Süper Kütleli Kuasarlar Kara Delikleri de Çarpıştırıyor

Bilim insanları evrendeki en büyük kara deliklerin nasıl oluştuğunu buldu: Galaktik merkezlerdeki süper kütleli hiperaktif kara delikler, yani kuasarların güçlü yerçekimi diğer kara delikleri kendine çekiyor. Kuasarları saran dev gaz diski (birikim diski), kara deliklerin kuasar çevresindeki dönüş hızını sürtünme yoluyla yavaşlatıyor. Bu da kara deliklerin çarpışarak birleşmesine yol açıyor. Ancak, evrendeki en yoğun ve tıkız cisimler olan kara delikleri tutup çarpıştırmak çok zordur. Kuasarlar bunu nasıl yapıyor?

Kara delik yakalayan kuasarlar

Bilinen Evrenin En Aşırı Üç Kara Deliği yazısında belirttiğim gibi kara delikler çok güçlü bir yerçekimine sahip olan çarpık uzay-zaman bölgeleridir. Bu nedenle de elle dokunabileceğiniz “cismani” bir cisim olmamalarına rağmen son derece tıkız ve yoğun gökcisimleridir. Bu da aslında kara deliklerin çarpışarak birleşmesini çok zorlaştırır.

Kara delikler yerinden kalkmayacak kadar ağırdır. Bunları birleştirmek için birbirine yaklaştırmanız gerekir ki bu da baştan zordur; çünkü evrende çarpışarak birleşecek kadar uzun ömürlü sadece 3 tür kara delik vardır: Yıldız kütleli, orta boy ve süper kütleli kara delikler; ama son ikisi yıldız kütleli kara deliklerin birleşmesiyle oluşur. Dolayısıyla evet, bunların nasıl çarpıştığını yazmalıyız.

Öte yandan, kara delikler elektrik süpürgesi gibi önüne gelen her şeyi içine çeken cisimler de değildir. Kara deliklerin yerçekimi kaçamayacağınız kadar güçlüdür; ama sadece çok yakına geldiğiniz zaman. Bu sebeple uzayda yıldızların patlayarak veya sakince çökmesiyle oluşan tek tek kara delikleri birbiriyle çarpıştırarak daha büyük kara delikler üretmek için bunları birbirine yaklaştırmanın bir yolunu bulmanız gerekiyor. Astrofizikçiler kuasarların bunu yaptığını buldu:

İlgili yazı: Dört Boyutlu Madde Bulundu: Zaman Kristalleri

 

Kara delikleri büyütüyoruz

Dokuzuncu Gezegen Mikro Kara Delik mi? yazısında belirttiğim gibi, astrofizikçilerin en merak ettiği konulardan biri de büyük kara deliklerin küçüklerin birleşmesiyle nasıl ortaya çıktığını anlamaktır. Bu konudaki ilk teori kara delik sürüleriydi. Buna göre kara delikler birbirinin birkaç ışık yılı uzağından geçerken bile güçlü yerçekimiyle komşularını etkiliyordu.

Yıldızları veya diğer kara delikleri uzağa savurarak momentum kaybediyor, bu süreçte iki kara delik yaklaştığında birbirinin çevresinde yörüngeye giriyor ve bazen de çarpışarak birleşiyordu. Ancak, bu mekanizma evrendeki süper kütleli kara deliklerin yapıtaşı ve nüvesi olan orta boy kara delikleri üretmeye yetmiyordu. Evrende bu teoriye göre oluşması gerekenden daha fazla büyük kara delik var.

Astrofizikçiler, evrendeki yıldız sistemlerinin yüzde 75’inin en az iki yıldız içermesinden yola çıktılar. Dev yıldızlardan oluşan ikili yıldız sistemlerinin, bunların süpernova halinde patlamasından sonra kara deliğe dönüşecek olmasından hareket ettiler. Böylece daha baştan birbirinin çevresinde dönen ve birleşerek orta boy kara deliğe dönüşme eğiliminde olan yıldız kütleli kara delikler modellediler.

Ancak bu teori de yetersiz kaldı: Evrendeki orta boy kara delik sayısını açıklamayı başardılar; ama bu kez de kara deliklerin başlangıç kütlesi tahminlerden az çıktı. Üstelik birleşerek büyüme hızı da beklenenden yavaş çıkıyordu. Öyleyse gelsin kuasarlar!

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

 

Kuasarlar ve süper kütleli kara delikler

2015 Eylül ayında, Amerika’daki lazer girişimölçer kütleçekim dalgaları gözlemevi (LIGO), ilk kez çarpışarak birleşen iki kara deliğin uzaya yaydığı kütleçekim dalgalarını gözlemledi. Küçük kara deliklerin çarpışarak büyük kara delikleri nasıl ürettiği araştırması da böyle başladı.

Nitekim ışık yılı küp başına en çok sayıda yıldız galaktik merkezlerde bulunuyor. Bu bölgelerdeki yıldız yoğunluğu, Dünya’nın bulunduğu sarmal koldan fazla olduğu için merkezde daha çok kara delik çarpışması yaşanıyor. Sonuçta ikili sistemlerdeki kara delikler birbirinin çevresinde dönerken enerji kaybediyor ve sarmallar çizerek birbirine yaklaşıp çarpışıyor.

Bu sırada kütlesinin üçte birini uzaya kütleçekim dalgaları halinde yayıyor. Biz de bunları 1 milyar ışık yılından daha uzaktaki galaksilerde bile görebiliyoruz. Dolayısıyla evrende kara delik çarpışmaları olmasını bekliyoruz; ama sorun da buradan çıkıyor: Çarpışan kara deliklerin 30 ila 50 Güneş kütlesinde olduğunu görüyoruz. Oysa en büyük yıldız kütleli kara delikler 15 Güneş kütlesinde olabilir.

Peki bunu nasıl çözeriz? Astrofizikçiler kara deliklerin birleşerek büyümesini hızlandıran yeni bir mekanizma düşünmek zorunda kaldılar: Kuasarlar. Bunlar evrendeki ilk galaksilerin, evrenin gençliğinde yeni oluşmakta olan galaksilerin merkezindeki hiperaktif süper kütleli kara deliklerdir.

Kuasarlar için doğru sorular

Şimdi diyeceksiniz ki “Ama hocam, ilk galaksilerin oluşmasından bu yana 13 milyar yıl geçti. Kuasarlar da eskiden kalmaysa bugünkü olgun süper kütleli kara deliklerin oluşumunu nasıl açıklayabilirler?” Kuasarlar zamanla durulsa bile kara delikler yaşlanmıyor da ondan! Bakın nasıl:

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Kuasarlar ve diğer kara delikler

Işık hızı saniyede yaklaşık 300 bin km ile sınırlı olduğu için uzayda ne kadar uzağa bakarsak o kadar eskiyi görüyoruz. Bilinen en yakın kuasar da bizden 730 milyon ışık yılı uzaktadır ve bunların büyük kısmı en az 1,5 milyar ışık yılı uzakta bulunuyor.

Galaksilerin son 10 milyar yılda cüce gökadaların büyük kısmını yutmuş olması nedeniyle, galaktik merkezlerde kuasarların yutabileceği gaz kütlesi de oldukça azalmış bulunuyor. Kısacası kuasarlar zamanla sönüyor. Bugün evrende 10 milyar yıl öncesine göre çok daha az sayıda kuasar yer alıyor.

Ancak, evrendeki kuasar sayısını ve dolayısıyla da süper kütleli kara delik üretme verimliliğini artıran iki faktör var: 1) Galaktik merkezlerdeki kara delikler zaman zaman tekrar aktifleşiyor (yani büyük miktarda gaz yutmaya başlıyor) ve 2) Bugün sakin olan süper kütleli kara deliklerin eskiden gayet aktif kuasarlar olduğu biliniyor.  

Kısacası günümüzde kuasar sayısı azalmış olsa da bunlar, bugünkü süper kütleli kara deliklerin çoğunu milyarlarca yıl önce oluşturdular. Eh, kara delikler de çok uzun ömürlü gökcisimleridir. En küçüklerinin bile buharlaşması 10⁶⁰ yıldan uzun sürecek. Bu sebeple kuasarların kara delikleri nasıl büyüttüğünü açıklarsak bugünkü irili ufaklı kara delik popülasyonunu da açıklamış oluruz.

Çarpışan kara delik simülasyonu

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Kuasarlar kara delikleri nasıl çekiyor?

Galaktik merkezlerdeki kuasarlar milyonlarca ve hatta milyarlarca Güneş kütlesinde olan en büyük kara deliklerdir. Bu nedenle en kütleli kara delikleri bile uzaktan kendine çekebilirler. Aslında onları en yakına çekemezler; ama yukarıda anlattığım yerçekimi sürtünmesi yüzünden kara delikler momentum kaybeder. Bunlar çok sayıda yıldız ve kara delik içeren galaktik merkezlerdeki diğer gökcisimleriyle etkileşime girince, merkezdeki kuasar çevresinde dönme hızları yavaşlar. Böylece kuasara yaklaşırlar.

Geri kalanı ise kuasarı saran dev gaz ve toz bulutu halleder: Yine yerçekimi etkisiyle toplanan bu bulut, merkezkaç kuvveti nedeniyle kuasar ekvatoruna paralel bir birim diski oluşturur. Diski oluşturan gazlar sarmallar çizerek kuasara düşerken, kuasara yaklaştığı için diskin içine giren kara delikleri de bir nevi beraberinde sürükler. Bu nasıl olur derseniz:

Kuasarlar en büyük kara delikler olduğu için birkaç ışık yılı uzağa uzanan çok geniş birikim diskleri vardır. Bu disklere giren orta boy veya diğer süper kütleli kara delikler elbette diskteki gazların bir kısmını yutar. Ancak, bu aynı zamanda enerji kaybederek devinimlerinin yavaşlamasına neden olur. Böylece kuasarlar birçok kara deliği kendine çeker.

Zaten içlerinden en büyük olanları önce kendi çekimine kapılarak birleşecek ve kuasara düşmeden önceki en büyük kara delikleri oluşturacaktır. Bu sırada yaydıkları kütleçekim dalgaları maksimum oranda enerji kaybetmelerine yol açarak birkaç milyon yılda kuasara düşmelerini garanti edecektir. Sonuç olarak eski çamlar bardak olur misali, kuasarlar zamanla söner ama aynı zamanda sürekli kara delik yutup büyüyerek 40-60 milyar Güneş kütlesiyle evrendeki en büyük kara delikleri oluşturur.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Kuasarlar ve kara delik çarpışmaları

Kara deliklerin enerji kaybederek kuasarlara yaklaşmasının en büyük sebebi ise birikim diskinde bir anda yutabileceklerinden daha çok gaz olmasıdır. 1) Kara delikler yutamadıkları gazları kutuplarından ışık hızına yakın bir hızda püskürtürken ve 2) birbiriyle çarpışma aşamasında kütleçekim dalgaları yayarken çok enerji kaybederler.

Aslında evrende gözlemlediğimiz süper kütleli kara delik sayısı ve oluşum hızını açıklamanın tek yolu bu iki faktörü birden dikkate almaktır. Özellikle de ikinci faktörde, kara deliklerin yutamadıkları yıldızları gelgit etkisiyle uzayın derinliklerine fırlatarak enerji kaybettiğini hesaba katmamız gerekir. Elbette bu süreci belirleyen ikincil faktörler de var:

İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler

 

Kara delik çarpıştırma tarifi

Örneğin, kara delik birikim diskinin kuşbakışı olarak bir plağa benzediğine ve eski Barış Manço plaklarında olduğu gibi iç içe geçmiş halkalar içerdiğine dikkat edelim. Sonuçta kuasarın yerçekimi yaklaştıkça güçlenir ve bu da birikim diskinin kuasara yakın kesimlerinin daha yoğun gaz içermesine yol açar. Böylelikle türbülans ve merkezkaç kuvveti birlikte etki ederek diskte halkalar oluşmasını sağlar.

Bu açıdan, kara delik birikim diskleri Güneş Sistemi’ndeki gezegenlerin oluştuğu gezegen öncesi diske benzer. Disk üzerindeki çizgiler, aslında gökcisimlerinin Güneş’e yaklaşma eğilimi ile uzaklaşma eğiliminin birbirini dengelediği noktalardır. İşte nispeten kararlı bu yörüngeler, kuasar diskine giren kara deliklerin birbirini bulup çarpışmasını kolaylaştırmaktadır.

İlgili yazı: 18 Ayda Nasıl 24 Kilo Verdim?

 

Toparlayacak olursak

Evrende 50 ila 1000 Güneş kütlesindeki orta boy kara delikler ve daha büyük süper kütleli kara deliklerin sandığımızdan fazla olduğunu görüyoruz. Özellikle de yıldız kütleli kara deliklerin birleşmesiyle en çok 30 Güneş kütlesindeki orta boy kara delikler üretilebiliyor.

Galaktik merkezlerden uzak bölgelerde, yani boş uzayda gerçekleşen kara delik çarpışmaları ise bu kadar çok sayıda iri cüsseli kara delik üretemiyor. Öte yandan, kütle enerjiden türediği için en büyük kütleye sahip kuasarlar da uzayda büyük kara delik üretme hızını büyük ölçüde artırıyor.

Peki bu teoriyi nasıl test ederiz? İki şekilde: Kuasar disklerinde birleşen kara delikler, dev gaz hortumları oluşturup bunları ışık hızının yüzde 90’ı ile uzaya püskürtmeli. Kısacası çok güçlü gama ışını patlamaları üretmeli. Bunlar da kuasar içindeki mini kuasarlar olarak teleskoplarımızla görülmeli.

İkincisi büyük kara delik üretmeyi hızlandıran ana etmen kuasarlar ise bunların diskinde oluşan kara deliklerin de yörünge mekaniği yüzünden belirli spinleri olmalı. Öyle ki derin uzayda gezen yalnız kara deliklerin kendi çevresindeki dönüş hızı ile kuasar dopingli kara deliklerin spinini karşılaştırarak kuasar teorisinin doğru olup olmadığını test edebiliriz:

İlgili yazı: Çernobil Nükleer Reaktörü Neden Patladı?

 

Kuasarlar için test yöntemleri

Sonuç olarak birleşen kara delikler, kısa bir süre için ana disk içinde kendi yerel birikim disklerini üretecek ve birleşmenin verdiği itiş kuvveti sayesinde, yeni oluşan büyük kara delik de kuasar çevresinde kütlesine göre normalden daha hızlı dönecektir.

Bu sırada kara deliklerin saçtığı morötesi ışınlar ve yol açtıkları vorteks dönme hızlarını ele verecektir. Buradaki tek sorun ise kuasarların galaksilerdeki yüz milyarlarca yıldızdan daha parlak olmasıdır. Kuasar ışığına bakıp içindeki kara delikleri görmemiz zor olacaktır.

Neyse ki kuasar ışığında kara delikleri tek tek seçmek zorunda değiliz. Bunun yerine, kuasar ışığındaki geçici parlamalara bakarak bunların kara delik çarpışmalarından kaynaklanıp kaynaklanmadığını anlayabiliriz. Peki kuasarların birikim diskini nasıl gözlemleyeceğiz?

İlgili yazı:  Holografik İlke: Evren iki boyutlu bir hologram mı?

 

Kütleçekim dalgaları ve kuasarlar

LIGO ve İtalya’daki kardeşi Virgo gözlemevleriyle tabii. Bunlar kara delik çarpışması kaynaklı kütleçekim dalgalarına karşı bizi uyaracak. Biz de ışığı gören klasik teleskoplarımızı o bölgeye çevirerek gama ışını ve morötesi ışın patlamalarına bakıp süper kütleli kara delik oluşum teorimizi test edeceğiz.

Peki her on beş günde bir en az 1 kara delik çarpışması gözlemleyen LIGO nasıl çalışıyor? Onu da şimdi okuyabilir ve LIGO’nun ardılı olacak kütleçekim dalgaları uzay teleskopu LISA planlarını da inceleyebilirsiniz.

Hatta hızınızı alamayarak galaksimizdeki nötron yıldızlarının periyodunu gözlemleyebilirsiniz. Böylece bizzat Samanyolu’nu, büyük patlamadan kalan kütleçekim dalgalarını arayan dev bir gözlemevine nasıl dönüştüreceğimize göz atabilirsiniz. Çalışırken kış güneşinin tadını da çıkarın.

Kuasarlar nedir ve nasıl çalışır?

¹The Role of Quasar Radiative Feedback on Galaxy Formation during Cosmic Reionization
²Discovery of a close-separation binary quasar at the heart of a z~0.2 merging galaxy and its implications for low-frequency gravitational waves
³High-EnergyMulti-Messenger TransientAstrophysics (pdf)