Ana sayfa Bilim Astronomi İlk karadelik fotoğrafının açıklayamadığı üç önemli soru

İlk karadelik fotoğrafının açıklayamadığı üç önemli soru

M87 galaksisinin merkezi. [NASA/CXC/Villanova University/J. Neilsen]
Okuma süresi: 5 dakika

Astronomide çığır açan ilk karadelik fotoğrafı, gizemli gök cisimlerine yönelik araştırmaların önünü açarken, cevaplanması gereken üç önemli soruyu da gündeme getirdi.

Uluslararası bir araştırma ekibi, 10 Nisan 2019’da yapılan açıklama ile Olay Uflu Teleskobu (EHT) ile elde edilen ilk karadelik fotoğrafını gözler önüne serdi. On yıllar süren ön araştırmaların ardından, bugüne dek oluşturulan en güçlü teleskop ağı ile ışığın karadelik etrafında nasıl değişim gösterdiğine dair ilk görüntü elde edildi.

Avrupa Güney Gözlemevi (ESO) tarafından yayımlanan ilk karadelik görüntüsü, bilim insanlarının geçmiş yıllarda hazırladıkları simülasyonlar ile ortaya çıkan görüntü ile uyuştu. Haliyle en büyük farklılık, 55 milyon ışık yılı ötedeki M87* karadeliğinin çok daha bulanık görünmesiydi.

Karadelik araştırmalarında yeni bir sayfa açan araştırmanın ardından, astrofizikçiker gizemli gök cisimleri hakkında bilinmeyenleri keşfetmeye devam edecek. M87* fotoğrafının açıklamayamadığı üç önemli soru, gelecekteki araştırmalara basamak oluşturabilir.

Virgo A* ve çevresinin NASA Chandra X-ray teleskobu ile elde edilen görüntüsü. [NASA]

Karadelikler olağanüstü sıcak ve hızlı jet akımlarını nasıl oluşturuyor?

Süper dev karadelikler yakınlarındaki tüm kozmik materyali yutuyor ve olay ufkunun ötesine gönderiyor. Yutmadıkları (evet kaçabilen) materyali ise ışık hızına yakın bir süratle yıldırım gökdelenlerine benzeyen akımlar halinde püskürtüyorlar. Astrofizikçiler bu akımlara “göreceli jetler” adını veriyor.

Virgo A, nam-ı diğer Messier 87 galaksisinin merkezinde yer alan süper dev karadelik de göz alıcı jet akımları ile astrofizikçilerin gözdesi. M87*’nin jet akımları o kadar kuvvetli ki, uzayın derinliklerine radyasyon ve kozmik materyal saçan akımlar galaksinin dışına taşıyor.

Fizikçiler bu mekanizmanın temel işleyişini anlamış durumda: Materyal karadeliğin çekim kuyusuna düştükçe inanılmaz süratlere ulaşıyor. Materyalin bir kısmı da eylemsizliğe erişerek olay ufkundan kaçıyor. Ancak bu sürecin nasıl yaşandığı konusunda belirsizlik söz konusu. M87*’nin fotoğrafı ve araştırmaya ait altı makale jet akımlarının nasıl gerçekleştiğini açıklamıyor.

Hubble Uzay Teleskobu’nun 1998’de gözlemlediği Virgo A* jet akımı. [J. A. Biretta et al., Hubble Heritage Team (STScI /AURA), NASA]

Live Science’a açıklama yapan Emory Üniversitesi’nden astrofizikçi Erin Bonning, bu soruya cevap bulabilmek için EHT gözlemleri ile göreceli jetlerin görüntüleri arasında bağlantı kurmanın faydalı olabileceğini düşünüyor. EHT, uzayın çok küçük bir bölümüne odaklı bir çalışma yaptı ancak bugüne dek astronomların elde ettiği birçok göreceli jet verisi bulunuyor.

Jet akımlarının nasıl oluştuğunu, EHT’nin bir sonraki hedefi olan Sagittarius A* ile daha iyi anlayabiliriz. Samanyolu’nun merkezinde yer alan karadelik Virgo A benzeri jet akımları oluşturmuyor. İki karadeliğin görüntülerini karşılaştırmak, astronomlara benzersiz bir imkan sunacak.

Genel görelilik ile kuantum mekanikleri nasıl birbirine uyum sağlıyor?

Kuantum çekimi fizikçiler için en büyük bilinmeyenlerden biri. Neredeyse bir asır boyunca fizikçiler iki farklı kurala dayalı çalışma yaptı: Çekim kuvveti gibi çok büyük hususları kapsayan Genel Görelilik ve çok küçük hususları içeren kuantum mekaniği. Sorun şu ki, her ikisinin ortaya koyduğu kurallar birbirleriyle açıkça çelişiyor. Kuantum mekanikleri yerçekimini açıklayamıyor, görelilik de kuantum mekaniğini çözemiyor.

Nihayetinde, fizikçiler her ikisi bir araya getiren büyük bir teori sunmayı planlıyor; muhtemelen birtakım kuantum çekimi içeren bir teori olabilir. M87* karadeliği hakkındaki tarihi açıklama öncesinde bu konuda bir gelişme olabileceği düşünülüyordu. Ancak karşımıza tamamen Genel Görelilik kapsamında işlenen bir görüntü çıktı. Bonning, “karşımıza iki alan arasındaki boşluğu kapatacak yeni bir fiziki açıklama çıkmadı” ifadesini kullandı.

Chandra X-ray ve EHT teleskopları ile görüntülenen Virgo A. [NASA/ESO]

Kuantum mekaniği ile Genel Göreliliği birbirine bağlayacak fizik, bir karadeliğin gölgesinden pekala çıkabilir. Bonning, karadeliğin gölgesinin köşesinde göreceli kuvvetlerin çok küçük, kuantum boyutuna indirgendiğini not düştü. Bonning’e göre kuantum çekimini ya bir olay uyfkuna çok yakın bir noktada veya Evren’in çok erken zamanlarında görebiliriz (o zamanlarda her şey çok küçük alanlara tıkılmıştı).

Bonning, EHT ile elde edilen bulanık fotoğrafın tek başına bir açıklama sunmasının ise çok zor olduğunu belirtti. Fotoğrafın (beklenen) güncellenmiş versiyonları da buna dahil.

Stephen Hawking’in teorileri Einstein’ın teorileri kadar doğru muydu?

Ünlü fizikçi Stephen Hawking’in kariyerinin ilk zamanlarında sunduğu en önemli fikir “Hawking radyasyonu” olmuştu. Fikre göre karadelikler aslında siyah değildi ancak zamanla küçük miktarlarda radyasyon saçıyorlardı. Bu fikir önemliydi çünkü bir karadeliğin büyümeyi kestikten sonra zamanla eneri kaybından dolayı küçüleceği anlamına geliyordu.

Ancak EHT ile elde edilen fotoğraf bu teoriyi destekleyen ve çürüten bir bilgi de sunmadı. Bonning, bunun zaten beklenmediğini de not düştü. Peki bir gün sorunun cevabını bulabilecek miyiz?

Virgo A. [EHT/ESO]

Bonning, Virgo A gibi süper dev karadeliklerin tüm boyutlarına kıyasla minimal seviyede Hawking radyasyonu saçtığını belirtti. En gelişmiş teleskoplar olay ufkunun parlak ışıklarını tespit edebiliyor. Ancak bir süper dev karadeliğin yüzeyindeki süper cılız parlaklığı tespit edebilme ihtimali çok düşük görünüyor.

Bonning, Hawking radyasyonuna ait soruların mini-karadelikleri ile açıklanabileceğini belirtti. Teorikte kısa ömürlü kabul edilen mini-karadeliklerin olay ufku, gözlemlemesi çok daha kolay, küçük bir hedef olacak. Gözlem kapasitesinin çok daha artacağı ve boyutlarına göre yayacakları Hawking radyasyonu da artacak olan mini-karadelikler, bir gün ünlü fizikçinin teorisini netleştirebilir.

Peki M87* fotoğrafından ne öğrendik?

İlk olarak, fizikçiler Einstein’ın haklı olduğunu bir kez daha öğrendi. Gölgenin köşesi, yani EHT’nin görebildiği en uzak nokta, tıpkı Einstein’ın Genel Görelilik kuramına dayanan 20’nci yüzyıldaki araştırmalarda belirtildiği gibi muntazam bir halkayı temsil ediyor.

Bonning, “Eğer dün yapılan açıklamada Genel Görelilik teorisinin aksi bir ifade kullanılsaydı koltuğumdan düşerdim, orası kesin” diyor.

EHT ile elde edilen veriler, Virgo A’nın fiziksel özelliklerinin de ortaya çıkarılmasını sağladı. 55 milyon ışık yılı ötedeki karadeliğin kütlesi Güneş’in tam 6.5 milyar katı. Bonning, elde edilen bulguların çok önemli olduğunu çünkü daha uzak veya küçük galaksilerdeki süper dev karadeliklerin ölçüm yöntemlerini değiştirebileceğini belirtti.

Samanyolu’nun merkezindeki Sagittarius A*’nin kütlesi de net olarak biliniyor çünkü süper dev karadeliğin etrafındaki yıldızları nasıl hareket ettirdiği takip edilebiliyor:

Ancak çok uzaklardaki galaksilerde, karadeliklerin çekim kuvvetleri ile sarstığı yıldızları göremiyoruz. Bu yüzden fizikçiler zorlu hesaplamaların içine giriyor: Karadeliklerin kütleleri yıldızların farklı tabakalarından gelen ışınları veya galakside serbestçe dolaşan gazların farklı katmanlarından gelen ışınları nasıl etkiliyor?

Bonning, “Bu hesaplamalar kusursuz değil. Çok karmaşık bir sistemi modellemeniz gerekiyor” diyor. Fizikçilerin gözlemlediği her galakside iki yöntem de farklı sonuçlar veriyor. Ancak EHT sayesinde Virgo A’da kullanılan yöntemin doğru olduğunu anlamış durumdayız.

Amsterdam Üniversitesi’nden Sera Markoff, “6.5 milyar güneş kütlesi hesabımız, yıldızlardan gelen ışınlara dayanarak yapılan ağır kütle saptamasına uyumlu çıktı” ifadesii kullandı. Bonning, bu durumun karadelik kütlelerini belirlemek için her zaman belli yöntemlerin kullanılacağı anlamına gelmediğini, en azından hesaplamaları gözden geçirmek için önemli veriler sunacağını belirtti.

Şimdi, Sagittarius A* üzerindeki çalışmalara dönelim…