En Parlak Galaksi 300 Trilyon Güneş’ten Daha Parlak >> Üstelik merkezindeki obur kara delik kural dışı hızda büyüyor

Madem kod adı ELIRG¹ Evren’de bilinen en parlak galaksi, öyleyse neden bu isim İngilizce “aşırı parlak kızılötesi galaksi” kelimelerinin kısaltması? Öyle ya, insan gözü ışığı görüyor ama kızılötesi dalga boyuna karşılık gelen ısıyı görmüyor. ELIRG neden görünür ışıkta değil de kızılötesi dalga boyunda parlıyor?

Bunun sebebi basit: ELIRG merkezinde dev bir süper aktif kara delik bulunan genç bir galaksi. Nitekim bütün galaksiler hayatına süper aktif kara deliklerle başlıyor. Ancak galaksilerin ömrü on yıllarla değil milyar yıllarla ölçülüyor ve bir galaksinin bu kadar ışık saçmasının tek yolu da yeni doğmuş olması.

Yeni doğmuş dedik de ELIRG aslında Evren oluştuktan sonra doğan ilk galaksilerden biri ve 12,5 milyar yıl yaşında. Oysa ELIRG bugün bize 12,5 milyar ışık yılı değil, yaklaşık 30 milyar ışık yılı uzakta. Bu farkın nedeni şişme, yani Evren’in büyük patlamadan sonra çok kısa bir süre için ışıktan hızla genişleyerek adeta şişmiş olması.

Bilim adamları ELIRG’i kural dışı bir galaksi olarak adlandırıyor. Bunun sebebi ise galaksinin merkezindeki süper kütleli kara deliğin galaksi oluşum modellerinde öngörülenden çok daha hızlı büyümüş olması. Kimse Evren’in gençliğinde bu kadar obur bir kara delik bulmayı beklemiyordu. Şimdi söz konusu kara deliğin nasıl bu kadar hızlı büyüdüğünü çözmemiz gerekiyor.

 

 

Kural bozan galaksi

Bugün teleskopla bakınca ELIRG galaksisinin gençliğini görüyoruz. Bu galaksi gençliğinde çok aktifti ve sarmal kollarında Samanyolu’ndan 10 kat hızlı yıldız oluşuyordu. Merkezindeki kara delik de inanılmaz miktarda gaz ve toz yutuyordu. Öyle ki hızlı yemekten yutamadıklarını kutuplarından kusup dışarı atıyordu.

Peki bir kara deliğin yakınındaki gazları olay ufkuna düşmekten ne alıkoyabilir? Elbette ki kara deliğin kendisi, daha doğrusu kara deliğin oluşturduğu süper güçlü manyetik alanlar. Şimdi bilinen Evren’in en parlak galaksisinin merkezindeki bu gizemi birlikte aydınlatalım:

 

 

Kendi çevresinde inanılmaz bir hızla dönen genç kara delikler yutamadığı gazları sahip olduğu güçlü manyetik alanlarla kutuplarına taşıyor ve kutupların iki ucundan yukarı ve aşağı doğru ışık hızının yüzde 99’u hızla uzaya püskürtüyor (bunlara relativistik jet deniyor).

Gerçi bu bile bir kara deliğin güçlü yerçekimi ile etrafındaki gazları yavaşlatıp yutmasını engellemezdi, ama ELIRG galaksisinin sırrını çözmek için dikkat etmemiz gereken bir nokta daha var: Kara deliğe sarmallar çizerek düşerken ince bir birikim diski oluşturan gaz akımlarıyla kara deliğin kutuplardan püskürttüğü gazlar gama ışınları saçacak kadar ısınıyor.

 

 

Doymak bilmez kara delik

Tabii bu kadar ısınan gazlar genişliyor ve kendi çevresinde dönen kara deliğin etrafında savrularak merkezkaç kuvvetiyle uzaya kaçıp kurtuluyor.

Evet, bir kara deliğin olay ufkundan kaçmak için ışık hızında gitmek gerekiyor, ama kara deliğin dışındaki gazların kurtulması için ışık hızının yüzde 50-90’ına ulaşması yeterli oluyor. Dediğimiz gibi kaçış hızını gazlara bizzat kara delik sağlıyor: Ya kutuplarından uzaya püskürterek ya da ekvatordan dışarı savurarak.

 

 

Ancak bilim adamları ELIRG merkezindeki kara deliğin Eddington limiti denilen beslenme hızından çok daha hızlı büyüdüğünü fark ettiler. Açgözlü kara delik her saniye fizik teorilerinin izin verdiğinden daha fazla gaz ve toz yutuyordu.

Bu gizeme aşağıda geri döneceğiz, ama ELIRG galaksisinin asıl sırrı bu. Işık hızının sonlu olması nedeniyle 12,5 milyar yıl sonra gençlik halini yeni gördüğümüz bu süper parlak galaksi, Evren’deki galaksilerin oluşum tarihine ışık tutuyor. Hatta deyim yerindeyse 300 trilyon güneş gücünde ışık tutuyor.

Çünkü galaksilerin, merkezlerinde yer alan süper kütleli kara delikler sayesinde uzaydaki gazları kendine çekip büyüdüğünü biliyoruz; fakat bütün galaksilere ışık tutması gereken ELIRG’in merkezindeki kara deliğin neden bu kadar hızlı büyüdüğünü bilmiyoruz. Bu gizemi aydınlatmak için ELIRG’i keşfeden “bilge uzay teleskopundan” bahsedelim.

 

 

Bilge teleskop WISE

Uzayda yalnızca Hubble teleskopu yok. Ötegezegenleri keşfeden Kepler gibi Dünya’nın çevresinde dönen başka teleskoplar da var; ama bunlar görünür ışıkta renkli fotoğraf çekmediği için basında pek tanınmıyor ve gündeme girmeden unutuluyor.

Bu mütevazı teleskoplardan biri de Geniş Açılı Kızılötesi Tarama Teleskopu, yani İngilizce kısaltmasıyla WISE. Tabii NASA’nın bu kısaltma ile her zamanki gibi bir kelime oyunu yaptığını söylemeliyiz. WISE aynı zamanda bilge demek ve ışığı değil de ısıyı gören bu teleskop gerçekten de bilge sayılır.

 

 

Çünkü WISE Evren’in doğumundan gelen eski ışığı, kızılötesine kayan kırmızı ışığı görüyor ve bu sayede Evren’in bebekliğine tanıklık ediyor. Hubble teleskopu galaksilerin olgunlaştığı yılları görürken WISE ilk galaksilerin oluştuğu zamana geri gidiyor.

Aslında WISE teleskopu ELIRG galaksisini 2010’da keşfetti ama bilim adamları böyle bir keşif yaptıklarını ancak şimdi anladılar. Tabii ki bunun sebebi astronomların dalgın olması değil. 🙂 Asıl sebep teleskoplardan Dünya’ya çok büyük miktarda veri gelmesi. Bilgisayarlar bu veriyi analiz edip bulduğu yeni galaksileri astronomlara rapor edene kadar 5 yıl geçiyor.

 

 

Neden kızılötesi?

Yukarıda bu soruyu kısmen yanıtladık, ancak ELIRG’in kızılötesi dalga boyunda görünmesinin bir nedeni daha var. O da galaksiyi sarıp ışığını kesen gaz ve toz bulutları.

Şöyle düşünün, bu galaksi 12,5 milyar yıl önce Samanyolu’ndan 10 kat hızlı yıldız doğuruyordu. Bütün galaksi dev bir gaz topuydu ve engin bulutsular galakside doğan güneşlerin ışığını kesiyordu.

Öte yandan genç güneşler de içinde doğdukları bulutsuları fırın gibi ısıtıyordu. Sonuçta ısınan gazlar görünür ışığın yanı sıra kızılötesinde parlamaya başladı; fakat görünür ışık da aradan geçen 12,5 milyar yılda kızılötesine kaydı. Öyle ki keskin gözlü WISE bile bu kadim galaksiyi zor seçti.

 

 

30 milyar ışık yılı uzaktaysa nasıl gördük?

Öyle ya, Evren yaklaşık olarak 13 milyar 800 milyon yıl yaşında ve Evren’in yaşı 30 milyar ışık yılı uzaktaki ELIRG galaksisinin ışığının bize ulaşmasına yeterli değil. Yine de bu kafanızı karıştırmasın, çünkü ELIRG bugün bize o kadar uzak.

Oysa 12,5 milyar yıl önce Samanyolu’nun bugün olduğu yere çok yakındı ve aradan geçen sürede çok uzaklaşmış olsa bile galaksinin soluk kızılötesi ışığı bize ulaşmayı başardı. Şimdi 300 trilyon güneş parlaklığındaki bu ışıltılı galaksinin sırlarını çözdüğümüze göre, ELIRG’in merkezindeki kara deliğin neden kural dışı bir hızda büyüdüğünü inceleyebiliriz.

Nitekim başta söylediğimiz gibi bu galaksinin esprisi kural bozan kara deliğinde. Galaksi oluşum modellerine göre Evren’in gençliğinde bu kadar büyük bir kara delik olamaz ve hiçbir kara delik bu kadar hızlı büyüyemez. Bilim adamları buna Eddington Limiti diyor. Bu limit kara deliklerin maksimum büyüme hızını gösteriyor.

 

 

Kara deliklerde hız limiti nasıl aşılır?

Normalde galaksilerin merkezindeki kara delikler sarmallar çizerek kendi içine çöken gaz ve toz bulutlarından oluşuyor. Bu yüzden bütün genç süper kütleli kara delikler kendi etrafında yüksek hızla dönüyor ve bu sırada çok güçlü bir manyetik alan oluşturuyor.

İşin ilginci, bir kara deliğin beslenme hızını onu saran manyetik alan kuşakları ve ekvator hizasında sarmallar çizerek dönen gazlardan oluşan ince birikim diskinin sıcaklığı belirliyor. Şimdi birbirinden farklı bu iki faktörü kısaca ele alalım.

 

 

Yiyin efendiler yiyin!

Bir kara delik çok hızlı beslenmeye kalkarsa henüz olay ufkundan geçip kara deliğin içine düşmeye fırsat bulamayan gaz ve toz akımları, kara deliği saran manyetik alanlar boyunca ışık hızının yüzde 99’u hızla kara deliğin kutuplarına taşınıyor.

Ardından, merkezkaç kuvveti kara deliğin yakınındaki çekim gücüne baskın geliyor ve manyetik alanlar gama ışınları saçacak kadar ısınan bu plazmayı kutuplardan uzaya püskürtüyor. Kara deliğe düşmekte olan gazların uzaya kaçıp kurtulmasının bir yolu bu.

Ancak bir de kara deliği saran birikim diski var. Birikim diski kara deliğe sarmallar çizerek düşen gazlardan oluşuyor. Normalde bu gazlar kara deliğe yüksek hızlarda düşüyor ve bu sırada X-ışınları saçıyor (çok hızlı giden fotonların yol açtığı radyasyon).

 

 

Yüksek sıcaklık ve radyasyon basıncı

Yalnız ELIRG’in merkezindeki kara delik o kadar hızlı dönüyor ve o kadar hızlı madde yutuyor ki onu saran birikim diskindeki gazlar da mesafeye göre normalden hızlı dönüyor. Bu süreçte kara deliğin kutuplarına yaklaşan gaz jeti aşırı ısınarak gama ışınları saçmaya başlıyor (X-ışınlarından daha yüksek frekanslı fotonların yol açtığı radyasyon).

Bildiğiniz gibi ısınan gazlar genleşir ki bunu bir sıcak hava balonuna binip Kapadokya’yı havadan gezerken görebilirsiniz. Bu durumda birikim diski aşırı ısınıp genleşiyor ve diskin dışındaki gazlar genişleyen diskle birlikte kara delikten uzaklaşıyor.

 

 

Aynı zamanda çok hızlı döndüğü için merkezkaç kuvvetiyle uzaya savrularak kara delikten kaçıp kurtulma şansları artıyor. Aslında süper sıcak gazın bile genleşmesi kara delikten kaçmaya yeterli değil ama bu noktada gama radyasyonu, yani radyasyon basıncı devreye giriyor.

Her ne kadar fotonların durağan kütlesi olmasa da momentumu var. Kara delikten uzaya püsküren jetlerin kökünde yer alan fotonlar birikim diskindeki gazı gazı gama ışını bombardımanına tutarken momentumunu da kısmen gaz atomlarına aktarıyor. Böylece kara deliğe nispeten uzak olan gazlar (plazma) daha da hızlanarak kaçmayı başarıyor.

 

 

İşte Eddington limiti bu

Yukarıdaki iki faktörü dikkate aldığımız zaman, bir kara deliğin kendi etrafında ne kadar hızlı dönerse dönsün ve çevresinde ne kadar gaz olursa olsun belirli bir hızdan daha hızlı büyüyemeyeceğini görüyoruz. Buna Eddington limiti deniyor ve ELIRG galaksisinin merkezindeki kara delik Eddington limitinden daha hızlı büyüyor. Bu da teorik modeller aykırı.

Eddington limiti Einstein’ın görelilik teorisindeki “hiçbir şey ışıktan hızlı gidemez” tespitine göre hesaplandığı için bir kara deliğin bu limitten daha hızlı büyüdüğünü söylemek zor. Bu mümkünse yeni bir fizik keşfetmemiz gerekecek ve kuantum fizikçileri bunu son çare olarak düşünüyor.

Ancak ELIRG’in obur kara deliğini açıklamanın bir yolu daha var: O da bu kara deliğin boyuna ve kütlesine göre daha yavaş döndüğünü kabul etmek. Bu durumda Eddington limiti aşılmayacak, sadece kara delik bu kuralın çevresinden dolaşmış olacak.

 

 

Kozmoloji modellerini gözden geçirmeli

Leicester Üniversitesi’nde çalışmalarını sürdüren ve bu habere konu olan makaleyi yazan ekipte bulunan Andrew Blain bunu şöyle açıklıyor: “Ya bu kara delik gazların uzaya savrulmasına izin vermeyecek kadar hızlı besleniyor ya da sandığımızdan yavaş dönüyor ve gazın büyük kısmını uzaya savurmak yerine içine çekip yutuyor.”²

Bu tam bir ikilem, çünkü hem kara deliğin aşırı hızlı büyüdüğünü biliyoruz hem de bunu açıklamak için normalden yavaş döndüğünü kabul etmek zorunda kalıyoruz. Üstelik bunun için hiçbir sebep yok. Bu durumu açıklayamıyoruz. Yine de bir gün ELIRG galaksisinin sırrını çözeceğiz ve o gün Evren hakkında yepyeni şeyler öğrenmiş olacağız. 🙂

 

¹Not: Bu galaksinin adı ELIRG değil ama astronomlar süper parlak bütün galaksileri ELIRG olarak adlandırıyor. Zaten yazıdaki galaksinin bir adı yok, sadece katalog numarası var: WISE J224607.57-052635.0 Bu numarayı her cümlede kullanmamak için ELIRG galaksisi dedim.

 

²The Most Luminous Galaxies Discovered by WISE, arXiv:1410.1751 [astro-ph.GA]. (Submitted on 7 Oct 2014 (v1), last revised 8 Apr 2015 (this version, v2))