AstronomiAstrofizikKozmoloji

Kara Delik Nedir? Nasıl Oluşur?

Kara delik, büyük kütleli yıldızların süpernova patlaması gerçekleştirmesi sonucunda oluşan, bilinen en sıkışık (kompakt) gök cismidir. Olay ufku denilen yüzeyinde öylesine güçlü bir çekime sahiptir ki bu noktadan ışık dahi kaçamaz. Işığın kaçamaması sebebiyle, bir renkleri veya ışıtmaları yoktur ve bu nedenle kara olarak adlandırılırlar.

Oluşumu, Büyümesi ve Yok Oluşu

Kara deliklerin varlıkları ilk olarak genel görelilik teorisi tarafından öngörülmüştür. Genel göreliliğe göre, yeterince sıkışık (kompakt) bir cisim, uzay-zamanı bir kara delik oluşturacak kadar bükebilir. Burada karadeliğin oluşmasından kasıt, merkezden belirli bir uzaklıktaki sınırda kaçış hızının ışık hızına eşit bir uzay-zaman deformasyonu oluşmasıdır. Uzay-zaman deformasyonu diyoruz, çünkü doğrudan gözlenemediklerinden dolayı, onların nelerden oluştuğunu bilmiyoruz. Fakat bildiğimiz ve son derece emin olduğumuz şey, orada böylesine bir uzay-zaman deformasyonu olduğudur.

Kara delik, bir cisim kendi çekimine direnemeyip sürekli olarak çökmeye başlamasıyla oluşur. Bu durum, yıldızlar yakıtlarını tüketmeye başladıklarında ortaya çıkar. Hidrostatik denge yavaş yavaş bozulmaya başlar. Yıldızın sahip olduğu basınç, içteki nükleer reaksiyonların sona ermeye başlamasıyla birlikte, yıldızın kendi kütlesine direnemez ve kendi üstüne doğru çöker. Bu noktada yıldızın durabileceği iki durak vardır. Yıldızın kütlesine bağlı olarak gezegenimsi bulutsu oluşturup geriye bir beyaz cüce bırakabileceği gibi, bir süpernova patlaması geçirip geriye nötron yıldızı da bırakabilir. Eğer yıldızın kütlesi 40 Güneş kütlesinden fazlaysa, karadelik oluşabilir.

Burada dikkat edilmesi gereken nokta, yıldızın kütlesinin tamamının karadeliği oluşturmadığıdır. Önemli bir kısmı süpernova patlaması ve ışıma olarak dış ortama salınır.

İlksel Kara Delikler

Bir karadeliğin oluşumu için çok yüksek yoğunluklu bir ortam gereklidir (bu her ne kadar tek şart olmasa da). Günümüzde bu durum, büyük kütleli yıldızların çekirdeklerinde gerçekleşebilse de, Büyük Patlama’dan bildiğimiz üzere, evrenin başlangıç dönemlerinde de böylesine yoğun ortamlar bulunmaktaydı. Evrenin ilk dönemlerinde oluşan ve genellikle aşırı düşük kütleleri sebebiyle normal şartlarda varlığını sürdüremeyecek bu kara deliklere ilksel kara delikler denmektedir.

Yapılan çalışmalar, ilksel kara deliklerin kütlesinin Planck kütlesi ile binlerce Güneş kütlesi mertebesinde olabileceğini göstermektedir [1].

Yıldızsal Kara Delikler ve Süper Kütleli Kara Delikler (SMBH)

Yeterli kütleye sahip bir yıldızın süpernova patlaması geçirmesi sonucunda geriye kalan karadeliklerdir. Aslına bakılırsa bunlar zamanla madde yutarak kütlelerini artırdığından, yıldızsal bir karadeliğin kütlesi, bir yıldızın sahip olabileceği maksimum kütleden çok daha fazlasına sahip olabilir. Öyle ki süperkütleli bir kara delik milyarlarca Güneş kütlesinde olabilir. Bu tipte olanlar, madde yoğunluğunun o bölgede fazla olması nedeniyle, genellikle galaksi merkezlerinde bulunurlar.

Yıldızsal kara delikler ile süper kütleli kara delikler arasındaki kütle tanımlaması tamamen farazidir. Burada dikkat çekilmesi gereken nokta, böylesine sıkışık bir cismin milyarlarca Güneş kütlesinde olabiliyor olmasıdır [3]

Öyle ki yapılan çalışmalar, galaksi süperkümelerinin çökmesi sırasında bazı kara deliklerin on trilyonlarca Güneş kütlesine çıkabileceğini göstermiştir [4].

Buharlaşma

1974’te Hawking, kara deliklerin aslında tamamen kara olmadığını ve ufak bir miktar termal radyasyon yaydığını öngördü (sonraları Susskind ile olan tartışmaları “The Black Hole Wars” adlı kitapta ele alınmıştır ve Hawking ilerleyen yıllarda bu fikrinden vazgeçmiştir). Eğer Hawking’in bu buharlaşma fikri (Hawking ışıması) doğruysa, kara delikler ışıma yoluyla zamanla kütlelerini kaybedip büzüşüp yok olmalıdırlar. Teoriye göre büyük kara delikler, küçüklere nazaran daha az ışıma yapmaktadır ve daha uzun sürede yok olurlar. Bu nedenle ilksel bir kara delik anında buharlaşmalıdır.

Kara deliklerin yaydığı bu ışımanın termal spektrumu (Hawking sıcaklığı), 1 Güneş kütlesindeki bir kara delik için 62 nanokelvin düzeyindedir [2]. Bu değer, kozmik mikrodalga arkaplan ışımasının (CMBR‘nin) sahip olduğu 2.7 Kelvin düzeyinden çok çok az olduğundan, tespit edilebilir değildir. Tespit edilebilir düzeyde bir ışımanın söz konusu olması için, ışımaları kütleyle ters orantılı olduğundan, Ay kütlesi kadar ufak kütlede bir kara delik söz konusu olmalıdır.

Büyüme

Kara delikler oluştuktan sonra üzerlerine madde çektikçe kütlelerini artırmaya devam ederler. Dönmelerinden de gelen etkiyle birlikte, madde karadeliğin üzerine düşerken bir spiral çizer. Bu esnada ciddi anlamda ısınarak bir ışıma yapar. Bu ışımanın önemli bir kısmı X-ışını bölgesinde yer alır. Aynı zamanda kara delikler başka kara deliklerle de pekala birleşerek gravitasyonel dalgalar yayılmasına neden olabilir ve bu esnada kütlelerinin bir kısmını bu yolla kaybederler. Üzerine ne kadar materyal düşerse, o kadar büyüdükleri için, daha yoğun bölgeler olan galaksi merkezlerindeki kara delikler, daha büyük kütleli olma eğilimindedir.

Fiziksel Özellikleri

İlk teorik kara delik çözümü Schwarzschild tarafından 1916 yılında dönmeyen, elektriksel yükü olmayan, statik bir kara delik için yapılmıştır. En basit kara delik çözümü olan bu çözüm, Schwarzschild çözümü (Schwarzschild metriği) olarak adlandırılır. Elbette ki gerçekte var olanların, bu basit tanıma uymadığını biliyoruz.

Daha detaylı çözümler olan dönmeyen yüklü kara delikleri Reissner-Nordström metriği, dönen ama yüklü olmayan kara delikleri Kerr metriği ifade eder. Daha geçerli bir çözüm ise, yüklü ve açısal momentuma sahip bir kara delik için yapılmış olan Kerr-Newman metriğidir (ayrıca bkz. Genel görelilik: Einstein alan denklemleri).

Schwarzschild metriği

Tekillik (Singularity)

Genel göreliliğe göre, karadeliğin merkezinde uzay-zaman eğriliğinin sonsuz hale geldiği bir gravitasyonel tekillik bölgesi yer alır. Dönmeyen bir kara delik için tekillik, noktasal bir tekillik iken dönen bir kara delik için, halkasal tekillik halini alır. Her iki durumda da tekillik sıfır hacme (sonsuz yoğunluğa) sahiptir.

Olay Ufku (Event Horizon)

Olay ufku, kara delikler hakkında en popüler olan kavramların başında gelir. Evrendeki en yüksek hız limiti olan ışık hızına sahip ışığın dahi dışarı yönde kaçamayacağı, sınırı ifade eder. Olay ufku adını almasının sebebi ise, bu sınırda gerçekleşen bir olay olması takdirinde, dışarıda bulunan gözlemciye bu olayla ilgili herhangi bir bilginin kaçamayacak olmasıdır. Dolayısıyla bu sınırda gerçekleşen bir olaydan, dışarıdaki bir gözlemci haberdar olamaz. Bu nedenledir ki, kara deliklerin doğrudan bir gözlemi yoktur. Daha çok, olay ufkunun dışında gerçekleşenler veya birleşmelerden ortaya çıkan gravitasyonel dalgalar incelenebilir.

Olay ufkunun şekli dönmeyen bir kara delik için tamamen küreseldir, fakat dönen bir kara delik için biraz daha basık bir geometriye sahiptir.

Ergosfer (Ergosphere)

Genel göreliliğe göre dönen herhangi bir kütle, etrafındaki uzay-zamanı sürükleme eğilimi içerisindedir. Bu etkiye çerçeve sürüklenmesi (frame dragging) denir. Dönen kara delikler de, etrafında bu olayın gerçekleştiği ergosfer adında bir uzay-zaman bölgesi yer alır.

Dıştaki bal kabağı benzeri yapı, ergosfer.

Etki o kadar güçlüdür ki, olay ufkunun yakınında, cismin sadece sabit bir şekilde durabilmesi için bile, etkiye zıt yönde ışık hızından hızlı bir şekilde hareket etmesi gerekir ki bu da imkansızdır.

Zaman Kayması ve Kırmızıya Kayma

Genel göreliliğe göre, olay ufkuna yakın bir nokta ile daha uzakta yer alan bir nokta arasında zaman kavramının algılanışında farklılıklar oluşur. Örneğin, karadeliğin olay ufkuna yakın bir gözlemciye göre zaman, daha uzakta bulunan gözlemciye göre daha yavaş akacaktır. Yani, karadeliğe yakın kişinin geçirdiği bir gün, uzaktaki kişinin geçirdiği bir yıla eşit olabilir.

Burada genellikle yanlış anlaşılan, zamanın yavaşladığı taraftaki davranıştır. Karadeliğin olay ufkuna yakın olan kişi, zamanda herhangi bir yavaşlama hissetmez. Zaman, yine normal bir şekilde akıyor gibi görünür. Fakat olay ufkundan uzaklaşıp, uzaktaki gözlemcinin yanına geldiği zaman, ondan daha az yaşlandığını fark eder. Bu konu, Yıldızlararası (Interstellar) filmine konu olmuştur.

Aynı zamanda dışarıdaki bir gözlemci, karadeliğe yaklaşmakta olan gözlemciyi izlerken, ondan gelen ışığın kırmızıya kaydığını gözlemleyecektir. Bu durum gravitasyonel kırmızıya kayma olarak adlandırılır.

Foton Küresi

Eğer fotonların kara delik etrafındaki hareketini düşünecek olursak, çok uzaktan geçenlerin etkilenmeden, biraz yakından geçenlerin rotasını değiştirerek, çok yakından geçenlerin de üstüne düşerek hareket ettiklerini görürüz. Karadeliğin üzerine düşmesi ile rotasının değişmesi arasındaki özel bir noktada, foton belirli bir yörüngeye oturur. İşte bu sıfır kalınlıklı fiziksel, küresel sınıra foton küresi adı verilir.

Elbette ki fotonlar en ufak bir denge bozulması durumunda ya karadeliğin üzerine doğru düşmeye başlarlar ya da dışarıya doğru kaçacak bir rotaya doğru saparlar. Yani fiziksel bir biçimde sürekli bu kürede kapana kısılmaları pek mümkün değildir.

Gözlemsel Kanıtlar

Kara delikler madem hiçbir ışık saçmıyorlar, saçıyorlarsa da tespit edemeyeceğimiz düzeyde bu işi yapıyorlar, öyleyse varlıklarını nasıl biliyoruz? Çok yerinde bir soru, fakat bir şeyin varlığından haberdar olmak için onu doğrudan görmenize gerek yoktur. Örneğin düdüklü tencereleri ele alalım. Sıkıca kapatılmış bir kaptır aslında bu. İçini göremez, içindeki basınca dair bir ölçüm yapamazsınız. Fakat içindeki basıncın değiştiğini, düdüğünün ötmesi gözlemi sayesinde yapabilirsiniz. Burada “ama kara delikten dışarı bilgi çıkmazken burada çıkıyor” diye haklı olarak düşünebilirsiniz. Fakat burada sözünü etmeye çalıştığımız şey, doğrudan içerinin gözlemi olmamasına rağmen, bir etkinin dışarıdan gözlenebileceğidir.

Kara deliklerde de durum benzerdir. Her ne kadar olay ufkundan itibaren onların ne olduklarına dair bir gözlem yapamasak da, sebep oldukları etkilerin sonuçlarını görebiliyoruz. Bu da bize orada “karanlık bir şeylerin” varlığını doğruluyor. Üstüne üstlük, etkilerin sonuçları üzerinden yaptığımız hesaplarla, nasıl bir şey olduğunu da hesaplayabiliyoruz.

Etrafında Dolanan Yıldızların Hareketi

1995 yılından itibaren, 1998’e kadar astronomlar, Samanyolu’nun merkezindeki bir bölgede yıldızların hareketini inceledi. İncelemeleri sırasında yaptıkları yörünge hesaplarından bu yıldızların, 2.6 milyon Güneş kütlesinde bir şeylerin etrafında dolandığı sonucuna çıkardı. Elbette böylesi devasa kütleye sahip bir cisim ancak bir kara delik olabilirdi [5]. Samanyolu’nun merkezinde yer alan bu cisme, Sagittarius (Yay) takımyıldızında yer alması sebebiyle Sagittarius A* adı verildi.

Sagittarius A* kara deliği etrafında dolanan yıldızların yörünge hareketleri

2009 yılında yapılan daha iyi gözlemler bu karadeliğin 3.6 milyon Güneş kütlesinde olduğunu göstermiştir (önceki hesapla arasındaki fark, hesaplardaki hata paylarından kaynaklanmaktadır, bir uyuşmazlık söz konusu değildir).

Kara Delik Birleşmesi – Gravitasyonel Dalgalar

2015 güz döneminde LIGO gravitasyonel dalga gözlemevi, Einstein’ın yaklaşık 100 yıl kadar öncesinde öne sürdüğü gravitasyonel dalgaların varlığına dair ilk gözlemleri elde ettiğini duyurdu. Elde edilen sinyaller, teorik olarak öngörülenler ile uyuşuyordu. Böylelikle Einstein’ın genel görelilik teorisi ile kara deliklerin varlığı bir kez daha doğrulanmış oldu.

Yapılan gözlemle 36 Güneş kütlesi ve 29 Güneş kütlesinde iki yıldızsal karadeliğin birleştiği hesaplandı. Sonuçta ortaya çıkan karadeliğin kütlesi ise 62 Güneş kütlesindeydi. Aradaki 3 Güneş kütlelik fark, bize ulaşan gravitasyonel dalgalara dönüşmüştü.

Toplanma Diskleri ve Aktif Galaksi Çekirdekleri

Açısal momentumun korunumu ilkesinden dolayı, karadeliğe doğru düşmekte olan gaz, disk benzeri bir yapı oluşturur. Böylesi bir ortamda sürtünme, açısal momentumun dışa doğru aktarılmasına neden olarak, maddenin daha da içeriye sürüklenmesine ve dolayısıyla potansiyel enerjinin salınarak sıcaklığın artmasına neden olacaktır.

Isınan bu gaz, özellikle X-ışını bölgesinde güçlü bir ışıma yapar. Bu ışımalar da teleskoplar tarafından tespit edilebilir (bu olayın, olay ufku dışında olduğunu hatırlatalım). Özellikle kuazarların ve diğer aktif galaksi çekirdeklerinin (AGN’lerin) süper kütleli kara deliklerin etrafındaki böylesine yoğun ve parlak toplanma diskleri sayesinde kendi özelliklerini kazandığı düşünülmektedir. 2011 yılında, ilk defa bir kuazarda süper kütleli karadeliğin etrafındaki toplanma diskinin doğrudan gözlemi yapılarak bu fikir güçlendirilmiştir [6].

Mikromercekleme

Mikromercekleme karadeliğin, parlak bir nesnenin önünden geçerken, arkasındaki nesneden gelen ışığın rotasının, etrafındaki uzay-zaman bükülmesinden etkilenerek merceklenmesi prensibine dayanır. Gravitasyonel merceklenme olayını büyük galaksilerde ve galaksi kümelerinde sıklıkla görülüp üzerinde çalışmalar yapılsa da, mikromercekleme şu anda sınırlanırımızın ötesinde bir gözlem gücü gerektirdiğinden henüz sadece kağıt üzerindeki bir öneridir. Fakat şu zamana kadar yapılan çalışmalar, böylesi bir etkinin mümkün olduğunu ve gözlemin gerçekleşmesinin sadece zaman meselesi olduğunu göstermektedir.

karadelik mercekleme
Samanyolu’nun silüetinin önünden geçen bir karadeliğin, görüntüyü nasıl mercekleyeceğini gösteren sanatsal bir çalışma (gerçek görüntü değildir). Referans: BBC

Hazırlayan: Ögetay Kayalı

Referanslar

1. Carr, B. J. (2005). “Primordial Black Holes: Do They Exist and Are They Useful?”. In Suzuki, H.; Yokoyama, J.; Suto, Y.; Sato, K. Inflating Horizon of Particle Astrophysics and Cosmology. Universal Academy Press. pp. astro–ph/0511743. arXiv:astro-ph/0511743 Freely accessible. Bibcode:2005astro.ph.11743C. ISBN 978-4-946443-94-7.

2. Siegel, Ethan (2017). “Ask Ethan: Do Black Holes Grow Faster Than They Evaporate?”. Forbes (“Starts With A Bang” blog). Retrieved 17 March 2018.

3. Antonucci, R. (1993). “Unified Models for Active Galactic Nuclei and Quasars”. Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 31 (1): 473–521. Bibcode:1993ARA&A..31..473A. doi:10.1146/annurev.aa.31.090193.002353

4. Frautschi, S., 1982. Entropy in an expanding universe. Science, 217(4560), pp.593-599.

5. Gillessen, S.; Eisenhauer, F.; Trippe, S.; et al. (2009). “Monitoring Stellar Orbits around the Massive Black Hole in the Galactic Center”. The Astrophysical Journal. 692 (2): 1075–1109. arXiv:0810.4674 Freely accessible. Bibcode:2009ApJ…692.1075G. doi:10.1088/0004-637X/692/2/1075.

6. Muñoz, José A.; Mediavilla, Evencio; Kochanek, Christopher S.; Falco, Emilio; Mosquera, Ana María (2011-12-01). “A Study of Gravitational Lens Chromaticity with the Hubble Space Telescope”. The Astrophysical Journal. 742 (2): 67. arXiv:1107.5932 Freely accessible. Bibcode:2011ApJ…742…67M. doi:10.1088/0004-637X/742/2/67

7. Misner C. W., Thorne K. S., Wheeler J. A., Gravitation.

8. Boer K.S., Seggewiss W., Stars and Stellar Evolution.

Kapak Görseli: Interstellar (Yıldızlararası) filmi

Etiketler

Ögetay Kayalı

Rasyonalist kurucu, editör ve yazar. Michigan Tech. Üniversitesi Fizik bölümünde araştırma görevlisi olarak doktorasını yapmaktadır. Öncesinde Ege Üni. Astronomi bölümünden birincilikle mezun olup burada bir yıl kozmoloji üzerine yüksek lisans yapmıştır. Ayrıca İzmir Biyotıp ve Genom Enstitüsünde, Moleküler Biyoloji ve Genetik bölümünde bir yıl yüksek lisansını gerçekleştirdiği sırada lazerli biyofotonik görüntüleme teknikleri üzerine çalışmalarda bulunmuştur.

Bir cevap yazın

Başa dön tuşu
Kapalı
Kapalı