İlk Kara Delik Fotoğrafı ile İlgili Bilmeniz Gereken Her Şey!

Bilim insanları, ilk defa bir kara deliğin doğrudan fotoğrafını çekmeyi başardı. Ana görselde gördüğünüz fotoğraf, bizden 53-55 milyon ışık yılı uzakta bulunan Messier 87 (ya da kısaca M87) galaksisinin merkezindeki kara deliğin fotoğrafı!

Bu müthiş başarı, birçok soru işaretini de beraberinde getirdi. Bu yazımızda, bu soru işaretlerinin hepsini gidermeye çalışacağız.

Kara Delik Nedir?

Kara delikler, belli büyüklükte kütleye sahip yıldızları sürdüren kimyasal yakıtın tükenmesi sonrasında, kendi kütleçekimleri altında, kendi üstlerine çökmeleri sonucu oluşan yapılardır. Ufacık bir hacme, muazzam miktarda malzemenin sığması nedeniyle aşırı yoğundurlar. Buna bağlı olarak da müthiş bir kütleçekim kuvvetine sahiptirler. Kara deliklerin kütleçekimi öylesine güçlüdür ki, ışık bile bu çekim kuvvetinden kaçamaz. Bununla anlatılmak istenen şudur: Görelilik Teorisi sayesinde bildiğimiz üzere, büyük kütleli cisimler uzay-zaman düzlemini bükerler. Kara deliklerin aşırı büyük kütleleri, uzay-zaman dokusunda adeta dipsiz bir kuyu yaratır. Bu kuyunun kıvrımı, ışığın erişebildiği maksimum hızda bile kurtulunabilir olandan daha fazladır. Bu nedenle de kara deliklerden ışık bile kaçamaz. Bu da, kara deliklerin simsiyah gözükmesine neden olur.

NASA

Kara deliklerin tarihi oldukça eskidir. “Karanlık yıldız” fikri ilk olarak 1783’te John Michell tarafından ileri sürüldü. Aradan birkaç asır geçtikten sonra, 1916 yılında, Newton Fiziği’nin yerini Albert Einstein’ın Görelilik Teorisi aldı. Aynı yıl, Karl Schwarzschild, Einstein’ın denklemlerinden yola çıkarak “siyah yıldız” adını verdiği teorik bir sonuca ulaştı. İlerleyen dönemlerde bilim insanları belli büyüklükteki yıldızların termonükleer yakıtlarının tükenmesi sonucu kendi üstlerine çökeceklerini fark ettiler. 1970 yılına gelindiğinde, “kara delik” olmaya aday ilk gök cismi Cygnus X-1 tarafından keşfedildi. 1994 yılında Hubble Teleskobu, bazı galaksilerin merkezinde kara delikler bulunduğunu tespit etti. 2016 yılında tespit edilen kütleçekim dalgaları, kara deliklerin varlığına dair teorik altyapıyı pratik gerçekliğe dönüştürmeye başladı. Şimdiyse, bir kara deliğin görüntüsünü elde etmeyi başardık!

Kara deliklerin ne olduğuyla ve tarihleriyle ilgili detaylı bilgileri buradaki yazımızdan alabilirsiniz.

Kara Delik Nasıl Fotoğraflandı?

Şimdi gelelim şu meşhur “fotoğraf”a… 

İlk olarak, “fotoğraf” kavramını birazcık temizlemekte fayda var. Normalde bir fotoğraf, bir cisimden yansıyan ışığın, ışığa duyarlı bir kâğıda veya dijital sensörlere düşürülmesi yoluyla elde edilen bir görüntüdür. Ancak her yerde paylaşılan bu görüntü, ışığın tekil bir sensör grubuna düşürülmesiyle oluşturulmadı. Dünya çevresindeki birçok radyo teleskobun günler boyunca eş zamanlı gözlem yapması sonucunda elde edilen verilerin bir bileşkesi (“kompozit”) olarak üretildi. 

Bu kara deliğin fotoğrafının çekilebilmesi, Dünya’nın farklı noktalarındaki 8 radyo teleskobun bir araya getirilmesi ve ortak bir hedefe odaklanması ile mümkün oldu. Yani proje için Dünya'nın kendisi, kocaman bir teleskoba dönüştürüldü diyebiliriz! Bu radyo teleskoplar 4 kıtaya dağılmış 6 dağ üzerinde bulunan 8 gözlemevinde bulunuyor. Bu ortak teleskop projesine Olay Ufku Teleskobu (Event Horizon Telescope, EHT) adı verildi. Projenin adı, bir kara deliğin çekim gücünden kurtulmanın imkânsız olduğu mesafeye verilen olay ufku kavramından geliyor. Tek bir fotoğrafı ortaya çıkarabilmek için, söz konusu karadelikler 10 gün boyunca gözlendiler ve radyo teleskoplardan elde edilen bu veriler 2 yıl boyunca analiz edildi.

Facebook

Yani bu fotoğrafı oluşturmak için astronomlar bir teleskoba fotoğraf makinası bağlayıp, diğer astrofotoğrafçıların yaptığı gibi uzun pozlamayla çekim yapmadılar. Bu kara deliğe bakan her bir radyo teleskoptan gelen veriler, tek tek ve bir bütün olarak işlenerek, tekil bir görüntüye dönüştürüldü. Hatta teknik olarak aynı veriden farklı görüntüler oluşturmak da mümkün; ancak uzmanlar, birbirlerinden bağımsız çalışan ekiplerin, aynı verileri kullandıklarında çok benzer görüntülere ulaştıklarını gördüler ve bunlar arasından en güvenilir ve isabetli olanını yayınladılar. Elde edilen veriler, piksellere dönüştürülerek, tekil bir fotoğraf ortaya çıkarıldı. Sonuçta elde edilen görüntü bir “fotoğraf” olduğu için, buna da “fotoğraf” demekte çok büyük bir sakınca yok; fakat nüansı akılda tutmakta da fayda var.

Bu görüntüyü elde etmek için bu kadar çok sayıda radyo teleskobun kullanılma nedeni, tekil bir radyo teleskobun çözünürlüğünün aşırı düşük olmasıdır. Tekil bir teleskop kullanarak bir kara deliğin büyük ölçekte etkilerini gözlemeniz mümkün olabilir; ancak bu kara deliğin kendisinin detaylı bir fotoğrafını çekemezsiniz. Dilerseniz çok daha büyük bir teleskop üretebilirsiniz; ancak bunun mühendislik ve maddi açılardan çok ciddi sorunları vardır. Bu nedenle, tek ve devasa bir teleskop üretmek yerine, halihazırda aktif olarak çalışan ve Dünya'nın farklı coğrafyalarına yayılmış teleskopları tek bir noktaya (örneğin bir kara deliğe) odaklayarak, Dünya'nın çapının kattığı ek çözünürlükten faydalanabilirsiniz. İşte araştırmacıların yaptığı da bu oldu. 

Fotoğrafta Ne Görüyoruz?

Yayınlanan meşhur fotoğrafta, bizden yaklaşık 55 milyon ışık yılı uzakta bulunan Messier 87 (ya da kısaca M87) galaksisinin merkezindeki Güneş’ten kütlece 6.5 milyar kat büyük olan kara deliği ve etrafındaki birikim (akresyon) diskini görüyoruz. Fotoğraftaki kara deliğin çapı yaklaşık 1.5 ışık günü uzunlukta, yani yaklaşık 38.850.000.000 kilometre! Bir diğer deyişle, Dünya'dan Ay'a 1 saniyede ulaşabilen ışığın, yaklaşık 36 saatte aldığı mesafeye eşit! Bunun ne kadar büyük olduğunu, aşağıdaki çizimden anlayabilirsiniz:

XKCD

Ortadaki karanlık silüetin etrafındaki turuncu akresyon diski, kara deliğin yörüngesine oturan toz ve kayaların muazzam kütleçekimi etkisi altında birbirine sürtünmesi sonucu etrafa aşırı miktarda (milyarlarca dereceye varan düzeyde) ısı ve ışık saçılmasıyla oluşuyor. Bunun üzerine bir de kara deliğin arkasında kalan yıldızlardan gelen ışığın, kara deliğin kütleçekimi nedeniyle bükülen uzay-zaman düzleminde kırılması sonucu halka şeklinde odaklanmasının da etkisi ekleniyor. Bu sayede merkezdeki kara deliğin etrafında parlak bir halka oluşuyor.

Deniz Kaya

Büyük kütleli cisimler etrafındaki uzay-zamanın bükülmesi sonucu, ışığın yol değiştirmesini gösteren şu grafiğe göz atabilirsiniz:

Fotoğrafın tam bir “fotoğraf” olmayışının etkisi bu “turuncu” halkada daha netleşiyor: Fotoğrafı oluşturmak için gözle görünür dalga boyu değil de, radyo teleskopların topladığı radyo dalgaları kullanıldığı için, aslında elde edilen veride “renk bilgisi” bulunmuyordu. Ancak kara deliğin etrafındaki akresyon diskinin farklı kısımlarında daha az veya daha fazla ışıma olduğu tespit edildi. Araştırmacılar, bu farklı ışıma miktarlarına sarı, kırmızı ve turuncunun tonlarını atayarak görüntüye çevirdiler (sarılar, ışımanın en yüksek olduğu yerler; kırmızılar daha düşük, siyahlar ise ışımanın en düşük olduğu yerler). Gerçekte, çıplak gözle bu kara deliğe bakacak olsaydınız, akresyon diski muhtemelen kırmızı veya turuncu değil, beyaz renkte görünürdü.

Şunu anlamak önemli: Bu fotoğraf, aslında bu kara deliğin 55 milyon yıl önceki görüntüsü; çünkü teleskoplarımızın topladığı radyo dalgaları, kara delik ve etrafından 55 milyon yıl önce yola çıkan dalgalar; bunlar bize anca ulaşıyor! Bu süreçte çok şey değişmiş olabilir; ancak kara delikler kolay kolay yok olan veya değişen cisimler olmadıkları için; bugün de bu karadeliğin büyük oranda benzer olduğunu düşünebiliriz. Dahası, bu araştırmada önemli olan, herhangi bir karadeliğe dair bir görüntü elde edebilmekti. Yoksa spesifik olarak M87'yi özel kılan bir durum bulunmuyor.

Dr. Selçuk Topal

Neden M87 de, Andromeda ya da Samanyolu Değil?

Birçoklarının sorduğu soru, neden bizim galaksimizin merkezindeki süperkütleli kara deliğin veya bize en yakın galaksi olan Andromeda Galaksisi’ndeki kara deliklerin değil de, bizden 55 milyon ışık yılı uzaktaki, pek de bir özelliği olmayan M87 Galaksisi’nin merkezindeki kara deliğin hedef seçildiği yönünde oldu.

Aslında araştırmacılar Samanyolu Galaksi’mizin merkezindeki kara delikten de veriler topladılar; ancak M87’den elde edilen veriler çok daha temiz ve işlevseldi. Çünkü M87’nin aksine, bizim kara deliğimizi görebilmemiz için galaksimizin dış kollarında bulunan çok daha fazla miktardaki gaz ve tozun içinden veri toplamak gerekmektedir.

Ayrıca projenin başlangıcında birçok aday galaksi ve kara delik üzerinde duruldu; fakat örneğin Andromeda Galaksisi’nde bildiğimiz kara delikler, bu ilk deneme için fazlasıyla küçük kara deliklerdi. Dolayısıyla bilim insanları en uygun seçeneklere odaklandılar.

M87 bize en yakın galaksi veya kara delik olmasa da, ilk deneme için en uygun hedeflerden birisi olacak kadar büyüktü. Şöyle söyleyelim: M87’nin merkezindeki kara delik, bizim galaksimizin merkezindeki kara delikten 1600 kat daha büyük! Buna rağmen araştırmacılar yakın gelecekte galaksimizin merkezindeki Sagittarius A* isimli kara deliğin de fotoğrafını yayınlayabileceklerinin mesajlarını da verdiler.

Bilimin Zaferi: Keşif Neden Önemli?

Bu fotoğraf, bilim insanlarının ve genel olarak bilimin öngörü gücünü bizlere bir kez daha gösteriyor. Aşağıda, sıradan bir karadelik çizimini görüyoruz. Bilim insanlarının beklentisi buydu. Sanatçılar da bu beklentilere göre ürettiler. Örneğin Interstellar filminde gösterilen Gargantua isimli kara delik, bunun güzel bir örneği:

Filmde gösterilen Gargantua, bir rotasyonel (kendi etrafında dönen) bir süperkütleli kara delik. Diğer bir adı ile Kerr kara deliği. Her kara delik rotasyonel olmak zorunda değil ve buna bağlı olarak uygulanması gereken fizik tamamen değişiyor. Ancak M87'nin saat yönünde döndüğüne dair bulgular da mevcut! Filmi hatırlamak için bu yazımızı okuyabilirsiniz. Filmde gösterilen kara deliğin etrafındaki disk, akresyon diskini gösteriyor.

Çekilen yeni fotoğrafla ilgili en kritik noktalardan birisi şu: Bugüne kadar bizim Evrim Ağacı olarak yayınladığımız yazılar da dahil, birçok astrofizik yazısında kullanılan kara delik görsellerinin tümü, bir karadeliğin teorik olarak neye benzemesi gerektiğine bağlı olarak yapılan grafik çizimlerdi. Bu hafta elde edilen ise, bir kara deliğin gerçek fotoğrafı! Yani astrofiziğin kara deliklerin neye benzemesi gerektiğine yönelik teorik altyapısı, pratik bir gerçekliğe dönüşmüş oldu.

Fotoğrafın çözünürlüğü düşük olabilir; ancak bizden 55 milyon ışık yılı uzakta olan, dolayısıyla bu mesafeye göre ufacık bir nokta olan bir gök cisminin fotoğrafının çekildiğini hatırlatırım. Araştırmacıların erişebildiği çözünürlüğü şöyle izah edeyim: Ay üzerine bırakılmış bir kağıda, bu cümlenin sonundaki noktayı basacak olsak ve bunu Dünya’dan gözleyecek olsak, onu ayırt edebileceğimizden 20 kat güçlü bir çözünürlüğe eriştiler; ancak mesafe de 55 milyon ışık yılı olunca bir miktar bulanıklık kaçınılmaz oluyor. Şu anda elde edebileceğimiz en yüksek çözünürlükteki fotoğraf bile, yeterince büyütülecek olursa bulanıklaşacaktır. Burada olan da kabaca budur. Böyle düşününce, başarının baş döndürücülüğü ortada. Öyle ki, bu yüksek çözünürlüğü, 200 kişilik EHT araştırma ekibinin başındaki 11 kişilik Bilim Kurulu'nun üyelerinden Dr. Feryal Özel şöyle anlatıyor:

EHT'nin çektiği M87 fotoğrafında neden bu kadar fazla detay görebiliyoruz (en azından göreli olarak)? İlki, gölgenin boyutu, olay ufkundan en az 2.5 kat daha büyük. Bunun sebebi ışığın bükülmesi. İkincisi ise sinyal-gürültü oranı yüksek veri toplayabilmemiz, ortalama ışın büyüklüğünden yaklaşık 3 kat daha fazla çözünürlük elde edebilmemizi sağlıyor. Bu da bize fotoğraf boyunca 10 kat civarı daha yüksek çözünürlük veriyor.

Einstein Bir Kez Daha Haklı Çıktı!

Bir diğer nokta, Einstein’ın Görelilik Teorisi’nin zorlu bir testi bir kez daha başarıyla geçmesi oldu. Yazıda da sözünü ettiğimiz gibi teori, bu cisimlerin olması gerektiğini söylüyordu. Şimdi, onların var olduğundan eminiz. Denklemler, aynı zamanda olay ufkunun daireye yakın ve ufkun boyutunun karadeliğin kütlesiyle orantılı olması gerektiğini öngörüyordu. Fotoğrafı analiz eden uzmanlar, bu öngörünün de doğrulandığını gördüler.

Görülmeyeni Görmek!

Bu bulguyu bu kadar önemli kılan bir diğer nedense, daha önceden asla göremeyeceğimizi düşündüğümüz bir gök cismini ilk defa görmeyi başarıyor olmamız. Dahası, gözlerimizin önünde beliren fotoğrafın, astrofizikçilerin yıllardır teorik olarak hesapladığı ve filmlere de konu olan görüntüsü ile neredeyse birebir aynı olması! Sadece karadeliğin değil, aynı zamanda karadeliğin etrafında biriken maddelerin nasıl davranıp, neye benzemesi gerektiği konusunun da muhteşem bir isabetle öngörülebildiğini görüyoruz. Bunlar, bilimin neden güvenilir olduğunu ve neden çalıştığını hatırlamamızı sağlıyor. Dahası, karadeliklerin fotoğrafını çekebiliyor olmak, astrofiziğin yepyeni ufuklara yelken açmasını mümkün kılacak. Böylece teorilerimizi daha kolay test edecek, Evren’in doğasına dair hatalı varsayımlardan daha çabuk uzaklaşabileceğiz.

Popüler Bilimde Haberin Yankıları

Bu fotoğrafın ilk defa duyurulduğu ve 1 saat süren toplantıyı aşağıda izleyebilirsiniz:

Ayrıca ülkemizde de bu konuda yayınlar yapıldı. Yukarıdaki canlı yayın sırasında ekrana yansıtılan kara delik fotoğrafını Türkiye'de ilk yayınlayan bilim sayfalarından biri Evrim Ağacı oldu. Twitter üzerinden yaptığımız zinciri buradan görebilirsiniz:

Araştırmanın içinde yer alan ve son 20 senesini bu çalışmaya ayıran Dr. Feryal Özel, fotoğraftan duyduğu mutluluğu Twitter hesabından şöyle duyurdu: "Kişisel bir not düşmem gerekirse... Bunun üzerinde, karadeliklerin fotoğraf boyutlarını tahmin ettiğimiz 2000 tarihli makalemden beri, 20 yıldır çalışıyorum. Bu an, uzun süredir beklediğim tatlı bir an."

Dr. Selçuk Topal, söz konusu karadeliğin fotoğraflanması sırasında yapılan çalışmaları ele alan akademik makaleleri hesabından paylaştı (makaleleri buradan ücretsiz olarak okuyabilirsiniz):

ODTÜ Fizik Bölümü'nden Prof. Dr. Bayram Tekin, Facebook üzerinden yaptığı paylaşımında karadeliklerin kısa tarihini anlattı. Türkçe çevirisini buradaki yazımızda görebilirsiniz.

NASA'dan Dr. Umut Yıldız, konuyu Twitter hesabında ele aldı:

Araştırmada kullanılan 8 teleskoptan 2'sini bünyesinde barındıran Arizona Üniversitesi'nden Dr. Betül Kacar, konuyu Twitter hesabında "Tebrikler! Böyle harika bir departmanın parçası olmaktan gurur duyuyorum. Üniversiteden iş arkadaşım Feryal Özel bu araştırmada yer aldı!" sözleriyle duyurdu:

Kozmik Anafor'dan dostlarımız konuyla ilgili bir yazı yayınlayıp, Twitter üzerinden de konuyu paylaştılar:

Canan Dağdeviren, Twitter hesabından "Paylaşılan karadelik fotoğrafını yeni görme fırsatım oldu. S. Hawking ile sohbetimiz aklına geldi. Bir şeyi ne kadar çok bilirseniz, o kadar az kara olur o delik." sözleriyle yorumladı.

Daha önceden kendisiyle röportaj yaptığımız Barış Özcan'ın konuyla ilgili canlı yayınına buradan erişebilirsiniz:

Sonuç

Söylediğimiz gibi bu keşif; fiziğin, matematiğin ve genel olarak bilimsel araştırmanın tahmin ve öngörü gücünü harika bir şekilde hatırlatıyor.

En parlak beyinlerin, geleceğimiz için çalıştıklarında neler başarabileceklerini gösteriyor.

Günümüzde halen karadeliklerle ilgili bilinmeyen çok fazla detay mevcut. Örneğin bir cisim karadeliklerin içine düştüğünde ne oluyor? Evren'in oluşumunda karadelik-benzeri yapıların bir rolü olabilir mi? Elde ettiğimiz fotoğraftaki birikim diski neden düzensiz yapıda? Bu sorular, astrofizik ve astronomi bilimleri tarafından halen araştırılan aktif çalışma sahalarıdır.

Bu yazının okurlarından bir veya birkaçının bu sorulardan bazılarına yanıt verdiği günleri görmek umuduyla…