Kara Delikler Neden Sokak Simidine Benzer?

Bilim insanları Dünya’dan 54 milyon ışık yılı uzaktaki M87 galaksisi merkezinde yer alan 6,5 milyar Güneş kütlesindeki süper kütleli kara deliğin fotoğrafını 2017 yılında çektiler. Dünya çapındaki radyo teleskopların birbirine bağlanmasıyla oluşturulan Olay Ufku teleskopu, 38 milyar km çapındaki kara deliğin olay ufkunu değil ama gölgesinin fotoğrafını çekmeyi başardı. Böylece kara deliğinin dışarıdan bakınca can simidine benzediği ortaya çıktı. Bu yıl da Olay Ufku teleskopu M87 kara deliğinin yeni fotoğraflarını çekti ve bu canavarın aslında sokak simidi gibi burgulu olduğu ortaya çıktı. Peki kara delikler neden sokak simidine benziyor ve 4 yıl içinde şekil değiştirir mi? Kara delik fiziğini görelim.

Başlıca kara delik türleri

Bilim insanları genel görelilik denklemindeki ilk kara delik çözümünü bulduğundan bu yana 100 yıldan uzun bir süre geçti. Fizikçiler kuşaklar boyunca kara deliklerin gerçek olup olmadığını tartıştılar. Bunlar gerçek mi, yoksa matematiksel nesneler miydi? 60’larda Penrose kara deliklerin evrenimizde gerçekçi olarak nasıl oluşacağını gösterdi ve geçen yıl bu çalışmasıyla 88 yaşında Nobel fizik ödülünü aldı.

Penrose’un kara delik oluşum teorisinin hemen ardından da Kuğu X-1 kara deliği keşfedildi. Kara delikler ışık saçmaz ama civardan veya komşu yıldızlardan gaz çekerken bunları ısıtır. Biz de kara delikleri saran parlak birikim diskine bakarak bunları saptarız. Kuğu X-1’i yoldaş yıldızdan gaz çekerken ışıldadığı için bulduk ki evrende kara delikler boy boydur:

Mikroskobik kara delikler ve asteroit kütlesindeki mikro kara delikler olası en küçük türdür ama bunlar Hawking radyasyonu yüzünden uzun süre önce buharlaştılar. Belki evrende az sayıda mikro kara delik vardır fakat kara deliğin büyük kısmını 3 tür stabil kara delik oluşturuyor. Bunlar yıldız kütleli kara delikler (minimum 3 Güneş kütlesi), orta boy kara delikler ve milyonlarca, milyarlarca ve hatta yüz milyarlarca Güneş kütlesindeki süper kütleli kara deliklerdir. Nitekim Samanyolu merkezinde 4,4 milyon Güneş kütleli Yay A* kara deliği bulunuyor. Peki ya sokak simidi şekilli M87 kara deliği?

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

 

Kara delikler neden simide benzer?

Bunun için en yakın tarihe göz atalım: Astronomlar birleşik Olay Ufku teleskopunu kullanarak 2017’de M87 merkezindeki kara deliğin fotoğrafını çekmeyi başardılar. Bu aktif bir kara delikti, yani çevresinden büyük miktarda gaz kara deliğe düşüyor ve bu sırada aşırı ısınıp plazmaya dönüşüyordu. Kara deliği saran parlak plazma kara deliğin dış sınırı olan olay ufkunu görmemizi engelliyordu. Zaten kara delikler ışık saçmadığı için (adı üstünde kara delik) siyah olay ufkunu Dünya’dan görmemiz imkansızdı.

Yine de bilim insanları kara deliği saran plazma ve yerçekimi gölgesini görmek için Olay Ufku teleskopunu kullandılar. Özellikle de 230 GHz frekansında çalışan ALMA, 43 GHzz’ik VLBA birleşik radyo teleskopu ve yine 230 GHz’lik EHT verilerini birleştirdiler. Böylece M87 kara deliğinin 1300 ışık yılı, 3 ışık ayı ve 60 milyar km uzaktan bakıyormuş gibi üç ayrı görüntüsünü elde ettiler. Bunları birleştirerek 2017’de Olay Ufku teleskopunu saran sarı plazmanın karşıdan bakınca simide benzediğini gösterdiler. Aynı zamanda kara deliğin güçlü yerçekiminin ışığı bükmesiyle oluşan siyah gölgeyi gördüler.

Sarı derken kara deliğin yaydığı radyo dalgası izini yapay renklendirmeyle görselleştirdiler. Yerçekimi gölgesini ise kara deliğin çevresinde yörüngeye giren ışık ışınları oluşturuyordu. Buna foton halkası deriz; çünkü ışık foton parçacıklarından oluşur. Foton halkasındaki fotonlar kara delik çevresinde 2-3 tur attıktan sonra genellikle uzaya kaçar ve Dünya’ya ulaşır. Hem ışık hem de radyo dalgaları elektromanyetik dalga olduğu için kara deliği saran ışığın izini radyo teleskoplarla görebiliriz. Ben de Olay Ufku teleskopu yazısında ışık ve radyo dalgası verilerini nasıl bağdaştırdığımızı anlattım.

Kara delikler ve plazma akışı

Kara deliği saran plazma ısınıp hızlanarak olay ufkuna düşerken güçlü manyetik alan çizgileri ürettir. Dolayısıyla plazma kara deliğin çevresinde basit bir birikim diski oluşturmaz ve sarmallar çizerek sadece kara deliğin ekvatoruna düşmez. Aynı zamanda manyetik alan çizgilerinde taşınarak (bunlar doğal parçacık hızlandırıcısıdır) kara deliğin kutuplarına taşınır. Siz de bu bağlamda kara deliğin tamamının neden parlak plazmayla parlamadığı, neden kara deliğin “siyah dairesinin” hep görünür olduğunu merak edebilirsiniz:

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Kara delikler neden siyah dairedir?

Bunun nedeni bakış açımıza göre kara delik dairesi üzerinden kutuplara ilerleyen ışığı görmenin zor olmasıdır. Işığın büyük kısmı yerçekiminden kurtulup gözümüze ulaşmaz. Zamanla gözümüze ulaşan ışık kara deliğin yerçekiminden kaçan ışıktır. Bu da kara deliği saran bir ışık halkası olarak görünür. Kısacası kara deliğe uzaktan bakarsak parlak gazın içinde gizlenir. Yakından bakarsak siyah daireyi saran bir ışık halkası görürüz (kara deliğe düşen parlak plazma olduğu sürece).

Dahası aktif kara deliklerden gelen ışığın bu kadar parlak olmasının nedeni aşırı sıcak plazma değildir. Kara delik yerçekimiyle ışığı büker. Bu da kara deliğin hem çevresini hem de ekvatorunu saran iki ayrı halka oluşturur. Bunun için Interstellar filmindeki Gargantua süper kütleli kara deliğine bakabilirsiniz. Gargantua gerçek bir kara delik değil. Öte yandan diğer resme bakarsanız durum değişir… ALMA’nın M87 kara deliğini uzaktan gösteren radyo dalgalarına odaklandığı ve sadece EHT’nin kara deliğin dairesini seçebildiğini görürsünüz. Oysa bu resimde bir fark var! Kara deliği saran plazma can simidi ya da donut çöreği gibi düz değil. Klasik susamlı bir sokak simidi burguludur; ancak bu kara deliğin gerçek şekli değil, dış yapısıdır. Peki kara deliklerin gerçek şekli nedir?

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu

 

Kara delikler neden yuvarlak değildir?

2017’de can simidine benzeyen kara delik 2021’de neden burgulu simide dönüştü? Kara delik zamanla şekil mi değiştirdi? Aslında hayır. Yalnızca daha net resimler çekerek bulanıklığı giderdik. Böylece kara deliği saran görünmez manyetik alan çizgilerini izleyen plazma şeritleri burgulu simit şeklinde ortaya çıktı. Daha yakından bakabilseydik eminim ki plazmanın kara delik çevresinde çalkantılı burgaçlar ve dağınık şeritler halinde döndüğünü görecektik. Bu kadar düz ve estetik çizgiler olmayacaktı.

Pekala. Buraya dek aktif kara deliklerin dış yapısından söz ettik. Oysa bir de kara deliğin gerçek şekli var. Bir kere baştan söyleyelim. Kara delikler eski resim ve belgesellerde gördüğünüz gibi kusursuz daire şeklinde değildir. Doğadaki kara delikler küre şeklinde değildir! Peki küre şekilli kara delik tasarımı nereden çıktı derseniz… Kara delikler yerçekimini tanımlayan görelilik teorisinin çözümlerinden biridir. Bu konudaki ilk çözümünü de Schwarzschild geliştirmiştir. Karl Schwarzschild kütleli bir cismin çapı ne kadar daralırsa yerçekimi o kadar artar kuralından hareket ederek kara delikleri buldu. Biz de bir cismin Schwarzschild yarıçapı derken onun kara deliğe dönüşmesi için ne kadar küçülmesi gerektiğini kastederiz. Oysa görelilik teorisini çözmek çok zordur. Genel göreliliğin yayınlandığı 1915 yılında da elektronik bilgisayarlar yoktu. Bu yüzden Schwarzschild kara delikleri elle yapabildiği kadar hesapladı. Kendi çevresinde dönmeyen ideal kara delikleri modelledi. Bu kara delikler tabii ki küre şekilli olacaktı.

İlgili yazı: 14 Yaşında Kendini Donduran Kız

 

Gerçek kara delikler neden farklı?

Oysa kara delikler kendi çevresinde dönüyor. Hem de göreli hızlarda, yani ışık hızına yakın hızda dönüyor ve merkezkaç kuvvetinin etkisiyle ekvatordan şişerek yumurta şeklini alıyor. Ayrıca dönerken uzayı da sürükleyerek sıkıştırıyor ve burgaçlar halinde döndürüyor. Adeta halıyı ortasından tutup büker gibi buruşturuyor. Bu da kara deliğin dönme yönüne göre bir kenarının basık olmasına yol açıyor. Bakış açınıza göre sağ ya da sol kenarını görürsünüz. Kısacası gerçek kara delikler bir yanı az basık yumurta şekillidir.

Basıklık aslında kara deliğin ışığı bükmesinden kaynaklanan bir göz aldanmasıdır; yani size bir yandan basık gibi gelir ama yumurta şeklinde olmasının dışında kara delikler buruşmaz. Aslında hangi şekilde olursa olsun kara deliğin dış sınırını olay ufku belirler. Olay ufkundan kaçış hızı da ışık hızına eşittir. Dolayısıyla kuantum salınımlarını saymazsanız kara delikler evrenin en pürüzsüz yumurtalarıdır. Peki tam olay ufkunda yörüngeye girmek ve kara deliğe düşmeden sonsuza kadar dönmek mümkün mü?

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Bunun yanıtı hayır

1) Kara deliği aşırı pofuduk donut çöreği/simidi gibi görünmez bir bölge sarar. Buna ergosfer deriz. Ergosferde kara deliğin yerçekimi uzayı çok kaotik büker. Bu bölgedeki cisimler ya aniden uzaya savrulur ya da kara deliğin içine düşer. Uzay bir sapan gibi davranarak sizi dış uzaya veya kara deliğe savurur. Olay ufkunun dış yüzeyi de ergosfere dahildir.

2) Kütleli cisimlerin kara deliğe bakan yüzünde kara deliğin yerçekimi daha güçlüdür. Cismin iki yüzü arasındaki yerçekimi farkı asteroitler, astronotlar ve uzay gemilerinin gelgit etkisiyle parçalanarak atomlarına ayrılmasına neden olur. Hatta kara deliğe düşen cisimler genellikle kendi çevresinde döner. Böylece parçalanmaları ve kara deliğe düşmeleri kolaylaşır.

3) Kütlesiz fotonlar bile olay ufkunda sonsuza dek kalamaz. Fotonların kütlesi yok ama momentumu vardır. Bunlar kara deliğe düşen atom çekirdekleri ve diğer parçacıklarla çarpışır. Emilip yeniden yayınlanır. Işık olay ufkundan kaçacak kadar hızlanamaz, momentum kazanamaz. Bu yüzden zamanla enerji kaybederek kara deliğe düşer.

4) Bir de Heisenberg’in belirsizlik ilkesinden kaynaklanan kuantum salınımları var. Bu da uzay-zamanın ve dolayısıyla kara deliğin dış sınırı olan olay ufkunun Planck ölçeğinde dalgalanmasına neden olur. Öyle ki kara deliklerin çapı nötrinodan bile daha küçük ölçüde dalgalanır. Kara delik yüzeyi çok ama çok az genişler ve büzülür. Bu da fotonların momentum kaybederek kara deliğe düşmesine neden olur; çünkü bir an olay ufkunda duran foton, bir an sonra kara deliğin içine girecektir.

Kara delikler neden tuttuğunu bırakmaz?

5) Son olarak parçacıklar kuantum tünelleme ile rastgele olarak atomik mesafelere ışınlanabilir. Örneğin olay ufkundaki bir foton kara deliğin içine tünellenebilir. Gerçi tersi de mümkündür. Bir foton aniden olay ufkunun az dışına tünellenebilir. Şansı var da ergosfer onu kara deliğin dışına savurursa ve bu süreç üst üste tekrarlanırsa fotonun kara delikten yeterince uzaklaşarak uzaya kaçması mümkündür. Yine de unutmayın: Olay ufkundan kuantum tünelleme hariç (ki fotonlar için bile nadirdir) kaçış yoktur. Ayrıca tünelleme “ışınlama” olduğu için fotonlar olay ufkundan ışık hızını aşmadan kaçarlar.

İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler

 

Kara delikler neden dönüyor?

Bu bağlamda kara deliklerin neden kendi çevresinde döndüğünü de açıklayalım; çünkü kara delikler kendi çevresinde döndüğü için yumurta şekillidir. Aslında yalnızca kara delikler değil, yıldızlar, galaksiler, her şey kendi çevresinde dönüyor. Bu da gelgit etkisinin bir uzantısıdır. Kütleli cisimler birbirini birbirine bakan yüzünden çeker. Bu da kendi çevresinde dönmelerine neden olur.

Hatta doğal kara deliklere Kerr kara delikleri deriz ve spini olan bu kara deliklerin merkezindeki tekillik noktasal değil halka şekillidir. Peki kara deliklerin içindeki tekillikler gerçek mi? Onu da şimdi okuyabilir en eski kara deliğin neden 36 trilyon güneşten parlak olduğuna bakabilir ve CERN yanlışlıkla mini kara delik yaparsa ne olur diye sorabilirsiniz. Hızınızı alamayarak zamanuzay kavramı ile kara deliklerde uzayla zamanın nasıl yer değiştirdiğini görebilirsiniz. Sağlıcakla ve bilimle kalın. 😊

Simit şekilli süper kara delik

¹Visible shapes of black holes M87* and SgrA*
²Can supermassive black hole shadows test the Kerr metric?
³Constraining the Generalized Uncertainty Principle Through Black Hole Shadow and Quasiperiodic Oscillations