En Eski Kara Delik 36 Trilyon Güneşten Parlak

Bilim insanları bilinen evrendeki en eski süper kütleli kara deliği buldu. 36 trilyon Güneş parlaklığında, yani Samanyolu’ndan +1000 kat parlak olan en eski kara delik (aşırı enerjik kuasar) 13,1 milyar yaşında ve evren 670 milyon yaşındayken oluştu. Bu da ilk yıldızlar ve galaksilerden yalnızca iki kat uzun bir süre sonra oluştuğunu gösteriyor. Peki eski kara delikler nasıl bu kadar hızlı büyüdü ve 1,6 milyar Güneş kütlesine erişti? Bugün evrende 60 milyar Güneş kütleli olan olgun ve artık durgun hiper kütleli kara delikler var; ancak fizikçiler ilk kara deliklerin teorik tahminlerden neden daha iri cüsseli olduğunu açıklamak için çok çalışıyor. Yoksa ilk galaksilerin oluşumuyla ilgili teoriler yanlış çıkacak.

En eski kara delik nasıl oluştu?

Arizona Üniversitesi Gökbilim Bölümü ve Steward Gözlemevi’nden Profesör Feige Wang, 15 ocakta yapılan 237. Amerikan Gökbilim Derneği toplantısında evrende bilinen en eski kara deliği, ilkin kuasarı bulduğunu duyurdu. Evrendeki astronomik uzaklıkları gösteren 7,642’lik kırmızıya kayma oranıyla bilinen en uzak kuasar olan bu kara delik evren sadece bugünkü yaşının yüzde 5’ine ulaşmış, yani 670 milyon yaşındayken oluştu.

Galaksilerin çok küçük olduğu ve yeterli miktarda sıkışık madde içermediği eski zamanlarda, evrenin bebekliğinde oluşmasına rağmen kısa sürede 1,6 milyar Güneş kütlesine ulaşan bu kuasar galaksi oluşum modellerinin yanlış olduğunu gösterecek kadar hızlı büyüdü; ama neden? İlk yıldızların tek tük olarak evren 50-100 milyon yaşındayken oluştuğunu ama toplu yıldız oluşumunun, yani on binlerce yıldız içererek ilk cüce galaksilerin nüvesini oluşturan küresel yıldız kümelerinin evren 180 milyon yaşındayken ortaya çıktığını biliyoruz.

İlk yıldızlar yalnızca hidrojen ve helyum, eser miktarda da lityumdan (en hafif elementlerden) oluştuğu için gaz ve toz bulutları çökerken yanıp tutuşmakta zorlandılar. Böylece ilk yıldızların oluşması için bugün evrende mümkün olmayan muazzam bir kütle gerekti ki bunlar yüzey sıcaklığı 130 bin dereceye ulaşan ve göze görülmeyen morötesi ışık yayan 300 Güneş kütleli dev gökcisimleriydi. Ancak 300-1200 Güneş kütlesine sahip bir yıldız bebek evrende kendi içine çöküp yeterli basınca ve sıcaklığa ulaşarak nükleer füzyonla yanabiliyordu. Oysa en eski kara delikle ilk yıldızlar arasında kavgalı bir ilişki vardır:

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

En eski kara delik ve ilk yıldızlar

1) Bir yıldız ne kadar kütleliyse ömrü o kadar kısadır. İlk yıldızlar en geç 8 milyon yılda direkt kara delik halinde çökmüş veya bugün süpernovalardan 10 kat güçlü olan hipernovalardan bile 10 kat güçlü olarak patlamış olmalı (meganovalar mı desek?). 2) Bu yıldızların süper ağır çekirdeği daha yıldız yanarken çöküp kara deliğe dönüşmüş olabilir. 😮

Bu tür yarım yıldızlar çekirdeğinde nükleer füzyon yerine kara deliğe düşerken sıkışıp 3 milyar derece sıcaklığa erişen maddeyi elektrozayıf kuvvetle yakarak ısı ve ışık üretmiş olabilir. Her durumda ilk yıldızlar ile kara deliklerin (büyük patlamada oluşup çoktan buharlaştığı varsayılan teorik ilkin kara delikleri saymazsak) aynı anda oluştuğunu biliyoruz. Oysa yıldız kökenli kara delikler ile küçük kara deliklerin birleşmesiyle oluşan süper kütleli kara deliklerin hikayesi farklıdır.

Kısacası en eski kara deliklerin oluşmasına ilk yıldızlar yardım etmiştir: Bunlar kara delik olduğunda yüksek yerçekimi konsantrasyonları oluşturdu. Böylece zaten küçük ve sıcak olup yüksek madde konsantrasyonu içeren evrendeki gaz ve toz bulutlarının cüce galaksileri oluşturan milyarlarca yıldız doğuracak şekilde toplu halde çökmesini hızlandırdı. Bu nedenle yüzbinlerce ve daha çok kara delik içeren süper kütleli kara deliklerin de hızla ortaya çıktığını tahmin ediyoruz; ama evren sadece 670 milyon yaşındayken 1,6 milyar Güneş kütlesine ulaşan en eski kara delik gökbilimde kriz çıkardı:

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

 

En eski kara delik anatomisi

Güneşler yanınca sıcaktan genleşir ve uzaya güçlü güneş rüzgarları üfler. Bu da gaz ve toz bulutlarının yıldıza düşerek kütlesini artırmasına engel olur. Güneş rüzgarı yıldıza düşecek bulutları uzayın derinliklerine üfleyerek yıldız büyümesini durdurur. Ayrıca büyük kütleli yıldızlar çok sıcak olur ve güneş rüzgarıyla hızla madde kaybeder. Bütün bunlar yıldızın üst kütle sınırını belirler. Benzer bir süreç kara delikler için de geçerlidir:

Kara deliklerin saniyede yutabileceği madde miktarı çapına bağlıdır ve bazen o kadar çok madde düşer ki yutamadıklarını manyetik alan çizgileriyle ekvatordan kutuplarına taşırlar. Kutuplardan ışık hızının yüzde 20’sine ulaşan hiper hızlı gaz jetleriyle uzaya püskürtürler. Bu da kara deliklerin çok hızlı büyümesini önler. İkincisi kara delikler kozmik elektrik süpürgesi değildir. Cisimleri kendine çekmezler. Cisimler kara deliğe çok yaklaşırsa içine düşer ama bu süreç de yüzde 100 verimli değildir:

Kara deliğe en yakın kararlı yörüngenin içinde ergosfer denilen kaotik ve aşırı çarpık bir uzay zaman bölgesi vardır. Bu bölgede madde kara deliğe düşebileceği gibi uzaya da savrulabilir! Kara delik civar maddenin yarısını yutabiliyorsa şanslıdır. 😉 Böylece kara delikler yakın gazları hızla tüketir ve açlık çekmeye başlar.

İlgili yazı: Evren Küçülürse Zaman Tersine Akar mı?

 

Kısacası büyüme çabuk durur

Gazlar kara deliğe sarmallar çizerek düşer ve yaklaştıkça merkezkaç kuvvetinin etkisiyle birikim diski dediğimiz bir gaz diski oluşturur. Diskin iç kesimleri binlerce, milyonlarca derece sıcaklığa erişerek parlak x-ışınları yaymaya başlar. Kara delik ne kadar büyükse o kadar hızlı madde yutar ve yutamadığını püskürtür. Hiperaktif süper kütleli kara delikler, yani kuasarlar günümüzde 300 trilyon Güneş parlaklığında olabilir. Özetle kuasarlar civar maddeyi o kadar hızlı yutar ve püskürtür ki bunların büyümesi belirli bir eşikte çok yavaşlar ya da durur (Eddington sınırı).

Şimdi buna ilk cüce galaksilerin merkezinin yoğun olmasına rağmen toplamda az madde içerdiğini ekleyin. O zaman bebek evrendeki kara deliklerin asla güncel kara delikler kadar kütleli olamayacağını anlarsınız ya da yakın zamana dek öyle sayıyorduk ama 1,6 milyar Güneş kütleli kara delik oyunu bozdu.

Aslında kara delik büyüme teorilerimizin yanlış olabileceğini 2018’de düşünmeye başladık; çünkü o yıl evren 690 milyon yaşındayken oluşmuş 800 milyon Güneş kütleli bir kara delik bulduk. Bu kara deliğin neden bu kadar büyük olduğunu açıklamak çok zordu ama şimdi ondan 20 milyon yıl genç ve iki kat ağır bir kara delik daha bulunca işler çığırından çıktı:

Bilim insanları Eddington sınırı yüzünden evrende o yıllarda sadece 20 adet 800 milyon Güneş kütleli kara delik olabileceğini düşünüyordu. 1,6 milyar Güneş kütleli J0313-1806 ortaya çıkınca durum değişti ama bilim insanları kara deliğin uzaklığı ve dolayısıyla yaşını ölçmek için kılı kırk yardılar. Kısacası kırmızıya kayma oranını çok dikkatli ölçtüler.

En eski kara delik ölçümleri

Sonuç olarak 1) Kara delik ışığında 121,5 nanometre dalga boyunda Lyman-α çizgisi görüldü. 2) Kara delik oluşumu ve yıldız patlaması gibi enerjik olaylarda oluşabilecek doğru miktarda üçlü iyonize karbon atomları bulundu. 3) Kuasarın ışık tayfında uzun ve kısa dalga boylarında beklentilere uyan iki asimetrik emilim çizgisi bulundu (bunlar kara delik birikim diskini belirli dalga boylarında emen belirli elementlere karşılık geliyordu). Böylece kara deliğin uzaklığı, birikim diskinin kimyasal bileşimi ve kara deliğin yaşından emin olduk. J0313-1806 13,1 milyar yaşındaydı! Peki kara deliğin sırrını nasıl çözebiliriz?

İlgili yazı: 18 Ayda Nasıl 24 Kilo Verdim?

 

O iki siyah tayf çizgisi sayesinde

Kara delik birikim diski ışığını görülen dalga boylarında ne emebilir? Bunun için periyodik tabloya bakabilirsiniz ama yardım edeyim: Nötr gaz. Bütün elementler gibi nötr gaz atomları da belirli dalga boylarında enerji kazanıp ısınır ama enerjiyi uzaya boşaltırken, yani foton emisyonuyla enerji yitirirken fotonları (ışığı) rastgele yönlerde yayar. Soğuyan gazın yaydığı ışık kara deliği Dünya’dan görmemizi sağlayan yönlere genellikle denk gelmez; çünkü ışık 360 derece yayılır ve büyük kısmı gaz bulutlarıyla gölgelenir (siyah çizgilerin sebebi budur).

Oysa fizikçiler siyah tayf çizgilerinde başka bir şey keşfetti: Bunlar geniş bantlardı. Demek ki ya gaz belirli bir yönde yüksek hızda uzun süre gidiyor (esiyor) ya da çok yüksek sıcaklığa erişiyordu. Nötr gazı ancak bir kuasar, yani hiperaktif süper kütleli bir kara delik bu kadar hızlı ısıtır ve iyonize edebilirdi. Yeni kara deliği, aslında bilinen en eski kara deliği Magellan teleskopu buldu ve Gemini teleskopu da tayfölçümünü yaptı. Bu kuasar 36 trilyon Güneş parlaklığındaydı.

Cüce cüce galaksinin çapı ise 10 bin ışık yılını buluyor ve çok genç olduğu için Samanyolu’ndan 200 kat hızlı yıldız oluşturuyordu. Cüce galaksi yıldız oluşturmaya yeni başladığı için çok tozluydu. Eski kara deliğin çevresindeki birikim diski o kadar büyüktü ki 70 milyon Güneş kütlesinde toz içeriyor ve kuasar bir kutbundan ışık hızının yüzde 14’ü ve diğerinden de yüzde 18’iyle gaz jetleri püskürtüyordu.

En eski kuasar özellikleri

Bu gökcismi 13,1 milyar yaşında ama evrenin genişlemesini hesaba katarsak bugün 29,4 milyar ışık yılı uzakta olması gerekiyor. Şimdi ışık yayıp da ışığını gelecekte görebileceğimiz en uzak cisim (gelecek olay ufku) 32 milyar ışık yılı uzakta olduğuna göre yeni kuasarın müthiş uzaklığını varın siz hayal edin. Peki nasıl oldu da bu kadar hızlı büyüdü?

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

En eski kara delik soruları

Öncelikle bu kuasarın ilk yıldızlardan sadece 590 milyon yıl sonra bu kadar büyümesi için 10 bin ve belki de 100 bin Güneş kütlesindeki bir kara delikten türemesi lazım (yeni oluşan kara delik ne kadar büyükse o kadar hızlı büyür). Ayrıca kara delikler birleşerek daha büyük kara delikler oluşturur ki özgün kara deliğin 10 bin Güneş kütlesinde olması imkansızdır. O kadar büyük kara delik üretecek bir yıldız yoktur. Bu yüzden “Demek ki sorun yok hocam. Kara delikler birleşmiş işte” diyebilirsiniz.

Oysa bebek evrende kara deliklerin bu kadar hızlı birleşip büyüyeceği kadar çok sayıda yıldız kökenli kara delik olmadığını eklemek gerekiyor. Bebek evrenin yeterince büyük bir kara deliğin hızla büyüyeceği kadar yoğun olduğunu biliyor ama ilk kara deliğin neden bu kadar hızlı büyüdüğü açıklayamıyoruz. Galaksi katilleri yazısında anlattığım gibi uzaya gaz püskürten kara delikler aslında yıldız oluşumu için gereken gazı püskürtüp ziyan eder ve yıldız oluşumunu boğar. Üstelik kendini büyütecek gazları da Eddington Limiti uyarınca uzaya püskürttüğünden kara deliğin büyümesi durur.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Kara delikleri toparlarken

Acaba en küçük yıldız kütleli veya ilk yıldız kütleli kara delikler hakkındaki teorilerimizi güncellemek mi gerekiyor? Yoksa küçük kara deliklerin birleşip orta boy kara delikler oluşturması tahminimizden daha hızlı mı gerçekleşiyor? Orta boy kara delikler daha hızlı oluşuyorsa süper kütleli kara delikler de daha hızlı oluşacaktır. Zaten gaz püskürtme sebebiyle kara deliklerin hızla büyümesini gaz yutmaktansa kara delik birleşmesiyle açıklamak daha kolaydır.

Bütün bunları çözmek için şansımıza pek yakında kullanıma girecek yeni teleskoplara ihtiyacımız olacak: Şili’de inşa edilen Atacama Büyük Milimetre/Milimetre Altı Dizisi (ALMA) adındaki süper güçlü radyo teleskop seti devreye girdiği zaman gaz ve toz bulutlarını yüksek çözünürlükle inceleyecek. Pandemi yüzünden açılışı geciken ALMA yeni kuasarın ne kadar hızlı gaz yuttuğu ve püskürttüğünü görecek. 2021’de fırlatılacak olan James Webb Uzay Teleskopu yakın kızılötesi bakışıyla kuasarı saran galaksiyi doğrudan görecek.

Galakside kısmen iyonize olmuş bulutlara (nötr gaza) bakarak bunların bebek evrende ne hızda kara delik oluşturacağını ölçmemizi sağlayacak. O zaman bilinen en eski kara deliğin nasıl bu kadar hızlı oluştuğunu, aslında evrendeki ilk galaksilerin nasıl oluştuğunu anlayacağız. Bu sorunu 10 yıla kalmadan çözebiliriz. Peki fraktal evren teorisi nedir ve güneş sisteminde yeni bulunan gezegenler arası otoyol nasıl çalışır? Onu da şimdi okuyabilir ve Dünya’da olmayan teknesyum elementini yıldızlarda arayabilirsiniz. Sağlıcakla ve bilimle kalın.

Evrenin en enerjik kuasarı

¹A Luminous Quasar at Redshift 7.642
²The Bolometric Quasar Luminosity Function at z = 0-7
³Cosmology with quasars: predictions for eROSITA from a quasar Hubble diagram