Kara Delikler Açıklandı: Nasıl Oluşurlar, Nasıl Çalışırlar ve Nihayet Nasıl Fotoğraflandılar

NASA, kara deliği, ışık dahil hiçbir şeyin kaçamayacağı kadar güçlü bir çekim kuvvetine sahip astronomik bir nesne olarak tanımlar. Bir kara deliğin etrafındaki geri dönüşsüz nokta olay ufku olarak adlandırılır: bu sınırın içinde kaçış için gereken hız ışık hızını aşar, bu nedenle onu geçen hiçbir şey geri dönemez.

Bir kara delik nasıl oluşur

En iyi anlaşılan yol yıldızsal çökmedir. NASA'ya göre, Güneş'in kütlesinin yaklaşık 20 katından fazla kütleye sahip bir yıldız sonunda çekirdeğindeki nükleer yakıtı tüketir ve kendi çekimi altında çöker. Bu çökme, yıldızın dış tabakalarını fırlatan bir süpernova patlamasını tetikler. Ezilen çekirdekten kalan madde hâlâ yaklaşık üç Güneş kütlesini aşıyorsa, NASA bilinen hiçbir kuvvetin bu çökmenin tamamen bir kara deliğe dönüşmesini durduramayacağını belirtir.

Bir kez oluştuktan sonra, bir kara delik çevresindeki gazı içine çekerek, bir eşlik eden yıldızdan madde sıyırarak veya başka bir kara delikle birleşerek büyüyebilir; NASA bunu kara delik genel bakış sayfasında açıklıyor.

Galaksilerin merkezlerinde bulunan ve NASA'ya göre yaklaşık 100.000 ile milyarlarca Güneş kütlesi arasında değişen süper kütleli kara delikler daha az anlaşılmıştır. NASA, bunların kökeninin hâlâ açık bir soru olduğunu, çünkü galaksi oluşumunun en erken aşamalarından itibaren var oldukları görüldüğünü belirtiyor.

Olay ufku, tekillik ve bir kara deliğin parçaları

NASA'nın kara delik 'anatomisi' tanımı birkaç farklı bölgeyi sıralar. Merkezde, maddenin NASA'nın 'sonsuz yoğunluk' olarak tanımladığı bir noktaya sıkıştığı tekillik bulunur; bilim insanları bunun fiziksel bir yapı mı yoksa denklemlerin matematiksel bir eseri mi olduğundan kesin değildir. Onu çevreleyen, kaçışın mümkün olmadığı sınır olan olay ufkudur. Daha dışarıda, içeri düşen maddeden gelen ışık, kaçmadan önce kara deliğin etrafında birden fazla kez dönebilir ve doğrudan görüntülerde kara deliğin karanlık 'gölgesi' etrafında görünen ince halkalar oluşturur -NASA'nın foton küresi dediği bir bölge.

Bir kara deliğe doğru düşen madde, olay ufkunu geçmeden önce tipik olarak sıcak, parlayan bir yığılma diski oluşturur. Birçok sistemde, bu maddenin bir kısmı yerine ışık hızına yakın hareket eden parçacık jetlerine yönlendirilir; süper kütleli kara deliklerde bu jetler NASA'ya göre yüz binlerce ışık yılı uzanabilir.

Kara deliklerin varlığını kanıtlamak: Penrose, Genzel ve Ghez

On yıllarca kara delikler, doğrulanmış bir fiziksel gerçeklik değil, Einstein'ın genel görelilik teorisinin matematiksel bir sonucu olarak kaldı. İsveç Kraliyet Bilimler Akademisi, 2020 Nobel Fizik Ödülü'nün yarısını Roger Penrose'a verdi; ScienceDaily tarafından haberleştirilen Akademi'nin kendi açıklamasında tanımlanan 1965 tarihli kanıtı, yeterince kütleli ve yoğun bir cismin çökmesi halinde kara delik oluşumunun genel göreliliğin sağlam ve kaçınılmaz bir tahmini olduğunu ve bu tür bir çökmenin kesinlikle bir tekillik üreteceğini gösterdi.

Ödülün diğer yarısı, Samanyolu'nun merkezindeki yıldızların yörüngelerini on yıllarca dünyanın en büyük teleskoplarından bazılarını kullanarak takip eden ayrı ekiplere liderlik eden Reinhard Genzel ve Andrea Ghez'e ortaklaşa verildi. ScienceDaily tarafından haberleştirilen Nobel açıklamasında da özetlenen çalışmaları, Güneş sistemi büyüklüğünü geçmeyen bir bölgede yoğunlaşmış, yaklaşık dört milyon Güneş kütlesinde görünmez bir nesne buldu - bu da şimdi Sagittarius A* olarak bilinen süper kütleli kara delik için güçlü bir kanıt oluşturdu.

Tespit edilemeyeni tespit etmek: kütleçekim dalgaları ve doğrudan görüntüler

14 Eylül 2015'te, ikiz Gelişmiş LIGO (Advanced LIGO) dedektörleri, GW150914 olarak adlandırılan ve iki kara deliğin spiral çizerek birbirine yaklaşıp birleşmesinin tahmin edilen dalga formuyla eşleşen bir sinyal kaydetti. LIGO Bilimsel İşbirliği'nin kendi bilim özetine göre, iki kara deliğin kütleleri Güneş'in yaklaşık 36 ve 29 katıydı ve bir milyar ışık yılından daha uzakta yaklaşık 62 Güneş kütlesinde tek bir kara deliğe birleştiler; bir saniyenin çok küçük bir kesrinde yaklaşık üç Güneş kütlesi kütleçekim dalgası enerjisine dönüştürüldü. LIGO'ya göre tespit, 5 sigmadan daha fazla bir istatistiksel önem taşıyordu, yani bu güçte yanlış bir alarmın karşılaştırılabilir verilerde yaklaşık 200.000 yılda bir beklenmesi anlamına geliyor.

Dört yıl sonra, Olay Ufku Teleskobu (EHT) İşbirliği, Messier 87 galaksisinin merkezindeki süper kütleli kara delik M87*'nin çekilmiş bir kara deliğin gölgesinin ilk görüntüsünü yayınladı. NASA'nın Jet İtki Laboratuvarı'nın açıkladığı gibi, EHT dünya çapındaki radyo teleskoplarını çok uzun bazlı interferometri kullanarak tek bir sanal aygıtta birleştiriyor ve Hubble Uzay Teleskobu'ndan yaklaşık 4.000 kat daha keskin bir çözünürlük elde ediyor. Görüntünün arkasındaki, 2019'da yayınlanan Nisan 2017 gözlem kampanyası, M87*'yi yaklaşık 53 milyon ışık yılı uzaklıkta, yaklaşık 6,5 milyar Güneş kütlesinde ölçtü.

12 Mayıs 2022'de, EHT İşbirliği ikinci bir dönüm noktası niteliğindeki görüntüyü yayınladı: Samanyolu'nun kendi merkezi kara deliği Sagittarius A*. AAS Nova'nın belirttiğine göre, altta yatan veriler Nisan 2017'de kaydedildi, bu da gözlem ile görüntünün yayınlanması arasında beş yıldan fazla zaman geçtiği anlamına geliyor. Sagittarius A*, yaklaşık dört milyon Güneş kütlesinde ve 27.000 ışık yılı uzaklıktadır -bu da onun, çok daha kütleli ve uzak olan M87*'ye göre gökyüzünde yaklaşık aynı görünür büyüklükte görünmesi anlamına gelir, çünkü M87* yaklaşık 2.000 kat daha uzak ve yaklaşık 1.500 kat daha kütlelidir. AAS Nova'ya göre, her iki kara deliğin ölçülen halka ve gölge boyutları genel göreliliğin tahminleriyle eşleşti, bu da gökbilimcilere çok farklı kara delik kütleleri genelinde Einstein'ın teorisinin bağımsız bir doğrulamasını sağladı.

Bunun fizik için neden önemli olduğu

Bu sonuçların her biri, genel göreliliği Einstein'ın doğrudan gözlemleyemediği bir rejimde test ediyor: aşırı kütleçekim altındaki madde ve uzay-zaman. LIGO'nun analizine göre, GW150914'ten gelen kütleçekim dalgası sinyali, bir spiral yaklaşma, birleşme ve ardından oluşan kara deliğin sonraki 'çınlama (ringdown)' aşaması için genel görelilik tarafından tahmin edilen dalga formuyla eşleşti. AAS Nova'ya göre, EHT'nin hem M87* hem de Sagittarius A* için ölçtüğü halka çapları da benzer şekilde genel görelilik tahminleriyle eşleşti ve bu da bilim insanlarına -kütleçekim dalgaları ve doğrudan görüntüleme- aynı teorik çerçeveye yakınsayan iki bağımsız doğrulama yöntemi sağladı.