Galaksiler, Teknik Olarak Karadeliklerin Etrafında Dönmezler!

Hepimiz Güneş Sistemi'ne aşinayızdır. Bir dizi gezegen ve asteroit (ve Plüton gibi cüce gezegenler ve diğer kaya parçaları), merkezi bir nesnenin etrafında dönmektedir. Astronomlar bu şekildeki sistemlere "Kepler Sistemi" adı vermektedir. Yani bu sistemler, Kepler tarafından keşfedilen gezegensel hareket yasalarına uymaktadır.

Bu sistemlerde kütle tamamiyle merkezi gök cismi tarafından (bizim sistemimizde Güneş tarafından) domine edilir ve bunun haricinde kalan tüm civar cisimler, bu devasa ve merkezi nesnenin etrafında dönen test parçacıkları olarak kabul edilebilirler. Bu gök cisimleri, merkezdeki cismin etrafında eksantrik bir eksen etrafında, Kepler'in yasalarına uygun bir biçimde, ortalama bir yörüngesel hız ile dönerler. Bu cisimlerin yörünge hızları, merkezden uzaklaştıkça aşağıdaki formüle uygun bir şekilde azalır:

$v\propto \frac{1}{R^2}$

Birçok insan bu yaklaşımın galaksilere de uygulanabileceği kanısına sahiptir. Onlara göre yıldızlar ve gaz bulutları merkezdeki kara deliğin etrafında dönmektedir. Bu doğru değildir.

Galaksilerin Kepler Sistemleri olmadığını başından beri bilmekteyiz. Çünkü yıldızların yörüngesel hızları, merkeze olan uzaklıklarından bağımsızdır. Hele ki günümüzde galaksilerin merkezlerindeki kara deliklerin kütlelerini ölçebilmeye başladığımız için, bu gerçeği daha net olarak fark edebilmekteyiz. Örneğin bizim Samanyolu Galaksi'mizin kalbinde yatan Sagittarius A* kara deliğinin kütlesini hesaplayabilmekteyiz. Bu sayede, daha matematiksel bir analiz de yapmamız mümkün olabiliyor. Bu kara delik kütlesini kullanarak, merkezi kara deliğin etki küresini hesaplayabiliriz. Bu küre, basitçe, bir kara deliğin (ya da herhangi bir cismin) kütleçekimsel potansiyelinin etki edebildiği tüm hacmin bir tanımıdır. Bu kürenin dışarısında, kara deliğin kütleçekimsel etkisi önemsenmeyecek kadar küçüktür. İşte bu kürenin yarıçapını, basit bir şekilde şöyle hesaplayabiliriz:

$R=\frac{G{M}_H}{{\sigma }^2}$

Bu denklemde $M_H$ karadeliğin kütlesi, $\sigma$ ise yıldızsal hız dağılımıdır.

Bu denklemi Sagittarius A*'dan gelen veriler ışığında çözecek olursak görürürüz ki bizim kara deliğimizin etki yarıçapı yaklaşık olarak 3 parsektir (1 parsek, 3.26 ışık yılıdır). Yeri gelmişken söyleyelim, sanılanın aksine astronomlar neredeyse hiçbir zaman uzaklık birimi olarak ışık yılını kullanmazlar; genellikle sadece parsek birimini kullanırlar. Ancak basın ve halkla ilişkilerde ışık yılı daha havalı ve anlaşılır olduğu için bu tercih edilmektedir.

Her neyse... 3 parsek, inanılmaz küçük bir uzaklıktır! Elbette ki ışığın 9.78 yılda aldığı mesafe kabaca 92.570.330.000.000 (kabaca 92 trilyon) kilometredir! Ancak bu, evrensel ve galaktik mesafeler söz konusu olduğunda ufacık bir mesafedir. Bu öylesine ufak bir mesafedir ki, kara deliğimizin etki ettiği hacim içerisinde sadece 100 civarında yıldız bulunur! Galaksimizde 200 milyardan fazla yıldız olduğu düşünülecek olursa, bu mesafenin (ve kara deliğimizin etki küresinin) ne kadar küçük olduğu anlaşılabilecektir. Örneğin, bizim Güneş Sistemi'miz galaksi merkezinden 8000 parsek civarında bir uzaklıktadır! Dahası biz, Samanyolu Galaksisi'nin merkezinden en dışına kadar olan mesafenin 3'te 2'si civarı bir mesafede bulunmaktayız! Tüm bunlar düşünülecek olursa, sözünü ettiğimiz 3 parseğin ne kadar ufak ve önemsiz olduğu anlaşılacaktır.

Bu durum aslında oldukça anlaşılırdır ve bunu daha iyi anlamanın en kolay yolu, Samanyolu Galaksisi'nin kütlesini, Sagittarius A*'nın kütlesine oranlamaktır. Hesaplara göre galaksimizin merkezinde bulunan kara delik yaklaşık 3.6 milyon Güneş kütlesine sahiptir. Buna karşılık, galaksimizin yıldızlar, gaz ve karanlık madde toplam kütlesi kabaca 10.000.000.000.000 (10 trilyon) Güneş kütlesi civarındadır! Yani galaksimiz, kara deliğimizden 1 milyon kat daha iridir. Bu da, kara deliğimizin galaksimiz üzerinde dikkate değer bir etkisi olmadığının en net göstergesidir.

Galaksiler Neden Kara Deliğin Etrafında Dönüyor Gibi Gözüküyor?

Aslında galaksiler, ortak kütleçekim merkezi etrafında dönerler. Merkezi bir cisim etrafında dönme algısı, ne yazık ki referans alınan düzlemden kaynaklanan bir yanılgıdır. Örneğin Dünya ve Ay'a dışarıdan bakacak olsaydınız, Ay'ın Dünya etrafında dönmediğini, "Ay ve Dünya'nın ikisinin de ortak kütleçekim merkezleri etrafında döndüklerini" görecektiniz. Bunun detaylarını buradaki yazımızda anlatmıştık.

Genellikle bu ortak kütleçekim merkezi çoğu zaman boştur; yani bu kütleçekim merkezinde herhangi bir gök cismi bulunmaz. Bunu, dans pistinde dans eden çiftler gibi düşünebilirsiniz. Çiftler, birbiri etrafında dönerler, merkezi bir kütle etrafında değil! 

Eğer ki yeterince çok sayıda birbiriyle etkileşen yıldızı belli bir alana serpiştirecek olursanız, bu yıldızların kütleçekimsel merkezinin, yıldızların geometrik merkezine oldukça yakın olması çok muhtemeldir. Bu nedenle yıldızlar, kara deliğin etrafında dönüyormuş gibi algılanırlar.

Bunu da şöyle düşünebilirsiniz: Bir dans pistinde sadece tek bir çift varsa, bu çiftin ortak kütleçekimsel merkezleri, her zaman ikilinin ortasında olacaktır. Buna rağmen, pistin geometrik merkezi, dans pistinin tam ortasında olacaktır (dairesel bir pist hayal edelim). Bu durumda kütleçekimsel merkez ile geometrik merkez birbiriyle çakışmaz. Ancak 3, 5, 10, 100 çift bu pisti doldurduğunda, hepsinin toplam kütleçekimsel merkezi kabaca pistin tam ortasında olacaktır. Bu durumda geometrik merkez ile kütleçekimsel merkez tam olarak üst üste çakışacaktır. Tabii ki galaksilerin kütleçekim merkezlerinin, geometrik merkezle büyük oranda çakışıyor olmasında, bir galaksinin oluşum dinamiklerinin de etkisi vardır.

Spiral Galaksilerin Merkezinde Neden Kara Delik Var?

Çünkü galaksilerin merkezleri, bir galaksinin ortaya çıkış sürecinden ötürü en yüksek yıldız yoğunluğuna sahip bölgedir. Bu çok sayıda yıldızın kütleçekimsel etkileri, bir süre sonra çarpışarak veya etkileşerek süper kütleli karadeliklere dönüşmelerine neden olur (bu, genellikle bir yıldızın ölümü sonrasında yaşanır). Ne var ki bu olay, galaksideki diğer yıldızları genellikle hiç etkilemez; çünkü az önce de izah ettiğimiz gibi, bu karadeliklerin etkisi son derece sınırlıdır.