ulaşmayacaktır. Uzay gemisinden kendisini izleyen arkadaşları 11.00'a yaklaşıldıkça astronottan gelen başarılı sinyaller arasındaki aralığın gitgide uzadığını fark edecektir; ancak bu etki 10.59.59'dan önce çok çok küçük olacaktır. Uzay gemisindekilerin astronottan gelen 10.59.58 -ve aynı şekilde astronotun saatine göre 10.59.59- sinyalinin kendilerine ulaşması için bir saniyeden çok az fazla beklemeleri gerekirken, 11.00 sinyali için sonsuza kadar beklemeleri gerekecektir. Astronotun saatine göre 10.59.59 ile 11.00 arasında yıldızın yüzeyinden gönderilen ışık dalgaları uzay gemisinden görüldüğü gibi sonsuz zaman periyoduna yayılacaktır-biliyoruz fazlasıyla çılgınca ve anlaşılması zor!-. Uzay gemisine ulaşan dalgaların ulaşma arasındaki zaman aralığı git gide artacak ve yıldız daha soluk gözükmeye başlayacaktır. Sonunda yıldız o kadar karanlık hale gelecektir ki uzay gemisinden görünemez hâle gelecektir: tüm bunların ardından uzayda bir kara delik olacaktır! Ancak çöken yıldız uzay gemisine aynı kütleçekimsel kuvveti uygulamaya devam edecek ve böylelikle araç kara delik etrafında dönmeyi sürdürecektir. Ancak her şeyden önce bu senaryo şu nedenden ötürü bütünüyle gerçekçi değildir: Kütleçekim yıldızdan uzaklaştıkça zayıflar, dolayısıyla cesur astronotumuzun ayaklarında hissettiği kütleçekimsel kuvvet her zaman kafasında hissettiği kuvvetten daha büyük olacaktır. Dolayısıyla söz konusu kuvvetler arasındaki farklılık ya astronotumuzu spagetti gibi uzatacak ya da yıldız olay ufkunun oluştuğu kritik yarıçapa küçülmeden önce astronotu paramparça edecektir!

Leo Rodriguez ve Shanshan Rodriguez

Kara Deliklerin Tespiti

Noirlab İmage

Kara delikler bilim tarihinde bir kuramın, gözlemlerden gelen herhangi bir kanıtla doğrulanmadan önce, ayrıntılı matematiksel model olarak geliştirildiği yalnızca birkaç örnekten biridir. Böylece bu durumda ara delik argümanına karşı çıkanların temel argümanı hâline geliyor: Nasıl olurda eldeki tek kanıt genel görelilik kuramının hesaplamalarıyken, böyle canavar nesnelerin var olduğuna inanılabilirdi? Ancak 1963'te, California'daki Palomar Gözlemevinden gökbilimci Maarten Schmidt 3C273 denilen radyo dalgaları kaynağı yönünde yıldız benzeri soluk bir nesnenin kırmızıya kaymasını ölçtü. Schmidt kırmızıya kaymanın bir kütleçekimsel alanın neden olamayacağı kadar büyük olduğunu fark etti: Eğer kütleçekimsel bir kırmızıya kayma olsaydı, bu durumda nesne o kadar büyük kütleli ve bir o kadar da bize yakın olurdu ki güneş sistemindeki gezegenlerin yörüngelerini etkilerdi! Buradan da kırmızıya kaymanın evrenin genişlemesinden kaynaklı olduğu ve dolayısıyla nesnenin oldukça uzak bir mesafede bulunduğu sonucu çıkıyordu. Bununla birlikte bu kadar uzak mesafede olan bir nesnenin çok parlak olması ya da diğer bir deyişle çok büyük ölçekte enerji yayması gerekirdi. İnsanlığın bu kadar büyük bir enerji üretebileceğini düşündüğü tek mekanizma yalnızca bir yıldızın değil, fakat bir galaksinin bütün bir merkezi bölgesinin kütleçekimsel çökmesi olarak görünmekteydi. Tamamı büyük kırmızıya kayma gösteren buna benzer bir dizi "yıldızsı nesne" ya da kuasar keşfedildi. Fakat bu nesnelerin hepsi çok uzak mesafelerdedir, dolayısıyla kara deliklerin varlığına ilişkin kesin kanıt sağlamak üzere kendilerini gözlemlemek oldukça zordur. Peki tanımından da anlaşılacağı üzere ışık yaymayan karanlık ve soluk bu nesneleri tespit etmeyi nasıl bekleyebiliriz? Bu durum karanlık bir bodrum katında kara kedi aramaya benzer görünür. Neyse ki bir yol var. John Michell'in 1783 tarihli öncü makalesinde de ifade ettiği gibi bir kara delik kendisine nesnelere kütleçekimsel kuvvet uygulamaya devam eder. Gökbilimciler iki yıldızın birbirleri etrafında döndüğü ve kütleçekim etkisiyle birbirlerini çektiği pek çok sistem gözlemlediler. Ancak buna ek olarak görülür tek bir yıldızın gözle görülmeyen bir çeşit nesnenin etrafında döndüğü sistemler de gözlemlediler. Ancak bundan nesnenin bir kara delik olduğu sonucuna varılmaz: zira bu, görülmeyecek kadar soluk olan bir yıldız da olabilir. Bu sistemlerin bazıları, örneğin Cygnus X-1 gibi, güçlü X ışınları kaynağıdır. Bu olguya getirilecek en iyi açıklama görülür yıldızın yüzeyinden maddenin atıldığıdır. Yıldız kendisine eşlik eden görünmeyen nesneye doğru düştükçe(tıpkı bir girdap gibi) sarmal bir hareket geliştirir ve X ışınları yayarak oldukça sıcak hâle gelir. Bu mekanizmanın çalışması için görünmeyen nesnenin bir beyaz cüce, nötron yıldızı veya kara delik kadar küçük olması gerekir. Görünür yıldızın gözlemlenen yörüngesinden görünmeyen nesnenin olası en küçük kütlesi belirlenebilir. Cygnus X-1 sistemi söz konusu olduğu zaman bu kütle güneşin kütlesinin yaklaşık altı katı kadardır. Chandrasekhar gibi bir bilim insanının sonucu göz önünde bulundurulursa, bu nesnenin bir beyaz cüce olması için çok büyük olduğu anlaşılır: Bu nesne bir nötron yıldızı olmayacak kadar da büyük kütlelidir. Bu yüzden söz konusu nesne bir kara delik olması gerekmiş gibi görünür! Cygnus X-1 sistemini tabiki bir kara delik yokmuş gibi inceleyen ve açıklayan modellerde mevcuttur, fakat bunların tamamı oldukça zorlama modellerdir. Bir kara delik, gözlemlerin tek gerçek doğal açıklaması gibi görünür.

Galaksimizin Merkezindeki Kara Delik!

ESO

Samanyolu Galaksisinin-yani bizim galaksimiz- merkezinde olay ufku teleskobu ile gözlemlenen Sagittarius A* kara deliği geçtiğimiz günlerde polarize ışık ile gözlemlendi! Kara delikler hakkında daha fazla bilgi edinmemizi sağlayan bu çalışma bizlere galaksimizin merkez noktasında bulunan Sagittarius A*'nın düzenli, güçlü ve belli bir alanda yörüngeye sahip olan akresyon diskini daha net bir şekilde gösterdi!

Özetle

Bu blog yazımızda özellikle Stephen Hawking'in düşüncelerine yer vererekten kara delikler hakkında siz okuyuculara yeterli bilgiyi vermeye gayret gösterdik. Özetle; kara delik kavramının kökenini, kara deliklerin nasıl oluştuğunu, bir yıldızın çöktükten sonra işlerin zamanla nasıl ilerlediğini, kara deliklerin tespitini ve Samanyolu Galaksimizin merkezinde bulunan Sagittarius A* kara deliğinin geçtiğimiz günlerde polarize ışık ile gözlemlenmesinden bahsettik.

Neler Yapılabilir?

İnsanlık uzay araştırmaları konusunda büyük bir hız ile devam ediyor. Yapılması gereken şey-bizce- bu yoldan asla vazgeçmemek ve büyük bir hız ile ilerlemektir. Bu uzay araştırmaları kapsamına kara delikler büyük bir gizem olarak yer alıyor. Evrende bulunan bu canavarlar hâlâ insanlar tarafından keşfedilmeyi beklerken bizler ayaklarımıza bakmak yerine göklere, yıldızlara bakıp sonsuz derinliğe, insanlığın uzaydaki geleceğine sürekli olarak göz gezdirmemiz gerekiyor. Bu konuda Stephen Hawking'in şu sözüne katılmamak elde değil gibi duruyor:

Ayaklarınıza değil, yıldızlara bakın. Gördüğünüz şeylerin mantığını anlamaya çalışın ve evrenin neden var olduğunu düşünün. Meraklı olun.