Çubuklu Sarmal Galaksiler ve Karanlık Madde

Samanyolu gibi çubuklu sarmal galaksiler karanlık maddeyle nasıl oluşuyor? Karanlık madde galaksilerdeki yıldızları bir arada tutan ek yerçekimini sağlıyor. Peki galaksinin çubuk kısmını nasıl oluşturuyor? Önceki yazıda sarmal galaksi kollarının nasıl oluştuğunu yoğunluk dalgası teorisiyle gördük. Normal maddeden 5 kat fazla olan karanlık maddenin sağladığı ek yerçekiminin de galaktik merkezden en uzaktaki yıldızların bile hızlı dönmesine nasıl sebep olduğunu inceledik. Şimdi de çubuklu sarmal galaksilerin momentumunu görünmeyeni görmekle görelim.

Çubuklu sarmal galaksiler

Galaksiler milyarlarca yıldız içeren ve kendi çevresinde disk şeklinde dönen basit birer frizbi değildir. Sarmal, çubuklu sarmal, eliptik ve düzensiz galaksiler var. Ayrıca galaksileri onlardan 4 kat büyük ve en az bir o kadar ağır olan görünmez birer karanlık madde kozası sarar. Bunun dışında galaksilerin soğuk ve pek görünmez gazdan, yani normal maddeden oluşan bir aylası da vardır. Her ne kadar yaşama uygun yıldızlar, galaktik merkezden genellikle galaksi disk yarıçapının 5’te biri uzaklıkta dönse de diskin altında ve üzerinde bulunan eski yıldızlar da vardır. Üstelik galaksiler çarpışarak büyür.

Bu nedenle başka yıldızlardan çaldığı gaz ve yıldız şeritleriyle yün yumağı gibi sarıldıkları da olur. Elbette karanlık maddeyi galaksiler üzerindeki dolaylı etkisinden biliriz. Normalde galaksi kütlesinin büyük kısmı merkezde toplanır. Merkeze yakın olan yıldızlar da yörüngede kalmak için o kadar hızlı dönmek zorunda kalır. Dolayısıyla merkezden uzak yıldızların çok daha yavaş dönmesini beklersiniz. Tıpkı Satürn gezegeni yörünge hızının Dünya’dan yavaş olması gibi.

Öte yandan Samanyolu ile diğer sarmal galaksilerde diskin ortası ve kenarında yer alan yıldızlar çok daha hızlı döner. Galaksiyi seyrek bir gaz bulutu halinde saran karanlık maddenin toplamda çok güçlü ama yerelde oldukça homojen yerçekimi bunu sağlar. Toplam galaksi kütlesinin normal madde gibi merkezde toplanmak yerine, galaksinin tamamına yaklaşık eşit olarak dağılması bunun sebebidir. Oysa bilim insanları çubuklu sarmal galaksilerin şeklini açıklamakta zorlanıyor. Sarmal galaksilerin nasıl oluştuğunu gördük ama çubuklu sarmallar nasıl oluşuyor? Karanlık madde etkisiyle görelim:

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

 

Karanlık madde ve çubuklu sarmal

Galaktik çubuklar sarmal galaksilerdeki dairesel yıldız yörüngelerinin çarpılıp deforme olmasıyla oluşur. Buna da önceki yazıda anlattığım yoğunluk dalgaları neden olur. Yıldız yörüngeleri merkezi saran daireler yerine iki yandan aşırı basık yumurta şekilli eliptik yörüngelere dönüşür. Yıldız kümelerinin toplam yerçekimi civar yıldızları frenleyen birer yerçekimi çapası görevi görür. Bu da zamanla galaktik merkez çevresinde bir yıldız çubuğu oluşmasını sağlar. Sonunda galaksi merkezine yakın iç kesimlerinde çok sayıda yıldızla gaz ve toz bulutu toplanır. Böylece çubuk beşe on kalas gibi kalınlaşır.

Bilgisayar simülasyonları bunu gayet güzel gösterdiği için ilk aşamada sorun yok. Bilim insanları da karanlık madde yerçekiminin galaktik disklerin dış kenardaki etkilerini iyi biliyor. Oysa karanlık maddenin galaktik merkezdeki etkisini iyi bilmiyoruz. Öyle ki çubuk oluşumunu sadece normal, yani baryonik maddeyle açıklamak mümkün değil. Simülasyonlar belirli bir galaksinin çapı, farklı kütle ve kimyasal bileşimlerdeki yıldız kompozisyonu, özellikle de galaksinin kütlesi ve yaşıyla uyuşmuyor.

İşin içine çarpışan galaksileri kattığınızda, bilgisayar simülasyonları galaktik çubukların kısa sürede yeniden oluşmasını açıklamakta da yetersiz kalıyor. Böylece bilim insanları karanlık maddenin etkisini de hesaba katmaya karar verdiler. Buna karşın galaktik merkezde baryonik yerçekimi zaten yoğun olup karanlık madde yerçekimini bu dar alanda ayırt etmek zordur.

Samanyolunu yavaşlatan etki

Dolayısıyla araştırmacıların görünmeyeni görmekle ilgili yepyeni bir ölçüm tekniği geliştirmesi gerekiyordu. Bir galaksinin neden çubuklu sarmal olduğunu açıklayabilmek zaten heyecan vericidir. Oysa bunu hiç göremediğiniz karanlık maddenin etkilerini bir yıldız hilesiyle açığa çıkarıp başarmak hayranlık uyandırır. Bazen bir şeyi nasıl keşfettiğiniz, keşfin kendisinden ilginç olabilir. 😉 Nitekim Samanyolu çubuğunun dönme hızı karanlık madde yüzünden yüzde 24 yavaşladı. Nasıl mı?

İlgili yazı: Kara Delik Termodinamiği Nedir ve Nasıl Çalışır?

 

Herkül akıntısı ve çubuklu sarmal

Bilim insanları bunun için Herkül yıldız akıntısını incelediler. Bu sarmal küme galaktik çubukta yer alıyor ve içindeki yıldızlar galaktik merkez çevresinde saniyede 40 km hızla dönüyor. Herkül akıntısıyla Samanyolu çubuğu arasında özel bir ilişki var. Biri yavaşlarsa diğeri de yavaşlıyor ve böylece yıldızlar galaksinin merkezinden uzaklaşıyor. Bunun da iki sebebi var: Birincisi kümedeki yıldızların dönüşü çubukla rezonans yapıyor, yani iki bileşen de aynı hızda dönüyor. İkincisi de dönme hızı yavaşladıkça Herkül akıntısının merkezden uzaklaşması… Buna da yıldızların açısal momentum kaybı neden oluyor.

Açısal momentum özellikle birbirinin çevresinde dönen cisimler için önemlidir ve bu da dönen cismin kütlesi, hızı ve yörünge çemberinin yarıçapına bağlıdır. Momentum tıpkı enerji gibi korunur ve dışarıdan bir güç uygulanmadıkça değişmez. Örneğin uydumuz Ay momentum kazanırsa Dünya’nın momentum kaybetmesi gerekir. Dünya’nın momentumu Ay’a geçer ki son 4,5 milyar yılda öyle olmuştur. Ay gittikçe bizden uzaklaşıyor ve gelgit etkisi azalıyor. Diğer yandan bir gezegen hızlanırsa yörüngesi bunu telafi etmek için daralacaktır. Nitekim Güneş’e en yakın gezegen olan Merkür en hızlı dönen gezegendir.

Özetle galaktik çubuğun dönme hızı yavaşladığında Herkül yıldızları da yavaşlayacak ve yörüngeleri genişleyecektir. Bu çubukla rezonans halinde olup daha uzakta dönen diğer yıldızlar için de geçerlidir. Evet, karanlık maddenin çubuğa etkisi olduğunu söyledik ama bu etkiyi bilmediğimizi de belirttik. Üstelik galaktik çubuk sadece baryonik maddeden etkilense bile yavaşlama milyarlarca yıla yayılırdı. Peki uzayda yön tabelaları olmadığına göre galaksideki yıldızların milyarlarca yıllık hareketini nasıl izleyeceğiz? Yıldız hilesi burada devreye giriyor:

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Yıldız elementleri ve çubuklu sarmal

Evrendeki bütün yıldızlar yüzde 99 oranında hidrojen ve helyumdan oluşur ama bütün elementleri içerir. Astrofizikçiler helyumdan ağır tüm elementlere metalik element der. Samanyolu’ndaki yıldızların kimyasal bileşimi de hem yaşına hem de nerede oluştuğuna göre değişir. Böylece bizzat yıldızları yol tabelası olarak kullanarak bulunduğu kümelerin galaksideki geçmiş hareketini takip ederiz. Örneğin galaktik merkez Samanyolu kütlesinin toplandığı noktadır. Bu yüzden daha çok ağır element içerir. Bunu ağır cisimlerin suya batması gibi düşünebilirsiniz.

Dolayısıyla Samanyolu merkezine yakın yerlerde oluşan yıldızlar daha çok ağır element içerir. Gerçi hidrojen hariç bütün elementler helyumdan ağırdır. 😊 Astrofizikçiler işte bu konuda yıldız hilesi yaptılar. Yıldızların milyarlarca yıllık yörünge geçmişini momentum takibiyle ortaya çıkaramazlardı. Bunu telafi etmek için yıldızların kimyasal bileşimine odaklandılar. O zaman da Herkül akıntısı yıldızların süper metalik olduğunu buldular. Üstelik merkeze nispeten uzak olduklarından normalden daha çok metal içeriyorlardı.

Yine de yıldızların dağılımı oldukça düzenliydi. Mesela ağır element oranı en yüksek yıldızlar, Herkül akıntısının merkeze bakan kenarındaydı. En düşük olanlar da dış kenarında bulunuyordu. Demek ki yıldızlar merkeze yakın oluşmuş ve zamanla dışa açılmışlardı. Peki dönme hızını ne yavaşlatmıştı ki yörüngeleri genişlemişti? Araştırmacılar önce barizi teyit ettiler: Galaktik çubuk yavaşlayınca yıldızların da yavaşlamasını sağlamıştı. İkinci olarak bir ilki gerçekleştirdiler ve galaktik çubuğun yüzde 24 oranında yavaşladığını ortaya çıkardılar! 😮 Oysa bir noktayı unutuyorsunuz:

İlgili yazı: 14 Yaşında Kendini Donduran Kız

 

Karanlık madde galaksileri

Galaktik çubuk Herkül yıldızlarının yavaşlamasını açıklıyor. Peki galaktik çubuk neden yavaşlıyor? Sahip olduğu momentumu nereye aktarıyor da yavaşlıyor? Şimdi dikkat: Samanyolu’nun sarmal kolları yoğunluk dalgalarıdır. Bunlar da yıldızlar ve bulutsuların kendi içinde sıkışarak sarmal olmasıyla oluşur. Samanyolu sarmalları sudaki ebru boyası gibi su moleküllerinin yardımıyla şekil almaz. Bu ne anlama geliyor derseniz:

Samanyolu’nun çubuğunun 12-13 milyar yıllık galaksi tarihinde bu kadar yavaşlaması imkansızdır. 1) Çubuk, Samanyolu’yla birlikte döndüğünden yeterince yavaşlayamaz. 2) Galaktik merkezin kütlesi bu çubuğu yavaşlatacak kadar büyük değildir ve sürpriz parametre… 3) Samanyolu kütlesi daha başlangıçta bu kadar büyük ve uzun ömürlü bir çubuğun oluşmasına yeterli değildir. Öyleyse neler oluyor? Bütün bunlar karanlık maddenin etkisiyle oluyor. Karanlık madde A) büyük bir çubuk oluşturuyor ve B) onu büyük ölçüde yavaşlatıyor. Bu da çubuğun daha büyük ve uzun ömürlü olmasını sağlıyor.

Astrofizikçiler galaktik dedektif gibi davranarak bu sırrı yıldız kimyasıyla ortaya çıkardılar. Tebrikler! Peki ne öğrendik? Çubuklu sarmal galaksilerin varlık sebebi karanlık maddedir. Karanlık madde olmasa sarmal galaksiler olur ama çubuklu sarmallar nadiren oluşurdu. Ayrıca sarmal galaksiler de uzun ömürlü olmaz ve kolayca deforme olurdu. Bu benim için de güzel bir haber oldu. Samanyolu’nu 7 yıl önce yazmaya başladığımda sarmal kolları ve çubuğu büyük ölçüde gizemini koruyordu. Aradan geçen zamanda galaksi diskinin tam iki kat büyük olduğunu öğrendik! 7 yılda iyi mesafe kat ettik.

Çubuklu sarmal için sonsöz

Siz de neden yeşil yıldız yok diye sorarak içinde kara delik olan yarım yıldızlara bakabilirsiniz. Dünyada olmayan elementler içeren yıldızlarla başlayıp sadece yıldızlarda olan teknesyum elementini şimdi inceleyebilirsiniz. Dünya’ya göktaşı savuran ölüm yıldızı Nemesis var mı diye sorarak Samanyolu’ndaki olası antimadde yıldızlarını araştırabilirsiniz. Hızınızı alamayarak nötron yıldızlarının merkezine seyahat edebilir ve Güneş’in iki kez kırmızı dev olacağı müthiş sona da bakabilirsiniz. Bilimle ve sağlıcakla kalın. 😊

Sarmal galaksilerin oluşumu

¹Tree-ring structure of Galactic bar resonance
²Theories of Spiral Structure
³Dark matter is slowing the spin of the Milky Way’s galactic bar