Kara Deliğin Arkasındaki Işığı Nasıl Gördük

Astrofizikçiler ilk kez bir kara deliğin arkasındaki ışığı gördü. Işığın bile kaçamadığı kara deliklerin arkasını görmek mümkün mü? Peki hiperaktif süper kütleli kara delikler olan kuasarlar kara delik olmasına rağmen nasıl ışık saçar? Kara delikler ışığı güçlü yerçekimiyle nasıl büker? Kara delik optiğini 100 milyon ışık yılı uzaktaki I Zwicky 1 adlı Seyfert galaksisinin merkezindeki mini kuasarla görelim.

Son ışık bükücü kuasarlar

Birkaç hafta önce internette gökbilimcilerin ilk kez bir kara deliğin arkasından gelen X-ışınlarını gördüğü haberi yayıldı. Hatta medya bilim insanlarının sanki kara deliğin içinden dışarı çıkan ışığı gördüğü izlenimini verdi. Oysa ışık kara deliğin arkasından geliyordu. Tıpkı Nolan’ın Yıldızlararası filminde olduğu gibi; ancak kara deliğin arkasından gelen ışığı görmek zordur. Işığın kara delikleri saran maddenin neresinden geldiğini, ışığın nasıl oluşup yayıldığını bilmek ayrı marifettir. Biz de kara delik astrofiziğini görecek ve kuasarları yakından tanıyacağız. Bunun için Olay Ufku kara deliğini hatırlarsınız:

2019’da Dünya Çapındaki Olay Ufku teleskopu, M86 galaksinin merkezinde yer alan ve yaklaşık 6 milyar Güneş kütlesinde olan süper kütleli kara deliğin fotoğrafını çekmişti. Aslında yıllarca süren gözlemleri yapay zekayla birleştirip görüntüye dönüştürmüştü. 2021 nisanında ise kara deliği saran sıcak ve gaz toz bulutlarından oluşan birikim diskini şekillendiren manyetik alan çizgilerini görüntülediler. Ben de bunu kara delikler neden sokak simidine benzer yazısında anlattım.

Peki ışık saçmayan bir kara deliği nasıl görürüz? Bunu kara deliği saran gaz ve toz bulutlarının içe düşerken ısınıp yaydığı ışıktan anlarız. Birikim diski, sıcaklığına bağlı olarak kızılaltı ve görünür ışık, hatta X-ışınlarıyla gama ışınları saçıyor. Bazen de nötron yıldızı veya ana sıralamadaki bir yıldızı yutuyor. O zaman da gama ışını patlamalarına yol açıyor veya kutuplarından ışık hızına yakın hızda gaz jetleri püskürtüyor. Bunlar da parlak gama ışınları yayıyor. Nitekim çevresindeki maddeyle etkileşime giren her kara delik bunu yapabilir. Oysa kuasarlar farklıdır. Bu yazının başrol oyuncusu da bir mini kuasardır:

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Kara deliğin arkasındaki ışık

Civardan büyük miktarda gaz ve toz yutan, yutamadığını da kutuplarından püskürten hiperaktif süper kütleli kara deliklere kuasar diyoruz. Nitekim süper kütleli kara delikler galaktik merkezlerde yer alır. Hemen her standart boy galaksinin merkezinde bunlardan bir tane vardır. Kuasarlar özellikle manyetik alan çizgileri üzerinde, kutuplarından ışık hızının yüzde 10’uyla gaz püskürten gama ışınları yayar. Ayrıca elektronlar gibi yüklü parçacıkları hızlandırarak kiklotron radyasyonu da yayar.

Özetle kuasarlar parlak ışık saçar. Oysa bunlar kalın bir gaz diskinin ortasında gizlenir. Belgesellerde gördüğünüz birikim diski, bunun merkezkaç kuvvetiyle yassılaşan iç kısmıdır. Diskin dış kenarı ise kalın bir simit şeklinde olup donut çöreğine benzer. Dolayısıyla bütün kuasarları görebildiğimizi sanmayın. Elbette birikim diski ışık saçar ama en çok bir yıldız kadar ışık yayar. Buna karşın kutuplardan fırlayan gaz jetleri çok parlaktır. Bunlar X-ışını ve gama meşalesi gibi yanar. Eğer kuasar jetlerinden biri dünyaya bakıyorsa bu aşırı parlak ışığı görüp ona kuasar deriz.

Hatta tam Dünya’ya bakıyorsa ki bu nadir görülür, o zaman buna blazar, yani aşırı parlak kuasar deriz. Nitekim bilinen en eski süper kütleli kara delik 36 trilyon Güneş parlaklığındadır. Bu sebeple kuasarların tek başına koca galaksiden daha çok ışık saçmasına şaşmamak gerekir. Yine de kuasarlar yüzünden geceler neden gündüz olmuyor derseniz bunlar çok uzaktadır. Işık hızı da sonlu olduğu için ne kadar uzağa bakarsak o kadar eskiyi görürüz.

Bu da kuasarlar için çok anlamlıdır

Eskiden evren küçük ve galaksiler gençti. Kara delikler galaksilerin gazının büyük kısmını uzaya üflememişti (Bkz. Durgun Galaksiler ve Fermi Köpükleri). Bu sebeple genç süper kütleli kara deliklerin çevresinde çok miktarda bulutsu vardı. Bu da kara deliklerin içine düşen maddeyle parlamasını sağlıyordu. Kısacası günümüzde galaksiler büyük ölçüde yatışmış, kara delikler de yutabileceğini yutmuştur. Dolayısıyla kuasarlar genellikle en uzak galaksilerde, genç gözüken galaksilerde görülür.

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Kara deliğin arkasındaki çalkantılar

Kuasarların ışığını görmek kolay ama neler olup bittiğini anlamak zordur. Düşünün ki kuasar ışığını ince bir huzme olarak görürsünüz. O da şanslıysanız… Bazen galaksilerle yıldızlar arası uzaydaki gaz ve toz bulutları ışığı keser. Bizden yüz milyonlarca veya milyarlarca ışık yılı uzaktaki kuasarların ışığı ise evrenin genişlemesiyle kırmızıya kayar. O zaman kara delikleri optik yöntemlerle incelemek imkansız olur. Gök yüzünde parlak noktalar olarak gördüğümüz kuasarlar konusunda ise şanslıyız.

Kuasarları saran birikim diskini, kutuplarından fışkıran gaz jetleri ve genel olarak civarda olup bitenleri yankılaşım tekniğiyle görürüz. Buna ışığın camdan ve sudan geçerken kırılması da diyebilirsiniz. Birikim diskindeki gazın yoğunluğu ve kimyasal bileşimi değişiklikler gösterir. Keza gaz jetlerinde hızlanan parçacıklar farklı frekansta ışık yayar. Bütün bu özellikleri birleştirip kara delik haritasını çıkarmak mümkündür. Oysa bu, bir şeyi görmeden görmek gibidir. Güçlü yapay zeka ve çok sabırlı fizikçiler, aynı zamanda yılların gözlemlerini gerektirir.

Bunu anlamanın en iyi yolu kuasar ışığına bakmaktır. Yankılaşım tekniğiyle harita çıkarırken, ışığın kuasarı saran karmaşık yapının içinden nasıl geçtiğine, nasıl kırıldığı ve yansıdığına bakarız. Bunun ilk adımı ise bize gelen kuasar ışık tayfına bakmaktır. Işığı onu oluşturan dalga boylarına, örneğin gökkuşağı renklerine ayırırsanız tayfını elde etmiş olursunuz. Bu da samanlıkta iğne aramaktan zordur. Kuasarın incecik ışığını alır ve daha da ince gökkuşağı renklerinde bir ışına dönüştürürsünüz. Tayftaki renk dağılımına bakarak kuasarın şeklini çıkarırsınız.

Kara deliğin arkasındaki ışığın peşinde

Kırmızı ve mavi gibi renklerin tayfın ne kadarını kapladığı, nasıl kutuplandığı, örneğin koyu kırmızı ve açık maviye ne kadar hızlı geçtiği gibi veriler hep birikim diskinin şekline bağlıdır. Işık tayfı diskin iç ve dış çapıyla kalınlığını, dönme hızını, nasıl çalkalandığını, genişliğini, merkezdeki kara deliğin kütlesini ve ne kadar aktif olduğunu ele verir. Öyle ki ki ışık tayfı şifreli bir metinse şifreyi kırıp metni okuyup anlamak için kullanacağınız teknik yankılaşım haritalamasıdır. Bunda ışığın kırmızıya ve maviye kayması çok önemlidir. Bu da bizi kara deliğin arkasındaki ışığı görmeye götürür:

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Kara deliğin arkasındaki ışığı okumak

Kuasarlar milyarlarca ışık yılı uzakta olduğundan bize göre konumları pek değişmez. Onları görecek bir düzlemdeysek bakış açımız yüz milyonlarca yıl boyunca belirgin ölçüde değişmeyecektir. Bu bağlamda kuasar bize yaklaşıyorsa ışığı maviye ve uzaklaşıyorsa kırmızıya kayar. Keza ışığına dikkatle bakarsak maviye kayma, diskin kara delik çevresinde ne kadar hızlı döndüğünü de gösterir. Nitekim diskin kenarındaki belirli bir bölge dönerken bize yaklaşır ve uzaklaşır (kırmızıyla maviye kayma).

Oysa bu durum astrofizikçiler için tam bir baş belasıdır. Sonuçta diskin dönme hızı diskin çalkantılarını, şeklini ve benzerini göstermez. Hatta kara deliğin yerçekimine kapılarak kara deliğe düşen gazlarla, merkezkaç kuvveti etkisiyle dışa savrulan gazları ayırt edemezsiniz. Diskin kara deliğe göre ne yönde döndüğünü, kutuplardan fışkıran gaz jetlerinin ne tür sarmallar çizdiğini fark edemezsiniz. Örneğin gaz jeti sıcak olmaktan ziyade içindeki elektronların kiklotron radyasyonu saçmasıyla ışık yayar. (Kara delikler elektronları doğal bir parçacık hızlandırıcısı gibi, bu durumda bir kiklotron gibi hızlandırır).

Ayrıca bütün birikim disklerinde gazın bir kısmı kara deliğe düşer ve bir kısmı dışarı savrulur. Biz de önce kara deliğe düşen gazı dikkate alalım. Birikim diskinin bu kısmı bir yandan kara delik çevresinde sarmallar çizerek dönerken bir yandan da ona yaklaşacaktır. Kara deliğe en yakın olan gazlar aşırı ısınıp X-ışını parlamasına yol açar. Bu da diskin iç kenarında radyasyon basıncına bağlı bir şok dalgası üretir. Bunu teleskoplarla Dünya’ya ulaşan ışığın tayfında önce kırmızının hızla kızılaltına ve morun da hızla morötesine kayması olarak görürüz.

X-ışını parlaması

Kısacası X-ışını parlaması kendini tayfın iki ucunu parlatarak gösterir. Oysa diskin ortasında kara delik vardır! Öyle ki diskin bize yakın tarafındaki gaz kara deliğe düşerken bizden uzaklaşır ve ışığı kırmızıya kayar. Diskin diğer yanındaki gaz ise kara deliğe düşerken bize yaklaşır ve ışığı maviye kayar. Ayrıca arka kenar ışığındaki X-ışını parlaması gecikir; çünkü bizim açımızdan bu olay diskin bize yakın kısmında gerçekleşir. Arka taraftaki parlamanın öne gelmesi ve ulaşması zaman alır. à Diskin arka kenarının doğrudan kara deliğe düşmesi de söz konusu değildir. Disk kara deliğe doğru sarmallar çizerek dönerken tabii ki arkası öne, yani bizden tarafa gelir. 😉

Merkezkaç kuvvetinin etkisiyle birikim diskinden dışa doğru savrulan gaz içinse bu anlattıklarım ters sırada gerçekleşir. Bu durumda bize bakan tarafta dışa doğru savrulan gaz, diskin kara deliğe bakan iç kenarında yaşanan X-ışını parlamasına daha geç tepki gösterir. (Sonuçta merkezden uzaklaşmaktadır ki ışık tayfının iki ucundaki parlama daha geç ve dar olur). Ayrıca diskin bize göre arka kenarındaki gaz da dışa savrulduğu için ışığı kırmızıya kayar. Bu sebeple diskin bize bakan kenarına göre X-ışını parlamasına daha da geç tepki verir. Tabii bir de üçüncü seçenek var. Kara deliğin kutuplarından püsküren gaz:

Hiperaktif kuasarlar

İlgili yazı: Evrenin En Büyük Yıldızı UY Scuti mi?

 

Kara deliğin arkasındaki ışığın dalgalanması

Kara deliğin kutuplarından püsküren gaz jeti uzaktan bakınca lazer ışını gibi görünür. Oysa 100 milyar Güneş kütlesindeki hiper kütleli kara delikler bile binlerce ve milyonlarca km genişliğinde parçacık ışınları üretemez. Bunlar daha çok ışık hızına yaklaşan süper sıcak plazma jetleridir. Üstelik püskürürken Teksas ovalarındaki hortumlar gibi dön dolanır. Bunlar birikim riski ışığından farklı bir ışık yayar.

Hortumu içi boş boru gibi düşünürsünüz iç çeperi, yani kara deliğin kutup hizasına yakın olan madde, özellikle de o noktada olay ufkunun hemen üzerinde dönen madde daha hızlı devinecektir. Bu yüzden dönüş yönünde ışığı maviye ve ters yönde de kırmızıya kayar. Hortumun dış çeperi (uzaya bakan silindir yüzey diyelim) daha yavaş döner. Bu sebeple ışığın kırmızı ve maviye kayması daha zayıftır. Yine de bu hortum çok dardır. Dünya’dan baktığımızda tayfın iki ucundaki kırmızı ve maviye kayma olayları hortumun içiyle dışı için hemen hemen aynı anda gerçekleşir.

Neden bu detay hocam derseniz: Kuasarların gaz jetini birikim diskinden böyle ayırıyoruz. Hem kara delik de güçlü yerçekimiyle birikim diski ve gaz jeti ışığını büker. Bir de bu etkiyi kırmızıya–maviye kaymadan ayırt etmemiz gerekir. Gördüğünüz gibi bizden birkaç yüz milyon ila birkaç milyar ışık yılı uzaktaki kuasarları haritalamak kolay değildir; çünkü hepsi aynı şekilde gaz çevirmez! Bazılarında birikim diski gazı sadece belirli yönlerde kara deliğe düşer. Diğer yönlerde ise dış uzaya daha hızlı savrulur. Birikim diski de simetrik dönmez ve burgaçlar oluşturarak çalkalanır. Bu disk tabak gibi düz de değildir ve rüzgarlı deniz gibi dalgalanır.

Ne bekliyorsunuz?

Kara deliği saran ergosferde uzayzaman kara deliğin yerçekimiyle öyle çarpılır ki güvenilmez kaotik bir yer olur. Ergosfere giren gaz kara deliğe düşebileceği gibi kararlı en iç yörüngeden daha yakın olmasına karşın uzaya da savrulabilir. Yoksa gazların kara deliğe düşmesinin tramplenden havuza atlamak kadar kolay olduğunu mu sanıyordunuz? Evrenin en aşırı üç kara deliğinde anlattığım gibi yok öyle bir şey! En basitinden, gaz jetinin birikim diskinin iç kenarını savrulma etkisi ve radyasyon basıncıyla dışa itmesini, bunun da zonklayarak olmasını hesaba katmak gerekir. İşte bu yüzden gökbilimciler yazımızın konusu olan mini kuasarın arkasından gelen ışığı ayırt ettiklerinde çok sevindiler. Bütün zorluklara rağmen bu detayı fark etmişlerdi. 😊 Son olarak bunu görelim:

İlgili yazı: Karanlık Madde Var ama Bildiğiniz gibi Değil

 

Kara deliğin arkası ve önündeki taçküre

I Zwicky 1 Seyfert galaksinin merkezinde yar alan mini kuasar, bizden yaklaşık 100 milyon ışık yılı uzakta yer alıyor. Zaten bu yüzden mini kuasar; çünkü genç kuasarların yaşlılar kadar büyük olması zor. Yine de elimizdeki teleskoplarla detaylarını göreceğimiz kadar bize yakın. Bu bağlamda artık sırası geldi… Kuasarların yoğun radyasyonu civardaki moleküler gazı iyonize eder. Elektronları atomlardan koparıp hızlandırır. Bunun kiklotron radyasyonu olması şart değildir. Sadece kuasarları aşırı sıcak ve enerjik bir elektron sisinin sardığına dikkat edelim.

Bu sis de kendi ışığını saçar ama seyrek olduğu için tüm kara deliği parlak ışığın ardında gizlemez. Öte yandan kuasar birikim diskinin kara delik çevresinde döndüğünü anımsayın. Demek ki ışık ışınları da uzaya dönerek savruluyor. İşte bu sırada birikim diskinin ışığı elektronlarla etkileşime girerek iyice enerjik olur. Işık hızı artmas biliyorsunuz ama frekansı artarak dalga boyu kısalır. Öyle ki kara deliği saran bir X-ışını kozası oluşur. Nitekim diğer popüler bilim kaynaklarında anlatılanın tersine bütün birikim diskleri güçlü X-ışınları saçmaz.

Bunun için çok sıcak olmaları gerekir

Birikim diski X-ışını yayıyorsa bu genellikle kara deliğe bakan en sıcak iç kenarından yayılır. Size anlattığım X-ışını kozası ayrı bir olay olup birikim diskinden bağımsızdır. Ünlü kara delik X-ışını kaynaklarının ağırlıklı sebebi de budur. Peki bunun kara deliğin arkasındaki ışıkla ne ilgisi var? Kara deliğin arkasından gelen ışık budur arkadaşlar. O yüzden bizi ilgilendiriyor ama teknik adıyla X-ışını taçküresinin bir bileşeni daha var… Yazının başındaki Olay Ufku kara deliğini saran sarı çizgilere tekrar bakın. Bunlar kara deliği dışarıdan saran ve birikim diskinin dışında olan plazma akışıdır:

İlgili yazı: Yıldızlar Ne Kadar Yaşar ve Nasıl Ölür?

 

Kara deliğin arkasındaki X-ışınları

Bu en dış gaz fırtınasında, sadece demir atomları elektronlarına sıcağa rağmen tutunacak kadar ağırdır. Demir atomları buna rağmen birkaç elektron kaybederek iyonize olur ama bunun için çok sıcak olması gerektiğinden yine X-ışınları yayar. Buna da ışık tayfı üzerinde demir K-alfa çizgisi deriz. Böylece X-ışını taçküremizin ışınları güçlenir. Toparlayacak olursak kara deliğin arkasındaki ışığı şu şekilde gördük:

1) X-ışını parlaması oldu ve uzaya 360 derece yayıldı. 2) Bir kısmı bize doğru geldi ve 3) bir kısmı da diskin bize bakan kenarından yansıyıp yine bize geldi. 4) Oysa ışığın bir kısmı da diskten kara deliğin arka tarafına yansıdı. 5) İşte kara deliğin yerçekimi merceği bu ışığı tuttuğu gibi bükerek gerisin geri bize yansıttı. İşte kara deliğin arkasındaki ışık budur arkadaşlar. Ben de bu yüzden ayrıntılı anlattım. Kuasarların işleyişini bilmeden olan biteni anlamak zor olacaktı.

Bonus bilgi olarak: Bütün bu süreçte X-ışını saçan demirin de kara delik çevresinde döndüğünü ve kırmızıya–maviye kayarak parladığını fark ettik. Belli ki demirin bir kısmı kara deliğe düşmekten son anda kurtulmuştu. Böylece bir kuasarın anatomisini söz verdiğim gibi yakından gördük. Siz de kara delik termodinamiğini şimdi görebilirsiniz. Olay ufkunu sıyırıp atarak kara deliğin içini çıplak tekillik olarak görmenin mümkün olup olmadığına bakabilirsiniz. Süper kütleli kara deliklerin dev birikim diskinin içinde birleşen küçük kara delikleri inceleyip Planck kalıntısı mikroskobik kara delikleri de araştırabilirsiniz. İstanbul’da yağmur yağar ve şehir hayatı canlanırken bilimle ve sağlıcakla kalın. 😊

Covid-19 Aşıları Ne Kadar Etkili?

¹Light bending and X-ray echoes from behind a supermassive black hole
²The X-Ray to Mid-Infrared Relation of AGN at High Luminosity
³The black-hole masses of Seyfert galaxies and quasars